CN102110891A

CN102110891A - S波段超材料完全吸收基板微带天线

Info

Publication number: CN102110891A
Application number: CN2009102544786A
Authority: CN
Inventors: 赵晓鹏; 保石; 罗春荣
Original assignee: Northwestern Polytechnical University
Current assignee: Northwestern Polytechnical University
Priority date: 2009-12-23
Filing date: 2009-12-23
Publication date: 2011-06-29

Abstract

本发明涉及一种新型S波段超材料完全吸收基板微带天线，具体说是利用具有完全吸波特性的树枝超材料来改造微带天线的基板，从而改善天线的性能。本发明涉及的超材料完全吸收基板微带天线是在普通微带天线的辐射贴片和接地板周围的介质基板上加载树枝状结构完全吸波超材料。利用窄带和宽带吸波超材料对天线辐射方向的限制，减少天线副瓣，使天线方向性更集中，提高天线增益，改善天线的性能。相比与其他以往改进的微带天线，本发明微带天线具有结构简单、易加工成型、成本造价低等优点。

Description

S波段超材料完全吸收基板微带天线

技术领域：本发明涉及一种S波段微带天线，特别涉及一种树枝状结构超材料完全吸收基板微带天线，利用吸波超材料谐振时的波特性改善天线性能。

背景技术：微带天线是由一块厚度远小于波长的介质基板和刻蚀在其两面的金属贴片组成，利用同轴线或微带线馈电，并通过贴片四周与接地板间的缝隙向外辐射。微带天线具有抛面薄、体积小、重量轻，平面结构，易与导弹、卫星等载体表面相共形等优点，在卫星通信、雷达、遥感等方面得到了广泛应用。

近几年，人工超材料的提出，有望应用于探测器、隐身材料、微波器件、天线等方面。超材料(Metamaterial)是一种新型人工结构材料，可以实现一系列诸如负折射、完美透镜等奇异的电磁特性。由于谐振的本性，超材料在谐振频率附近都具有较大的金属欧姆损耗以及介电损耗，可以实现对入射电磁波的完全吸收。这种吸波超材料具有吸收效率高，结构简单，体积小等优点，可以作为高效的电磁加热装置，也可以应用于电磁波的收集和探测装置，如辐射热测量仪。

发明内容本发明的目的在于针对普通微带天线辐射效率不高，增益低等缺点，提供一种超材料完全吸收基板微带天线。利用完全吸波超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。本发明的超材料吸收基板微带天线可工作于S波段。

本发明的超材料吸收基板微带天线包括：介质基板；金属辐射片，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；利用多层板印刷技术直接将吸波超材料的晶格单元刻蚀在天线的周围介质基板上。通过调整树枝结构的尺寸参数对完全吸波超材料的吸波频段进行调节，使其与微带天线的工作频段重叠。并且本发明中利用宽带完全吸收超材料来改善天线性能，为提高宽带微带天禧的辐射效率提供了一条有效途径。本发明中的超材料完全吸收基板微带天线，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本发明中超材料窄带完全吸收基板微带天线示意图

图2本发明中窄带完全吸波超材料的反射、透射及吸收曲线

图3本发明中超材料窄带完全吸收基板微带天线回波损耗曲线

图4本发明中超材料窄带完全吸收基板微带天线与普通微带E面及H面方向图

图5本发明中超材料宽带完全吸收基板微带天线示意图

图6本发明中宽带完全吸波超材料的反射及吸收曲线

图7本发明中超材料宽带完全吸收基板微带天线回波损耗曲线

图8本发明中超材料宽带完全吸收基板微带天线与普通微带E面及H面方向图

具体实施方式本发明采用电路板刻蚀技术制作微带天线。在图1所示的超材料窄带完全吸收基板微带天线结构中，金属接地板3和辐射金属片2连接分别刻蚀于介质基板1上。SMA同轴接头4连接金属界地板3和辐射金属片2，并作为天线的电波信号馈入源。

本专利中的超材料完全吸收基板微带天线主要涉及了两种树枝状超材料完全吸收基板，分别为完全窄带吸收基板和宽带完全吸收基板，窄带完全吸收基板是直接在图1所示的微带天线的正、背面围绕辐射片2、接地板3的周围介质基板1上按窄带吸收结构单元(如图1所示)刻蚀出周期排列的金属树枝及方形金属膜，此谐振单元呈周期排列在介质基板上组成窄带完全吸收基板。宽带完全吸收基板是利用多层板印刷技术，在图5所示的微带天线的金属片2周围的基板1紧密覆盖一层相同材料相同厚度的介质板与其周围空白的介质板1组成双层板，分别在两层介质板的顶层和中间层上刻蚀出六边形密集排布的金属树枝阵列单元，并且在底层镀一层金属薄膜，组成宽带完全吸收基板。

如图1所示，树枝状结构单元的几何尺寸根据微带天线的工作频率调整。如微带天线中心工作频率从2.6～4GHz，树枝从中心向外围的各级长度分别为：一级分支长度a＝4.1mm～5.1mm，二级分支长度b＝2.5mm～3mm，三级分支长度c＝2mm～2.5mm，相临两个一级分支间夹角、两个二级分支间夹角和两个三级分支间夹角为θ₁＝θ₂＝θ₃＝45°；w＝0.5mm～1.2mm，单元晶格常数d＝23mm～46mm，所有金属厚度t＝0.03mm，

为了防止铜被氧化可以在铜表面镀银、锡金属。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，晶格边长常数及排布方式等)实现对超材料吸波频段的调控。保证超材料完全吸波频段与天线的工作频段重合。通过吸波超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天线，天线的中心频率在3.78GHz。在尺寸172mm×172mm×1mm的聚四氟乙烯纤维基板1(ε＝2.65)两个侧面上，分别刻蚀出尺寸为30mm×30mm的金属接地板4和尺寸为23.2mm×23.2mm的金属辐射片2。在天线正、背面围绕辐射片、金属接地板的周围介质基板上按吸收晶格单元刻蚀出周期排列的金属树枝及方形金属膜，其树枝状结构的单元尺寸为：a＝4.1mm，b＝2.6，c＝2.1mm，w＝0.5mm，θ₁＝θ₂＝θ₃＝45°，t＝0.03mm。方形晶格边长d＝43mm；背面方形金属薄膜大小为35mm×35mm，与晶格边长差g＝8mm。吸收基板在频率为3.78GHz实现了完美吸收，如图2所示，完全与微带天线的工作波段重合。在辐射金属贴片轴线上距对称中心4mm处选取直径为1.3mm的馈电点，通过SMA接头连接金属接地板4和金属辐射片2，完成超材料窄带完全吸收基板微带天线样品1的制作，(如图1所示)。天线1的回波损耗曲线如图3所示，其谐振频率在3.78GHz，吸收基板天线的谐振峰强度为-20.86dB，能够很好地满足天线工作要求。由图4中普通天线和吸收基板天线在谐振频率处的E、H面辐射方向图可知，吸收基板天线样品1的最大增益7.5dBi，而采用相同介质基板的普通微带天线的增益仅为5.95dBi，相比普通天线的增益提高了1.55dB，且半功率波束宽度减少了近20°。

实施例二：

采用电路板刻蚀技术制作天线，天线的中心频率在3.87GHz。在尺寸249.5mm×249.5mm×1mm的聚四氟乙烯纤维基板1(ε＝2.65)两个侧面上，分别刻蚀出尺寸为64mm×64mm的金属接地板4和尺寸为22.6mm×26.4mm的辐射金属片2。在天线正、背面围绕辐射片、金属接地板的周围介质基板1覆盖一层相同厚度相同材料的介质板使其周围组成双层板，用电路板刻蚀技术，分别在两层基板的顶层和中间层上刻蚀出六边形密集排布的金属树枝阵列单元，并且在底层镀一层金属薄膜。实验设计了三种树枝状结构单元，三级分支长度分别为a1＝4.3mm、b1＝2.7mm、c1＝2mm；a2＝4.2mm、b2＝2.8mm、c2＝1.9mm；a3＝4.1mm、b3＝2.9mm、c3＝2mm，θ₁＝θ₂＝θ₃＝45°，线宽w＝0.6mm；树枝以及金属薄膜的厚度均为0.03mm，单元之间采用六边形排布，边长为r＝23mm。因g＝0金属薄膜完全覆盖结构单元底层，所以透射为零，吸收基板的吸波中心频率为3.85GHz到4.05GHz，如图6所示，完全覆盖微带天线的工作波段。在辐射金属贴片轴线上距对称中心4.1mm处选取直径为1.3mm的馈电点，通过SMA接头连接金属接地板4和金属辐射片2，完成宽带超材料完全吸收基板天线2的制作，(如图5所示)。天线2的回波损耗曲线如图7所示，其谐振频率在3.87GHz，吸收基板天线的谐振峰强度为-20.86dB，能够很好地满足天线工作要求。由图8普通天线和吸收基板天线在谐振频率处的E、H面辐射方向图可知，吸收基板天线样品2的最大增益8.4dBi，而采用相同介质基板的普通微带天线的增益仅为6.8dBi，相比普通天线的增益提高了1.6dB，且半功率波束宽度减少了近15°。

实施例三：

采用电路板刻蚀技术，制作中心工作频率为2.6GHz的树枝状超材料吸收基板微带天线，如图4所示。选用面积为96mm×96mm，厚度为0.8mm环氧玻璃布材料(ε＝4.55)作为天线的介质基板1，介质基板正面的金属铜辐射贴片2的大小为43mmm×35mm，因金属树枝所对的铜膜与接地板3相连，故另一面完全为金属铜膜，在辐射金属贴片轴线上距对称中心5.0mm处选取直径为1.3mm的馈电点采用同轴馈电，通过SMA同轴4接头连接金属辐射片2和金属接地板3，并作为天线的信号馈入源。在辐射贴片的周围刻蚀周期排列金属铜树枝状结构单元阵列5，对于本实施例工作频率为2.6GHz的微带天线，金属树枝的三级分支长度分别为a＝5.1mm、b＝2.5mm、c＝2.5mm，线宽w＝1.2mm，θ₁＝θ₂＝θ₃＝45°，晶格边长d＝24mm，晶格边长差g＝0，金属厚度t＝0.03mm。完成超材料窄带完全吸收基板微带天线样品3的制作。

实施例四：

采用电路板刻蚀技术，制作中心工作频率为3.2GHz的树枝状超材料吸收基板微带天线，如图4所示。选用面积为180mm×180mm，厚度为1mm聚四氟乙烯纤维基板1(ε＝2.65)作为天线的介质基板1，介质基板1正面的金属辐射片2的大小为26.8mm×26.8mm，另一面接地板3的大小45mm×45mm。在辐射金属贴片轴线上距对称中心4.1mm处选取直径为1.3mm的馈电点采用同轴馈电，通过SMA同轴4接头连接金属辐射片2和金属接地板3，并作为天线的信号馈入源。在辐射贴片的周围正面刻蚀周期排列金属铜树枝状结构单元阵列5，背面刻蚀出方形金属薄膜，对于单频吸波超材料的工作频率为2.6GHz，金属树枝的三级分支长度分别为a＝4.5mm、b＝3mm、c＝2.5mm，θ₁＝θ₂＝θ₃＝45°，线宽W＝0.5mm，晶格边长d＝45mm，晶格边长差g＝8，金属厚度t＝0.03mm。完成超材料窄带完全吸收基板微带天线样品4的制作。

Claims

1.一种S波段超材料完全吸收基板微带天线，主要包括：介质基板；超材料完全吸收基板；金属辐射片和金属接地板，分别印制在介质基板的两面；SMA同轴接头，连接辐射金属片和金属接地板，并作为天线电波信号的馈入接口，其主要特征是微带天线的介质基板通过加载完全吸波树枝状超材料结构被改造成为超材料完全吸收基板。

2.如权利要求1所述的S波段超材料完全吸收基板微带天线，其特征是树枝状完全吸波超材料基板的带宽有以下两种：

(1)窄带树枝状完全超材料吸波基板，在围绕金属辐射片、金属接地板的周围介质基板的正面及背面按正方形晶格排布刻蚀出金属树枝结构单元阵列和金属膜；

(2)宽带树枝状超材料完全吸波基板，在金属辐射片、金属接地板的周围介质基板上紧密覆盖一层相同材质的基板组成双层板，并且在两层介质基板的顶层和中间层刻蚀出六边晶格密集排布的树枝结构单元阵列，并在底层镀一层金属膜。

3.如权利要求2所述的树枝状结构单元，其特征是用于吸波超材料的树枝状结构几何参数为：一级分支长度a＝4.1mm～5.1mm，二级分支长度b＝2.5mm～3mm和三级分支长度c＝2mm～2.5mm；相临两个一级分支间夹角、两个二级分支间夹角和两个三级分支间夹角为θ₁＝θ₂＝θ₃＝45°；线宽w＝0.5mm～1.2mm，金属厚度t＝0.03mm。

4.如权利要求2所述的树枝状完全吸波超材料的晶格，其特征是用于树枝状完全吸波超材料的晶格排布方式的几何参数为：晶格边长d＝24mm～45mm，金属膜与晶格边长差g＝0mm～8mm。

5.如权利要求1所述的S波段超材料完全吸收基板天线，其特征是所用介质基板为聚四氟乙烯、环氧玻璃布；所用金属材料为铜、铜镀锡、铜镀银。