CN102832459B - 加载有左手材料层的矩形贴片微带天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开研究出了一种新型左手材料，并将该材料用于矩形贴片微带天线上。本方法采用了在一块介质基板的一侧采用电路板刻蚀双开口三角形谐振环金属图案，就可以同时实现介电常数和磁导率均为负值。通过分析该结构的S参数图，从而证实了该新型左手材料的“双负结构”确实存在。该天线包括辐射元，左手材料层，介质层和参考地。其中左手材料层结构简单、使用方便。传统的矩形贴片微带天线由于存在工作频带窄，增益较低，端射性能差，功率容量低等缺点，本发明考虑新型左手材料的优越性，将其加载到矩形微带贴片天线上，可以使原有天线系统的相关特性有所改善。
Description
技术领域
本发明涉及左手材料应用于天线领域，具体的说是涉及一种加载有左手材料层的矩形贴片微带天线上的研究系统。
背景技术
左手材料是一类在一定的频段下同时具有负磁导率和负介电常数的材料。左手材料具有一些独特的电磁学性质。如逆多普勒效应、逆切洛科夫辐射和超级透镜等，具有重要的应用价值。左手材料可应用于高定向性天线、电磁波隐身、耦合器等研究。随着科学技术的不断发展，左手材料将广泛地应用到无线通信系统之中。大多数左手材料是由谐振环和细导线组合而成。虽然也有人提出不同形状的左手材料结构单元：如：“smith结构左手材料”、“对称环结构左手材料”、“π结构左手材料”，但仍需在介质基板的两面分别刻蚀对应的结构模型。因此研究一种新型左手材料模型，打破传统的构造方式，具有十分重要的研究意义。
矩形贴片微带天线是在带有导体接地板的介质基片上贴加矩形的导体薄片而形成的天线，它利用微带线或同轴线等方式馈电，在矩形贴片与接地板之间激励起射频电磁场，并通过贴片四周与接地板间的缝隙向外辐射。微带天线以其体积小、重量轻、剖面低、制造工艺简单等优点得到日益广泛的应用。左手材料由于具有一系列的电磁奇异特性，目前它在天线领域有着不可低估的应用前景。例如：目前人工制作的具有双负电磁特性的材料是通过电路板印刷方式实现的，有利于矩形贴片微带天线共面一体化的实现。
但上述双负电磁特性的材料通过电路板印刷方式实现，目前常用的方式是在电路板两侧分别涂上结构对称的左手材料模型。这样的设计方式会使制作过程比较复杂，同时，在制作完成后，如需调整其对应位置，也会存在困难。因此，设计一种结构简单，便于操作的新型左手材料势在必行。
发明内容
针对现有技术的不足，特别是在结构上设计左手材料的固定性，复杂性，以及把左手材料用于天线上的困难性。本发明设计了一种双开口三角形谐振环结构的左手材料，既能满足在一定的频率段内实现介电常数和磁导率为负值，又能保证设计简单，便于操作的特殊性能。把该新型左手材料加载在矩形贴片微带天线上，是一种新的思路和理念。在证明了该新型左手材料的可行性的前提下，将其应用于天线领域，可以提高了天线的相对频率宽度，高指向性等特点。
本发明的主要构想是：提出了一种双开口三角形谐振环金属结构的左手材料，该结构设计简单，操作方便，克服了传统的在电路板两侧分别涂上结构对称的左手材料缺陷。同时，将提出的左手材料结构使用于矩形贴片微带天线上，使得该天线的中心点偏移到11.38GHZ，相对带宽也有所提高，它一方面能较好地改善微带天线的窄带特性，同时也提高了天线的正向接收能力，有效的抑制旁瓣。
本发明的矩形贴片微带天线包括辐射元，左手材料层，介质层和参考地，其特征在于所述参考地上放置介质层，介质层上方放置辐射元和左手材料层，左手材料层采用双开口三角形谐振环金属结构系统，该系统是由三个双开口三角形谐振环金属结构单元组成。
所述的参考地为矩形结构，其尺寸为LGND×WGND，LGND≥16.972mm，WGND≥19.54mm。该天线采用LGND＝WGND＝20mm。
所述的介质层为长方体，其尺寸为L×W×H，为了保证操作方便，介质层的长度和宽度采用与参考地同样的尺寸。即L≥16.972mm，W≥19.54mm，H＝1.5mm，同样采用L＝20mm，W＝20mm，介质层的相对介电常数εr＝2.2。
所述的左手材料层是由双开口三角形谐振环金属结构单元组成，其参数设计为，开口宽度g＝1.8mm，两侧总高度L1＝9.3mm，两个对称的等边开口三角形的侧边边长m＝1.8mm，底边边长h＝2.7mm，开口三角形的高度t＝1.5mm，线宽度x＝0.3mm，金属丝厚度为0.15mm，其电导率为5.76×107S/m，将三个双开口三角形谐振环单元附在介质基板上，组成一结构系统，该介质基板的厚度d＝0.3mm，面积为La×Wa，其值为La＝4.8mm，Wa＝10.2mm、介电常数为ε2，其值为ε2＝4.65，三个双开口三角形谐振环单元间距为d1＝0.525mm，矩形贴片微带天线的辐射元与双开口谐振环金属结构系统之间的间距d2＝0.5mm。所述的该矩形贴片微带天线是采用同轴线馈电的，将同轴线接头的内芯线穿过参考地和介质层与辐射元相连接。
所述的矩形贴片微带天线结构采用以f＝11.25GHZ为中心频率，选用的介质材料为Rogers RT/duroid 5880(tm)，其相对介电常数εr＝2.2，厚度为H＝1.5mm。即微带天线的3个关键参数如下：工作频率f＝11.25GHZ；介质板材的相对介电常数εr＝2.2；介质层厚度H＝1.5mm。利用该3个关键参数以及公式计算可以得出：矩形贴片的宽度W＝10.54mm；辐射缝隙的长度ΔL＝0.764mm；矩形贴片的长度L＝7.972mm；参考地的长度LGND≥16.972mm，WGND≥19.54mm；同轴线馈电的位置坐标(xf，yf)，即：xf＝2.87mm，yf＝0mm。
所述的矩形微带贴片天线，对于没有左手材料覆盖的矩形贴片微带天线，在10.95-11.38GHZ范围内，电压驻波比小于2，相对带宽为3.92％。而加载有左手材料的矩形贴片微带天线，在10.9-11.40GHZ范围内，电压驻波比小于2，相对带宽提高到4.58％。该结果表明有左手材料覆盖的矩形贴片微带天线能有效的展宽相对带宽，改善天线的窄带特性，提高天线的正向接收能力。
本发明的有益技术效果体现在几个方面：
1.左手材料层设计简单，操作方便。本发明的左手材料层提出了一种双开口三角形谐振环金属结构，该结构可以直接在一块介质基板的一侧采用电路板刻蚀该结构图案，避免了传统的仍需在介质基板的两面分别刻蚀对应的结构模型。
2.原理上行得通。该结构在上下的两个对称开口三角形谐振环上，发生磁谐振，在磁谐振频率段内其磁导率为负值。中间为闭合回路，产生电场，由于上下开口三角形谐振环可以使电场极化，发生电谐振，在电谐振频率段内其介电常数为负值，这样就保证了同时实现介电常数和磁导率为负值。
3..将左手材料加载在该矩形贴片微带天线上，可有效的提高相对带宽。本发明在天线的介质层上加入左手材料层，利用左手材料的异向介质特性，提高相对带宽。即在10.9-11.40GHZ范围内，与未加载左手材料的天线相对比，相对带宽提高到4.58％。
4.该天线的中心谐振点有所提高。本发明在未加载左手材料层时，中心谐振点为11.02GHZ；加载后，中心谐振点为11.38GHZ，天线增益为7dB。
附图说明
图1是本发明的左手材料加载到矩形贴片天线上俯视图；
图2是本发明双开口三角形谐振环模型示意图；
图3是本发明该左手材料电磁参数图；
图4是本发明加载有左手材料的矩形贴片微带天线的横截面图；
图5是本发明该天线电压驻波比特性比较图；
图6是本发明矩形贴片微带天线的smith圆对比图；
具体实施方式
为使本发明的技术方案、特点和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
图1是本发明的将左手材料加载到矩形贴片微带天线上的俯视图。
如图1所示可以清楚的看到加载左手材料的矩形贴片微带天线的俯视图。与其他天线不同的是，该结构不需要在介质层的背面涂上金属线，设计起来更方便，简单。
图2是本发明双开口三角形谐振环模型示意图。
如图2所示该新型左手材料结构单元是由上下两个开口三角形谐振环和中间一个闭合回路组成，因此称其为双开口三角形谐振环。图中所示的参数大小分别为：开口宽度g＝1.8mm，两侧总高度L1＝9.3mm，两个对称的等边开口三角形的侧边边长m＝1.8mm，底边边长h＝2.7mm，开口三角形的高度t＝1.5mm，线宽度x＝0.3mm，金属丝厚度为0.15mm，其电导率为5.76×107S/m。将三个双开口三角形谐振环单元附在介质基板上，组成一结构系统，该介质基板的厚度d＝0.3mm，面积为La×Wa，其值为La＝4.8mm，wa＝10.2mm、介电常数为ε2，其值为ε2＝4.65，三个双开口三角形谐振环单元间距为d1＝0.525mm，矩形贴片微带天线的辐射元与双开口谐振环金属结构系统之间的间距d2＝0.5mm。
图3是本发明该左手材料电磁参数图。
如图3所示，在f＝11.25GHZ附近介电常数和磁导率均为负值，从而验证了左手材料的正确性。其原理为，在上下的两个对称开口三角形谐振环上，发生磁谐振，在磁谐振频率段内其磁导率为负值。中间为闭合回路，产生电场，由于上下开口三角形谐振环可以使电场极化，发生电谐振，在电谐振频率段内其介电常数为负值，这样就保证了同时实现介电常数和磁导率为负值。
图4是本发明加载有左手材料的矩形贴片微带天线的横截面图。
如图4所示，左手材料制成的矩形贴片微带天线的横截面图。其中相关参数为：矩形微带贴片天线的长Lr＝7.972mm，宽Wr＝10.54mm，贴片放在离左手材料的距离d2＝0.5mm的位置，基板的厚度H＝1.5mm。
图5是本发明电压驻波比特性比较图。
如图5所示，对于没有左手材料覆盖的矩形贴片微带天线，在10.95-11.38GHZ范围内，电压驻波比小于2，相对带宽为3.92％。而加载有左手材料的矩形贴片微带天线，在10.9-11.40GHZ范围内，电压驻波比小于2，相对带宽提高到4.58％。该结果表明有左手材料覆盖的矩形贴片微带天线能有效的展宽相对带宽，改善天线的窄带特性，提高天线的正向接收能力。
图6是本发明矩形贴片微带天线的smith圆对比图。
如图6所示，对于未加载有左手材料层的矩形微带天线的天线增益为6.2dB，而加载后其天线增益为7dB。它有效地改善微带天线的窄带特性，同时也提高了天线的正向接收能力。
Claims (6)
1.一种矩形贴片微带天线，它包括辐射元，左手材料层，介质层和参考地，其特征在于所述参考地上放置介质层，介质层上方放置辐射元和左手材料层，左手材料层采用双开口三角形谐振环金属结构系统，该系统是由三个双开口三角形谐振环金属结构单元组成，所述的双开口三角形谐振环金属结构单元由两个上下对称的开口三角形谐振环和位于所述两个上下对称的开口三角形谐振环之间的闭合回路组成；
所述左手材料层的参数设计为开口宽度g＝1.8mm，两侧总高度L1＝9.3mm，两个对称的等边开口三角形的侧边边长m＝1.8mm，底边边长h＝2.7mm，开口三角形的高度t＝1.5mm，线宽度w＝0.3mm，金属丝厚度为0.15mm，其电导率为5.76×107S/m，将三个双开口三角形谐振环单元附在介质基板上，组成一结构系统，该介质基板的厚度d＝0.3mm，面积为La×Wa，La表示介质基板的长度，Wa表示介质基板的宽度，其值为La＝4.8mm，Wa＝10.2mm，介电常数ε2，其值为ε2＝4.65，三个双开口三角形谐振环单元间距为d1＝0.525mm，矩形贴片微带天线的辐射元与双开口谐振环金属结构系统之间的间距d2＝0.5mm。
2.根据权利要求1所述的矩形贴片微带天线，其特征在于所述的参考地为矩形结构，其尺寸为LGND×WGND，LGND≥16.972mm，WGND≥19.54mm。
3.根据权利要求1所述的矩形贴片微带天线，其特征在于所述的介质层为长方体，其尺寸为L×W×H，L≥16.972mm，W≥19.54mm，H＝1.5mm，介质层的相对介电常数为εr，其值εr＝2.2。
4.根据权利要求1所述的矩形贴片微带天线，其特征在于所述的辐射元为矩形贴片，其尺寸为Lr×Wr，Lr＝7.972mm，Wr＝10.54mm。
5.根据权利要求1所述的矩形贴片微带天线，其特征在于该矩形贴片微带天线是采用同轴线馈电的，将同轴线接头的内芯线穿过参考地和介质层与辐射元相连接。
6.根据权利要求1所述的矩形贴片微带天线，其特征在于在10.9-11.40GHZ范围内，电压驻波比小于2，相对带宽为4.58％，中心谐振点11.38GHZ，天线增益为7dB。
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