CN107069226A - 一种超材料微带天线 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供了一种超材料微带天线，包括：材料基板、辐射贴片、接地板以及微带馈线，辐射贴片设置在材料基板的上表面，接地板设置材料基板的下表面；辐射贴片包括第一矩形金属片，关于第一矩形金属片的长度方向的第一中心线两侧对称设置有一个凹槽和一个第一矩形狭缝，两个第一矩形狭缝中设置有长方体超材料铁氧体；接地板包括第二矩形金属片，第二矩形金属片上设置有一个第二矩形狭缝，第二矩形狭缝关于第二矩形金属片长度方向的第二中心线对称；微带馈线与辐射贴片连接，并且关于第一中心线对称。本发明实施例提供的微带天线能够在外加磁场的作用下改变接收频段，且增益和方向性更好。

Description

一种超材料微带天线
技术领域
本发明实施例涉及射频微波技术领域，具体涉及一种超材料微带天线。
背景技术
天线是无线通信的进出口，影响着无线通信系统的性能。现有技术中天线的种类越来越多，微带天线具有剖面低，小型化，制作简单，易集成，方向性好等优点，被广泛地应用于通信导航，雷达，电子对抗等领域。随着无线通信行业的迅猛发展与进步，对于天线的小型化和多功能化的要求越来越高。
微带天线是在带有导体接地板的介质基片上贴加导体贴片作为辐射片的天线。它利用微带线或同轴线馈电，在导体贴片与接地板之间激励起射频电磁场，并通过贴片四周与接地板间的缝隙向外辐射。现有技术中的微带天线具有众多优点，但是也存在着增益差、方向性差等缺点。并且普通微带天线只能在固定的频段上接收信号，不能随意地调节接收波段。其物理结构和尺寸一旦固定，天线的性质及其各项参数就已经确定，很难通过外场来调节，在实际应用时带来了很多不便。
因此，如何提出一种方法，能够在不改变天线尺寸的前提下，实现频带可调并且增益和方向性得到改善的微带天线，成为亟待解决的问题。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明实施例提供一种超材料微带天线。
本发明实施例提供一种超材料微带天线，包括：材料基板、辐射贴片、接地板以及微带馈线，其中，所述辐射贴片设置在所述材料基板的上表面，所述接地板设置在所述材料基板的下表面；
所述辐射贴片包括第一矩形金属片，所述第一矩形金属片的第一中心线两侧都设置有一个凹槽和一个第一矩形狭缝，所述第一中心线两侧的凹槽关于所述第一中心线对称，所述第一中心线两侧的第一矩形狭缝关于所述第一中心线对称，且所述两个第一矩形狭缝中设置有长方体超材料铁氧体，其中所述第一中心线是所述第一矩形金属片长度方向的中心线；
所述接地板包括第二矩形金属片，所述第二矩形金属片上设置有一个第二矩形狭缝，所述第二矩形狭缝关于第二中心线对称的，其中所述第二中心线是所述第二矩形金属片长度方向的中心线；
所述微带馈线与所述辐射贴片连接，并且关于所述第一中心线对称。
本发明实施例提供的超材料微带天线通过在辐射贴片上设置超材料铁氧体，从而能够通过外加磁场改变超材料电磁特性来间接改变微带天线的接收波段，在外加偏置磁场和电磁波的作用下，通过超材料铁氧体的铁磁共振作用影响天线基板的电磁场，改变微带天线的性能，使得微带天线能够实现频带可调并且增益和方向性得到改善。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中超材料微带天线的结构示意图；
图2为本发明实施例中超材料微带天线的后视图；
图3为本发明实施例中超材料微带天线的正视图；
图4为本发明实施例中超材料微带天线的俯视图；
图5为本发明实施例中超材料微带天线的左视图；
图6为本发明实施例中微带天线的驻波比示意图；
图7为本发明实施例中微带天线的方向图；
图8为本发明实施例中又一微带天线的方向图；
图9为本发明实施例中微带天线在外加磁场下的反射特性图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明实施例中超材料微带天线的结构示意图，如图1所示，本发明实施例提供的一种超材料微带天线，包括：材料基板110、辐射贴片120、接地板130以及微带馈线150，其中，辐射贴片120设置在材料基板110的上表面，接地板130设置在材料基板110的下表面；
辐射贴片120包括第一矩形金属片121，第一矩形金属片121的第一中心线两侧都设置有一个凹槽122和一个第一矩形狭缝123，所述第一中心线两侧的凹槽122关于所述第一中心线对称，所述第一中心线两侧的第一矩形狭缝123关于所述第一中心线对称，且所述两个第一矩形狭缝中设置有长方体超材料铁氧体140，其中所述第一中心线是所述第一矩形金属片长度方向的中心线；
接地板130包括第二矩形金属片131，第二矩形金属片131上设置有一个第二矩形狭缝132，所述第二矩形狭缝关于第二中心线对称的，其中所述第二中心线是所述第二矩形金属片长度方向的中心线；
微带馈线150与辐射贴片120连接，并且关于所述第一中心线对称。
具体地，如图1所示，本发明实施例提供的微带天线，包括材料基板110，材料基板110的上表面设置有辐射贴片120，材料基板110的下表面设置有接地板130，与辐射贴片120连接的有微带馈线150。其中辐射贴片120包括第一矩形金属片121，第一矩形金属片121长度方向的中心线的两侧，也就是第一中心线的两侧设置有关于其对称的两个凹槽122和两个第一矩形狭缝123。也就是说两个凹槽122关于第一中心线对称设置在第一中心线的两侧，两个第一矩形狭缝123也关于第一中心线对称设置在第一中心线的两侧。其中两个第一矩形狭缝123中设置有超材料铁氧体140，具体的材质可以是钇铁石榴石Y3Fe5O12(YttriumIron Garnet，简称YIG)，也可以是其他的材质，本发明实施例不作具体限定。图2为本发明实施例中超材料微带天线的后视图，如图2所示，本发明实施例中的超材料微带天线中的接地板130包括第二矩形金属片131，第二矩形金属片131上设置有关于其长度方向的中心线即第二中心线对称的一个第二矩形狭缝132。
本发明实施例提供的超材料微带天线通过在辐射贴片上设置超材料铁氧体，从而能够通过外加磁场改变超材料电磁特性来间接改变微带天线的接收波段，在外加偏置磁场和电磁波的作用下，通过超材料铁氧体的铁磁共振作用影响天线基板的电磁场，改变微带天线的性能，使得微带天线能够实现频带可调并且增益和方向性得到改善。
在上述实施例的基础上，超材料铁氧体140是长方体，并且第一矩形狭缝123的长方形表面和超材料铁氧体140的长方形表面大小相同。
具体地，如图1所示，第一矩形狭缝123和超材料铁氧体140都是长方体，超材料铁氧体140嵌入第一矩形狭缝123中，并且第一矩形狭缝123的长方形表面和超材料铁氧体140的长方形表面大小相同。
在上述实施例的基础上，超材料铁氧体140的高大于第一矩形狭缝123的高。
具体地，如图1所示，超材料铁氧体140高度方向部分嵌入第一矩形狭缝123内，即超材料铁氧体140的高大于第一矩形狭缝123的高。
在上述实施例的基础上，两个第一矩形狭缝123的长与第一矩形金属片121的宽平行。
具体地，如图1所示，两个第一矩形狭缝123关于第一中心线对称设置在第一金属片121上，且，两个第一矩形狭缝123的长与第一矩形金属片121的宽平行。
在上述实施例的基础上，两个凹槽122为矩形凹槽，两个凹槽122的长与所述第一金属片的宽平行，且凹槽122的一条宽边与第一矩形金属片121的一条长边重叠。
具体地，如图1所示，第一矩形金属片121上的两个凹槽122为矩形凹槽，并且凹槽122的长与第一矩形金属片121的宽平行，短边与第一矩形金属片121的长平行，并且其中一条短边与第一矩形金属片121的一条长边重叠。
在上述实施例的基础上，两个第一矩形狭缝123距离所述第一中心线的距离大于两个凹槽122距离所述第一中心线的距离。
具体地，第一矩形金属片121的第一中心线两侧分别都设置有一个凹槽122和一个第一矩形狭缝123，两侧的两个凹槽122关于第一中心线对称，两个第一矩形狭缝123关于第一中心线对称，并且第一矩形狭缝123与第一中心线的距离大于凹槽122与第一中心线的距离。如图1所示，也就是说第一中心线左侧的第一矩形狭缝123设置在第一中心线左侧的凹槽122的左侧，相应的，第一中心线右侧的第一矩形狭缝123设置在第一中心线左侧的凹槽122的右侧。
在上述实施例的基础上，所述第一矩形狭缝的几何中心距离所述第一中心线的距离为7mm-9mm。
具体地，第一矩形狭缝123的几何中心距离所述第一中心线的距离为一定距离，本发明实施例优选为7mm-9mm。
在上述实施例的基础上，第一矩形金属片121的几何中心和材料基板110的几何中心重合。
具体地，如图1所示，第一矩形金属片121设置在材料基板110的正中心，即第一矩形金属片121的几何中心和材料基板110的几何中心重合。
在上述实施例的基础上，第二矩形狭缝132的长边与第二矩形金属片131的长边平行。
具体地，如图2所示，接地板130的第二矩形金属片131上设置有第二矩形狭缝132，第二矩形狭缝132关于第二矩形金属片131的第二中心线对称，并且第二矩形狭缝132的长边与第二矩形金属片131的长边平行设置。
在上述实施例的基础上，材料基板110是长方体，且第二矩形金属片131的矩形表面与材料基板110的下表面大小相同。
具体地，如图1所示，材料基板110是长方体，接地板130设置在材料基板110的下表面，接地板130包括第二矩形金属片131，并且第二矩形金属片131的矩形表面与材料基板110的下表面大小相同。
下面结合具体的实施例介绍本发明实施例提供的超材料微带天线的具体结构，以便更好的理解本发明的技术方案，图3为本发明实施例中超材料微带天线的正视图，如图1、图3所示，辐射贴片120形成在材料基板110的上表面上，接地板130形成在材料基板110的下表面上，铁氧体140被设置在辐射贴片120的第一矩形狭缝123中。图4为本发明实施例中超材料微带天线的俯视图，图5为本发明实施例中超材料微带天线的左视图，如图4、图5所示，本发明实施例中提供的超材料微带天线中的材料基板110的厚度h范围为1mm-2mm，优选为1.5mm，介电常数ε大于2，优选为4.3，损耗角正切为0.025。如图3所示材料基板110的长la为34mm-36mm，优选为35mm，宽wa为25mm-27mm，优选为26mm。此外，本发明实施例中的材料基板110采用的介质材料是聚四氟乙烯，当然根据实际实用情况还可以是其他材质，本发明实施例不作具体限定。
如图3、图4所示，本发明实施例提供的超材料微带天线中的辐射贴片120也就是第一矩形金属贴片121的长度1p为18mm-20mm，优选为19mm，宽度wp为13mm-15mm，优选为14mm。此外，辐射贴片120层设置有两个关于第一中心线对称的凹槽122，其长度wp2为4mm-8mm，优选为7mm，宽度lp2为1mm-2mm，优选为1.27mm。辐射贴片120上还设置有关于第一中心线对称的两个第一矩形狭缝123，其长度d为10mm-14mm，优选为12mm，宽度s为1mm-2mm，优选为1mm。第一矩形狭缝123靠近第一中心线的长边距离第一中心线同侧的凹槽122的距离lp3为5mm-6mm，优选为5.15mm。第一矩形狭缝中设置有超材料铁氧体140，超材料铁氧体的高度h2范围为0.4mm-1mm，优选为0.5mm，其长度d为10mm-14mm，优选为12mm，宽度s为1mm-2mm，优选为1mm。在辐射贴片120也就是第一矩形金属贴片121的边缘还设置有关于第一中心线对称的微带馈线150，其宽度lp1为3mm-4mm，优选为3.16mm。
如图3、图5所示接地板130也就是第二矩形金属贴片131的长la、宽wa与材料基板110的长和宽分别相同，长la为34mm-36mm，优选为35mm，宽wa为25mm-27mm，优选为26mm。接地板130也就是第二矩形金属贴片131的厚度h1范围为0.010mm-0.020mm，优选为0.018mm。此外，如图2所示，接地板130中设置了第二矩形狭缝132，其长度lb为29mm-31mm，优选为30mm，宽度wb为3.0mm-3.2mm，优选为3.1mm。
需要说明的是，上述实施例中列举的数值都是本发明实施例优选的数值或数值范围，具体应用时可以结合实际情况进行相应的调整和设置，本发明实施例不作具体限定。
为了验证本发明实施例提供的超材料微带天线的具体应用效果，图6为本发明实施例中微带天线的驻波比示意图，如图6所示在频率为4.716GHZ时，微带天线的驻波比为1.0379，接近于1，可以看出本发明实施例提供的微带天线的驻波比可以达到非常小的值，表示微带馈线与基站(收发信机)在一定频率范围内匹配程度比较高。图7为本发明实施例中微带天线的方向图，图8为本发明实施例中又一微带天线的方向图，图7、图8分别为Phi＝0°与Phi＝90°时的方向图。从图7可以看出，天线主波束位于辐射面正上方，符合应用要求。图9为本发明实施例中微带天线在外加磁场下的反射特性图，如图9所示，本发明实施例提供的微带天线在不同外加磁场下反射系数的幅频特性不同，本发明实施例外加的磁场沿x轴正向，磁场强度大小范围为：0Oe-4000Oe，从图9可以看出微带天线的接收频段随着外加磁场的改变而改变，整体上呈现出3.6-5GHz处的右移特性。可见本发明实施例提供的微带天线接收频段的调节范围为3.6GHz-5GHz，工作在C波段。
本发明实施实力提供的微带天线，通过在辐射贴片上设置超材料铁氧体，实现了微带天线的接收波段可随外磁场调节，并且使微带天线的增益与方向性得到了很好的改善。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种超材料微带天线，其特征在于，包括：材料基板、辐射贴片、接地板以及微带馈线，其中，所述辐射贴片设置在所述材料基板的上表面，所述接地板设置在所述材料基板的下表面；
所述辐射贴片包括第一矩形金属片，所述第一矩形金属片的第一中心线两侧都设置有一个凹槽和一个第一矩形狭缝，所述第一中心线两侧的凹槽关于所述第一中心线对称，所述第一中心线两侧的第一矩形狭缝关于所述第一中心线对称，且所述两个第一矩形狭缝中设置有长方体超材料铁氧体，其中所述第一中心线是所述第一矩形金属片长度方向的中心线；
所述接地板包括第二矩形金属片，所述第二矩形金属片上设置有一个第二矩形狭缝，所述第二矩形狭缝关于第二中心线对称的，其中所述第二中心线是所述第二矩形金属片长度方向的中心线；
所述微带馈线与所述辐射贴片连接，并且关于所述第一中心线对称。
2.根据权利要求1所述的微带天线，其特征在于，所述超材料铁氧体是长方体，并且所述第一矩形狭缝的长方形表面和所述超材料铁氧体的长方形表面大小相同。
3.根据权利要求2所述的微带天线，其特征在于，所述超材料铁氧体的高大于所述第一矩形狭缝的高。
4.根据权利要求1所述的微带天线，其特征在于，所述两个第一矩形狭缝的长与所述第一矩形金属片的宽平行。
5.根据权利要求1所述的微带天线，其特征在于，所述两个凹槽为矩形凹槽，所述两个凹槽的长与所述第一金属片的宽平行，且所述凹槽的一条宽边与所述第一矩形金属片的一个条长边重叠。
6.根据权利要求1所述的微带天线，其特征在于，所述两个第一矩形狭缝距离所述第一中心线的距离大于所述两个凹槽距离所述第一中心线的距离。
7.根据权利要求1所述的微带天线，其特征在于，所述第一矩形狭缝的几何中心距离所述第一中心线的距离为7mm-9mm。
8.根据权利要求1所述的微带天线，其特征在于，所述第一矩形金属片的几何中心和所述材料基板的几何中心重合。
9.根据权利要求1所述的微带天线，其特征在于，所述第二矩形狭缝的长边与所述第二矩形金属片的长边平行。
10.根据权利要求1所述的微带天线，其特征在于，所述材料基板是长方体，且所述第二矩形金属片的矩形表面与所述材料基板的下表面大小相同。
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