CN102509870B - 一种基于左手媒质的圆矩环复合极子天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于左手媒质的圆矩环复合极子天线，包括贴合在一起的上层介质基板（1）和下层介质基板（2），该天线还包括复合极子天线（4）和以2×3的排列对称的固定在所述复合极子天线（4）的末端一侧的圆矩谐振环（3），所述复合极子天线（4）通过金属条（5）与每个圆矩谐振环结构（3）相连，所述下层介质基板（2）的正面设有6个圆矩谐振环（3），其位置与上层介质基板（1）正面圆矩谐振环（3）的位置完全相对。圆矩谐振环（3）和复合极子天线（4）的组合可以增加了磁导率，在特定频率范围内可以加强电磁波共振强度，增大天线增益，降低回波损耗。
Description
技术领域
本发明属于微型天线领域，具体涉及一种基于左手媒质的圆矩环复合极子天线。
背景技术
左手媒质是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。左手媒质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。
非左手材料复合极子天线，增益低、频带窄、反射系数高、回波损耗高，故天线性能表现差，抗干扰能力弱。而左手材料复合极子天线，增益高、回波损耗低、反射系数低，其中圆矩谐振环增加了磁导率，金属条增加了天线介质的介电常数，而且圆矩谐振环通过很薄的左手材料将复合极子天线包围起来，可使复合极子天线的辐射阻抗由容性向感性转变，相当于在复合极子天线和空间之间增加了匹配网络，可以增大复合极子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媒质的圆矩环复合极子天线，在特定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。
本发明的技术方案：一种基于左手媒质的圆矩环复合极子天线，包括上层介质基板、下层介质基板、复合极子天线、圆矩谐振环和金属条，所述上层介质基板的背面和下层介质基板的正面贴合在一起，所述复合极子天线为条形结构，分为前端、中端和末端，安装于所述上层介质基板上，且其长度小于所述上层介质基板的长度；所述上层介质基板上设有6个圆矩谐振环，以2×3的排列固定在所述复合极子天线的末端一侧，所述复合极子天线通过金属条与每个圆矩谐振环相连；所述下层介质基板的正面设有6个圆矩谐振环，其位置与上层介质基板正面圆矩谐振环的位置完全相对；所述下层介质基板背面安装一层金属接地板。
进一步，所述圆矩谐振环由一个矩形开口环和一个圆形开口环组成，所述圆形开口环不接触的位于所述矩形开口环的内部，所述矩形开口环与圆形开口环的开口方向相反。
进一步，所述复合极子天线的末端与所述上层介质基板的边缘有一定间隔。
进一步，所述任一圆矩谐振环的所述矩形开口环与圆形开口环的开口连线与所述复合极子天线平行，所述矩形开口环的开口相对侧与所述金属条相连。
进一步，所述上层介质基板和下层介质基板的长度和宽度分别相同，且上层介质基板的厚度小于下层介质基板的厚度。
进一步，所述上层介质基板的相对介电常数大于下层介质基板的相对介电常数。
本发明的有益效果是：圆矩谐振环增加了磁导率，金属条增加了天线介质的介电常数，而且圆矩谐振环通过很薄的左手材料将复合极子天线包围起来，可使复合极子天线的辐射阻抗由容性向感性转变，相当于在复合极子天线和空间之间增加了匹配网络，可以增大复合极子天线辐射效率而减小电抗。
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是圆矩环复合极子天线上层结构示意图；
图2是圆矩环复合极子天线下层结构示意图；
图3是圆矩环复合极子天线圆矩谐振环结构示意图；
图4是圆矩环复合极子天线金属条结构示意图；
图5是圆矩环复合极子天线回波损耗示意图；
图6是圆矩环复合极子天线驻波比示意图；
图7是圆矩环复合极子天线反射系数示意图；
图8是圆矩环复合极子天线增益示意图。
图中：1-上层介质基板，2-下层介质基板，3-圆矩谐振环，4-复合极子天线，5-金属条。
具体实施方式
一种基于左手媒质的圆矩环复合极子天线，上层结构如图1所示。天线的上层介质基板1的大小为H1(14mm)×L1(60mm)×D1(1mm)，上层介质基板1的相对介电常数为10。复合极子天线4为条形结构，分为前端、中端和末端，其安装于上层介质基板1的正面，复合极 子天线4前端长度为L2=16mm，宽度为H2=1.4mm，中端长度为L3=26mm，宽度为H3=0.8mm，末端长度为L4=16mm，宽度为H2=1.4mm。复合极子天线4末端加上六个周期排列的圆矩谐振环3，圆矩谐振环3成2×3的周期排列。金属条5将复合极子天线4末端和圆矩谐振环3连接起来，金属条5以D4=5.0mm距离成线性排列。
下层结构如图2所示，下层介质基板2的大小为H1(14mm)× L1(60mm)×D2(2mm)，下层介质基板2的相对介电常数为2.2。在下层介质基板2正面设有六个周期排列的圆矩谐振环3，成2×3的周期排列，其位置与上层介质基板1上的六个圆矩谐振环3的位置完全对应，每个圆矩谐振环3左右间隔为D5=2.4mm，上下间隔为D6=0.9mm。在下层介质基板2下面贴一个金属接地板，激励源采用Gaussian离散源。
如图3所示，每个圆矩谐振环3均包含矩形开口环结构和圆形开口环结构，矩形开口环结构和圆形开口环结构相应的开口环开口方向相反，每个矩形开口环的长度为L6=3.1mm，L8=3.1mm，环的宽度为L9=0.3mm，L7=0.3mm，开口为D8=0.3mm，每个圆形开口环的半径分别为R1=1mm，R2=0.75mm，开口为D7 =0.3mm。
如图4所示，每个金属条结构5的长度为L10=7.5mm，宽度为H6=0.5mm。连接圆矩谐振环3的连接片长度H5=0.9mm，宽度D9=D10=0.3mm，分隔的长度L11=L13=1.6mm，L12=3.7mm。
如图5所示，经过FDTD电磁仿真软件仿真得到此基于左手媒质的圆矩环复合极子天线的回波损耗S11特性，在频率4.437GHz处最小回波损耗S11约为-17.1246dB，说明圆矩谐振环结构能进一步减少回波损耗。
如图6所示，得到驻波比特性，加入圆矩谐振环结构后，圆矩环复合极子天线在频率4.437GHz处最小驻波比约为1.32353，说明圆矩谐振环结构能减少信号发射损耗。
如图7所示，得到反射系数特性，圆矩环复合极子天线在频率4.59546GHz处最小反射系数约为0.151601，说明圆矩谐振环结构能有效减小反射波，使得天线辐射更多的能量。
如图8所示，得到增益特性，加入圆矩谐振环结构后，圆矩环复合极子天线在频率95GHz处增益最大约为4.83705dB，说明左手媒质的圆矩谐振环结构可以较大提高贴片天线的增益。
通过分析，发现通过对普通贴片天线的组合形成的新谐振环贴片天线体系，在f=4.437GHz频率附近产生电磁波共振态，此大大加强了电磁波共振强度，使得圆矩谐振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，圆矩环复合极子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。
本实施例的极子天线的优选在频率为4.437GHz 的范围内使用，其增益增大，回波损耗降低。当然将本实施例的尺寸等比例改变，还可以得到其他频率范围的极子天线的效果，也属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种基于左手媒质的圆矩环复合极子天线，包括上层介质基板（1）、下层介质基板（2）和复合极子天线（4），所述上层介质基板（1）的背面和下层介质基板（2）的正面贴合在一起，其特征在于：还包括圆矩谐振环（3），所述复合极子天线（4）为条形结构，分为前端、中端和末端，安装于所述上层介质基板上，且其长度小于所述上层介质基板（1）的长度；所述上层介质基板（1）上设有6个圆矩谐振环（3），以2×3的排列固定在所述复合极子天线（4）的末端一侧，所述复合极子天线（4）通过金属条（5）与圆矩谐振环结构（3）相连；所述下层介质基板（2）的正面设有6个圆矩谐振环（3），其位置与上层介质基板（1）正面圆矩谐振环（3）的位置完全相对；所述下层介质基板（2）背面安装一层金属接地板；所述圆矩谐振环（3）由一个矩形开口环和一个圆形开口环组成，所述圆形开口环不接触的位于所述矩形开口环的内部，所述矩形开口环与圆形开口环的开口方向相反。
2.根据权利要求1所述的一种基于左手媒质的圆矩环复合极子天线，其特征在于：所述复合极子天线（4）的末端与所述上层介质基板（1）的边缘有一定间隔。
3.根据权利要求1所述的一种基于左手媒质的圆矩环复合极子天线，其特征在于：所述任一圆矩谐振环（3）的所述矩形开口环与圆形开口环的开口连线与所述复合极子天线（4）平行，所述矩形开口环的开口相对侧与所述金属条（5）相连。
4.根据权利要求1所述的一种基于左手媒质的圆矩环复合极子天线，其特征在于：所述上层介质基板（1）和下层介质基板（2）的长度和宽度分别相同，且上层介质基板（1）的厚度小于下层介质基板（2）的厚度。
5.根据权利要求1所述的一种基于左手媒质的圆矩环复合极子天线，其特征在于：所述上层介质基板（1）的相对介电常数大于下层介质基板（2）的相对介电常数。
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