CN104638351B - 天线反射板和高增益天线 - Google Patents

Abstract

一种天线反射板，包括至少一个超材料片层，每一超材料片层包括基板和阵列排布在所述基板上的多个导电几何结构，其中至少部分导电几何结构包括水平倒置的工字形结构，所述导电几何结构经配置所获得的等效介电常数使得天线近场相位分布具有预定的一致性。一种高增益天线，包括天线本体以及所述天线反射板，所述天线反射板与天线本体平行设置并间隔一定距离。采用该天线反射板的天线可以在不增加空间尺寸情况下有效提高增益。

Description

天线反射板和高增益天线

技术领域

本发明涉及天线技术，特别是涉及一种天线反射板和高增益天线。

背景技术

现有技术中，为了提高天线的增益，通常在天线前端加入引向器，但是，加入引向器会增大天线的空间尺寸，并增加天线的成本。因此，通过传统方案来提高天线增益也受到很大的限制。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述缺点，提供一种天线反射板和具有该反射板的高增益天线。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种天线反射板，包括至少一个超材料片层，每一超材料片层包括基板和阵列排布在所述基板上的多个导电几何结构，所述基板具有所述导电几何结构的那一面为所述天线反射板的反射面，其中至少部分导电几何结构包括水平倒置的工字形结构，所述导电几何结构经配置所获得的等效介电常数使得天线近场相位分布具有预定的一致性。

进一步地，部分导电几何结构包括一字形结构。

进一步地，所述基板划分为多个超材料单元，其中每一超材料单元上排布有一个所述导电几何结构。

进一步地，所述工字形结构除具有横梁以及位于所述横梁两侧的两条等长的竖边外，还具有在所述横梁的中央与所述横梁垂直相交设置的垂直梁。

进一步地，所述垂直梁的长度与所述竖边的长度相等，或比所述竖边的长度长或短。

进一步地，所述垂直梁的顶端和底端设有与所述垂直梁相垂直的顶边和底边。

进一步地，所述工字形结构的横梁以及两条竖边的长度为0～100mm。

进一步地，所述导电几何结构为铜、铝、铁、金、银、ITO、石墨或者碳纳米管材质。

进一步地，所述线宽为0.01mm～10mm。

进一步地，每一超材料单元的长度和宽度为1mm～200mm。

进一步地，所述基板为F4B、FR4、陶瓷、聚四氟乙烯、铁电、铁氧或者铁磁材料板。

所述多个导电几何结构按照以下形式的阵列排布，所述阵列的中央为工字形结构区域，且从所述工字形结构区域的中心到其边缘，各工字形结构的竖边的长度逐步变短，所述工字形结构区域的周围为一字形结构区域，且从阵列的中部到边缘，各一字形结构的长度逐步变短。

一种高增益天线，包括天线本体以及上述的任一种天线反射板，所述天线反射板与天线本体平行设置并间隔一定距离。

进一步地，所述天线为半波偶极子天线。

进一步地，所述天线本体的长度为5mm～500mm，所述天线反射板的面积为5mm*5mm～500mm*500mm，所述天线本体与所述天线反射板的间距为2.5mm～250mm。

本发明采用超材料片层作为天线反射板，超材料片层具有包括水平倒置的工字形导电几何结构的阵列，这种导电几何结构的阵列可产生对电磁波0～360°的调相能力，通过配置这种导电几何结构的阵列，当电磁波入射到这种导电几何结构时，可以得到所需的等效介电常数，从而能够对天线所辐射的电磁波在反射板表面的相位分布产生希望的调制效果，将天线近场相位分布一致性提高到预定的水平，以提高天线的等效口径效率，进而显著地提高天线增益。由于不需引向器，本发明也不会增加天线的空间尺寸，并降低了天线的成本。

附图说明

图1为本发明实施例中的单层超材料片层结构示意图；

图2为本发明实施例中的多层超材料片层结构示意图；

图3为本发明实施例中一个超材料片层上可以具有的多种导电几何结构的示意图；

图4为本发明实施例中典型的工字形导电几何结构示意图；

图5a至图5c为本发明实施例中其他几种的工字形导电几何结构示意图；

图6为本发明实施例的半波偶极子天线结构示意图；

图7为本发明实施例的天线反射板的导电几何结构阵列示意图；

图8为使用本发明实施例的反射板和使用传统反射板的天线的增益对比图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

超材料是一种具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构材料，通过设置有序排列的导电几何结构，可以改变空间中每点的相对介电常数和磁导率。超材料可以在一定范围内实现普通材料无法具备的折射率、阻抗以及透波性能，从而可以有效控制电磁波的传播特性。本发明的超材料天线反射板，通过独特构造的导电几何结构，来改变材料的相对介电常数、折射率和阻抗，实现与空气的阻抗匹配，使其对天线辐射到反射板表面的电磁波的相位分布产生影响，实现对电磁波的相位调制。通过设置水平倒置的工字形导电几何结构的阵列，当电磁波入射到这种导电几何结构时，其表面会感应出表面电流，这使得导电几何结构周围的电场发生改变，从而影响周围结构的等效介电常数。由于电磁波穿过某介质发生的相位延迟量与此介质的介电常数的平方根呈正比，故通过这种导电几何结构可以得到所需的等效介电常数，控制电磁波的相位变化量，提高天线近场相位分布一致性，提升天线的等效口径效率，进而显著地提高天线增益。

如图1和图2所示，本发明的实施例提供一种天线反射板，其包括至少一个超材料片层1，每个超材料片层1包括基板10和阵列排布在基板10上的导电几何结构20。

图1是以反射板有一个超材料片层1为例进行说明。图2所示的反射板有多个超材料片层1，各个超材料片层1沿垂直于片层的方向叠加，并可通过机械连接、焊接或粘合等方式组装成一体。在实际设计时，也可以采用两个基板，而导电几何结构阵列排布在其中一个基板上，另一基板覆盖导电几何结构，将导电几何结构夹设在两个基板之间，同样能够达到本发明的目的。例如采用3层基板，两层导电几何结构间隔排布在3层基板之间。同理，采用5层基板，3层微结构间隔排布在5层基板之间。本发明对超材料片层的具体数量不做限制。通常，在能够满足性能的情况下，一个超材料片层就可以作为超材料反射板来使用。阵列排布的导电几何结构所在平面与电磁波的电场和磁场方向平行，与入射电磁波传播方向垂直。

如图1和图2所示，超材料片层1中的基板10可划分为多个超材料单元，每一超材料单元上排布有一个导电几何结构20（参阅图3-图7），基板10具有导电几何结构的那一面为天线反射板的反射面。图中所示的超材料单元的划分个数仅为示意，并不作为对本发明的限制。

如图3所示，根据本发明的实施例，在一个基板上的多个导电几何结构中，至少部分导电几何结构包括水平倒置的工字形结构，多个导电几何结构共同排布成阵列（参阅图7）。此外，也可以有一部分的导电几何结构是包括一字形结构。

如图4所示，典型的工字形结构仅具有横梁c以及位于所述横梁两侧的两条等长的竖边d。优选地，所述工字形结构的横梁c以及两条竖边d的长度为0～100mm。

所述一字形结构和所述工字形结构可由具有预设线宽的金属条构成。所述金属条优选为铜条。金属条的线宽优选为0.01mm～10mm。优选地，例如在天线工作频率为30GHz的情况下，每一超材料单元的长度和宽度a、b为1mm。

导电几何结构的上述形状及线宽尤其有利于反射板实现对电磁波的相位调控。

以上实施例中的数值仅为示例，在实际应用中，可以依据实际需求进行调整，本发明对此不作限制。

如图5a-图5c所示，除了典型的工字形结构，也可以采用工字形结构的如下变型。这些非典型工字形结构除了具有横梁以及位于所述横梁两侧的两条等长的竖边外，还具有在所述横梁的中央与所述横梁垂直相交设置的垂直梁。所述垂直梁的长度可以与所述竖边的长度相等，或比所述竖边的长度长或短。在进一步的变型中，所述垂直梁的顶端和底端还可以设有与所述垂直梁相垂直的顶边和底边。

通过形成由一字形结构和水平倒置的工字形结构构成的导电几何结构阵列，可以对水平极化的电磁波相位分布产生响应，其中，由于感应电流主要集中在导电几何结构的水平部分，故不同长度的水平部分均不同程度地参与对电磁波的相位调制。另外，工字形结构还可以在不改变导电几何结构谐振频率的条件下缩小导电几何结构的单元尺寸。而如图5a-图5c所示的拓展变型，利用正交垂直的结构，还可以实现对相互垂直的两个线极化电磁波进行调制。

超材料片层可以由双面覆铜介质板加工而成。在本发明的一个实施例中，基板10由F4B或FR4复合材料制得。导电几何结构20在基板朝向天线本体的一侧通过蚀刻的方式附着在基板10上，当然导电几何结构20也可以采用电镀、钻刻、光刻、电子刻或者离子刻等方式附着在基板10上。基板10也可以采用其他材料制成，比如陶瓷、聚四氟乙烯、铁电材料、铁氧材料或者铁磁材料制成。导电几何结构20采用铜线制成，当然也可以采用银线、ITO、石墨或者碳纳米管等导电材料制成。

本发明还提供一种天线，包括天线本体以及如上文所述的天线反射板，天线反射板与天线本体平行设置并间隔一定距离。天线可以是但不限于半波偶极子天线。天线本体可以是例如但不限于平板型的。优选地，天线本体的长度为5mm～500mm，天线反射板的面积为5mm*5mm～500mm*500mm，天线本体与天线反射板的间距为2.5mm～250mm。如图6所示，在一个具体实施例中，偶极子天线本体的长度I为5mm，所述天线反射板的面积为5mm*5mm，所述天线本体与所述天线反射板的间距h为2.5mm，天线的电磁波辐射方向如图中箭头A所示。如本领域技术人员能够理解，天线通常还可包括辐射源、馈电单元等，本发明对此不作限制。天线按用途来说可以是但不限于WLAN天线。

如图7所示，在一个具体的实施例中，天线反射板上的多个导电几何结构按照以下形式的阵列排布，其中，所述阵列的中央为工字形结构区域，且从所述工字形结构区域的中心到其边缘，各工字形结构的竖边的长度逐步变短，所述工字形结构区域的周围为一字形结构区域，且从阵列的中部到边缘，各一字形结构的长度逐步变短。该天线反射板尤其适于增加如图6所示的偶极子天线的增益。由于偶极子天线位于反射板中心的上方，其辐射的电磁波在反射板表面的相位分布呈同心环状，如图7所示的反射板上的导电几何结构可以针对这种电磁波相位分布将电磁波的相位面调平，有效提高其增益。

不管导电几何结构阵列的具体排布形式如何，只要导电几何结构阵列的排布所产生的调相作用使得天线近场相位分布更为一致，即可增加天线增益。在不同的实施例里，可以根据天线工作参数、以及天线位置、天线数量等参数来确定导电几何结构阵列中一字形结构和工字形结构的具体排布形式，以达到与这些参数相适应的相位调制效果，从而有效提高天线增益。

图8示出了使用本发明实施例的超材料反射板和使用传统反射板的天线在各方向的天线方向增益对比，线条2表示使用传统反射板时的增益，线条1表示使用本发明实施例超材料反射板时的增益。从对比结果可以看出，采用本发明实施例的超材料反射板，比传统天线的增益提高了约0.5～1dB。而且，本发明不需要通过增加引向器来提高天线增益，故相对于传统解决方案缩小了天线的尺寸，降低了成本。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (14)

1.一种天线反射板，其特征在于，包括至少一个超材料片层，每一超材料片层包括基板和阵列排布在所述基板上的多个导电几何结构，所述基板具有所述导电几何结构的那一面为所述天线反射板的反射面，其中至少部分导电几何结构包括水平倒置的工字形结构，另一部分导电几何结构包括一字形结构，且在所述天线反射板的反射面上形成位于四周的多个所述一字形结构包围位于中间区域的多个所述工字形结构的配置，从而所述导电几何结构所获得的等效介电常数对天线所辐射的电磁波在反射板表面的相位分布产生的调制使得天线近场相位分布更为一致。

2.根据权利要求1所述的天线反射板，其特征在于，所述基板划分为多个超材料单元，其中每一超材料单元上排布有一个所述导电几何结构。

3.根据权利要求1所述的天线反射板，其特征在于，所述工字形结构除具有横梁以及位于所述横梁两侧的两条等长的竖边外，还具有在所述横梁的中央与所述横梁垂直相交设置的垂直梁。

4.根据权利要求3所述的天线反射板，其特征在于，所述垂直梁的长度与所述竖边的长度相等，或比所述竖边的长度长或短。

5.根据权利要求3所述的天线反射板，其特征在于，所述垂直梁的顶端和底端设有与所述垂直梁相垂直的顶边和底边。

6.根据权利要求1所述的天线反射板，其特征在于，所述工字形结构的横梁以及两条竖边的长度为0～100mm。

7.根据权利要求1所述的天线反射板，其特征在于，所述导电几何结构为铜、铝、铁、金、银、ITO、石墨或者碳纳米管材质。

8.根据权利要求6所述的天线反射板，其特征在于，所述导电几何结构的线宽为0.01mm～10mm。

9.根据权利要求1至8任一项所述的天线反射板，其特征在于，每一超材料单元的长度和宽度为1mm～200mm。

10.根据权利要求1至8任一项所述的天线反射板，其特征在于，所述基板为F4B、FR4、陶瓷、聚四氟乙烯、铁电、铁氧或者铁磁材料板。

11.根据权利要求1至8任一项所述的天线反射板，其特征在于，所述多个导电几何结构按照以下形式的阵列排布，所述阵列的中央为工字形结构区域，且从所述工字形结构区域的中心到其边缘，各工字形结构的竖边的长度逐步变短，所述工字形结构区域的周围为一字形结构区域，且从阵列的中部到边缘，各一字形结构的长度逐步变短。

12.一种高增益天线，其特征在于，包括天线本体以及如权利要求1至11任一项所述的天线反射板，所述天线反射板与天线本体平行设置并间隔一定距离。

13.根据权利要求12所述的高增益天线，其特征在于，所述天线为半波偶极子天线。

14.根据权利要求13所述的高增益天线，其特征在于，所述天线本体的长度为5mm～500mm，所述天线反射板的面积为5mm*5mm～500mm*500mm，所述天线本体与所述天线反射板的间距为2.5mm～250mm。