CN102881999A

CN102881999A - 宽带宽高增益的超材料天线

Info

Publication number: CN102881999A
Application number: CN2012101922445A
Authority: CN
Inventors: 王朗; 王珑; 李乐伟; 曹雷
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2012-06-12
Filing date: 2012-06-12
Publication date: 2013-01-16

Abstract

一种宽带宽高增益串联馈电的超材料天线阵，包括基板、超材料天线阵和金属反射层，所述金属反射层上对应的超材料天线阵区域设有阵列的十字型间隙；所述超材料天线阵由两个阵元串联组成，所述阵元之间用偏离阵元中心的第一馈线连接，第二阵元与馈源用与第一馈线偏离方向相反的第二馈线连接。本发明采用二元阵元串联馈电，其体积较四元阵元并联馈电的体积要小很多，适于天线小型化趋势；而且其工作带宽为3.9GHz~7.7GHz，相对带宽达到68%，而单个阵元的相对带宽是46%；除了3.9GHz~4.65GHz，带宽内峰值增益都高于3.9dB。

Description

宽带宽高增益的超材料天线

技术领域

本发明涉及通讯天线领域，具体涉及一种宽带宽高增益的超材料天线，其采用较小的体积，实现较宽的带宽和较高的增益。

背景技术

超材料（Metamaterial MTM）的人工制造结构显示出特别的波传播特性，其应用到天线设计中一直是一个热门方向，吸引了很多学者和工程师的注意，但是超材料的构造是用电磁谐振，所以带宽很窄，损耗也会增加。

Le-Wei Li等在Proc. of 2010 European Conference on Antennas and Propagation中公开了一种宽带宽高增益超材料天线（Broadband and High-Gain Metamaterial Microstrip Anetnna Arrays），其包括基板、安装在基板上表面的左手超材料天线单元和位于基板下表面的金属反射层；所述金属反射层被刻蚀出十字型带状间隙，其中馈电区域未被刻蚀，天线区域采用四个超材料天线单元并联，并通过馈线与馈源连接。与传统四元天线相比，其带宽大大提高，带宽内同样实现了高增益。虽然并联馈阵有更宽的带宽并且提高了增益，但是并联馈电由于功分器的尺寸、数量与其连接的微带线的长度与数量是设计好的，并联馈电的天线体积或面积很难被进一步缩小。随着电子产品日益小型化，对天线的性能要求不断提高的前提下，对其所占面积也提出了小型化要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种宽带宽高增益的超材料天线阵，其采用偏离中心的馈线将超材料天线串联连接，在减小天线尺寸的同时，拓宽了天线带宽、增加了天线增益。

为解决上述技术问题，本发明采取的技术方案如下：

一种宽带宽高增益的超材料天线，结构中包括基板、刻蚀在基板上表面的超材料制成的天线阵和覆在基板下表面的金属反射层，所述金属反射层上刻蚀有阵列的十字型间隙；所述天线阵由第一阵元和第二阵元串联组成。

所述第一阵元和第二阵元借助偏离中心的第一馈线连接，第二阵元与馈源之间借助偏离中心的第二馈线连接，所述第二馈线与第一馈线与中心偏离的方向是相反的。

采用上技术方案产生的有益效果在于：

1）本发明采用二元超材料阵元串联馈电，不需要预留功分器的面积，所需馈线的数量也减少为2根，而且阵元所占的面积也减少一半，因此天线的体积（或面积）较四元阵元并联馈电的体积（或面积）要小很多，适于电子产品对小型化趋势；

2）本发明采用体积较小的串联的二元阵元工作带宽为3.9GHz~7.7GHz，相对带宽达到68%，而单个阵元的相对带宽是46%；除了3.9GHz~4.65GHz，带宽内峰值增益都高于3.9dB。

附图说明

图1是本发明天线的主视结构示意图；

图2是本发明天线的后视结构示意图；

图3是本发明天线的S₁₁图；

图4是本发明天线的增益图；

图5是本发明天线的仿真3D方向图；

图6是测量的本发明天线7GHz的2D共面极化与交叉极化的结果；

图7是测量的本发明天线7.6GHz 的2D共面极化与交叉极化的结果；

附图中，1、第一阵元，2、第二阵元，3、金属反射层，4、基板，5、第一馈线，6、第二馈线，7、十字型间隙。

具体实施方式

参看图1和图2，本发明结构中包括基板4、刻蚀在基板4上表面的超材料制成的天线阵和覆在基板2下表面的金属反射层3，所述金属反射层3上刻蚀有阵列的十字型间隙7，在第二馈线6所在的馈电区域所对应的金属反射层上未刻蚀十字型间隙，刻画的超材料参见背景技术中Le-Wei Li所公开的超材料。本发明中所述天线阵由第一阵元1和第二阵元2串联组成。

所述第一阵元1和第二阵元2借助偏离中心的第一馈线5连接，第二阵元2与馈源之间借助偏离中心的第二馈线6连接，所述第二馈线6与第一馈线5与中心偏离的方向是相反的。

第一阵元1与第二阵元2之间的距离为介质中的中心波长的0.5~1倍。第一馈线5的特征阻抗与第一阵元1的输入阻抗匹配。

设计传统天线时的假设（每个天线的阻抗是纯实数）在超材料概念天线阵设计中很难被保证。虽然为了增益最好的叠加，两个阵元之间的距离仍然是一个波长（天线排阵的一个要求，为了保证两个天线相位相同），但是馈线和阵元各自的长度不再像传统天线一样是半波长。

两个阵元之间的第一馈线5的特征阻抗与第一阵元1的输入阻抗匹配，即第一馈线5的特征阻抗基本等于第一阵元1的输入阻抗。总的输入阻抗于是接近50Ω（两个单个天线阻抗都大于50Ω，并联起来就接近50Ω），与天线阵的输入阻抗一致。这个分步匹配技术使输入阻抗随频率变化缓慢，从而导致宽带宽的特性。

本实施例中基板4 是Duroid，相对介电常数为2.2，厚度31mil。每个阵元覆盖的区域大小是12mm×16mm。第一馈线5和第二馈线6是向着相反方向偏离阵元中心的。两个阵元之间的距离，也就是第一馈线5与第一阵元4的长度之和为传输介质中的一个波长长度。为了维持能量传输特性，第二馈线6下方的金属反射层并未被蚀刻十字型缝隙；为了维持第一阵元1的辐射特性，第一馈线5下方的金属反射层是蚀刻的。

制造本实施例的二元超材料天线阵，阵元尺寸为12mm×16mm；第一馈线的长度为12mm、宽度为0.65mm；第二馈线的长度为13.4mm、宽度为2.42mm，基板4的尺寸为72.4mm×41mm。S11的仿真、测量结果比较见图3，从图中可以看出，-10dB时带宽在3.9GHz到7.7GHz之间，相对带宽到达68%，相比而言单个阵元的相对带宽是46%（参见Le-Wei Li, Ya-Nan Li, Tat Soon Yeo, Juan R. Mosig, Olivier J. F. Martin, “A broadband and high-gain metamaterial microstrip antenna,” Appl. Phys. Lett., vol. 96, No. 16, p. 164101, Apr 2010）。

图4是测试的4GHz到8GHz的峰值增益，除了3.9GHz~4.65GHz，带宽内峰值增益都高于3.9dB。在7GHz和7.6GHz有极大值。

图5是本实施例天线阵的仿真3D方向图。由于两个阵元方向图的叠加，天线主瓣也是向前的。本发明使用了超材料做串联馈电阵，为了继承其宽带宽、高增益的特点，使用了偏离中心的馈线，两个馈线在不同的方向偏离保证了其增益最大化。所以使增益和带宽进一步提高，带宽远大于普通微带二元串馈天线。

图6和图7 是测量的7GHz和7.6GHz的2D共面极化与交叉极化结果，从图中可知：在主要辐射方向（即零度方向）共面极化和交叉极化相差大约20dB，其极化效果非常好。

Claims

1.一种宽带宽高增益的超材料天线，结构中包括基板（4）、刻蚀在基板（4）上表面的超材料制成的天线阵和覆在基板（2）下表面的金属反射层（3），所述金属反射层（3）上刻蚀有阵列的十字型间隙（7）；其特征在于所述天线阵由第一阵元（1）和第二阵元（2）串联组成。

2.根据权利要求1所述的宽带宽高增益的超材料天线，其特征在于所述第一阵元（1）和第二阵元（2）借助偏离中心的第一馈线（5）连接，第二阵元（2）与馈源之间借助偏离中心的第二馈线（6）连接，所述第二馈线（6）与第一馈线（5）与中心偏离的方向是相反的。

3.根据权利要求1所述的宽带宽高增益的超材料天线，其特征在于第一阵元（1）与第二阵元（2）之间的距离为介质中的中心波长的0.5~1倍。

4.根据权利要求1所述的宽带宽高增益的超材料天线，其特征在于第一馈线（5）的特征阻抗与第一阵元（1）的输入阻抗匹配。

5.根据权利要求2所述的宽带宽高增益的超材料天线，其特征在于所述第一馈线（5）为12mm，第二馈线（6）的长度为13.5mm；第一阵元（1）、第二阵元（2）的长度均为16mm。