CN107437657A - 基于非周期电磁带隙结构的高增益微带天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于非周期电磁带隙结构的高增益微带天线，采用双层叠放的介质基板组成，包括印制于上层介质基板上表面的贴片天线，印制于下层介质基板下表面的金属地板，印制于下层介质基板上表面的电磁带隙反射板，及从下层介质基板下表面插入电磁带隙反射板和上层介质基板的两根同轴馈电探针，所述两个同轴馈电探针与矩形贴片天线连接；所述贴片天线为矩形结构，所述电磁带隙反射板被分割为若干个大小相同且呈中心对称设置的电磁带隙单元，每个电磁带隙单元由正方形金属贴片及不同位置的金属柱组成，电磁带隙结构的柱子的位置不一。本发明能实现高增益、高口径效率、低交叉极化的辐射特性。

Description

基于非周期电磁带隙结构的高增益微带天线
技术领域
本发明涉及一种微带天线，特别是一种基于非周期电磁带隙结构的高增益微带天线。
背景技术
电磁带隙结构，通常由周期排列的金属单元和介质板构成。近几年来，因电磁带隙结构具有同相反射特性和表面波抑制的特点，而作为一种低剖面技术被广泛应用于提高天线器件的辐射性能。F.Yang与Y.Rahmat-Samii等人将电磁带隙结构作为偶极子天线的反射面来代替理想电导体，实现较好的回波损耗和辐射特性。此外，A.Foroozesh等人将电磁带隙结构应用到贴片天线上，与传统的天线相比，带宽及辐射增益都得到了很大的改善。
但是，当若干个相同的电磁带隙单元组成反射板位于天线下方时，由于每个单元与天线的距离不同，每个单元表面的电流强度分布也不一致，因此不能最大程度地增强天线的辐射增益。W.Yang等人提出支节加载人工磁导体(Stub-loaded artificial magneticconductor，SLAMC)结构，并将其作为探针馈电贴片天线的地板，使得天线的工作频带、辐射增益和辐射效率都有很大的提高。但辐射效率仅有83％，且交叉极化抑制效果较差。为了改善天线的性能，他们紧接着提出了一种基于非周期人工磁导体结构的高效率微带天线，能实现高效率的辐射特性和较好的交叉极化抑制。然而这几种设计只是通过改变人工磁导体单元的尺寸来实现，对于结构设计来说，设计自由度不高，局限性较大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于非周期电磁带隙结构的高增益微带天线，能实现高增益、高口径效率、低交叉极化的辐射特性。
一种基于非周期电磁带隙结构的高增益天线，采用双层叠放的介质基板组成，包括上层介质基板、下层介质基板、贴片天线、金属地板、电磁带隙反射板、两根同轴馈电探针；贴片天线印制于上层介质基板上表面，金属地板印制于下层介质基板下表面的，电磁带隙反射板印制于下层介质基板上表面的，两根同轴馈电探针从下层介质基板下表面插入电磁带隙反射板和上层介质基板，所述两个同轴馈电探针与贴片天线连接；所述电磁带隙反射板被分割为若干个电磁带隙单元，每个电磁带隙单元由大小相同的正方形金属贴片和设置于正方形金属贴片上的一金属柱组成，所有金属柱的位置不完全相同且关于电磁带隙反射板两条相互垂直的中心线对称设置。
作为本发明的一种改进，所述相邻的两个电磁带隙单元之间设有窄型缝隙。
作为本发明的一种改进，同轴馈电探针采用差分同轴馈电方式为贴片天线馈电，来实现较好的交叉极化抑制。
采用上述的微带天线，贴片天线为矩形结构，印制于上层介质基板表面中心，其长为[0.1λg,0.75λg]，宽为[0.1λg,0.5λg]，其中λg为上层介质基板的介质有效波长。
采用上述的微带天线，电磁带隙单元的尺寸为[0.03λ,0.26λ]，窄型缝隙的宽度为[0.001λ,0.015λ]，金属柱的半径为[0.001λ,0.015λ]，金属柱的位置为 [0.001λ,0.1λ]。
采用上述的微带天线，上层介质基板和下层介质基板的介电常数εr均为 [2.2,10.2]，厚度H均为[0.01λ,0.1λ]，其中λ为自由空间波长。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：(1)本发明提出的基于非周期电磁带隙结构的高增益微带天线，是基于圆柱投影理论来设计的，即通过改变电磁带隙单元的金属柱位置来提供不同的反射相位，从而模拟圆柱曲面不同位置处产生的波程差。因此，平面的非周期电磁带隙地板可具有与圆柱曲面相似的强反射特性。将不同金属柱位置的电磁带隙结构作为天线的反射面，通过适当地调节其金属柱与电磁带隙中心的位置偏移量来控制其反射相位，最终可以有效地改善天线的方向性和增益。与基于周期电磁带隙结构的微带天线相比，增益可提高3dB，且在整个带内均呈现高增益，增益平坦度为2dB之内；(2)本发明提出的基于非周期电磁带隙结构的高增益微带天线，采用差分馈电方式，使得交叉极化抑制效果改善，与基于周期电磁带隙结构的微带天线相比，交叉极化电平抑制也可由 25dB提高到35dB及以上；(3)本发明提出的基于非周期电磁带隙结构的高增益微带天线，与基于非周期人工磁导体的高效率微带天线相比，具有更大的设计自由度，不再仅仅局限于调节单元尺寸，还可以调节单元中金属柱的位置，另一方面，电磁带隙单元的尺寸保持一致，也为天线的设计带来了一定的优势；(4)本发明提出的基于非周期电磁带隙结构的高增益微带天线，仍然保留了低剖面特性，整体结构只有0.05λ的厚度；(5)本发明提出的基于非周期电磁带隙结构的高增益微带天线，采用双层微波介质板，结构简单，加工容易，成本和重量都相对较小，因而可以大规模生产。
下面结合说明书附图对本发明做进一步描述。
附图说明
图1为本发明基于非周期电磁带隙结构的高增益微带天线的三维图、俯视图和侧视图，其中图(a)为三维图，图(b)为俯视图，图(c)为侧视图。
图2为金属柱的位置偏移量dy分布为dy1＝0mm，dy2＝-0.4mm，dy3＝-3mm 时与相应尺寸下的普通周期电磁带隙结构下反射系数和增益以及口径效率曲线的比较，其中(a)为反射系数和增益的曲线，(b)为口径效率曲线。
图3为金属柱的位置偏移量dy分布为dy1＝0mm，dy2＝-0.4mm，dy3＝-3mm 时的辐射方向图，其中(a)为8.2GHz处，(b)为8.8GHz处。
图4为金属柱的位置偏移量dy分布为dy1＝-0.4mm，dy2＝0.8mm时与相应尺寸下的普通周期电磁带隙结构下的反射系数和增益以及口径效率曲线的比较，其中(a)为反射系数和增益的曲线，(b)为口径效率曲线。
图5为金属柱的位置偏移量dy分布为dy1＝-0.4mm，dy2＝0.8mm时的辐射方向图，其中(a)为8.7GHz处，(b)为9GHz处。
具体实施方式
结合图1，一种基于非周期电磁带隙结构的高增益微带天线，采用双层叠放的介质基板组成，包括矩形天线1、金属地板6、电磁带隙结构4、同轴馈电探针3。贴片天线1印制于上层介质基板2上表面，金属地板印制于下层介质基板 7下表面，电磁带隙反射板4印制于下层介质基板7上表面，同轴馈电探针3从下层介质基板7下表面插入电磁带隙反射板4和上层介质基板2，所述同轴馈电探针3与贴片天线1连接馈电，两个同轴探针之间为差分信号。所述电磁带隙反射板4被分割为若干个大小相同且呈中心对称设置的电磁带隙单元5，每个电磁带隙单元5由正方形金属贴片和不同位置的金属柱组成。所述独立的电磁带隙单元5沿水平轴线和垂直轴线均呈对称结构，电磁带隙单元5沿y轴方向的每排金属柱8位置偏移量一致，但不同排的金属柱位置偏移量不同，每一排的金属柱沿着垂直轴线偏心方向相反以保证对称性。
所述贴片天线为矩形结构，其尺寸可以变化。
所述电磁带隙反射板呈中心对称，电磁带隙单元在两个维度上即水平轴线和垂直轴线上均为对称设置。
电磁带隙单元中的金属柱位置可以调节，且每一行电磁带隙单元中的金属柱位置偏移量相同，不同行之间的电磁带隙单元的金属柱位置偏移量不能完全相同。
为了保证对称性，每一行电磁带隙单元中的金属柱偏移方向远离中心线。
结合图2，所述相邻的两个电磁带隙单元5之间设有窄型缝隙9。
所述上层介质基板2和下层介质基板7的介电常数εr均为[2.2,10.2]，厚度H 均为[0.01λ,0.1λ]，其中λ为自由空间波长。
所述的矩形贴片天线1的长a为[0.1λg,0.75λg]，宽b为[0.1λg,0.5λg]，其中λg为上层介质基板2的介质有效波长。
所述电磁带隙单元5的尺寸l为[0.03λ,0.26λ]，窄型缝隙9的宽度G为 [0.001λ,0.015λ]，电磁带隙单元5中金属柱8的半径为[0.001λ,0.015λ]，金属柱[8] 的位置为[0.001λ,0.1λ]。
实施例一
所述非周期电磁带隙结构反射板4被分割为36个独立的电磁带隙单元5，所述矩阵式排列的电磁带隙反射板4为中心对称设置，也就是说，所述电磁带隙反射板4被分割为若干个大小相同且呈中心对称设置的电磁带隙单元5，每个电磁带隙单元5由正方形金属贴片和不同位置的金属柱组成。所述独立的电磁带隙单元5沿水平轴线和垂直轴线均呈对称结构，电磁带隙单元5沿y轴方向的每行金属柱8位置偏移量一致，但不同行的金属柱位置偏移量不同，每一行的金属柱沿着垂直轴线偏心方向相反以保证对称性。其中，各行电磁带隙单元5中金属柱的位置偏移量绝对值dy从上至下依次为dy1、dy2、dy3、dy4、dy5、dy6。其中， dy1＝dy6，dy2＝dy5，dy3＝dy4，在同一行中，金属柱的位置偏移量沿着垂直轴线相反，以最上面一行为例，6个电磁带隙单元5的位置偏移量为dy3,dy3,dy3,-dy3,-dy3,-dy3。
电磁带隙单元5的尺寸为[0.03λ,0.26λ]，窄型缝隙9的宽度为[0.001λ,0.015λ]，电磁带隙单元5中金属柱8的半径为[0.001λ,0.015λ]，金属柱8的位置为 [0.001λ,0.1λ]；上层介质基板2和下层介质基板7的介电常数εr均为[2.2,10.2]，厚度H均为[0.01λ,0.1λ]，其中λ为自由空间波长；贴片天线1为矩形，印制于上层介质基板2上表面中心，其长b为[0.1λg,0.75λg]，宽a为[0.1λg,0.5λg]，其中λg为上层介质基板2的介质有效波长。
实验中，取矩形贴片天线1的长a为6mm，宽b为12.7mm；电磁带隙单元 5中金属贴片的尺寸为7.8mm，窄型缝隙9的宽度G为0.4mm；上层介质基板2 和下层介质基板7的材料均为Rogers RT/Duroid 5880，介电常数εr为2.2，介质损耗角为0.0009，厚度H均为1mm，约为0.028λ0(其中λ0为8.5GHz处的自由空间波长)。
当平面波垂直入射到非周期电磁带隙反射板4时，反射波的反射相位会随着频率变化而连续变化，相位变化范围为180°～-180°，这与普通的电磁带隙的反射相位特性是一致的；随着电磁带隙单元5中金属柱8的位置偏移量绝对值dy 从0mm增加到3mm，零反射相位点逐渐向高频移动。
结合图2，由基于非周期电磁带隙结构的高增益微带天线可以得到，反射系数低于-10dB的工作频带为7.6GHz～8.9GHz，相对带宽为15.8％，最大增益可以达到14.08dBi，且在整个频带内增益平坦度为2dB以内；而通过口径效率图可以发现，在其工作频带内，口径效率可高达88％。此外，通过与相同尺寸下基于普通周期电磁带隙结构的微带天线的比较，可以知道，增益、增益平坦度、口径效率、带宽均有较大改善。
结合图3，由基于非周期电磁带隙结构的高增益微带天线的带内两个频点处的辐射方向图可以发现，基于非周期电磁带隙结构的高增益微带天线的交叉极化抑制效果较好，可达到35dB左右。
由上可知，本发明的基于非周期电磁带隙结构的高增益微带天线能实现高增益、高口径效率以及较好的交叉极化。
表1为本发明基于非周期电磁带隙结构的高增益微带天线在金属柱的位置偏移量dy分布为dy1＝0mm，dy2＝-0.4mm，dy3＝-3mm时与基于普通周期电磁带隙结构的微带天线，即在金属柱的位置偏移量dy分布为dy1＝0mm，dy2＝0mm， dy3＝0mm时的性能比较。
结合表1，与基于普通电磁带隙结构的微带天线相比，该基于非周期电磁带隙结构的高增益微带天线在保证阻抗带宽的情况下，阻抗匹配更好，增益和效率更高，交叉极化效果更好。最高增益可高达14.08dBi，且在整个带内增益平坦度为2dB以内。此外，交叉极化抑制效果也较好，可高达35dB。
表1
实施例二
所述非周期电磁带隙结构反射板4被分割为16个独立的电磁带隙单元5，所述矩阵式排列的电磁带隙反射板4为中心对称设置，也就是说，所述电磁带隙反射板4被分割为若干个大小相同且呈中心对称设置的电磁带隙单元5，每个电磁带隙单元5由正方形金属贴片和不同位置的金属柱组成。所述独立的电磁带隙单元5沿水平轴线和垂直轴线均呈对称结构，电磁带隙单元5沿y轴方向的每行金属柱8位置偏移量一致，但不同行的金属柱位置偏移量不同，每一行的金属柱沿着垂直轴线偏心方向相反以保证对称性。其中，各行电磁带隙单元5中金属柱的位置偏移量绝对值dy从上至下依次为dy1、dy2、dy3、dy4、。其中，dy1＝dy4，dy2＝dy3，在同一行中，金属柱的位置偏移量沿着垂直轴线相反，以最上面一行为例，4个电磁带隙单元5的位置偏移量为dy2、dy2、-dy2、-dy2。
电磁带隙单元5的尺寸为[0.03λ,0.26λ]，窄型缝隙9的宽度为[0.001λ,0.015λ]，电磁带隙单元5中金属柱8的半径为[0.001λ,0.015λ]，金属柱8的位置为 [0.001λ,0.1λ]；上层介质基板2和下层介质基板7的介电常数εr均为[2.2,10.2]，厚度H均为[0.01λ,0.1λ]，其中λ为自由空间波长；贴片天线1为矩形，印制于上层介质基板2上表面中心，其长b为[0.1λg,0.75λg]，宽a为[0.1λg,0.5λg]，其中λg为上层介质基板2的介质有效波长。
实验中，取矩形贴片天线1的长a为4mm，宽b为12.1mm；电磁带隙单元 5中金属贴片的尺寸为7.8mm，窄型缝隙9的宽度G为0.4mm；上层介质基板2 和下层介质基板7的材料均为Rogers RT/Duroid 5880，介电常数εr为2.2，介质损耗角为0.0009，厚度H均为1mm，约为0.028λ0(其中λ0为8.5GHz处的自由空间波长)。
当平面波垂直入射到非周期电磁带隙反射板4时，反射波的反射相位会随着频率变化而连续变化，相位变化范围为180°～-180°，这与普通的电磁带隙的反射相位特性是一致的；随着电磁带隙单元5中金属柱8的位置偏移量绝对值dy 从0mm增加到3mm，零反射相位点逐渐向高频移动。
结合图3，由基于非周期电磁带隙结构的高增益微带天线可以得到，反射系数低于-10dB的工作频带为8.32GHz～9.22GH，相对带宽为10.27％，最大增益可以达到11.67dBi，且在整个频带内增益平坦度为1.4dB以内；而通过口径效率图可以发现，在其工作频带内，口径效率可高达107.18％。此外，通过与相同尺寸下基于普通周期电磁带隙结构的微带天线的比较，可以知道，增益、增益平坦度、口径效率、频带均有较大改善。
结合图4，由基于非周期电磁带隙结构的高增益微带天线的最大增益点处的辐射方向图可以发现，基于非周期电磁带隙结构的高增益微带天线的交叉极化抑制效果较好，可达到45dB左右。
由上可知，本发明的基于非周期电磁带隙结构的高增益微带天线能实现宽带高增益、高口径效率以及较好的交叉极化。
表2为本发明基于非周期电磁带隙结构的宽高增益微带天线在金属柱的位置偏移量dy分布为dy1＝-0.4mm，dy2＝0.8mm时与与基于普通周期电磁带隙结构的微带天线，即在金属柱的位置偏移量dy分布为dy1＝0mm，dy2＝0mm时的性能。
结合表2，与基于普通电磁带隙结构的微带天线相比，该基于非周期电磁带隙结构的高增益微带天线在保证阻抗带宽的情况下，阻抗匹配更好，增益和效率更高，交叉极化效果更好。最高增益可高达14.08dBi，且在整个带内增益平坦度为2dB以内。此外，交叉极化抑制效果也较好，可高达35dB。
表2

Claims (8)

1.一种基于非周期电磁带隙结构的高增益天线，采用双层叠放的介质基板组成，包括：
印制于上层介质基板[2]上表面的贴片天线[1]，
印制于下层介质基板[7]下表面的金属地板[6]，
印制于下层介质基板[7]上表面的电磁带隙反射板[4]，及
从下层介质基板[7]下表面插入电磁带隙反射板[4]和上层介质基板[2]的两根同轴馈电探针[3]，所述两个同轴馈电探针[3]与贴片天线[1]连接；其特征在于，
所述电磁带隙反射板[4]被分割为若干个电磁带隙单元[5]，
每个电磁带隙单元[5]由大小相同的正方形金属贴片和设置于正方形金属贴片上的一金属柱组成，
所有金属柱的位置不完全相同且关于电磁带隙反射板[4]两条相互垂直的中心线对称设置。
2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，每一行电磁带隙单元中的金属柱位置的偏移量相同，不同行之间的电磁带隙单元的金属柱位置偏移量不能完全相同。
3.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述相邻的两个电磁带隙单元[5]之间设有窄型缝隙[9]。
4.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，采用差分同轴馈电方式，通过两根同轴馈电探针[3]为矩形贴片天线[1]供电，两根同轴探针之间为等幅差分信号。
5.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，上层介质基板[2]和下层介质基板[7]的介电常数εr均为[2.2,10.2]，厚度H均为[0.01λ,0.1λ]，其中λ为自由空间波长。
6.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，电磁带隙单元[5]的长度为[0.03λ,0.26λ]，窄型缝隙[9]的宽度为[0.001λ,0.015λ]，金属柱[8]的半径为[0.001λ,0.015λ]，金属柱[8]的位置为[0.001λ,0.1λ]。
7.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，矩形贴片天线[1]长为[0.1λg,0.75λg]，宽为[0.1λg,0.5λg]，其中λg为上层介质基板[2]的介质有效波长。
8.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述电磁带隙反射板[4]被分割为16或36个独立的电磁带隙单元[5]。
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