CN102394362A - 一种基于左手材料效应的复合贴片天线 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于左手材料效应的复合贴片天线，包括介质基板、圆形金属贴片天线、微带馈线和圆形金属开口环，圆形金属开口环与微带馈线组成一个复合贴片天线，复合贴片天线和圆形金属开口环固定于介质基板的正面，在介质基板正面设有周期性排列的圆形金属开口环，介质基板的相对介电常数为4.4，介质基板的反面贴有金属接地板，在金属接地板上挖有两个矩形。本发明在某频率范围内会大大加强电磁波共振强度，使得该结构对电磁能量的局域化程度有明显的提高，天线增益明显增大，并表现为较低的回波损耗。复合型圆形开口环天线增加了天线耦合到空间的电磁波辐射功率，从而提高了贴片天线增益和信噪比，较好地改善了天线的性能。
Description
技术领域
本发明属于通信技术领域，具体涉及一种基于左手材料效应的复合贴片天线。
背景技术
左手材料(LHM)是20世纪90年代末期出现的一种新型周期结构的人工电磁媒质。它同时具有介电常数 
和磁导率都为负的双负材料， 即当电磁波在这种介质材料中传播时，电场、磁场和波矢遵从左手法则，所以被称为左手材料 (或称负折射材料)。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.V eselageo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。左手材料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 。
已证明圆形开口金属环在某频率范围內，其有效磁导率和有效介电常数都为负值，而且通过很薄的左手材料将电小天线包围起来可使电小天线的辐射阻抗由容性向感性转变，相当于在天线和空间之间增加了匹配网络，通过适当的设计可以增大天线辐射效率而减小电抗。
发明内容
本发明主要提供一种基于左手材料效应的复合贴片天线，在某频率范围内会大大加强电磁波共振强度，使得该结构对电磁能量的局域化程度有明显的提高，天线增益明显增大，并表现为较低的回波损耗。
实现本发明的技术方案：一种基于左手材料效应的复合贴片天线，其特征在于：包括介质基板1、圆形金属贴片天线2、微带馈线3和圆形金属开口环4，其中圆形金属贴片天线2与微带馈线3组成一个复合贴片天线5。复合贴片天线5和圆形金属开口环4固定于介质基板1的正面，在介质基板1正面设有周期性排列的圆形金属开口环4，介质基板1的相对介电常数为4.4。介质基板的反面贴有金属接地板，在金属接地板上挖有两个矩形。
本发明采用时域有限差分法研究复合型圆形开口环贴片天线的性能，通过仿真分析得到对应的性能参数，复合型圆形开口环贴片天线等效左手介质的有效介电常数和有效磁导率需要利用NRW方法从上述的S参数中提取。
通过仿真分析，发现通过对普通贴片天线的组合形成的新的复合型圆形开口环天线体系，在f=6.0GHz频率附近产生电磁波共振态，出现介电常数和磁导率的实部同时为负值， 其折射率也是为负值，此大大加强了电磁波共振强度，使得复合型圆形开口环结构对电磁能量的局域化程度有了明显的提高，天线增益明显增大并表现为较低的回波损耗。因此，复合型圆形开口环天线增加了天线耦合到空间的电磁波辐射功率，从而提高了贴片天线增益和信噪比，较好地改善了天线的性能。
这种基于左手材料效应的复合贴片天线可以设计成：由介质基板1、圆形金属贴片天线2、微带馈线3和圆形金属开口环4组成。圆形金属贴片天线2与微带馈线3组成一个复合贴片天线5。圆形金属贴片天线2固定在介质基板1正面的中间；在介质基板1正面覆盖四组周期性排列的圆形金属开口环4。介质基板的反面贴有金属接地板，在金属接地板上挖有两个矩形。
其中，圆形金属贴片天线2半径为1.8mm，圆形金属开口环4的开口为0.8mm，宽为1.2mm，每个圆形金属开口环4的间距为1mm，激励源采用Gaussian离散源，它通过长为13.2mm，宽为0.8mm的微带馈线3给圆形金属贴片天线2馈电，金属接地板上挖有两个1mm×24mm的矩形，两个矩形的间距D5=14mm，用来提供负的介电常数数值。
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是本发明基于左手材料效应的复合贴片天线正面结构示意图；
图2是本发明基于左手材料效应的复合贴片天线反面结构示意图；
图3是本发明基于左手材料效应的复合贴片天线回波损耗示意图；
图4是本发明基于左手材料效应的复合贴片天线增益示意图；
图5是本发明基于左手材料效应的复合贴片天线有效介电常数和有效磁导率。
图中：1-介质基板，2-圆形金属贴片天线，3-微带馈线，4-圆形金属开口环；5-复合贴片天线。
具体实施方式
一种基于左手材料效应的复合贴片天线，如图1所示。天线的介质基板1的大小为H1(30mm)×L1(30mm)×D1(3mm)，介质基板1的相对介电常数为4.4，在介质基板1正面覆盖四组周期性排列圆形金属开口环4。每组圆形金属开口环4均包含外中内三个圆形开口环，每个圆形开口环的宽为H2=1.2mm，圆环间距为D4=1mm，三个圆形金属开口环4半径分别为R1=6.2mm，R2=4mm，R3=1.8mm，圆形金属开口环4的开口均为L2 =0.8mm。四组圆形金属开口环4左右对称、上下对称，左右间距D2=1.6mm，上下间距D3=2.1mm。在介质基板1的中间部分加上半径R=1.8mm的圆形金属贴片天线2，圆形金属贴片天线2与长为L3=13.2mm，宽为H3=0.8mm的微带馈线3相连构成复合贴片天线5，正面结构如图1所示。在介质基板1反面贴有金属接地板，并在金属接地板上挖出两个H4(1mm)×L4(24mm)的矩形，矩形之间的距离D5=14mm，如图2所示。激励源采用Gaussian离散源，通过微带馈线3给圆形金属贴片天线2馈电。
这种基于左手材料效应的复合贴片天线经过FDTD电磁仿真软件仿真得到如图3所示的回波损耗s11特性，在频率6.05GHz处最小回波损耗s11约为-20.08dB，说明复合型圆形开口环贴片结构能进一步减少回波损耗。
如图4所示，得到增益特性，加入开口环贴片后，复合型圆形开口环贴片天线正向增益最大约为5.778dB，说明复合型圆形开口环结构可以较大提高贴片天线的增益。
同一结构同时出现负介电常数和负磁导率的前提是其在某一频率范围内应同时出现磁谐振和电谐振。为此，本发明一方面通过在基底反面挖有1mm×24mm的两个矩形，提高体系的电容值，外加电场通过结构中的开口感生出电流，从而产生较强的电谐振；另一方面，在基底上表面覆盖周期性排列圆形组合的外开口金属环， 提高体系的电感值，从而构成较强的磁谐振。由于谐振负区的重合而形成双负区域。
为验证所设计结构的正确性，由仿真得到了圆形开口环结构的散射参数，即利用复合型圆形开口环天线仿真得到的传输(s21)和反射(s11)数据，通过NRW反演算法提取出该复合型圆形开口环的有效介电常数和有效磁导率电磁参数，图4给出了根据仿真得到的参数所提取的有效磁导率
和有效介电常数
。
如图5所示：在频率5.8GHz~6.05GHz之间有负磁导率和负介电常数的出现，并在天线谐振点附近f=6.0GHz频率处出现有效磁导率
和有效介电常数
都是负的极大值，分别为=-12.58和
= -1.86。因此，通过对普通贴片天线的组合形成的新的复合型圆形开口环天线体系的有效磁导率和有效介电常数都为负值，其折射率也是负值。
本发明在尺寸为30mm×30mm×3mm的介质基板1(介电常数是4.4)正面覆盖四组独立的圆形金属开口环4，四组独立圆形金属开口环4左右对称、上下对称，左右间距1.6mm，上下间距2.1mm。每组圆形金属开口环4均由外中内三个开口同为0.8mm的圆形金属开口环4组成，半径分别为R1=6.2mm，R2=4mm，R3=1.8mm，每个圆环宽1.2mm，环间距1mm。在介质基板1反面贴有金属接地板，并在金属接地板上挖有两个1mm×24mm的矩形，两个矩形间距14mm。在介质基板1正面中间部分加入半径为1.8mm的圆形金属贴片天线，激励源采用Gaussian离散源,它通过长为13.2mm，宽为0.8 mm的微带馈线3给圆形金属贴片天线2馈电，天线的中心频率约为f=6.0GHz，至此完成天线的制作。
Claims (3)
1.一种基于左手材料效应的复合贴片天线，其特征在于：包括介质基板（1）、圆形金属贴片天线（2）、微带馈线（3）和圆形金属开口环（4），圆形金属开口环（4）与微带馈线（3）组成一个复合贴片天线（5），复合贴片天线（5）和圆形金属开口环（4）固定于介质基板（1）的正面，在介质基板（1）正面设有周期性排列的圆形金属开口环（4），介质基板（1）的相对介电常数为4.4，介质基板的反面贴有金属接地板，在金属接地板上挖有两个矩形。
2.根据权利要求1所述的基于左手材料效应的复合贴片天线，其特征在于：圆形金属贴片天线（2）固定在介质基板（1）正面的中间；在介质基板（1）正面覆盖四组周期性排列的圆形金属开口环（4）。
3.根据权利要求1所述的基于左手材料效应的复合贴片天线，其特征在于：圆形金属贴片天线（2）半径为1.8mm位于介质基板（1）正面中间部分，圆形金属贴片天线（2）与微带馈线（3）组成一个复合贴片天线（5），在介质基板（1）正面覆盖四组独立的开口为0.8mm的圆形金属开口环（4），圆形金属开口环（4）宽为1.2mm，每个圆形金属开口环（4）的间距为1mm，激励源采用Gaussian离散源，它通过长为13.2mm，宽为0.8mm的微带馈线（3）给圆形金属贴片天线（2）馈电，介质基板的反面贴有金属接地板，在金属接地板上挖有两个1mm×24mm的矩形，两个矩形的间距D5=14mm，用来提供负的介电常数数值。
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