CN102683865B - 基于分裂谐振环的可调谐矩形微带天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及天线。为降低天线回波损耗，增加天线带宽，实现天线加工后频率可调谐，本发明采取的技术方案是，基于分裂谐振环的可调谐矩形微带天线，由接地板、微带馈线、辐射贴片和介质基板构成，介质基板沿馈电点两侧位置对应设置有若干插槽，插槽用于沿与接地板垂直的方向、与微带馈线平行的方向插入FR4环氧插板或者带有分裂谐振环SRR的FR4环氧插板，带有分裂谐振环SRR的FR4环氧插板是在FR4环氧插板一面上设置一个方型金属外环，方型金属外环内设置有一个方型金属内环，两金属环中心重合、四边对应平行，金属外环一边中部位置设有缺口，金属外环带缺口边靠近并平行于辐射贴片。本发明主要应用于天线的设计制造。

Description

基于分裂谐振环的可调谐矩形微带天线
技术领域
本发明涉及天线，具体讲，涉及基于分裂谐振环的可调谐矩形微带天线。
背景技术
异向介质(Mematerials)是指在一定频段下，介电常数ε和磁导率μ中存在负值或者全为负值的人工合成电磁材料，包括光子晶体、分裂谐振环、互补分裂谐振环、复合左/右手传输线、隐身斗篷和超磁性材料等等。异向介质凭借其奇异特性在实现近距离传输线、微波器件小型化设计、波束扫面、带宽控制等方面都发挥着强大的作用，是新型微波器件设计的突破口，已成为目前电磁材料研究的前沿和热点。
微带天线具有质量轻、体积小、易于制作等优点。但是传统的矩形微带天线在加工完成后其工作的中心频率便已固定，无法再次进行调节。
发明内容
本发明旨在克服现有技术的不足，降低天线回波损耗，增加天线带宽，实现天线加工后频率可调谐。为达到上述目的，本发明采取的技术方案是，基于分裂谐振环的可调谐矩形微带天线，由接地板、激励端口、馈线、辐射贴片和介质基板构成，辐射贴片的形状为矩形，介质基板为FR4环氧板，馈电方式为边馈，其特征是，介质基板沿馈电点两侧位置对应设置有若干插槽，插槽用于沿与接地板垂直的方向、与激励端口平行的方向插入FR4环氧插板或者带有分裂谐振环SRR的FR4环氧板，带有分裂谐振环SRR的FR4环氧板是在FR4环氧板一面上设置一个方型金属外环，方型金属外环内设置有一个方型金属内环，两金属环中心重合、四边对应平行，金属外环一边中部位置设有缺口，与该带缺口边平行的金属内环两条边中距离该带缺口边较远的一条在中部位置也设有缺口，金属外环带缺口边靠近并垂直于辐射贴片长边。
FR4环氧插板或者带有分裂谐振环SRR的FR4环氧板是手动插拔、替换，以实现矩形微带天线中心频率的调节。
中心位于垂直于激励端口方向的一条直线上的带有分裂谐振环SRR的FR4环氧板构成一列，中心位于平行于激励端口方向的一条直线上的带有分裂谐振环SRR的FR4环氧板构成一行，行数范围为1-8；列数范围为1-2。
金属内环大小为长×宽＝3.8×3.8mm2，缺口宽度g＝0.3mm，环宽W1＝0.4mm，金属内、外环间距W2＝0.25mm，辐射贴片宽度W3＝8mm，长度L2＝9mm，馈线长度L3＝8.5mm。
本发明的技术特点及效果：
通过调节m和n的取值本发明能够实现天线中心频率的调节；
通过加载异向介质，本发明可调谐的频率范围内带宽为600MHz左右(S11＜10dB)，较未加载异向介质时，调谐范围增加了2倍，反射系数最小值可达-30dB，阻抗匹配程度高，性能良好。
附图说明
图1.天线三维结构示意图。
图2.天线单元几何图。
图3.天线的回波损耗随频率变化图。
图4.f＝5.9GHz时的辐射方向图，(a)Phi＝0°，(b)Phi＝90°。
具体实施方式
基于分裂谐振环的可调谐矩形微带天线，由接地板、激励端口、馈线、辐射贴片和介质基板构成，辐射贴片的形状为矩形，介质基板为FR4环氧板，馈电方式为边馈，介质基板沿馈电点两侧位置对应设置有若干插槽，插槽用于沿与接地板垂直的方向、与激励端口平行的方向插入FR4环氧插板或者带有分裂谐振环SRR的FR4环氧板，带有分裂谐振环SRR的FR4环氧板是在FR4环氧板一面上设置一个方型金属外环，方型金属外环内设置有一个方型金属内环，两金属环中心重合、四边对应平行，金属外环一边中部位置设有缺口，与该带缺口边平行的金属内环两条边中距离该带缺口边较远的一条在中部位置也设有缺口，金属外环带缺口边靠近并垂直于辐射贴片。SRR是Split resonance ring的字头缩写，FR4是一种耐燃材料等级的代号。
中心位于垂直于激励端口方向的一条直线上的带有分裂谐振环SRR的FR4环氧板构成一列，中心位于平行于激励端口方向的一条直线上的带有分裂谐振环SRR的FR4环氧板构成一行，行数范围为1-8；列数范围为1-2。
下面结合附图和具体实施例进一步详细说明本发明。
天线包括接地板、激励端口、馈线、辐射贴片和介质基板。辐射贴片的形状为矩形，激励端口位于馈线上，激励端口方向与辐射贴片矩形长边垂直，与介质基板为加载了分裂谐振环(SRR)阵列的FR4(环氧板)，馈电方式为边馈，特性阻抗为50Ω。天线的结构图如图1所示，单元结构几何图如图2所示。
本发明应用了异向介质的负折射特性，此天线在原经典贴片天线的介质基板FR4中加入分裂谐振环阵列，通过调节分裂谐振环阵列间隙的尺寸来调节天线参数。
嵌入介质基板的是可灵活拆卸、装配的m×n阶的方形分裂谐振环阵列，通过调节m和n的取值实现天线中心频率的调节。
m表示的是插入分裂谐振环的列数，本发明中m取1或者2，即为插入到FR4环氧板中的分裂谐振环为1列或者2列。n表示的插入分裂谐振环的行数，本发明中n在1～8八个数中任取，即插入到FR4环氧板中分裂谐振环的行数最多为8行，最少为1行。图1所显示的是m＝2，n＝8(即八行两列)时天线三维结构图。
图3显示的是m和n取不同值的时候天线回波损耗随频率的变化曲线。由曲线可知，天线的中心频率是随m和n的取值变化的。而m和n的取值是可以人为设置的，可以根据用户对中心频率的需求来设定m和n的取值。也就是说通过改变m和n取值来实现天线中心频率的调节。
分裂谐振环间隙的尺寸是制作前可调，制作后不可调的参数。本发明应用高频仿真软件HFSS对天线进行设计和仿真，制作前对天线参数进行优化，通过改变分裂谐振环阵列间隙的尺寸寻找使天线参数最优的间隙大小。
天线的制作分为三部分，一部分是不带有分裂谐振环阵列，但相应的地方为空缺插槽的FR4环氧板；一部分是与插槽完全吻合的带有分裂谐振环的小单元；最后一部分是与插槽完全吻合的不带有分裂谐振环的小单元(即与插槽完全吻合的FR4环氧板)。若所需中心频率为7.5GHz，即m＝2，n＝8.则将有空缺插槽的FR4环氧板的插槽上全部插入带有分裂谐振环的小单元，呈现如图1所以的样子。若所需中心频率为6GHz，即m＝1，n＝1，，则将有空缺插槽的FR4环氧板靠近馈电点的插槽左侧或右侧插入1个带有分裂谐振环的小单元(因为天线结构左右对称，所以插在左侧和右侧是一样的)，其余插槽插入与插槽完全吻合的不带有分裂谐振环的小单元(即与插槽完全吻合的FR4环氧板)。依此类推，通过手动插取的方式实现分裂谐振环的加载和卸载。
通过实验仿真已验证，加卸载对天线参数无影响。验证方法：在分裂谐振环单元加入空气薄层，模拟加载时插槽与加载单元之间的空隙。仿真结果与无空气薄层的基本吻合。
应用高频仿真软件HFSS对加载不同尺寸和阶数的分裂谐振环阵列的天线进行仿真计算和优化设计，以获得了最佳尺寸和调谐的关系。
有益效果
回波损耗如图3所示，可以看出，此天线在未加载异向介质时，带宽为300MHz，反射系数最小值为-14dB；加载异向介质后，在可调谐的频率范围内，带宽为600MHz左右(S11＜10dB)，较未加载异向介质时，调谐范围增加了2倍。反射系数最小值可达-30dB，阻抗匹配程度高，性能良好。当m＝2，n分别取1、2、4、8时，天线的中心频率在5.9GHz、6.3GHz、7.1GHz、7.5GHz之间可调；当m＝1，n分别取1、2、4、8时，天线中心频率在6.0GHz、6.4GHz、7.4GHz、7.6GHz之间可调。f＝5.9GHz，Phi＝0°和Phi＝90°时的天线辐射方向图如图4所示，可见其具有良好的辐射特性。综上所述，分裂谐振环阵列的加入有效降低了天线的回波损耗，增加了带宽，实现了可调谐设计。
馈电方式为边馈，特性阻抗为50Ω
介质基板大小为16mm×12mm，高6.1mm。图2为辐射贴片和内嵌分裂谐振环的几何尺寸图。经过HFSS优化得出，互补分裂谐振环内环大小为L1×L1＝3.8×3.8mm2，缺口宽度g＝0.3mm，环宽W1＝0.4mm，环间距W2＝0.25mm，辐射单元宽度W3＝8mm，长度L2＝9mm，馈线长度L3＝8.5mm。

Claims (4)

1.一种基于分裂谐振环的可调谐矩形微带天线，由接地板、激励端口、馈线、辐射贴片和介质基板构成，辐射贴片的形状为矩形，介质基板为FR4环氧板，馈电方式为边馈，其特征是，介质基板沿馈电点两侧位置对应设置有若干插槽，插槽用于沿与接地板垂直的方向、与激励端口平行的方向插入FR4环氧插板或者带有分裂谐振环SRR的FR4环氧板，带有分裂谐振环SRR的FR4环氧板是在FR4环氧板一面上设置一个方型金属外环，方型金属外环内设置有一个方型金属内环，两金属环中心重合、四边对应平行，金属外环一边中部位置设有缺口，与该带缺口边平行的方型金属内环两条边中距离该带缺口边较远的一条在中部位置也设有缺口，方型金属外环带缺口边靠近并垂直于辐射贴片长边。
2.如权利要求1所述的基于分裂谐振环的可调谐矩形微带天线，其特征是，FR4环氧插板或者带有分裂谐振环SRR的FR4环氧板是手动插拔、替换，以实现矩形微带天线中心频率的调节。
3.如权利要求1所述的基于分裂谐振环的可调谐矩形微带天线，其特征是，中心位于垂直于激励端口方向的一条直线上的带有分裂谐振环SRR的FR4环氧板构成一列，中心位于平行于激励端口方向的一条直线上的带有分裂谐振环SRR的FR4环氧板构成一行，行数范围为1-8；列数范围为1-2。
4.如权利要求1所述的基于分裂谐振环的可调谐矩形微带天线，其特征是，金属内环大小为长×宽=3.8×3.8mm2，缺口宽度g=0.3mm，环宽W1=0.4mm，金属内、外环间距W2=0.25mm，辐射贴片宽度W3=8mm，长度L2=9mm，馈线长度L3=8.5mm。
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