CN104993226A - 一种人工磁导体单元、人工磁导体结构及平面天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种人工磁导体单元、人工磁导体结构及平面天线，包括金属周期贴片、金属过孔、金属接地板及介质基板，所述金属周期贴片由中心挖空的方形贴片及螺旋线构成，所述螺旋线设置在方形贴片的中间挖空部分，并与方形贴片连接，所述螺旋线通过金属过孔与金属接地板连接，所述金属周期贴片刻蚀在介质基板上，人工磁导体结构包括多个周期性分布的多个人工磁导体单元，平面天线包括天线振子以及位于天线振子下方的人工磁导体结构，使用该结构作为平面基站天线反射板可将天线高度降低到原来的1/3，该结构对多种极化的天线同时适应，应用范围很广。

Description

一种人工磁导体单元、人工磁导体结构及平面天线

技术领域

本发明涉及电磁场的超材料领域，特别涉及一种人工磁导体单元、人工磁导体结构及平面天线。

背景技术

近几年，软硬表面、电磁带隙结构、左手材料以及人工磁导体(ArtificialMagnetic Conductor，AMC)等名词越来越多的出现在电磁场技术领域中，这些结构或者材料均具有在自然界中并不存在的但极具价值的电磁特性,因此这些结构或材料也被学界称为超材料，而它们所具有的奇特的电磁特性已经在实现新型高性能天线与微波器件领域显示出强大的优势。

由于理想电导体(Perfect Electronic Conductor，PEC)表面需满足边界条件：切向电场为零，可知当平面波入射到其表面时，反射波的电场与入射波之间有180度的相位差。这使得当金属作为天线的反射面用以增强半空间辐射时，天线与反射面之间的距离需为四分之一波长左右。否则，由于反射波的电场反相，会大大削弱天线的辐射性能，这样就增大了天线的尺寸，在实际应用中造成不便。由电磁场理论中的对偶性原理，平面波入射到理想磁导体表面时，入射波与反射波的电场是同相的，如果用理想磁导体做天线的反射面，就可以实现新型的低剖面天线，而理想磁导体在自然界中不存在。

为了实现理想磁导体的电磁特性，人工磁导体被提出，这种结构同样具有理想磁导体对平面波的同相位反射特性，同时具有低剖面，重量轻的特点。目前，关于人工磁导体的研究很多，但其窄带特性一直是研究人工磁导体的瓶颈。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种人工磁导体单元、人工磁导体结构及平面天线。

本发明可提供相对带宽为50％的宽频段覆盖，使用该结构作为平面基站天线反射板可将天线高度降低到原来的1/3，该结构对多种极化的天线同时适应，应用范围很广。

本发明采用的技术方案：

一种人工磁导体单元，包括金属周期贴片、金属过孔、金属接地板及介质基板，所述金属周期贴片由中心挖空的方形贴片及螺旋线构成，所述螺旋线设置在方形贴片的中心挖空部分，并与方形贴片连接，所述螺旋线通过金属过孔与金属接地板连接，所述金属周期贴片刻蚀在介质基板上。

所述金属接地板与介质基板之间为空气。

所述金属过孔的长度21mm，直径为1.5mm。

所述方形贴片的中心挖空部分为圆形，其中圆形半径为9mm。

一种人工磁导体结构，包括多个如权利要求1所述的人工磁导体单元，所述多个人工磁导体单元周期性分布在介质基板上。

所述多个人工磁导体单元周期性分布具体为9×9周期性分布，其中螺旋线为90度旋转对称。

一种由人工磁导体结构构成的平面天线，包括天线振子以及位于天线振子下方的人工磁导体结构，所述天线振子包括天线介质基板、下表面金属贴片和上表面金属贴片。

所述天线振子与人工磁导体结构的距离为9mm。

所述平面天线为双极化平面天线、线极化平面天线或双极化平面天线中的一种。

本发明的有益效果：

(1)金属过孔连接周期贴片与金属地板是实现宽带特性的关键，增加金属过孔的长度可以增加等效电感从而起到拓展带宽的作用，但同时也增加了人工磁导体结构的剖面高度。该结构通过设计合适的过孔长度，既达到了需要的带宽，又保证了低剖面特性；

(2)周期贴片包括中心挖空的方形贴片和螺旋线两部分，方形贴片可等效为电容，螺旋线可等效为电感，起到拓展带宽的作用，调节螺旋线的长度和宽度可调节人工磁导体的反射相位带隙；

(3)该结构采用厚度为0.76mm，相对介电常数为3.48的介质，介质层与金属地板之间为空气层，由于其等效介电常数较小，等效电容也较小，使用这种结构既有利于拓展带宽，又具有低损耗、质量轻的优点。

附图说明

图1(a)是本发明人工磁导体单元的结构示意图,图1(b)是该人工磁导体单元结构剖面示意图；

图2(a)是本发明人工磁导体结构的结构示意图,图2(b)是该人工磁导体结构剖面示意图；

图3是本发明人工磁导体结构加载在平面天线的结构示意图；

图4(a)是现有技术下加载金属反射板的天线结构剖面示意图，图4(b)是加载人工磁导体结构天线剖面示意图；

图5是加载人工磁导体结构天线S参数曲线图。

图中示出：

1-金属周期贴片，2-金属过孔，3-金属接地板，4-介质基板，5-方形贴片，6-螺旋线，7-天线介质基板，8-下表面金属贴片，9-上表面金属贴片，10-立柱。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1(a)-图1(b)所示，一种人工磁导体单元，包括金属周期贴片1、金属过孔2、金属接地板3及介质基板4，所述金属周期贴片1由中心挖空的方形贴片5及螺旋线6构成，所述螺旋线6设置在方形贴片5的中心挖空部分，并与方形贴片5连接，所述螺旋线6通过金属过孔2与金属接地板3电连接，所述金属周期贴片1刻蚀在介质基板上。金属过孔2使得金属周期贴片1与金属接地板3之间形成LC并联等效电路，其中，金属周期贴片1的方形贴片5可以等效为电容，螺旋线6可以等效为电感，并且金属过孔2可以等效为电感。该结构可以有效拓展带宽。图1(a)中所示斜纹部分为方形贴片的中心挖空部分，由图中可知，螺旋线设置在中心挖空部分。所述金属地板与介质基板之间为空气。

如图2(a)-图2(b)所示，由图1(a)-图1(b)的人工磁导体单元构成的人工磁导体结构，多个人工磁导体单元周期性分布在介质基板4上，如图所示，人工磁导体结构的金属周期贴片1以周期性规则方式布置。该人工磁导体结构的表面上布置有9行9列的金属周期贴片，金属周期贴片的螺旋线的排布方向可通过仿真结果来得到，为90度旋转对称时交叉极化最小。并且能够看到，金属周期贴片1并不一定填满介质基板4，而是空出介质基板4的中心。其中的空白部分可以便于由同轴线穿过向天线振子馈电，并且不会影响极化平面天线的整体性能。

如图3所示，使用本发明的人工磁导体结构构成双极化平面天线。所述双极化平面天线包括天线振子以及位于天线振子下方的人工磁导体结构。天线振子包括天线介质基板7、下表面金属贴片8和上表面金属贴片9。其中，双极化平面天线还可以换成圆极化或线极化平面天线等。位于天线振子下方的人工磁导体结构被用作反射板。

金属接地板3与介质基板4之间为空气层，可以采用介电常数更大的介质层，但是由于空气层等效介电常数较小，等效电容也较小，使用这种结构既有利于拓展带宽，又具有低损耗、质量轻的优点。

金属过孔的长度越长，直径越小，等效电感越大，带宽越宽。但是考虑到增加长度会增加天线整体高度，减小直径会加大制作难度，同时增加天线交叉极化，因而本实施例选择的金属国控的长度21mm，直径为1.5mm。

图4(a)和图4(b)分别为现有技术中的双极化平面天线以及使用根据本发明的人工磁导体结构的双极化平面天线。通过图4(a)和图4(b)的对比可以看到，使用本发明的人工磁导体结构的双极化平面天线与现有技术中使用金属反射板的双极化平面天线相比，天线高度大幅减小。天线振子与人工磁导体结构之间是空气。天线振子可以由位于天线振子的四个角位置的立柱10支撑。

通过仿真可以得到，在本发明的一个优选实施例中，金属过孔2的长度为21mm，直径为1.5mm。进一步地，介质基板4为Rogers R04003基板，其尺寸为360mm×360mm×0.76mm，并且相对介电常数为3.48，介质损耗正切值为0.0027。进一步地，金属周期贴片1的尺寸为38mm×38mm，周期长度(即同一行或同一列中相邻的两个金属周期贴片1的中心之间的距离)为40mm。进一步地，方形贴片5的中间挖空部分为圆形，其中圆形半径为9mm，螺旋线6由公式 $\left\{\begin{array}{c}x=ra*t*cos\left(t\right)\\ y=ra*t*sin\left(t\right)\end{array}\right.$ 给出，其中，t的取值范围是1≤t≤10，ra取值为1.1mm，螺旋线线宽为2.4mm。

从图5中可以看出，将通过仿真得到的使用上述优选实施例中的参数的人工磁导体结构的双极化平面天线的S参数与使用理想磁导体的双极化平面天线的S参数进行对比。一般情况下，可以将金属平面看作理想电导体。图5中，│S11│的曲线是否在-15dB的直线下方是移动通信基站天线的性能指标之一。

从图5中可以看到，│S11│曲线与-15dB直线的交汇点分别在频率为0.69GHz和0.96GHz处，并且在0.69GHz和0.96GHz之间位于-15dB直线的下方。从而可以得知，使用本发明的人工磁导体结构的双极化平面天线的-15dB带宽为690MHz-960MHz。从而可以得到，以上双极化平面天线的-15dB相对带宽大约为33％。在现有技术中，使用金属作为反射板的平面天线的-15dB相对带宽很难超过30％。

经过仿真可知，天线振子与人工磁导体结构的上表面之间的距离的理论值为零。但是当两者之间的距离过于小时，两者之间的互耦现象非常严重。所以经过优化后，可以知道，两者之间的距离较优地为9mm，人工磁导体结构的高度较优地为21mm，因此平面天线的高度为大约30mm。

而对于现有技术中使用金属反射板的平面天线，由于天线振子与反射板之间的距离应当为中心频率对应波长的四分之一，所以对于820MHz的中心频率来说，天线振子与反射板之间的距离应当为大约95mm。

能够看出，在使用相同的中心频率时，使用本发明的人工磁导体结构的双极化平面天线的整体高度远远小于现有技术中使用金属反射板的双极化平面天线的高度。

将该人工磁导体结构应用于线极化和圆极化平面天线中，可获得相同的天线性能。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种人工磁导体单元，其特征在于，包括金属周期贴片、金属过孔、金属接地板及介质基板，所述金属周期贴片由中心挖空的方形贴片及螺旋线构成，所述螺旋线设置在方形贴片的中心挖空部分，并与方形贴片连接，所述螺旋线通过金属过孔与金属接地板连接，所述金属周期贴片刻蚀在介质基板上。

2.根据权利要求1所述的一种人工磁导体单元，其特征在于，所述金属接地板与介质基板之间为空气。

3.根据权利要求1所述的一种人工磁导体单元，其特征在于，所述金属过孔的长度21mm，直径为1.5mm。

4.根据权利要求1所述的一种人工磁导体单元，其特征在于，所述中心挖空部分为圆形，其中圆形半径为9mm。

5.一种人工磁导体结构，其特征在于，包括多个如权利要求1所述的人工磁导体单元，所述多个人工磁导体单元周期性分布在介质基板上。

6.根据权利要求5所述的人工磁导体结构，其特征在于，所述多个人工磁导体单元周期性分布具体为9×9周期性分布，其中螺旋线为90度旋转对称。

7.一种由权利要求5-6任一项所述的人工磁导体结构构成的平面天线，其特征在于，包括天线振子以及位于天线振子下方的人工磁导体结构，所述天线振子包括天线介质基板、下表面金属贴片和上表面金属贴片。

8.根据权利要求7所述的平面天线，其特征在于，所述天线振子与人工磁导体结构的距离为9mm。

9.根据权利要求7所述的平面天线，其特征在于，所述平面天线为双极化平面天线、线极化平面天线或双极化平面天线中的一种。