CN101976761A - 一种左手媒质贴片天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种左手媒质贴片天线，该左手媒质贴片天线包括介质基板、金属接地板，金属辐射片和金属馈线，金属接地板固定在介质基板的反面，金属辐射片固定在介质基板的正面，金属馈线连接金属接地板和金属辐射片。其特征在于：在介质基板正面，金属辐射片周围刻有两个横向孔和一个纵向孔，这三个孔相互连通形成工字型，在纵向孔的两侧对称设有若干个I型孔。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，并拥有较高增益，较低的回波损耗，很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得到比较广泛的应用。

Description

一种左手媒质贴片天线

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

大自然中，所有材料的介电常数和磁导率都为正，这类材料亦被称作符合右手定则材料(Right-Handed Material，RHM)，原因是通过该材料电磁场的电场矢量、磁场矢量、波矢量成右手定则。但是，负介电常数和负磁导率材料可以通过人工制作而成，人们称之为左手媒质或左手材料(Left-Handed Metamaterial，LHM)。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。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。

发明内容

本发明主要提供一种左手媒质贴片天线，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：一种左手媒质贴片天线，包括一个介质基板、一个辐射金属片，辐射金属片固定在介质基板上的一个侧面上，一个金属板接地板，印制在介质基板的另一侧，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，包括两个横向孔和一个纵向孔，这三个孔相互连通形成“工”字型，在纵向孔两侧对称设有若干个I型孔，刻蚀在介质基板正面的辐射片周围。

通过改变两个横向孔、一个纵向孔和I型孔的长度和宽度，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(2.45GHZ-5.8GHZ)。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2.96328GHz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，并拥有较高增益，表现为较低的回波损耗，能很好地改善天线的性能，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；1-介质基板，2-金属接地板，3-辐射金属片，4-金属馈线，51，52-横向孔，53-纵向孔，6-I型孔；

图2是本发明是左手媒质贴片天线横向孔51，52和纵向孔53组合的“工”字型正面图；

图3是本发明左手媒质贴片天线I型孔6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1上分别刻蚀出金属接地板2、辐射金属片3和金属馈线4，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，在金属辐射片3周围的基板上，也刻出两个横向孔51，52和一个纵向孔53，这三个孔相互连通形成“工”字型，在纵向孔53的两侧刻出对称的若干I型孔6。

本发明的微带天线可工作于微波频段(2.45GHZ-5.8GHZ)。介质基板1的厚度可以相应的调整为6mm-8mm，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。两个横向孔51，52，一个纵向孔53和I型孔6的尺寸也可以做相应的调整(图2、图3)。长度L1＝318mm-322mm，L2＝276mm-280mm，L3＝103mm-107mm，L4＝302mm-306mm，L5＝16mm-17mm，宽度D1＝15mm-17mm，D2＝15mm-17mm，D3＝3mm-5mm。

通过调整I型孔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。本专利选取介电常数是10的Taconic CER-10材料。综观整片板材，Taconic制造的材料板厚均匀，介电常数精确，介电损耗低而均衡。Taconic板材能经受裁板、钻孔、机械加工、镀铜和落料等工序。实际上，Taconic板材有很出色的尺寸稳定性，同时也不易与其它化学品材料发生反应。

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，电压驻波比图和增益图。

3)在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2.96328GHz处最小回波损耗s11为-27.2491dB；

如图5所示，得到增益gain特性，在频率2.96328GHz处最大增益为8.58076dB；

如图6所示，得到电压驻波比VSWR特性，在频率2.96328GHz处最小电压驻波比为1.09075。

本发明采用电路板刻蚀技术制作天线，天线的中心频率为2.96328GHz。在尺寸为360mm×360mm×8mm的Taconic CER-10基板1(介电常数是10)上，分别刻蚀出尺寸为360mm×360mm的金属接地板2和尺寸为26mm×16mm的金属辐射片3。在金属辐射片3周围的Taconic CER-10基板1上，也刻出两个横向孔51，52和一个纵向孔53，这三个孔相互连通形成“工”字型，在纵向孔53的两侧刻出对称的若干I型孔6。其中横向孔51，52长L1＝320mm，宽D1＝16mm，纵向孔53长L2＝278mm，宽D2＝16mm；对称的I型孔6长L5＝16mm，宽D3＝4mm。在辐射金属片右边，刻出长168mm，宽4.7mm的金属线作为馈线4给辐射金属片2馈电，完成天线的制作。

Claims (2)

1.一种左手媒质贴片天线，包括介质基板(1)、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(1)的反面，金属辐射片(3)固定在介质基板(1)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(1)正面，金属辐射片(3)周围刻有两个横向孔(51、52)和一个纵向孔(53)，这三个孔相互连通形成工字型，在纵向孔(53)的两侧对称设有若干个I型孔(6)。

2.根据权利要求1所述的左手媒质贴片天线，其特征在于，在纵向孔的两侧设有对称的两排I型孔。

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