CN101888013A

CN101888013A - C波段负磁导率材料基板圆形零阶谐振器天线

Info

Publication number: CN101888013A
Application number: CN2009100224783A
Authority: CN
Inventors: 赵晓鹏; 汤杭飞
Original assignee: Northwestern Polytechnical University
Current assignee: Northwestern Polytechnical University
Priority date: 2009-05-13
Filing date: 2009-05-13
Publication date: 2010-11-17

Abstract

本发明涉及一种C波段负磁导率材料基板圆形零阶谐振器天线。本发明中的天线包括介质基板、圆形金属辐射贴片、圆形金属接地板、金属化导通孔、负磁导率材料单元和SMA同轴接头。通过加载金属化导通孔与调节金属化导通孔离天线中心点的距离及其孔径，实现了低剖面且全向辐射对称的中心馈电圆形负介电常数零阶谐振器天线。在中心馈电圆形负介电常数零阶谐振器天线的辐射贴片和接地板周围加载负磁导率材料单元，利用负磁导率效应提高天线增益，实现了负磁导率材料基板圆形零阶谐振器天线。本发明天线可在低剖面结构下实现高增益、高对称的全向辐射，且制作工艺简单，成本低，有很高的实用价值和广阔的市场前景。

Description

C波段负磁导率材料基板圆形零阶谐振器天线

技术领域本发明涉及一种C波段负磁导率材料基板圆形零阶谐振器天线，该天线能在低剖面结构下实现高增益、高对称的全向辐射。

背景技术随着科学技术的进步和电子工业的飞速发展，无线电通讯事业发展迅速，给人们的信息交流带来极大的便利。在该领域的高速发展过程中，天线始终占据着十分重要的地位。

全向天线工作时具有很大的服务范围，所以在包括移动和无线局域网络系统在内的无线电通信领域有很高的应用价值。目前，已有应用报道的全向天线主要有偶极子天线、单极天线等，它们结构上都突出于接地面，会导致天线容易受损害，稳定性差，限制了使用范围。近年来利用左右手复合传输线(composite right/left-handed transmission line，CRLH TL)及负介电常数传输线(epsilion-negative TL，ENG TL)在零阶谐振频率处波长无穷大特性制成的零阶谐振器天线，能在低剖面的结构下实现全向辐射，稳定性较好，但是存在全向辐射不对称和增益较低的不足。

发明内容本发明的目的是针对偶极子天线、单极子天线等传统全向天线稳定性差、易受损害的缺点和普通零阶谐振器全向辐射不对称和增益较低的的不足，提供一种C波段负磁导率材料基板圆形零阶谐振器天线，它具有高增益、全向辐射高对称、宽频带、低剖面、结构简单等优点。利用介电常数传输线在零阶谐振频率处波长无穷大特性，通过在圆形的金属贴片和金属接地板之间加载以天线中心点为圆心环形排列的金属化导通孔，实现了结构对称的圆形负介电常数零阶谐振器。在结构对称的圆形零阶谐振器的基础上，利用金属化导通孔对输入阻抗的调节作用，通过调节金属化导通孔离天线中心点的距离及其孔径，使天线中心点输入阻抗与SMA同轴接口阻抗匹配，实现了低剖面且全向辐射对称的中心馈电圆形负介电常数零阶谐振器天线。在中心馈电圆形负介电常数零阶谐振器天线的辐射贴片和接地板周围加载以天线中心点为圆心环形排列的双面刻蚀金属树枝状结构或圆形结构负磁导率材料单元。当电磁波垂直于负磁导率材料结构单元入射时，它在一定的频段内具有负磁导率，出现一个透射禁带。利用负磁导率材料的透射禁带特性，能有效地抑制天线工作时激发的表面波和馈电网络的寄生辐射，提高天线的辐射效率，增强天线增益，改善微带天线性能，从而实现了能够在低剖面结构下实现高增益高对称全向辐射的负磁导率材料基板圆形零阶谐振器天线。

该新型高性能全向天线可工作在C波段。其用于天线的负磁导率材料单元与天线的制备方法一样，均采用印刷电路板制造工艺，与天线一体成型，制备简单，成本低廉，并且该天线全向辐射对称性好，增益高，满足低剖面的结构要求，稳定性好，具有很高的实用价值，应用前景广阔。

附图说明

图1树枝状结构负磁导率材料基板圆形零阶谐振器天线结构示意图。

图2圆形结构负磁导率材料基板圆形零阶谐振器天线结构示意图。

图3本发明的中心馈电圆形负介电常数零阶谐振器天线示意图，其中图(a)为正面图，(b)为背面图。

图4本发明的中心馈电圆形负介电常数零阶谐振器天线尺寸示意图。

图5本发明的树枝状结构负磁导率材料单元示意图。

图6本发明的圆形结构负磁导率材料单元示意图。

图7范例1中树枝状结构负磁导率材料基板圆形零阶谐振器天线示意图，其中图(a)为正面图，(b)为背面图。

图8范例2中圆形结构负磁导率材料基板圆形零阶谐振器天线示意图，其中图(a)为正面图，(b)为背面图。

图9范例1中树枝状结构负磁导率材料基板圆形零阶谐振器天线回波损耗曲线图。

图10范例1中树枝状结构负磁导率材料基板圆形零阶谐振器天线辐射方向图，其中(a)为E图，(b)为H图。

图11范例2中圆形结构负磁导率材料基板圆形零阶谐振器天线回波损耗曲线图。

图12范例3中圆形结构负磁导率材料基板圆形零阶谐振器天线回波损耗曲线图。

图13范例4中树枝状结构负磁导率材料基板圆形零阶谐振器天线回波损耗曲线图。

图14范例5中树枝状结构负磁导率材料基板圆形零阶谐振器天线回波损耗曲线图。

具体实施方式参阅图1和图2，本发明包括介质基板1，圆形金属辐射贴片2，圆形金属接地板3，SMA同轴接头4，金属化导通孔5，负磁导率材料单元6。

采用电路板刻蚀技术制备负磁导率材料基板圆形零阶谐振器天线。采用厚度为0.8mm～2mm的聚四氟乙烯或环氧酚醛玻璃纤维作为天线的介质基板。圆形金属辐射贴片2和圆形金属接地板3分别刻蚀于介质基板1的正反面。在圆形金属贴片2和圆形金属接地板3之间加载一定数量以天线中心点为圆心环形排列的金属化导通孔5，金属化导通孔5垂直贯穿介质基板1，将圆形金属辐射贴片2和圆形金属接地板3导通，为了使天线中心点处的输入阻抗与SMA同轴接头4的阻抗匹配，应该选取合适的金属化导通孔5离天线中心点的距离r_l及金属化导通孔5的半径r_v。SMA同轴接头4安装在天线中心点处，作为天线的电波信号馈入源。在圆形辐射金属贴片2和圆形金属接地板3周围加载一定数量以天线中心点为圆心环形排列的负磁导率材料单元6，负磁导率材料单元6采用双面刻蚀的金属树枝状结构或圆形结构负磁导率材料单元，两面的结构严格对齐，为了使得相邻负磁导率材料单元6中心之间的距离满足负磁导率材料设计的要求，应该选取合适的负磁导率材料单元6的个数及其离天线中心点的距离。通过选取合适的介质基板1(材料和厚度h)，圆形金属辐射贴片2的半径r_p，圆形金属接地板3的半径r_g，金属化导通孔5的个数、半径r_v及其离天线中心点的距离r_l，使中心馈电圆形负介电常数零阶谐振器天线工作在C波段，负磁导率材料单元6的几何尺寸根据天线的工作频率调整。图1和图2分别是树枝状结构负磁导率材料基板零阶谐振器天线结构示意图和圆形结构负磁导率材料基板零阶谐振器天线结构示意图。

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5.16GHz的树枝状结构负磁导率材料基板圆形零阶谐振器天线，如图7所示。选用面积80mm×80mm，厚度1.5mm的聚四氟乙烯(ε＝2.65)作为天线的介质基板1，介质基板1一侧的圆形金属辐射贴片2的半径r_p＝12.3mm，另一侧的圆形金属接地板3的半径r_g＝21.3mm。金属化导通孔5的个数为6，半径r_v＝0.4mm，离天线中心点的距离r_l＝7.63mm。馈电方式采用同轴背馈，SMA同轴接头安装在天线中心点处，作为天线电波信号的馈入接口。对于本实施例工作频率为5.16GHz的中心馈电圆形负介电常数零阶谐振器天线，双面刻蚀的树枝状结构的几何尺寸为：一级分支长度a＝3.3mm，二级分支长度b＝1.7mm，三级分支长度c＝1.7mm，相临两个一级分支间夹角为θ₁＝45°，相临两个二级分支间夹角为θ₂＝45°，相临两个三级分支间夹角为θ₃＝45°，线宽w＝0.8mm，相邻金属树枝状结构负磁导率材料单元中心之间距离为16.0mm。金属树枝状结构负磁导率材料单元的个数为12，金属树枝状结构负磁导率材料单元中心离天线中心点的距离为30.9mm。圆形金属辐射贴片、圆形金属接地板和负磁导率材料单元的金属厚度为0.04mm。图9是本实施例树枝状结构负磁导率材料基板圆形零阶谐振器天线的回波损耗曲线，在5.16GHz，|S₁₁|的峰值为-21.14dB。图10是本实施例天线的E面和H面辐射方向图，其辐射方向图高度对称。本实施例树枝状结构负磁导率材料基板圆形零阶谐振器天线的增益为3.94dBi，而相应的普通材料基板圆形零阶谐振器天线的增益仅为2.06dBi。

实施例二：

采用电路板刻蚀技术，制作中心工作频率为5.16GHz的圆形结构负磁导率材料基板圆形零阶谐振器天线，如图8所示。选用面积100.8mm×100.8mm，厚度1.5mm的聚四氟乙烯(ε＝2.65)作为天线的介质基板1，介质基板1一侧的圆形金属铜辐射贴片2的半径r_p＝16.2mm，另一侧的圆形金属接地板3的半径r_g＝25.3mm。金属化导通孔5的个数为10，半径r_v＝0.4mm，离天线中心点的距离r_l＝11.25mm。馈电方式采用同轴背馈，SMA同轴接头安装在天线中心点处，作为天线电波信号的馈入接口。对于本实施例工作频率为5.16GHz的中心馈电圆形负介电常数零阶谐振器天线，双面刻蚀的圆形结构的几何尺寸为：直径d＝20.4mm，相邻金属圆形结构负磁导率材料单元中心之间距离为22.1mm。金属圆形结构负磁导率材料单元的数量为11，金属圆形结构负磁导率材料单元中心离天线中心的距离为39.2mm。圆形金属辐射贴片、圆形金属接地板和负磁导率材料单元的金属厚度为0.04mm。图11是本实施例圆形结构负磁导率材料基板圆形零阶谐振器天线的回波损耗曲线，在5.16GHz，|S₁₁|的峰值为-32.24dB。本实施例圆形结构负磁导率材料基板圆形零阶谐振器天线的增益为5.21dBi，而相应的普通材料基板圆形零阶谐振器天线的增益仅为3.94dBi。

实施例三：

采用电路板刻蚀技术，制作中心工作频率为5.18GHz的圆形结构负磁导率材料基板圆形零阶谐振器天线。选用面积94mm×94mm，厚度1.5mm的聚四氟乙烯(ε＝2.65)作为天线的介质基板1，介质基板1一侧的圆形金属铜辐射贴片2的半径r_p＝14.5mm，另一侧的圆形金属接地板3的半径r_g＝23.5mm。金属化导通孔5的个数为8，半径r_v＝0.4mm，离天线中心点的距离r_l＝9.86mm。馈电方式采用同轴背馈，SMA同轴接头安装在天线中心点处，作为天线电波信号的馈入接口。对于本实施例工作频率为5.18GHz的中心馈电圆形负介电常数零阶谐振器天线，双面刻蚀的圆形结构的几何尺寸为：直径d＝20.4mm，相邻金属圆形结构负磁导率材料单元中心之间距离为22.1mm。金属圆形结构负磁导率材料结构单元的数量为10，金属圆形结构负磁导率材料结构单元中心离天线中心的距离为35.8mm。圆形金属辐射贴片、圆形金属接地板和负磁导率材料单元的金属厚度为0.03mm。图12是本实施例圆形结构负磁导率材料基板圆形零阶谐振器天线的回波损耗曲线，在5.18GHz，|S₁₁|的峰值为-24.24dB。本实施例圆形结构负磁导率材料基板圆形零阶谐振器天线的增益为5.11dBi，而相应的普通材料基板圆形零阶谐振器天线的增益仅为3.35dBi。

实施例四：

采用电路板刻蚀技术，制作中心工作频率为6.58GHz的树枝状结构负磁导率材料基板圆形零阶谐振器天线。选用面积70mm×70mm，厚度1.0mm的聚四氟乙烯(ε＝2.65)作为天线的介质基板1，介质基板1一侧的圆形金属铜辐射贴片2的半径r_p＝12.8mm，另一侧的圆形金属接地板3的半径r_g＝19.6mm。金属化导通孔5的个数为10，半径r_v＝0.3mm，离天线中心点的距离r_l＝8.70mm。馈电方式采用同轴背馈，SMA同轴接头安装在天线中心点处，作为天线电波信号的馈入接口。对于本实施例工作频率为6.58GHz的中心馈电圆形负介电常数零阶谐振器天线，双面刻蚀的树枝状结构的几何尺寸为：一级分支长度a＝2.7mm，二级分支长度b＝1.3mm，三级分支长度c＝1.3mm，相临两个一级分支间夹角为θ₁＝45°，相临两个二级分支间夹角为θ₂＝45°，相临两个三级分支间夹角为θ₃＝45°，线宽w＝0.6mm，相邻金属树枝状结构负磁导率材料单元中心之间距离为13.4mm。金属树枝状结构负磁导率材料单元的数量为13，金属树枝状结构负磁导率材料单元中心离天线中心的距离为27.16mm。圆形金属辐射贴片、圆形金属接地板和负磁导率材料单元的金属厚度为0.04mm。图13是本实施例树枝状结构负磁导率材料圆形基板零阶谐振器天线的回波损耗曲线，在6.58GHz，|S₁₁|的峰值为-35.18dB。本实施例树枝状结构负磁导率材料基板圆形零阶谐振器天线的增益为4.57dBi，而相应的普通材料基板圆形零阶谐振器天线的增益仅为3.92dBi。

实施例五：

采用电路板刻蚀技术，制作中心工作频率为7.17GHz的树枝状结构负磁导率材料基板圆形零阶谐振器天线。选用面积66mm×66mm，厚度1.0mm的环氧酚醛玻璃纤维(ε＝4.9)作为天线的介质基板1，介质基板1一侧的圆形金属铜辐射贴片2的半径r_p＝11.2mm，另一侧的圆形金属接地板3的半径r_g＝17.5mm。金属化导通孔5的个数为12，半径r_v＝0.5mm，离天线中心点的距离r_l＝7.67mm。馈电方式采用同轴背馈，SMA同轴接头安装在天线中心点处，作为天线电波信号的馈入接口。对于本实施例工作频率为7.17GHz的中心馈电圆形负介电常数零阶谐振器天线，双面刻蚀的树枝状结构的几何尺寸为：一级分支长度a＝2.9mm，二级分支长度b＝1.5mm，三级分支长度c＝1.5mm，相临两个一级分支间夹角为θ₁＝45°，相临两个二级分支间夹角为θ₂＝45°，相临两个三级分支间夹角为θ₃＝45°，线宽w＝0.5mm，相邻金属树枝状结构负磁导率材料单元中心之间距离为14.1mm。采用金属树枝状结构负磁导率材料单元的数量为11，金属树枝状结构负磁导率材料单元中心离天线中心的距离为25mm。圆形金属辐射贴片、圆形金属接地板和负磁导率材料单元的金属厚度为0.02mm。图14是本实施例树枝状结构负磁导率材料基板圆形零阶谐振器天线的回波损耗曲线，在7.17GHz，|S₁₁|的峰值为-17.64dB。本实施例树枝状结构负磁导率材料基板圆形零阶谐振器天线的增益为4.60dBi，而相应的普通材料基板圆形零阶谐振器天线的增益仅为3.41dBi。

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C波段负磁导率材料基板圆形零阶谐振器天线，组成包括：介质基板、圆形金属辐射贴片、圆形金属接地板、金属化导通孔、负磁导率材料单元和SMA同轴接头，其主要特征是在圆形零阶谐振器天线的辐射贴片和接地板周围加载一定数量以天线中心点为圆心环形排列的负磁导率材料单元。

2.如权利要求1所述的C波段负磁导率材料基板圆形零阶谐振器天线，其特征是用于天线的负磁导率材料单元采用双面刻蚀的金属树枝状结构或圆形结构负磁导率材料单元，两面的结构严格对齐。

3.如权利要求2所述的双面刻蚀的金属树枝状结构或圆形结构负磁导率材料单元，其特征是金属树枝状结构的几何参数为：一级分支长度a＝2mm～5mm，二级分支长度b＝1mm～3mm，三级分支长度c＝1mm～3mm，相邻各级分支间夹角θ₁＝θ₂＝θ₃＝45°，线宽w＝0.3mm～1.0mm，相邻的金属树枝状结构负磁导率材料单元中心之间距离为8mm～20mm；金属圆形结构的几何参数为：直径d＝6mm～28mm，相邻的金属圆形结构负磁导率材料单元中心之间距离为13mm～35mm。

4.如权利要求1所述的C波段负磁导率材料基板圆形零阶谐振器天线，其特征是圆形零阶谐振天线采用中心馈电圆形负介电常数零阶谐振器天线。

5.如权利要求4所述的中心馈电圆形负介电常数零阶谐振器天线，其特征是圆形金属辐射贴片和圆形金属接地板位于介质基板两侧，两者的圆心严格对齐，圆形金属辐射贴片的半径为5mm～25mm，圆形金属接地板的半径为7mm～40mm，辐射贴片大于接地板；在辐射贴片和接地板之间加载以天线中心点为圆心环形排列的金属化导通孔，金属化导通孔垂直贯穿介质基板，两端分别与辐射贴片和接地板相连，金属化导通孔的半径为0.15mm～1.0mm，内壁所附的金属镀层厚度为0.05mm～0.2mm，金属化导通孔的个数为3～14个；馈电方式采用同轴背馈，SMA同轴接头安装在天线中心点处，作为天线电波信号的馈入接口。

6.如权利要求1所述的C波段负磁导率材料基板圆形零阶谐振器天线，其特征是介质基板为厚度0.8mm～2.0mm的聚四氟乙烯或环氧酚醛玻璃纤维，圆形金属辐射贴片、圆形金属接地板和负磁导率材料单元的金属厚度为0.01mm～0.08mm。