CN101626108A

CN101626108A - 一种2～3GHz频段的负磁导率材料微带天线

Info

Publication number: CN101626108A
Application number: CN200810150314A
Authority: CN
Inventors: 赵晓鹏; 朱忠奎; 史亚龙; 纪宁; 罗春荣
Original assignee: Northwestern Polytechnical University
Current assignee: Northwestern Polytechnical University
Priority date: 2008-07-11
Filing date: 2008-07-11
Publication date: 2010-01-13

Abstract

本发明涉及一种2～3GHz频段的负磁导率材料微带天线，特别涉及一种带有双面树枝结构的负磁导率材料的微带天线。本发明中的微带天线包括介质基板、刻蚀在介质基板两侧的金属辐射贴片和金属接地板；SMA接头连接金属辐射贴片和金属接地板，并作为天线电波信号的馈入接口。在金属辐射贴片和金属接地板周围的空白处双面刻蚀周期性排列的树枝状结构单元阵列。当电磁波垂直入射时，利用双面树枝状结构产生的负磁导率效应，可以改善微带天线的发射效率和方向性，提高天线的增益。

Description

一种2～3GHz频段的负磁导率材料微带天线

技术领域

本发明涉及一种2～3GHz频段的负磁导率微带天线，这种微带天线是通过一种在基板双面刻有树枝状结构负磁导率材料来改善天线的性能，特别是改善了天线的辐射效率、增益和方向性。

背景技术

普通的微带天线是由具有一定厚度的介质板、金属接地板及辐射贴片三部分组成。一般情况下，采用同轴线或微带线馈电，在辐射贴片和金属接地板之间的缝隙激励起电磁场，并通过贴片与导体接地板之间的缝隙向外辐射电磁波能量。与其它天线相比，微带天线有很多优点：体积小、重量轻、剖面低、易于做成平面结构、成本低；通过简单馈电易于实现线极化和圆极化；天线的散射接口较小；易于实现双频双极化等等，因而被广泛应用于卫星通讯和便携式电子装置。但是微带天线自身的结构特点，导致其也存在一些缺点：频带窄；有导体和介质损耗，因而增益较低；功率容量较小；馈线与辐射元之间的隔离差；可能存在表面波；性能受介质板材料的影响很大。

近几年来，负磁导率超材料的提出，有望应用于微波器件、滤波器、天线等方面。负磁导率材料是一种人工复合而成的超材料，在电磁波入射情况下，这种材料的透射在一定的频段内会出现一个禁带，在这个禁带所对应的频率范围内，材料的磁导率为负。目前，负磁导率材料几乎都是通过类似于开口谐振环这种结构来实现的，也有一些是通过网状结构实现磁导率为负。我们设计了一种新型的负磁导率材料，这种材料是通过将树枝结构单元周期性地刻蚀在介质板正反面上制备而成，当电磁波垂直入射时，这种材料在一定频段内磁导率为负。利用这种负磁效应可以改善天线的性能，因此在天线上将有着广阔的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于针对普通微带天线辐射效率低，增益低，方向性差等缺点，提供一种负磁导率材料为基板的微带天线。利用负磁导率材料对一定频率的电磁波有抑制作用，从而可以抑制天线的表面波，减小天线副瓣，使天线方向性更集中，提高天线增益，改善天线性能。本发明的负磁导率材料微带天线可工作频率2～3GHz。

本发明的负磁导率微带天线包括：介质基板；辐射金属片，刻蚀在介质基板上；金属接地板，刻蚀在介质基板的另一面上；SMA同轴接头，其金属探针与金属片相连，同轴底座内导体与金属探针相连，外导体与金属接地板相连，以作为天线电波信号的输入端；树枝状结构周期性地刻蚀在天线辐射面的金属贴片和金属接地板周围。通过调整树枝结构的尺寸参数对负磁导率材料的负磁特性区域频段进行调节，使其覆盖微带天线的工作频段。同时，本发明中的负磁导率材料微带天线，可通过电路板刻蚀技术实现，工艺简单，适合大规模工业化生产。

附图说明

图1本发明的负磁导率材料微带天线结构图

图2本发明的树枝状负磁导率结构单元示意图

图3本发明的树枝状负磁导率材料的样品图

图4.(a)本发明的树枝状负磁导率微带天线的正面结构示意图

图4.(b)本发明的树枝状负磁导率微带天线的反面结构示意图

图5本发明普的天线与通天线的回波损耗对比图

图6本发明的天线与普通天线的E面对比图

图7本发明的天线与普通天线的H面对比图

具体实施方式

采用电路板刻蚀技术制备树枝状负磁导率微带天线，选用厚度为1.5mm的聚四氟乙烯材料作为天线的介质基板，在其一面刻蚀一定形状的金属辐射贴片，另一面刻蚀一个正方形的金属片，作为天线接地板，采用同轴馈电，SMA同轴接头连接金属辐射片和金属接地板，并作为天线的信号馈入源，负磁导率材料微带天线如图4。在辐射贴片周围和金属接地板的空白介质基板上刻蚀周期排列的金属树枝状结构单元阵列，制备成树枝状结构负磁导率微带天线。树枝从中心向外围的各级分支长度分别为：一级分支长度a＝5.5mm～8.3mm，二级分支长度和三级分支长度相等，即：b＝c＝2.8mm～4.2mm，相临各级分支间的夹角范围为θ₁＝θ₂＝θ₃＝30°～60°，W＝0.3mm～1.2mm，单元晶格常数d＝24.6mm～36.9mm，树枝结构单元的金属厚度t＝0.01mm～0.08mm，图2是树枝状结构负磁导率材料的结构单元图。图3是周期性排列的树枝状负磁导率材料结构图。图4.(a)为所制备的树枝状结构负磁导率材料微带天线的正面结构示意图。图4(b)为所制备的树枝状结构负磁导率材料微带天线的反面结构示意图。

通过调整树枝状结构的外形尺寸参数(树枝各级长度，夹角，线宽，晶格常数等)实现对负磁导率材料区域波段的调控。保证负磁导率特性区域波段包覆天线的工作频段。通过负磁导率材料对天线表面波的抑制，减小天线副瓣，使天线方向性更集中，提高天线增益，改善天线性能。

本发明的实现过程和材料的性能由实施例和附图说明：

实施例一：

采用电路板刻蚀技术，制作中心工作频率为2.64GHz的树枝状负磁导率材料微带天线。负磁导率材料微带天线天线如图1所示，选用面积为200mm×200mm，厚度为1.5mm的聚四氟乙烯材料(ε＝2.65)作为天线的介质基板1，介质基板1一侧的金属铜辐射贴片2的大小为42mm×33.8mm，另一侧的正方形金属铜片4的大小60mm×60mm，作为接地板4，采用同轴馈电，SMA同轴接头3连接金属辐射片2和金属接地板4，并作为天线的信号馈入源。图4是负磁导率材料微带天线，在辐射贴片和金属接地板的周围都刻蚀周期排列金属铜树枝状结构单元阵列5，对于本实施例负磁导率微带天线，树枝状结构的几何尺寸为：一级分支长度a＝6.3mm，二级分支长度和三级分支长度b＝c＝3.2mm，相临各级分支间的夹角为θ₁＝θ₂＝θ₃＝45°，线宽w＝1.2mm，晶格常数d＝28mm，金属厚度t＝0.03mm。图4(a)为所制备的树枝状结构负磁导率材料微带天线的正面结构示意图。图4.(b)为所制备的树枝状结构负磁导率材料微带天线的反面结构示意图。图5为树枝状负磁导率材料微带天线与普通天线的回波损耗对比图。由图5可见，树枝状负磁导率材料微带天线相比普通天线的中心频率几乎没有发生改变。图6为树枝状负磁导率材料微带天线与普通天线的E面对比图。由图6可见，树枝状负磁导率材料微带天线相比普通天线，E面的方向性有所改善，3dB角收缩了18°，增益提高了2.19dB。图7为树枝状负磁导率材料微带天线与普通天线的H面对比图。由图7可见，树枝状负磁导率材料微带天线相比普通天线，H面的方向性有所改善，3dB角收缩了13°，增益提高了1.7dB。由此可见，树枝状负磁导率材料微带天线的性能得到了很大的改善。，

实施例二：

与实施例一相似，采用电路板刻蚀技术制作中心工作频率为2.85GHz的树枝状结构负磁导率材料微带天线。选用面积为180mm×180mm，厚度为1mm的聚乙烯材料(ε＝2.3)作为天线的介质基板，介质基板一侧的金属铜片辐射贴片大小为38.4mm×29.8mm，另一侧的正方形金属铜片的大小50mm×50mm，作为天线接地板，采用同轴馈电，SMA同轴接头连接金属辐射片和金属接地板，并作为天线的信号馈入源。铜表面镀锡防止氧化。在辐射贴片和金属接地板的周围都刻蚀周期排列铜镀锡树枝状结构单元阵列，对于本实施例工作频率为2.85GHz的负磁导率微带天线，树枝状结构的几何尺寸为：一级分支长度a＝5.84mm，二级分支长度和三级分支长度b＝c＝2.96mm，相临各级分支间的夹角为θ₁＝θ₂＝θ₃＝60°，线宽w＝0.8mm，晶格常数d＝25.93mm，金属厚度t＝0.04mm。图4(a)为所制备的树枝状结构负磁导率材料微带天线的正面结构示意图。图4.(b)为所制备的树枝状结构负磁导率材料微带天线的反面结构示意图。

实施例三

与实施例一和二相似，采用电路板刻蚀技术制作中心工作频率为2.45GHz的树枝状结构负磁导率材料微带天线。选用面积为侧的金属铜220mm×220mm，厚度为0.8mm的环氧玻璃布材料(ε＝4.6)作为天线的介质基板，介质基板一辐射贴片大小为44.38mm×35.67mm，另一侧的正方形金属铜片的大小65mm×65mm，作为天线接地板，采用同轴馈电，SMA同轴接头连接金属辐射片和金属接地板，并作为天线的信号馈入源。铜表面镀银防止氧化。在辐射贴片和金属接地板的周围都刻蚀周期排列金属铜镀银树枝状结构单元阵列。对于本实施例工作频率为2.45GHz的负磁导率微带天线，树枝状结构的几何尺寸为：一级分支长度a＝6.78mm，，二级分支长度和三级分支长度b＝c＝3.45mm，相临各级分支间的夹角为θ₁＝θ₂＝θ₃＝30°，线宽w＝0.3mm，晶格常数d＝30.17mm，金属厚度t＝0.03mm。图4(a)为所制备的树枝状结构负磁导率材料微带天线的正面结构示意图。图4.(b)为所制备的树枝状结构负磁导率材料微带天线的反面结构示意图。

以上所述，仅为本发明的优选实施例，当不能以此限定本发明实施的范围，即大凡依本发明权利要求及发明说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，皆应仍属本发明专利覆盖的范围内。

Claims

1.一种2～3GHz频段的负磁导率材料微带天线，具体结构包括：介质基板、金属辐射贴片、金属接地板、SMA同轴接头，其主要特征是在普通微带天线的介质基板正反面刻蚀周期性排列的金属树枝状结构单元阵列，正反面的树枝状结构单元严格对齐。

2.如权利要求1所述的一种2～3GHz频段的负磁导率材料微带天线，其特征是用于微带天线的树枝状结构负磁导率材料的单元几何参数为：一级分支长度a＝5.5mm～8.3mm，二级分支长度和三级分支长度相等，即：b＝c＝2.8mm～4.2mm，相临各级分支间的夹角为θ₁＝θ₂＝θ₃＝30°～60°，W＝0.3mm～1.2mm，单元晶格常数d＝24.6mm～36.9mm，树枝结构单元的金属厚度t＝0.01mm～0.08mm。

3.如权利要求1所述的一种2～3GHz频段的负磁导率材料微带天线，其特征是在厚度为0.8mm～3mm的介质材料双面上刻蚀周期性排列的金属树枝状结构单元阵列，介质板为聚四氟乙烯，环氧玻璃布，聚乙烯材料，树枝结构单元所用的金属为铜、铜镀锡、铜镀银。

4.如权利要求1所述的一种2～3GHz频段的负磁导率材料微带天线，其特征在于制作过程包括以下几个步骤：

(1)采用电路板刻蚀技术，在介质基板两侧分别刻蚀出金属接地板和金属辐射贴片，并在微带天线的正、反面围绕金属辐射片、金属接地板的空白介质基板上刻蚀周期排列的树枝状结构单元阵列，且正反面的树枝状结构单元严格对正。

(2)选取馈电点，通过SMA接头连接金属地板和辐射片。