CN105990691A - 一种天线及通信设备 - Google Patents

Abstract

本发明适用于天线技术领域，本发明提供一种天线及通信设备，用于发送接收工作频段下的电磁波，天线包括底层导电体、辐射体以及超材料单元；辐射体固定设置在底层导电体上，超材料单元依次排列设置在所述底层导电体的四周，并在辐射体的周围形成所述工作频段下的电磁波的禁带，在天线中辐射片的周围排列设置超材料单元，超材料单元在与交变磁场垂直时，形成谐振频率，并在谐振频率处即形成电磁波禁带，使电磁波不能在该波段传播，将电磁波约束在特定区域内，使辐射片的能量更集中于向特定方向辐射，调节了天线的电磁环境，改善了阻抗匹配特性，提高了天线的总效率。

Description

一种天线及通信设备

技术领域

本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种天线及通信设备。

背景技术

目前，国际社会对磁导率方面已有大量的研究，其中对于正磁导率的研究已经趋于成熟，对于负磁导率超材料的研究是现在国内外研究的热点，负磁导率具有量子极化作用，可以对入射波产生极化作用，因此作用范围很大，在工程领域，磁导率通常都是指相对磁导率，为物质的绝对磁导率μ与磁性常数μ0(又称真空磁导率)的比值，μr＝μ/μ0，无量纲值。通常“相对”二字及符号下标r都被省去。磁导率是表示物质受到磁化场H作用时，内部的真磁场相对于H的增加(μ＞1)或减少(μ＜1)的程度。至今发现的自然界已存在的材料中，μ一般是大于0的。现有的磁性微结构的几何形状为“工”字形或者类似“凹”字形的开口环形，但这两种结构都不能实现磁导率μ明显小于0或使超材料谐振频率降低，只有通过设计具有特殊几何图形的磁性微结构，才能使该人工电磁材料在特定频段内达到磁导率μ值小于0，并具有较低的谐振频率。负磁导率的超材料通常也应用在天线上，但是，现有技术中的微带天线由于尺寸较小，天线的效率较低，导致天线的辐射尺寸不足，难以实现高增益和大仰角覆盖，综上所述，现有技术中存在天线的辐射尺寸不足导致难以实现高增益和大仰角覆盖的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种天线及通信设备，以解决现有技术中存在天线的辐射尺寸不足导致难以实现高增益和大仰角覆盖的问题。

本发明提供一种天线，用于发送接收工作频段下的电磁波，所述天线包括底层导电体、辐射体以及超材料单元；

所述辐射体固定设置在所述底层导电体上，所述超材料单元依次排列设置在所述底层导电体的四周，并在所述辐射体的周围形成所述工作频段下的电磁波的禁带。

所述依次排列的超材料单元中相邻两个超材料单元之间的间隙小于所述工作频段下的电磁波的波长。

所述超材料单元包括基板和附着在基板上的人造微结构，所述人造微结构包括第一开口谐振环结构和嵌套在所述第一开口谐振环结构内的第二开口谐振环结构，所述第一开口谐振环结构和所述第二开口谐振环结构在垂直于交变磁场时在开口处形成谐振。

所述第一开口谐振环结构和所述第二开口谐振环结构同心设置，所述第一开口谐振环结构和所述第二开口谐振环结构为圆形、椭圆形、方形或多边形结构。

所述第一开口谐振环结构开口和所述第二开口谐振环结构的开口方向成夹角设置。所述第一开口谐振环结构开口和所述第二开口谐振环结构的开口方向反向设置。

所述基板为陶瓷材料、环氧树脂、聚四氟乙烯、FR-4复合材料或F4B复合材料。

所述天线还包括第一探针、第二探针、第一介质层以及第二介质层，所述辐射片包括第一辐射片和第二辐射片；

所述第一介质层和所述第二介质层固定设置在所述底层导电体上，所述，所述第一辐射片固定在所述第一介质层上，所述第二辐射片固定在所述第二介质层上，所述第一探针和所述第二探针设置在所述底层导电体上，依次穿过所述第二介质层和所述第二辐射片，并与所述第一辐射片进行馈电。

所述第一探针和所述第二探针穿过所述第一介质层并与所述第一辐射片连接。

所述第一探针上设有第一电容贴片，并通过所述第一电容贴片与所述第一辐射片进行耦合馈电；

所述第二探针上设有第二电容贴片，并通过所述第二电容贴片与所述第一辐射片进行耦合馈电。

本发明还提供一种通信设备，包括上述的天线。

本发明提供一种天线及通信设备，在天线中辐射片的周围排列设置超材料单元，超材料单元在与交变磁场垂直时，形成谐振频率，并在谐振频率处即形成电磁波禁带，使电磁波不能在该波段传播，将电磁波约束在特定区域内，使辐射片的能量更集中于向特定方向辐射，调节了天线的电磁环境，改善了阻抗匹配特性，提高了天线的总效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一种实施例提供的一种天线的外部结构示意图；

图2是本发明一种实施例提供的一种天线中的超材料结构单元的结构示意图；

图3是本发明一种实施例提供的一种天线的内部结构示意图；

图4是本发明另一种实施例提供的一种天线的内部结构示意图；

图5是本发明一种实施例提供的一种天线分别在设置超材料单元和无超材料单元情况下的驻波比测试结果曲线图；

图6是本发明一种实施例提供的一种天线分别在设置超材料单元和无超材料单元情况下的增益测试结果曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明通过在天线的周围加入超材料单元来实现工作频段下的禁带效果，是的发射或接受的电磁波受到约束。为了说明本发明的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

本发明的一个实施例提供一种天线20，用于发送接收工作频段下的电磁波，如图1所示，天线20包括底层导电体201、辐射体以及超材料单元10；辐射体固定设置在底层导电体201上，超材料单元10依次排列设置在底层导电体201的四周，并在辐射体的周围形成电磁波禁带。

辐射体用于发射或接收工作频段下的电磁波信号，超材料单元10在与交变磁场垂直时，超材料单元10内的第一开口谐振环结构102和第二开口谐振环结构103在开口处形成谐振频率，在谐振频率处，即形成工作频段下的电磁波的禁带，使工作频段下的电磁波不能在该波段传播，将工作频段下的电磁波约束在特定区域内，因此使辐射片的能量更集中于向特定方向辐射，因此，通过设置超材料单元10调节了天线的电磁环境，改善了阻抗特性。

具体的，依次排列的超材料单元10中相邻两个超材料单元10之间的间隙小于工作频段下的电磁波的波长，使工作频段下的电磁波在传播过程中不能形成一个波段，将电磁波约束在特定区域内。

本发明实施例使用到超材料单元10，如图2所示，超材料单元10包括基板101和附着在基板101上的人造微结构，人造微结构包括第一开口谐振环结构102和嵌套在第一开口谐振环结构102内的第二开口谐振环结构103，第一开口谐振环结构102和第二开口谐振环结构103在垂直于交变磁场时在开口处形成谐振。

本发明实施例通过设置嵌套在一起的双开口谐振环结构，并按照不同方式排列谐振环的导电开口来实现负磁导率，当交变磁场垂直于人造微结构时，在谐振环上产生感应电流，谐振环不同长度引入不同电感，由于第一开口谐振环结构102与第二开口谐振环结构103的开口处引入电容，以产生LC谐振，在第一开口谐振环结构102与第二开口谐振环结构103上分别设置开口，使电磁波在远大于谐振环几何尺寸的波长处发生谐振。

可选的，第一开口谐振环结构102和第二开口谐振环结构103同心设置，第一开口谐振环结构102和第二开口谐振环结构103为圆形、椭圆形、方形或多边形结构。

需要说明的是，第一开口谐振环结构102和第二开口谐振环结构103包括但不限于上述所列举的结构，还可能是各种不规则的形状结构。

可选的，第一开口谐振环结构102开口和第二开口谐振环结构103的开口方向呈一定夹角，例如反向设置。

当第一开口谐振环结构102开口和第二开口谐振环结构103的开口反向开口时，会进一步增加谐振环的电容，从而降低了谐振频率。

可选的，基板101为陶瓷材料、环氧树脂、聚四氟乙烯、FR-4复合材料或F4B复合材料。

需要说明的是，本发明适用于所有天线，下面通过双频圆极化天线的具体结构进一步说明本发明实施例，双频圆极化天线采用双辐射片层叠结构，以双辐射片实现双频辐射，以双探针正交馈电实现圆极化，如图3所示，天线20还包括第一探针206、第二探针207、第一介质层204以及第二介质层205，辐射片包括第一辐射片203和第二辐射片202。

第一介质层204和第二介质层205固定设置在底层导电体201上，第一辐射片203固定在第一介质层204上，第二辐射片202固定在第二介质层205上，第一探针206和第二探针207设置在底层导电体201上，依次穿过第二介质层205和第二辐射片202，并与第一辐射片203进行馈电。

其中，第一介质层204和第二介质层205可以通过非导电材料的支柱和螺帽支撑并固定在底层导电体上。

作为第一探针206和第二探针207与第一辐射片203进行馈电的一种实施方式，如图3所示，第一探针206和第二探针207穿过第一介质层204并与第一辐射片203连接。

作为第一探针206和第二探针207与第一辐射片203进行馈电的另一种实施方式，如图4所示，第一探针206上设有第一电容贴片208，并通过第一电容贴片208与第一辐射片203进行耦合馈电；第二探针207上设有第二电容贴片209，并通过第二电容贴片209与第一辐射片203进行耦合馈电。

如图5和图6所示，通过对天线分别在设置超材料单元和无超材料单元情况下的驻波比和增益进行测试，结果显示，设置超材料单元的天线的驻波比和增益测试结果显示天线总效率显著提高，因此，提高了天线性能，使天线实现小尺寸高增益覆盖。

在图5中，横轴为频率，纵轴为电压驻波比，在两个工作的频段区，电压驻波比十分接近1，显示该天线具有良好的特性阻抗。图6中横轴为辐射角度，纵轴为增益，相比于现有技术，本实施例的方案使得在更大的角度范围内达到了高增益辐射，即提高了辐射性能。

本发明适用于车载、舰载和机载等天线，该圆极化天线同样适用于GPS卫星导航天线等圆极化天线的小型化设计。

本发明提供一种天线，在天线中辐射片的周围排列设置超材料单元，超材料单元在与交变磁场垂直时，形成谐振频率，并在谐振频率处即形成电磁波禁带，使电磁波不能在该波段传播，将电磁波约束在特定区域内，使辐射片的能量更集中于向特定方向辐射，调节了天线的电磁环境，改善了阻抗特性。当通信设别使用本发明所提供的天线，能够极大的提高通信性能。

本发明还提供一种通信设备，包括上述的天线。

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做出若干等同替代或明显变形，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims (11)

1.一种天线，用于发送接收工作频段下的电磁波，其特征在于，所述天线包括底层导电体、辐射体以及超材料单元；

所述辐射体固定设置在所述底层导电体上，所述超材料单元依次排列设置在所述底层导电体的四周，并在所述辐射体的周围形成所述工作频段下的电磁波的禁带。

2.如权利要求1所述的天线，其特征在于，所述依次排列的超材料单元中相邻两个超材料单元之间的间隙小于所述工作频段下的电磁波的波长。

3.如权利要求2所述的天线，其特征在于，所述超材料单元包括基板和附着在基板上的人造微结构，所述人造微结构包括第一开口谐振环结构和嵌套在所述第一开口谐振环结构内的第二开口谐振环结构，所述第一开口谐振环结构和所述第二开口谐振环结构在垂直于交变磁场时在开口处形成谐振。

4.如权利要求3所述的天线，其特征在于，所述第一开口谐振环结构和所述第二开口谐振环结构同心设置，所述第一开口谐振环结构和所述第二开口谐振环结构为圆形、椭圆形、方形或多边形结构。

5.如权利要求3所述的天线，其特征在于，所述第一开口谐振环结构开口和所述第二开口谐振环结构的开口方向成夹角设置。

6.如权利要求4所述的天线，其特征在于，所述第一开口谐振环结构开口和所述第二开口谐振环结构的开口方向反向设置。

7.如权利要求1所述的超材料单元，其特征在于，所述基板为陶瓷材料、环氧树脂、聚四氟乙烯、FR-4复合材料或F4B复合材料。

8.如权利要求2所述的天线，其特征在于，所述天线还包括第一探针、第二探针、第一介质层以及第二介质层，所述辐射片包括第一辐射片和第二辐射片；

所述第一介质层和所述第二介质层固定设置在所述底层导电体上，所述，所述第一辐射片固定在所述第一介质层上，所述第二辐射片固定在所述第二介质层上，所述第一探针和所述第二探针设置在所述底层导电体上，依次穿过所述第二介质层和所述第二辐射片，并与所述第一辐射片进行馈电。

9.如权利要求8所述的天线，其特征在于，所述第一探针和所述第二探针穿过所述第一介质层并与所述第一辐射片连接。

10.如权利要求8所述的天线，其特征在于，所述第一探针上设有第一电容贴片，并通过所述第一电容贴片与所述第一辐射片进行耦合馈电；

所述第二探针上设有第二电容贴片，并通过所述第二电容贴片与所述第一辐射片进行耦合馈电。

11.一种通信设备，其特征在于，包括如权利要求1-10任一所述的天线。