CN102074801A

CN102074801A - 基于铁电介质谐振器覆层的微带天线

Info

Publication number: CN102074801A
Application number: CN2011100051796A
Authority: CN
Inventors: 张富利; 张卫红
Original assignee: Northwestern Polytechnical University
Current assignee: Northwestern Polytechnical University
Priority date: 2011-01-06
Filing date: 2011-01-06
Publication date: 2011-05-25

Abstract

本发明公开一种基于铁电介质谐振器覆层的微带天线，用于解决现有的微带天线增益低的技术问题。技术方案是采用厚度小于底面尺寸的介质谐振器实现对垂直入射和侧向辐射电磁波响应频率的分离，将其置于天线覆层内实现对天线侧向辐射的抑制，特别是介质谐振器的底面为正方形或圆形，具有高度的结构对称性，对侧向辐射波进行全面抑制进而大幅改善天线的方向性，天线的增益最大程度提高了4.8dB。

Description

基于铁电介质谐振器覆层的微带天线

技术领域

本发明涉及一种微带天线，具体来说是一种基于铁电介质谐振器覆层的微带天线。

背景技术

微带天线具有抛面薄、体积小、重量轻，易与载体表面共形等优点，在卫星通信、雷达、遥感等方面得到了广泛应用。然而，微带天线通过金属贴片向空间自由辐射能量，带来了方向性差、增益低等缺点。

参照图7，文献“Investigation of anisotropic negative permeability medium cover forpatch antenna”IET Microwaves，Antennas & Propagation，vol.2，no.7，pp.737-744，(2008)公开一种利用天线覆层对微带天线辐射场控制的手段。该天线覆层在辐射金属片3上方的覆铜板2加工周期排列的开口谐振环73。在天线发射的电磁波激励下，开口谐振环发生谐振并对天线侧向辐射进行抑制，进而提高天线增益4dB，但只达到7.62dB。然而，由于开口谐振环结构的不对称型，仅能对特定极化的电磁波进行抑制，这必然对微带天线性能的提高形成制约。

铁电介质谐振器是一种新型人工周期材料，文献“Experimental Demonstration ofIsotropic Negative Permeability in a Three-Dimensional Dielectric Composite”，PhyscialReview Letters，vol.101，no.2，p.027402，(2008)报道周期排列高介电常数的铁电介质颗粒在入射电磁波的激励下可发生Mie谐振。在谐振频率附近，电磁波无法通过而形成透射禁带，表现出优异的对电磁波的调控性能。

发明内容

为了克服现有的微带天线方向性差、增益低的不足，本发明提供一种基于铁电介质谐振器覆层的微带天线。通过将铁电介质谐振器置于天线覆层内对电磁波的侧向辐射进行抑制，铁电介质谐振器底面为圆形或正方形使铁电介质谐振器对各种侧向辐射电磁波进行有效抑制，从而最大程度地提高天线的增益。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种基于铁电介质谐振器覆层的微带天线，包括覆铜板2、辐射金属片3，其特点是，还包括金属地板1、微带馈线4、阻抗转换线5、介质谐振器6、聚四氟乙烯板7和连接棒8，所述的覆铜板2一面为金属地板1，另一面刻蚀有辐射金属片3、微带馈线4和阻抗转换线5，辐射金属片3与微带馈线4和阻抗转换线5两端分别连接；所述的聚四氟乙烯板7含周期排列的孔阵列，孔与介质谐振器6外形相同且等大，介质谐振器6填充入孔内形成含铁电介质谐振器的天线覆层；将聚四氟乙烯板7置于覆铜板2含辐射金属片面的上方并通过连接棒8与覆铜板2连为一体。

所述介质谐振器6的材料是钛酸锶钡，相对介电常数为100～600。

所述介质谐振器6的厚度小于底面长方体或圆柱体的尺寸。

所述介质谐振器6是长方体时，边长l＝1.20～3.00mm，厚度h＝0.30～1.00mm。

所述介质谐振器6是圆柱体时，底面半径R＝0.60～1.75mm，厚度h＝0.30～1.00mm。

所述的连接棒8为聚氯乙烯树脂圆棒。

本发明的有益效果是：由于通过将铁电介质谐振器置于天线覆层内对电磁波的侧向辐射进行抑制，铁电介质谐振器底面为圆形或正方形使铁电介质谐振器对各种侧向辐射电磁波进行有效抑制，具有高介电常数的铁电介质颗粒在电磁波激励下可发生多级Mie谐振，且在谐振频段附近形成电磁波透射禁带。将这种介质颗粒组成的介质谐振器嵌入聚四氟乙烯板中形成天线覆层，利用介质谐振器在谐振频段的禁带效应抑制天线的侧向辐射，收窄天线辐射波束进而实现天线方向性的改善和天线增益的提高。所述的铁电介质谐振器底面为圆形或正方形，具有高度的结构的对称性，对侧向辐射波进行全面抑制进而改善天线的方向性，天线的增益由背景技术的7.62dB提高到12.42dB，提高了4.8dB。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。

附图说明

图1本发明中基于铁电介质谐振器覆层的微带天线立体图。

图2图1中介质谐振器是长方体时的单元放大图。

图3图1中介质谐振器是圆柱体时的单元放大图。

图4实施例1中介质谐振器是长方体(l＝2.2mm，h＝0.5mm)时，对不同入射方向电磁波的透射波谱。

图5实施例1基于铁电介质谐振器覆层的微带天线与未加置铁电介质谐振器覆层的微带天线远场方向比较图。

图6实施例2基于铁电介质谐振器覆层的微带天线立体图。

图7背景技术中含开口谐振环天线覆层的微带天线立体图。

图中，1-金属地板，2-覆铜板，3-辐射金属片，4-微带馈线，5-阻抗转换线，6-介质谐振器，7-聚四氟乙烯板，8-连接棒，41-含铁电介质谐振器覆层的微带天线远场辐射方向图，42-未加置铁电介质谐振器覆层的微带天线远场方向图，73-开口谐振环。

具体实施方式

本发明提供的基于铁电介质谐振器覆层的微带天线包括覆铜板2、介质谐振器6和聚四氟乙烯板7；覆铜板2一面为金属地板1，另一面刻蚀有辐射金属片3、微带馈线4、阻抗转换线5，辐射金属片3和微带馈线4分别与阻抗转换线5两端相连；介质谐振器6是厚度小于底面尺寸的铁电陶瓷颗粒；聚四氟乙烯板7上机加工有孔阵列，孔与介质谐振器6底面外形相同且等大，呈周期排列，将介质谐振器6填充入聚四氟乙烯板7的孔内形成含介质谐振器6的天线覆层；利用连接棒8将聚四氟乙烯板7和覆铜板2连接得到基于铁电介质谐振器覆层的微带天线。

基于铁电介质谐振器覆层的微带天线，采用厚度远小于底面尺寸的高介电常数的铁电陶瓷颗粒形成铁电介质谐振器6，由于铁电介质谐振器6的厚度和底面尺寸不同实现对侧向入射电磁波抑制而对垂直入射波无响应的功能，本发明的核心在于介质谐振器的底面为正方形或圆形等对称结构，可以对不同方向的侧向辐射进行全面抑制，从而最大限度地改善天线辐射的方向性和提高增益。

在入射电磁波磁场分量激励下，高介电常数的铁电介质谐振器可发生Mie谐振形成透射禁带。相关谐振频率取决于介质颗粒的尺寸、介电常数等因素。通过采用厚度远小于底面尺寸的薄片介质谐振器，实现其对侧向、垂直入射电磁波的谐振频率的分离，即在某一频段内侧向入射电磁波受介质谐振器的抑制作用无法通过而沿垂直方向入射的电磁波却可全波透射；将所述的铁电介质谐振器覆层置于微带天线上方，调节介质谐振器外形、尺寸和介电常数使其对侧向入射电磁波谐振频段恰好覆盖微带天线有效工作区域而对垂直入射的电磁波响应频率则远离微带天线的工作波段，实现对微带天线侧向辐射的抑制；铁电介质谐振器的底面为正方形或圆形，满足在侧平面内对不同辐射方向的电磁波的抑制需求，进而大幅提高天线的增益。

本发明中所述的微带天线加工首先选用覆铜板2作为天线基板。利用电路板印刷技术直接将金属地板1、辐射金属片3、微带馈线4、波长阻抗转换线5蚀刻于覆铜板2上，其中金属地板1位于覆铜板2的一面，辐射金属片3、微带馈线4、阻抗转换线5位于覆铜板2的另一面。

铁电介质谐振器6由高介电常数的钛酸锶钡(BaSrTiO₃)陶瓷颗粒组成，外形为厚度小于底面尺寸的长方体或圆柱体，其对侧向辐射和垂直辐射电磁波的响应频率不同。铁电介质谐振器的底面为正方形或圆形，满足在侧平面内对不同辐射方向的电磁波的抑制需求。铁电介质谐振器的介电常数、尺寸和晶格常数根据天线工作频率不同可进行调整，以保证天线工作频段位于介质谐振器在侧向辐射激励下形成的禁带区域内。如对于工作在8～12GHz的微带天线，铁电介质谐振器介电常数为100～600，厚度为h＝0.30～1.00mm，横截面为边长l＝1.20～3.00mm的正方形或半径为R＝0.60～1.75mm圆形。

在聚四氟乙烯板7机加工出周期为3.00～5.00mm的正方形排布的孔阵列。将介质谐振器6嵌入聚四氟乙烯板7孔阵列中，制得具有对侧向辐射响应的含铁电介质谐振器的天线覆层。采用透波性能较好聚氯乙烯树脂(PVC)制成连接棒8，将聚四氟乙烯板7和覆铜板2连为一体，从而制得含有铁电介质谐振器覆层的微带天线。

应用实施例1：利用电路板印刷技术在厚度为1.50mm的覆铜板2(ε_r＝2.65)上两个面上分别刻蚀出金属地板1、辐射金属片3、微带馈线4和阻抗转换线5，其中金属地板1位于覆铜板2的一面，辐射金属片3、微带馈线4和阻抗转换线5位于覆铜板2的另一面，辐射金属片3、微带馈线4分别与阻抗转换线5的两端相连。辐射金属片3的尺寸为7.90×7.90mm²，微带天线中心工作频率为10.1GHz。选用介电常数为ε_r＝194的钛酸锶钡(BaSrTiO₃)铁电陶瓷块材，利用数控机床加工为底面为2.20×2.20mm²，厚度h＝1.00mm的长方形块体，获得铁电介质谐振器6。在厚度为2.00mm的聚四氟乙烯板7(ε_r＝2.1)上机加工与铁电介质谐振器底面尺寸相同的方孔阵列，方孔以晶格常数为4.00mm呈正方形排布，将铁电介质谐振器6嵌入聚四氟乙烯板7中，得到含有铁电介质谐振器的天线覆层。聚四氟乙烯板7与覆铜板2的间距为15.00mm，通过聚氯乙烯树脂(PVC)圆棒8连接聚四氟乙烯板7和覆铜板2，完成基于铁电介质谐振器覆层的微带天线的制作。

该覆层的透射率随电磁波入射角度变化规律如图4所示。图中入射角度θ是以覆层表面法线方向为基准，即θ＝0°表示电磁波垂直入射天线覆层上。可以看出，铁电介质谐振器对垂直入射电磁无响应且插入损耗极小。随着入射角度的增大，即电磁波由垂直入射逐渐转向侧向辐射时，在10.1GHz出现了透射禁带，且禁带强度随入射角度的增大而逐渐增大，表明铁电介质谐振器在该频点处发生了强谐振，可有效抑制天线的侧向电磁波辐射。

由图5通过和未加置本发明所述的天线覆层的传统微带天线对比可以发现本发明中基于铁电介质谐振器覆层的微带天线远场辐射方向图41得到了明显改善，而且天线增益由传统微带天线的7.62dB提高为12.42dB，提高了4.8dB。

应用实施例2：利用电路板印刷技术在厚度为1.50mm的覆铜板2(ε_r＝2.65)上两个面上分别刻蚀出金属地板1、辐射金属片3、微带馈线4和阻抗转换线5，其中金属地板1位于覆铜板2的一面，辐射金属片3、微带馈线4和阻抗转换线5位于覆铜板2的另一面，辐射金属片3、微带馈线4分别与阻抗转换线5的两端相连。天线辐射金属片3尺寸为7.60×7.60mm²，中心工作频率为10.50GHz。采用介电常数为ε_r＝300的钛酸锶钡(BaSrTiO₃)铁电陶瓷块材，利用数控机床加工为底面半径为R＝1.15mm，厚度h＝0.55mm的圆柱体，获得铁电介质谐振器6。铁电介质谐振器6在侧向入射电磁波的激励下谐振频率位于10.50GHz。在厚度为2.00mm的聚四氟乙烯板7(ε_r＝2.1)机加工和铁电介质谐振器6底面半径相同的圆孔阵列且以晶格常数4.00mm周期排布。将铁电介质谐振器6嵌入聚四氟乙烯板7中，得到含铁电介质谐振器的天线覆层。聚四氟乙烯板7与覆铜板2的间距为10.00mm，通过聚氯乙烯树脂(PVC)圆棒8连接，完成微带天线的制作。

Claims

1.一种基于铁电介质谐振器覆层的微带天线，包括覆铜板(2)、辐射金属片(3)，其特征在于还包括金属地板(1)、微带馈线(4)、阻抗转换线(5)、介质谐振器(6)、聚四氟乙烯板(7)和连接棒(8)，所述的覆铜板(2)一面为金属地板(1)，另一面刻蚀有辐射金属片(3)、微带馈线(4)和阻抗转换线(5)，辐射金属片(3)与微带馈线(4)和阻抗转换线(5)两端分别连接；所述的聚四氟乙烯板(7)含周期排列的孔阵列，孔与介质谐振器(6)外形相同且等大，介质谐振器(6)填充入孔内形成含铁电介质谐振器的天线覆层；将聚四氟乙烯板(7)置于覆铜板(2)含辐射金属片面的上方并通过连接棒(8)与覆铜板(2)连为一体。

2.根据权利要求1所述的基于铁电介质谐振器覆层的微带天线，其特征在于：所述介质谐振器(6)的材料是钛酸锶钡，相对介电常数为100～600。

3.根据权利要求1或2所述的基于铁电介质谐振器覆层的微带天线，其特征在于：所述介质谐振器(6)的厚度小于底面长方体或圆柱体的尺寸。

4.根据权利要求1或2所述的基于铁电介质谐振器覆层的微带天线，其特征在于：所述介质谐振器(6)是长方体时，边长l＝1.20～3.00mm，厚度h＝0.30～1.00mm。

5.根据权利要求1所述的基于铁电介质谐振器覆层的微带天线，其特征在于：所述介质谐振器(6)是圆柱体时，底面半径R＝0.60～1.75mm，厚度h＝0.30～1.00mm。

6.根据权利要求1所述的基于铁电介质谐振器覆层的微带天线，其特征在于：所述的连接棒(8)为聚氯乙烯树脂圆棒。