CN106058455B - 一种基于电磁超材料单元的高增益天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于电磁超材料单元的高增益天线，包括多个电磁超材料单元和馈电网络，所述电磁超材料单元包括铜基板和铜导线，铜基板上设有通孔，铜导线的一端垂直放置通孔中与通孔间隙配合，铜导线与通孔之间的间隙内填充有绝缘材料，铜导线的另一端经水平、竖直弯折后与铜基板相对，多个电磁超材料单元周期性排列成阵列天线，所述馈电网络与阵列天线相匹配的周期性排列以对每个电磁超材料单元进行馈电，馈电网络刻蚀在介质基板上，在介质基板的边缘设有激励端口，介质基板位于阵列天线的下方。本发明天线结构简单易加工，周期性排列的电磁超材料单元和馈电网路在结构上具有对称性，提高了天线增益。

Description

一种基于电磁超材料单元的高增益天线
技术领域
本发明涉及一种基于电磁超材料单元的高增益天线，属于无线通信技术领域。
背景技术
近年来，空间太阳能传输(Solar Power Transmission，SPT)和微波无线输能(WPT)越来越受到人们的重视，电磁能量的发射是其中一项关键技术。目前，微波无线输电技术主要应用在架设导线不切实际或架设导线输电风险较大、成本较高的一些场合，如高空永久作业平台、大规模无线传感节点的供电等。
目前常见的微波天线如2.5GHz的微波发射天线存在体积大、结构复杂、发射增益小和小型化系统集成等问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供了一种基于电磁超材料单元的高增益天线，解决了现有技术中发射天线增益小、结构复杂的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于电磁超材料单元的高增益天线，其特征是，包括多个电磁超材料单元和馈电网络，所述电磁超材料单元包括铜基板和铜导线，铜基板上设有通孔，铜导线的一端垂直放置通孔中与通孔间隙配合，铜导线与通孔之间的间隙内填充有绝缘材料，铜导线的另一端经水平、竖直弯折后与铜基板相对，多个电磁超材料单元周期性排列成阵列天线，所述馈电网络与阵列天线相匹配的周期性排列以对每个电磁超材料单元进行馈电，馈电网络刻蚀在介质基板上，在介质基板的边缘设有激励端口，介质基板位于阵列天线的下方。
进一步的，铜基板的尺寸为28mm×14mm×3mm。
进一步的，电磁超材料单元为512个，排列成16×32的阵列。
进一步的，所述绝缘材料为聚四氟乙烯。
进一步的，介质基板为Rogers基板。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：本发明天线结构简单易加工，周期性排列的电磁超材料单元和馈电网路在结构上具有对称性，通过馈电网络的方式对每个电磁超材料单元进行馈电，提高了天线增益，阵列天线的增益达到22.07dB，远远高于同等尺寸大小下的常规阵列天线。阵列天线能够进行周期性扩展，使得结构灵活多变，当单元周期数增加时，电磁能量发射增益变大，易于实现应用量产。通过改变电磁超材料单元尺寸大小，能够使得谐振频率改变，实现了发射频段的可调性。
附图说明
图1是本发明电磁超材料单元的结构示意图。
图2是本发明电磁超材料单元周期性排列的结构示意图。
图3是本发明馈电电网的结构示意图。
图4是本发明天线在2.5GHz的回波损耗示意图。
图5是本发明天线在2.5GHz的xoz面辐射增益示意图。
图6是本发明天线在2.5GHz的yoz面辐射增益示意图。
附图标记：1、铜基板；2、铜导线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
超材料是由具有一定形状的金属微结构按照特定方式周期性排列于基材上而构成。金属微结构不同的形状和排列方式使得超材料具有不同的介电常数和不同的磁导率从而使得超材料具有不同的电磁响应。其中，当该金属微结构处于谐振频段时，该金属微结构的阻抗、容感性、等效的介电常数和磁导率随着频率会发生剧烈的变化。
本发明利用超材料的上述原理，设计一种基于电磁超材料单元的天线。其将金属微结构附着于铜基板上并利用金属微结构具有丰富的辐射特性从而省去了阻抗匹配网络的设计以实现天线小型化；另外，本发明还在天线结构中加入覆有馈电网络的介质基板，馈电网络位于铜基板下方提高天线的发射增益。
如图1至图3所示，本发明的一种基于电磁超材料单元的高增益天线，包括多个电磁超材料单元和馈电网络，多个电磁超材料单元周期性排列成阵列天线，所述馈电网络与阵列天线相匹配的周期性排列以对每个电磁超材料单元进行馈电。
电磁超材料单元的结构示意图如图1所示，包括铜基板1和铜导线2，铜基板1的尺寸大小为28mm×14mm×3mm，铜基板1的材质为铜，此材质的基板特点是造价低，能够将发射的能量更好的转化为辐射的能量。铜基板1的背面可以等效为地平面，铜基板1上设有供铜导线2贯穿的通孔，铜导线2的一端插入通孔，与通孔间隙配合，铜导线2与通孔之间的间隙内填充有绝缘材料，绝缘材料采用现有技术中陶瓷或聚四氟乙烯，铜导线2另一端经水平、竖直弯折后与铜基板1正面相对，铜导线2与铜基板1的具体位置为，铜基板1的长L＝28mm，宽为14mm，高为d＝3mm，铜导线2弯折成由三节组成的开口的框型，其开口正对铜基板1的正面，与铜基板1的长边平行放置，插入通孔的一节高出铜基板1的正面距离为h＝7mm，水平的一节长度为b＝22mm，竖直的一节长度为g＝3.6mm，插入通孔的铜导线2一端与铜基板1之间等同于LC谐振电路，谐振频率为2.5GHz，电磁超材料单元能够高效的发射入射频率为2.5GHz的电磁波。通过改变电磁超材料单元尺寸大小，能够使得谐振频率改变，实现了发射频段的可调性。
如图2所示，多个电磁超材料单元周期性排列成阵列天线，优选512个电磁超材料单元周期性排列成16×32的方形阵列天线，以提高天线的增益。阵列天线能够进行周期性扩展，使得结构灵活多变，当单元周期数增加时，电磁能量发射增益变大，易于实现应用量产。
如图3所示，馈电网络刻蚀在介质基板的下表面，介质基板位于阵列天线的下方。馈电网络由H型功分网络和阻抗变换器按照与阵列天线相匹配的周期性排列组成，2×2元子阵列采用阻抗变换器并联馈电，4个对称的2×2元子阵列组成16元子阵列，此阵列内部采用并馈方式；4个对称的16元子阵列组成64元子阵列，此阵列内部采用并馈方式；以此类推，组成512元的馈电网络实现对每个电磁超材料单元进行馈电，提高天线的增益。阻抗变阻器的具体阻抗变换阻值如表1所示，不同的长宽对应的阻抗值。
表1馈电网络中λ/4阻抗变换器对应参数
Resistance(Ohm) 45 47 50 67 90
Width(mm) 4.07 3.95 3.46 2.09 1.13
Length(mm) 18.27 18.32 18.40 18.78 19.16
馈电网络在介质基板的边缘设有激励端口，通过激励端口连接外围的信号源，对激励端口进行馈电可以通过馈电网络实现对每个电磁超材料单元进行馈电，提高天线的增益。此阵列天线和馈电网络具有对称性，通过调整结构及其对称结构的尺寸大小，能实现调频特性。进一步的，介质基板材料为Rogers基板。
本实施例的工作过程为，在介质基板上的激励端口外接信号源(如发射器)，外加的激励信号通过馈电网络耦合传输到铜基板的天线阵列，然后通过铜导线向周围空间辐射出去，实现无线通信的功能。
进一步对本发明天线的发射效果进行了测试，测试结果如下：
如图4所示，本发明天线在中心谐振频率2.5GHz的回波损耗达到了-25dB。
如图5和图6所示，本发明天线在电磁能量发射的增益上有很大的突破，实验表明，2.5GHz的高增益发射天线的增益达到了22.07dB，且具有很好的定向性。改善目前常规的发射天线增益不高的现状，使得无线输能的整体效率大幅地提高。
以上所述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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于电磁超材料单元的高增益天线，其特征是，包括多个电磁超材料单元和馈电网络，所述电磁超材料单元包括铜基板和铜导线，铜基板上设有通孔，铜导线的一端垂直放置通孔中与通孔间隙配合，铜导线与通孔之间的间隙内填充有绝缘材料，铜导线的另一端经水平、竖直弯折后与铜基板相对，多个电磁超材料单元周期性排列成阵列天线，所述馈电网络与阵列天线相匹配的周期性排列以对每个电磁超材料单元进行馈电，馈电网络刻蚀在介质基板上，在介质基板的边缘设有激励端口，介质基板位于阵列天线的下方；
所述铜基板的尺寸为28mm×14mm×3mm；介质基板为Rogers基板。
2.根据权利要求1所述的一种基于电磁超材料单元的高增益天线，其特征是，所述电磁超材料单元为512个，排列成16×32的阵列。
3.根据权利要求2所述的一种基于电磁超材料单元的高增益天线，其特征是，所述绝缘材料为聚四氟乙烯。
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