CN102938500A

CN102938500A - 一种基于左手材料效应的复合型螺旋线矩形框贴片天线

Info

Publication number: CN102938500A
Application number: CN2012104847338A
Authority: CN
Inventors: 王纪俊; 朱志盼; 周际东; 曹静; 沈廷根
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2012-11-26
Filing date: 2012-11-26
Publication date: 2013-02-20

Abstract

本发明涉及一种基于左手材料效应的复合型螺旋线矩形框贴片天线，该复合贴片天线包括介质基板、金属接地板、矩形框金属贴片天线、微带馈电线、螺旋金属线和金属条。矩形框天线固定在介质基板的正面，基板的介电常数为10，用微带馈电线对天线馈电，在矩形框天线内周期性排列6×6个螺旋金属线，并在螺旋线间嵌入四根金属条。介质基板的反面贴有金属接地板。本发明在某一频率附近，该复合型螺旋线结构对电磁能量的局域化程度有了明显的提高，导致天线增益明显增大，并表现为较低的回波损耗,较好地改善了天线的性能,因此该复合型螺旋线贴片天线可应用于移动通信、卫星通信以及航空航天等领域。

Description

一种基于左手材料效应的复合型螺旋线矩形框贴片天线

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)是一种新型周期结构的人工电磁媒质，其介电常数和磁导率同时为负，因此，当电磁波在这种双负介质材料中传播时，波传播的电矢量、磁矢量和波矢量三者满足左手定则，所以被称为左手材料 (或称负折射材料)。早在1968年，V. G. Veselageo就从理论上研究了LHM中的反常电磁现象。2000年，Smith等人在微波波段首次发现用特殊微结构周期排列的复合介质可以同时得到负的介电常量和负的磁导率，从而从实验上验证了这种材料可以通过人工方法制得。左手材料具有很多奇特的光学与电磁学性质，如逆Doppler效应、逆Cherenkov辐射、反常折射现象等。这些特性展现了左手材料在光与电磁波领域具有潜在的重要应用价值。

本发明通过对复合型螺旋线矩形框天线体系的研究，发现该结构能够较好地降低天线的回波损耗，增大天线的增益。从理论上分析，我们可以解释为：在特定频率范围内，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，形成电磁波的“隧道”效应和倏逝波的放大作用，由此，大大加强了电磁波共振强度，使得该结构复合型螺旋线结构对电磁能量的局域化程度有了明显的提高，导致天线增益明显增大，并表现为较低的回波损耗，由此，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。

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，加强了电磁波共振强度，提高了电磁能量的局域化程度，从而降低天线的回波损耗，增大了增益。

实现本发明的技术方案：一种基于左手材料效应的复合型螺旋线矩形框贴片天线，包括介质基板1、金属接地板2、复合贴片天线5、螺旋金属线6和金属条7，复合贴片天线5由矩形框金属贴片天线3和微带馈线4组成，复合贴片天线5固定在介质基板1的正面，在介质基板的正面设有周期性排列的螺旋金属线6和金属条7，介质基板1的反面贴有金属接地板2，微带馈线4用于对矩形框金属贴片天线3馈电。

介质基板1正面采用电路板刻蚀技术，分别刻蚀矩形框金属贴片天线3、微带馈线4、螺旋金属线6、金属条7，螺旋金属线6周期排列在矩形框金属贴片天线3内，在矩形框金属贴片天线3内平均排布6×6个螺旋金属线6，并在螺旋金属线6间每隔两列嵌入一根金属条7，一共嵌入4根金属条7，微带馈线4与矩形框金属贴片天线3相连，用于作为矩形框

金属贴片天线3的电波信号馈入源。

介质基板1的大小为：长为360mm，宽为360mm，高为8mm，即Hl(360mm)×Ll(360mm)×Dl(8mm)，介质基板的相对介电常数为10，在介质基板正面固定有宽度D2=4mm的矩形框金属贴片天线3，矩形框金属贴片天线3外框边长L2=304mm，内框边长L3=296mm，外框距介质板边缘D6=28mm，矩形框金属贴片天线3内嵌入的6×6周期性排列的螺旋金属线(6)的线宽D7=1.9mm，相邻线间隔D8=1.9mm，最小内径R1=1.9mm，最大外径R2=19mm，R3=17.1mm，相邻螺旋金属线中心的间距D4=D5=44.8mm，所述的螺旋金属线6间嵌入的金属条7，金属条7长H4=260mm ，宽L4=3mm，金属条7的间距D3=86.6mm，在基板的反面贴有金属接地板，尺寸为：长为360mm，宽为360mm，即Hl(360mm)×Ll(360mm)，微带馈线4的长为28mm，宽为L5=4.7mm。外加激励源通过金属导线一端与微带馈线4相连，另一端与接地板2相连，激励源采用Gaussian离散源，通过微带馈线4给矩形框金属贴片天线3馈电。

为了验证本发明的有效性，将上述基于左手材料效应的复合型螺旋线矩形框贴片天线结构利用仿真软件XFDTD进行测试，该软件是美国REMCOM公司开发的基于电磁数值计算方法FDTD(时域有限差分法)的全波三维电磁仿真软件，该软件仿真结果可靠性高。通过该软件的仿真测试，可以得到天线性能对应的性能参数值，如回波损耗（s11，也称为反射系数）、传输系数（s21）、电压驻波比（VSWR）和增益（Gain）等。通过分析这些数值，可以比较出天线性能的优劣。

本发明是在普通贴片天线的基础上加入了左手材料组合形成复合型贴片天线。利用左手材料的特性，在4.18GHZ频率处产生的电磁波共振态，出现介电常数和磁导率的实部同时为负值，其折射率也为负值，此效应大大加强了电磁波共振强度，它使得如此的结构对电磁能量的局域化程度有了明显的提高，并拥有较高增益，表现为较低的回波损耗，能很好地改善天线的性能，使得该贴片天线在移动通信、卫星通信以及航空航天等众多领域能更好地得到应用。

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；

1-介质基板；2-金属接地板；3-矩形框金属贴片天线；4-微带馈线；5-复合贴片天线；6-螺旋金属线；7-金属条。

图2是本发明基于左手材料效应的复合贴片天线螺旋线正面结构示意图；

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驻波比示意图；

图6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。

具体实施方案

采用电路板刻蚀技术，如图1所示的基于左手材料效应的复合型螺旋线矩形框贴片天线结构中，在介质基板1正面分别刻蚀矩形框金属贴片天线3、微带馈线4，在介质基板1反面贴有金属接地板2。微带馈线4作为矩形框金属贴片天线3的电波信号馈入源，连接着矩形框金属贴片天线3，矩形框金属贴片天线3中间的介质基板上刻蚀出6×6的螺旋金属线6和4根金属条7。

本发明是一种基于左手材料效应的复合贴片天线，如图1所示。这种基于左手材料效应的复合型螺旋线矩形框贴片天线的介质基板1的大小为Hl(360mm)×Ll(360mm)×Dl(8mm)，介质基板1的相对介电常数为10，在介质基板1正面固定有宽度D2=4mm的矩形框金属贴片天线3，矩形框金属贴片天线3外框边长L2=304mm，内框边长L3=296mm，外框距介质基板1边缘D6=28mm。矩形框金属贴片天线3内嵌入6×6周期性排列螺旋金属线6，螺旋金属线6（图2）线宽D7=1.9mm，相邻线间隔D8=1.9mm，最小内径R1=1.9mm，最大外径R2=19mm，R3=17.1mm，相邻螺旋金属线中心的间距D4=D5=44.8mm。螺旋金属线6间嵌入4根金属条7，金属条7长H4=260mm ，宽L4=3mm，金属条7的间距D3=86.6mm，在介质基板1的反面贴有金属接地板2，尺寸为Hl(360mm)×Ll(360mm)。矩形框金属贴片天线3与长为28mm，宽为L5=4.7mm的微带馈线4相连构成复合贴片天线5。激励源采用Gaussian离散源，通过微带馈线4给矩形框金属贴片天线3馈电。

用XFDTD电磁仿真软件对这种复合型螺旋线矩形框贴片天线进行仿真实验。实验得到如图3所示的回波损耗s11特性，在频率4.18GHZ处最小回波损耗s11约为-31.3dB，说明复合型结构能进一步减少回波损耗。

如图4所示，得到增益特性，加入螺旋金属线6贴片和金属条7后，这种基于左手材料效应的复合型螺旋线矩形框贴片天线正向增益最大约为11.33dB，说明在复合贴片天线5中加入螺旋金属线6和金属条7的复合型结构可以较大提高贴片天线的增益。

如图5所示，得到电压驻波比VSWR特性，在频率4.18GHZ处最小电压驻波比为1.056，已经很靠近理想值1。

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。本发明中的这种基于左手材料效应的复合型螺旋线矩形框贴片天线，在介质基板1上表面贴有金属条7，提高了体系的电容值，产生较强的电谐振；另外，在介质基板1上表面覆盖周期性排列螺旋金属线6，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，由仿真得到了这种复合型螺旋线矩形框贴片天线的散射参数，即对该复合型螺旋线矩形框贴片天线仿真得到的s21和s11数据，通过NRW传输/反射法得出该复合型结构的有效介电常数和有效磁导率电磁参数，图6给出了根据仿真得到的参数所提取的有效磁导率、有效介电常数，以及折射率n。

仿真结果由图6直观的说明:在天线谐振点附近f=4.18GHz频率处，出现有效磁导率和有效介电常数都为负值，分别为=-3.4和=-9.6，表明：通过对普通矩形框贴片天线和螺旋金属线、金属条组合，可以形成新的复合型矩形框天线体系，该体系能使磁导率和介电常数都为负值，折射率也为负值，具有左手材料性质。

本发明采用电路板刻蚀技术制作天线。本发明的具体结构尺寸为：天线的介质基板1材料为Taconic CER-10材料（相对介电常数为10）。介质基板1的大小为360mm×360mm×8mm，在介质基板1正面固定有宽度为4mm的矩形框金属贴片天线3，矩形框外框边长L2=304mm，内框边长L3=296mm，外框距介质基板1边缘28mm。矩形框金属贴片天线3内嵌入6×6周期性排列金属螺旋线6，尺寸为R1=D7=D8=1.9mm，R2=19mm，R3=17.1mm，间距D4=D5=44.8mm。金属螺旋线6间嵌入4根金属条7，金属条7长H4=260mm，宽L4=3mm，金属条7之间间距D3=86.6mm，在介质基板1的反面贴有360mm×360mm的金属接地板2。矩形框金属贴片天线3与长为28mm，宽为L5=4.7mm的微带馈线4相连构成复合贴片天线5。通过微带馈线给矩形框金属贴片天线3馈电，这种基于左手材料效应的复合型螺旋线矩形框贴片天线的中心频率约为4.18GHZ，至此完成该基于左手材料效应的复合型螺旋线矩形框贴片天线的制作。

Claims

1.一种基于左手材料效应的复合型螺旋线矩形框贴片天线，其特征在于：包括介质基板(1)、金属接地板(2)、复合贴片天线(5)、螺旋金属线(6)、金属条(7)，复合贴片天线(5)由矩形框金属贴片天线(3)和微带馈线(4)组成，复合贴片天线(5)固定在介质基板(1)的正面，在介质基板的正面设有周期性排列的螺旋金属线(6)和金属条(7)，介质基板(1)的反面贴有金属接地板(2)，微带馈线(4)用于对矩形框金属贴片天线(3)馈电。

2.根据权利要求1所述的基于左手材料效应的复合型螺旋线矩形框贴片天线，其特征在于，介质基板（1）正面采用电路板刻蚀技术，分别刻蚀矩形框金属贴片天线(3)、微带馈线（4）、螺旋金属线(6)、金属条（7），螺旋金属线(6)周期排列在矩形框金属贴片天线(3)内，在矩形框金属贴片天线(3)内平均排布6×6个螺旋金属线（6），并在螺旋金属线(6)间每隔两列嵌入一根金属条（7），一共嵌入4根金属条（7），微带馈线（4）与矩形框金属贴片天线（3）相连，用于作为矩形框金属贴片天线（3）的电波信号馈入源。

3.根据权利要求2所述的基于左手材料效应的复合型螺旋线矩形框贴片天线，其特征在于：介质基板（1）的大小为：长为360mm，宽为360mm，高为8mm，即Hl(360mm)×Ll(360mm)×Dl(8mm)，介质基板的相对介电常数为10，在介质基板正面固定有宽度D2=4mm的矩形框金属贴片天线（3），矩形框金属贴片天线（3）外框边长L2=304mm，内框边长L3=296mm，外框距介质基板（1）边缘D6=28mm，矩形框金属贴片天线（3）内嵌入的6×6周期性排列的螺旋金属线(6)的线宽D7=1.9mm，相邻线间隔D8=1.9mm，最小内径R1=1.9mm，最大外径R2=19mm，R3=17.1mm，相邻螺旋金属线中心间距D4=D5=44.8mm，所述的螺旋金属线(6)间嵌入的金属条（7），金属条（7）长H4=260mm ，宽L4=3mm，金属条（7）的间距D3=86.6mm，在基板的反面贴有金属接地板，尺寸为：长为360mm，宽为360mm，即Hl(360mm)×Ll(360mm)，微带馈线（4）的长为28mm，宽为L5=4.7mm，外加激励源通过金属导线一端与微带馈线（4）相连，一端与接地板（2）相连，激励源采用Gaussian离散源，通过微带馈线（4）给矩形框金属贴片天线（3）馈电。