CN101976760A - 一种谐振环左手媒质贴片天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种谐振环左手媒质贴片天线，该左手媒质贴片天线包括两个介质基板、金属接地板，金属辐射片和金属馈线，金属接地板固定在第二介质基板的反面，金属辐射片固定在第一介质基板的正面，金属馈线连接金属接地板和金属辐射片，其特征在于，在第一介质基板正面，金属辐射片周围刻有16个谐振环，在第二介质基板正面，也刻有16个谐振环。本发明在贴片的介质基板上加入了左手媒质组合形成贴片天线，对电磁能量的局域化程度有了明显的提高，导致其拥有较高增益，并表现为较低的回波损耗，较好地改善了天线的性能，使得该贴片天线在移动通信、卫星通信以及航空航天等众多领域能更好地得到应用。

Description

一种谐振环左手媒质贴片天线

技术领域

本发明属于通信技术领域，具体涉及左手媒质贴片天线。

背景技术

左手媒质(Left Handed Material，LHM)是一种介电常数和磁导率同时为负的人工电磁媒质，近年来受到国内外研究工作者的广泛关注。由于电磁波在该种媒质中传播时，电场、磁场和波矢量构成左手螺旋定则，故而得名“左手媒质”。左手媒质具有很多有异于普通自然材料的反常特性，如负折射特性、逆多普勒效应、完美棱境等，利用这些特性，可以制作基于左手媒质的高性能天线。它作为一种新型的人工电磁材料，近年来引起了人们极大的研究兴趣。早在1968年V.G.Veselageo就从理论上研究了LHM中的反常电磁现象。2000年，smith等人在实验室首次制造出了微波段的负折射率介质LHM的反常电磁特性展现了它在光与电磁波领域潜在的重要应用价值。

通过对普通的贴片天线的组合形成新的谐振环左手媒质体系后，不难发现，其特性表现为较低的回波损耗和较大的天线增益，从理论的角度分析其原因也是容易理解为：在贴片天线的基底介质上加入了左手媒质结构之后，就会形成电磁(光子)禁带，在禁带频率范围内的电磁波将受到束缚不能向任意方向传播，利用光子晶体的禁带效应，可抑制沿基底底板介质传播的表面波，由此，将减少天线基底对电磁波的吸收，增加电磁波向自由空间的反射能量，从而减少了天线的回波损耗、增加了增益。

发明内容

本发明主要提供一种谐振环左手媒质贴片天线，能大幅度的反射介质基板中的能量，能有效地实现更小的回波损耗和较高的增益特性。

实现本发明的技术方案是：一种谐振环左手媒质贴片天线，包括两个介质基板、一个辐射金属片，辐射金属片固定在第一介质基板上的一个侧面上、一个金属板接地板，印制在第二介质基板的一侧，尺寸和介质基板一样大、一条金属馈线，连接金属辐射片和金属接地板，作为天线电波信号的馈入接口、一组左手材料单元，16个对称的谐振环，刻蚀在第一介质基板正面的辐射片周围，在第二介质基板正面，也刻有16个谐振环。

通过改变谐振环的长度和宽度，对左手材料特性区域的波段进行调节，使其可以覆盖微带天线的工作频段(5.8GHZ-9.6GHZ)。在天线辐射或接收的电磁波激励下，放大对天线接收信号中的倏逝波成分，降低天线的回波损耗，提高天线的增益，改善天线的方向性，提高天线对信号的接收和发射能力。同时，本发明中的左手材料微带天线是经过电路板刻蚀技术实现的，制作工艺简单，材料价格便宜，易于大规模的工业化生产。

本发明与现有的技术相比，具有如下优点：本发明在贴片的介质基板上加入了左手媒质组合形成贴片天线，左手媒质具有很多有异于普通自然材料的反常特性，如负折射特性、逆多普勒效应、完美棱境等。利用这些特性在7.66967GHz频率处产生的电磁波共振态，出现介电常数和磁导率的实部同时为负值，其折射率也是-1的效应大大加强了电磁波共振强度，它使得如此的结构对电磁能量的局域化程度有了明显的提高，导致其拥有较高增益，并表现为较低的回波损耗，较好地改善了天线的性能，使得该贴片天线在移动通信、卫星通信以及航空航天等众多领域能更好地得到应用。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明左手媒质贴片天线正面结构示意图；11，12-介质基板，2-金属接地板，3-辐射金属片，4-金属馈线，51，52-谐振环；

图2是本发明左手媒质贴片侧面图；

图3是本发明左手媒质贴片天线谐振环正面图；

图4是本发明实例中的回波损耗随频率变化分布的示意图；

图5是本发明实例中的增益随角度变化分布的示意图；

图6是本发明实例中的驻波比随频率变化分布的示意图。

具体实施方式：

采用电路板刻蚀技术，如图1所示的微带天线结构中，在介质基板11上分别刻蚀出辐射金属片3和金属馈线4，在介质基板12上刻蚀出金属接地板2。金属馈线4作为天线的电波信号馈入源，连接金属接地板2和辐射金属片3，在介质基板11上，金属辐射片3周围的基板上，刻蚀出16个谐振环。

图2是本发明左手媒质贴片侧面图，可以看出有两层介质基板11和12，在介质基板12上，刻蚀出16个和介质基板11上一样的谐振环。

本发明的微带天线可工作于微波频段(5.8GHZ-9.6GHZ)。介质基板11的厚度可以相应的调整为1.5mm-2.5mm，介质基板12的厚度可以相应的调整为2.5mm-3.5mm，金属接地板2的厚度可以相应的调整0.05mm-0.07mm，金属辐射片3的厚度也可以相应的调整0.05mm-0.07mm。16个谐振环的尺寸也可以相应的调整(图3)。长度L1＝28mm-32mm，L2＝18mm-22mm，L3＝5mm-7mm，L4＝4mm-6mm，宽度D1＝2.5mm-3.5mm，D2＝2.5mm-3.5mm。

通过调整谐振环的尺寸参数实现对左手材料特性区域的控制，可以使得左手特性区域波段包覆天线的工作频段。通过调整尺寸大小，放大对天线接收信号中的倏逝波成分，降低天线的回波损耗，提高天线的增益，改善天线的方向性，提高天线对信号的接收和发射能力。

将上述微带贴片天线用XFDTD仿真软件做测试，XFDTD是由美国REMCOM公司开发的一款基于电磁数值计算方法FDTD(时域有限差分法)的全波三维电磁仿真软件。

XFDTD的主要特点：

1)建立模型和输入FDTD计算参数通过下拉菜单弹出的选项卡，系统自动生成Geometry文件和Project文件。

2)输出的结果可通过XFDTD的界面显示。它可以绘制各类参数曲线，并可以通过快照方式显示系列时间步长的电磁场变化。本专利主要观察回波损耗图，电压驻波比图还有增益图。

3)XFDTD中激励源的设置分为近场源和平面波源两种激励。在大多数天线及微波环路问题中经常使用近场源激励，它包括高斯激励，正弦激励及用户自定义等各种激励源。本专利采用高斯激励求得回波损耗和电压驻波比，用正弦激励求得增益。

4)边界处理可选择PEC，PMC和吸收边界条件，吸收边界条件包括LIAO氏边界条件和完全匹配PML边界。本专利采用完全匹配PML边界以达到最好的效果。

经过仿真得到如图4所示，得到回波损耗s11特性，在频率7.66967GHz处最小回波损耗s11为-29.3923dB，说明了谐振环左手媒质结构能进一步减少回波损耗；

如图5所示，得到增益gain特性，在频率7.66967GHz处最大增益为8.21781dB，说明谐振环左手媒质结构可以较大提高贴片天线的增益；

如图6所示，得到电压驻波比VSWR特性，在频率7.66967GHz处最小电压驻波比为1.07021。

本发明采用电路板刻蚀技术制作天线，天线的中心频率为7.66967GHz。在尺寸为160mm×160mm×2mm的多孔SiLK基板11(介电常数是2.2)上刻蚀出尺寸为16mm×12mm的金属辐射片3。在尺寸为160mm×160mm×3mm的Taconic CER-10基板12(介电常数是10)上，刻蚀出尺寸为160mm×160mm的金属接地板2。在金属辐射片3周围的多孔SiLK基板11上，刻出16个谐振环51。在Taconic CER-10基板12上也刻出16个谐振环52。谐振环外正方形长L1＝30mm，宽D1＝3mm，内正方形长L2＝20mm，宽D2＝3mm；外正方形开口L3＝6mm，内正方形开口L4＝5mm。在辐射金属片下边，刻出长74mm，宽2mm的金属线作为馈线4给辐射金属片3馈电，完成天线的制作。

Claims (2)

1.一种谐振环左手媒质贴片天线，包括介质基板(11，12)、金属接地板(2)，金属辐射片(3)和金属馈线(4)，金属接地板(2)固定在介质基板(12)的反面，金属辐射片(3)固定在介质基板(11)的正面，金属馈线(4)连接金属接地板(2)和金属辐射片(3)。其特征在于：在介质基板(11)正面，金属辐射片(3)周围刻有16个谐振环(51)，在介质基板(12)正面，也刻有16个谐振环(52)。

2.根据权利要求1所述的谐振环左手媒质贴片天线，其特征在于：在第一介质基板上，金属辐射片的周围设有对称的16个谐振环，并且在第二介质基板上也设有对称的16个谐振环。

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