CN105226378A - 基于零折射率材料的紧凑型高定向性平板天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于零折射率材料的紧凑型高定向性平板天线，工作在6GHz，由圆形微带贴片天线、零折射率平板透镜组成。其中，圆形贴片天线采用同轴馈电，天线辐射方向的正前方放置平板透镜，透镜由四层圆形介质薄层相距4毫米叠加而成，每层介质板表面周期分布着相同尺寸的磁谐振单元结构开口谐振环，天线辐射的电磁波通过透镜的作用，以类平面波的形式出射，从而提高定向性。本发明设计加工简单，将新型人工电磁材料应用于提高微带贴片天线的定向性，效果显著，在定向天线与无线通信领域有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于透镜天线领域，涉及一种基于零折射率材料的紧凑型高定向性平板天线。
背景技术
微带天线是印制天线的一种，在带有导体接地板的介质基片上贴加导体薄片而形成，由于它剖面薄，体积小，生产成本低，在工程领域得到广泛应用。但传统的微带天线电场分布较为平均，定向性差增益低。虽然一些传统天线也能实现高定向性和高增益，比如反射阵天线等，但其复杂的馈电系统增加了天线设计的成本。新型人工电磁材料由尺寸远小于波长的谐振单元按一定规律排列而成，基于等效媒质理论，其电磁参数可以通过改变单元结构的形状和尺寸来灵活地调控。基于新型人工电磁材料的透镜天线多以喇叭天线为馈源，效果显著但体积和重量较大。
发明内容
技术问题：本发明提供一种紧凑型高定向、体积小、重量轻、易于加工的基于零折射率材料的紧凑型高定向性平板天线。
技术方案：本发明的基于零折射率材料的紧凑型高定向性平板天线，包括贴片天线和零折射率透镜，所述贴片天线由辐射金属贴片和接地贴片通过同轴探针馈电连接组成，两者同轴设置，接地贴片、辐射金属贴片、零折射率透镜依次排列设置，所述辐射金属贴片敷设在零折射率透镜的表面，所述接地贴片宽度大于辐射金属贴片的宽度。
进一步的，本发明的平板天线中，所述辐射金属贴片和接地贴片之间设置有由空气层与聚四氟乙烯基板组成的介质层，馈电点在辐射金属贴片的边缘，工作频率在6GHz。
进一步的，本发明的平板天线中，所述辐射金属贴片与接地贴片均由介质板和设置在所述介质板上的金属层构成，所述金属层面向零折射率透镜设置。
进一步的，本发明的平板天线中，所述接地贴片与辐射金属贴片均为圆形，接地贴片与辐射金属贴片的直径比为3:2。
进一步的，本发明的平板天线中，所述零折射率透镜由两块介质基板平行间隔设置而成，每个介质基板的背向贴片天线的一侧均设置有阵列排布的刻蚀金属谐振单元。
进一步的，本发明的平板天线中，所述刻蚀金属谐振单元为开口谐振环结构
本发明主要利用新型人工电磁材料实现零折射率透镜，将其放置在圆形贴片天线表面，提高其定向性。各向异性零折射率材料即某一方向的介电常数或磁导率为零的材料。当TE模式的电磁波经过纵向磁导率为零的材料后，只有横向的电场和磁场，TE波H面的定向性得以提高，进而提高天线增益。
本发明为了提高微带天线的定向性和增益，设计了一种基于新型人工电磁材料的平板透镜覆盖在圆形贴片天线表面，以圆形贴片天线为馈源，设计简单，结构紧凑，重量轻，成本低，灵活性高，在定向天线和无线通信领域有很高的实用价值。
有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：
本发明样品的加工由印刷电路板加工技术实现，设计简单，加工方便。
本发明的新型透镜天线与传统微带天线相比，定向性好，传统微带天线辐射电磁波类似半球面波，远场方向图的波束宽度较宽，增加透镜后，电磁波穿过透镜相位分布得到修正，到达表面时相位差减小，辐射电磁波接近平面波，定向性较球面波好。
与微带天线阵相比，结构简单灵活，有良好的通用性，通过改变结构的尺寸便可设计在不同工作频点，微带天线阵的馈电网络给系统带来较大的馈电损耗，增加结构复杂度的同时还会降低增益。
本发明首次将新型人工电磁材料应用于圆形贴片天线，与已有的以喇叭为馈源的零折射率透镜天线相比，具有体积小、重量轻等显著优势。
本发明的新型透镜天线是一种紧凑型平板天线，整个透镜天线为平面结构，相比其他透镜天线，易集成，容易做成共形天线。
附图说明
图1是本发明一实施例中基于零折射率材料的紧凑型高定向性平板天线的示意图；
图2是本发明图1中圆形贴片天线的示意图，图2(a)为正视图，图2(b)为后视图，图2(c)为侧视图；
图3是本发明图1中构成透镜的开口谐振环结构单元示意图，图3(a)为正视图，图3(b)为侧视图；
图4是本发明图3中开口谐振环结构的等效磁导率相对频率的变化曲线；
图5是本发明图3中开口谐振环单元在透镜表面的排列示意图；
图6是本发明在6GHz下仿真结果，图6(a)为图2中圆形贴片天线H面电场分布，图6(b)为图1中透镜天线H面电场分布；
图7是本发明在6GHz下的仿真结果，图7(a)为H面远场方向图，图7(b)为E面远场方向图；
图8是本发明在6GHz下实验结果，图8(a)为H面远场测试图，图8(b)为E面远场测试图。
具体实施方式
下面结合实施例和说明书附图对本发明作进一步的说明。
图1是本发明一实施例中基于零折射率材料的紧凑型高定向性平板天线的示意图。如图1所示，本发明提供紧凑型高定向性平板天线，其由同轴直接馈电的圆形贴片天线和圆形平板零折射率透镜组成。图2(a)为圆形贴片天线的正视图，图2(b)为圆形贴片天线的后视图。透镜表面的开口谐振环结构单元采取的技术方案如下：在介质基板上表面用铜印刷出如图3(a)尺寸的开口谐振环，介质基板下表面无金属背板，图3(b)为单元结构的侧视图。磁谐振结构利用穿过其开口谐振环的入射磁场产生感应电流，激发谐振。透镜固定在天线的辐射贴片表面，使得透镜表面的开口谐振环平行于电场方向，避免电谐振，而磁场穿过开口谐振环产生磁谐振。根据等效媒质理论，当外部电场垂直照射到单元结构上时，由于电响应的缘故，不同尺寸的金属单元尺寸在同一频率下可以获得不同的等效介电常数，相近的磁导率以及不同的等效折射率。图4所示为图2设计的开口谐振环的等效磁导率随频率的变化曲线，在6GHz磁导率为零。
圆形贴片天线包含半径为12毫米的辐射贴片和半径为18毫米的接地贴片，两铜片间的介质层由两部分组成，4毫米厚的空气介质和0.2毫米厚的聚四氟乙烯介质板，这样的组合可以展宽微带天线的带宽。天线采用同轴探针在辐射贴片边缘直接馈电。
零折射率透镜的半径为40毫米，厚度为16毫米，由四层有金属结构附着的介质薄层构成，每层介质基板间距4毫米。每层介质基板上周期排列着尺寸完全相同的金属开口谐振环，排列周期为4毫米。根据等效媒质理论，设计的开口谐振环结构在频率为6GHz处实现波传播方向的等效磁导率为零。其中镀铜和聚四氟乙烯介质板的厚度分别为0.018毫米和0.25毫米。由于零磁导率材料主要对TE模起作用，实现磁谐振，首先要满足磁场垂直于开口谐振环结构的圆环，为了避开电谐振，电场方向应当平行于中间的类电容结构，因此开口谐振环结构处于和圆形贴片天线平行的平面。将透镜放在贴片天线的辐射贴片表面，由天线产生的波通过透镜的作用波前变平坦，达到提高定向性的效果。
本发明所提的平板零折射率透镜，样品单层介质板上表面如图5所示，半径为40毫米，单元结构以4毫米为周期对称排布，相邻介质层的间隔也相应为4毫米。为了验证透镜对天线辐射电磁波的调控作用，本发明利用电磁仿真软件进行了精确的模拟仿真，仿真结果如图6、7所示。图6(a)为圆形贴片天线在6GHz下的近场，图6(b)是增加零折射率透镜后的结果，图7(a)是6GHz下H面远场方向图，(b)是6GHz下E面远场方向图。可以看出，圆形贴片天线辐射的电磁波在增加透镜后，H面的波前变平坦，H面主瓣的波束宽度减少了46％，透镜天线的增益提高了1.1dB。图8(a)、(b)为实验结果，分别是在6GHz下H面和E面测得结果，实验在微波暗室中进行，实验结果和仿真结果基本一致，验证了本发明设计的透镜可以提高贴片天线的定向性和增益。
上述实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于零折射率材料的紧凑型高定向性平板天线，其特征在于，该天线包括贴片天线(1)和零折射率透镜(2)，所述贴片天线(1)由辐射金属贴片(3)和接地贴片(4)通过同轴探针馈电连接组成，两者同轴设置，接地贴片(4)、辐射金属贴片(3)、零折射率透镜(2)依次排列设置，所述辐射金属贴片(3)敷设在零折射率透镜(2)的表面，所述接地贴片(4)宽度大于辐射金属贴片(3)的宽度。
2.根据权利要求1所述的基于零折射率材料的紧凑型高定向性平板天线，其特征在于，所述辐射金属贴片(3)和接地贴片(4)之间设置有由空气层与聚四氟乙烯基板组成的介质层，馈电点在辐射金属贴片(3)的边缘，工作频率在6GHz。
3.根据权利要求1所述的基于零折射率材料的紧凑型高定向性平板天线，其特征在于，所述辐射金属贴片(3)与接地贴片(4)均由介质板和设置在所述介质板上的金属层构成，所述金属层面向零折射率透镜(2)设置。
4.根据权利要求1、2或3所述的基于零折射率材料的紧凑型高定向性平板天线，其特征在于，所述接地贴片(4)与辐射金属贴片(3)均为圆形，接地贴片(4)与辐射金属贴片(3)的直径比为3:2。
5.根据权利要求1、2或3所述的基于零折射率材料的紧凑型高定向性平板天线，其特征在于，所述零折射率透镜(2)由两块介质基板平行间隔设置而成，每个介质基板的背向贴片天线(1)的一侧均设置有阵列排布的刻蚀金属谐振单元。
6.根据权利要求5所述的磁导率为零的基于零折射率材料的紧凑型高定向性平板天线，其特征在于，所述刻蚀金属谐振单元为开口谐振环结构。
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