CN108539406A - 一种基于人工磁导体的微带天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于人工磁导体的微带天线，包括三角形微带天线和人工磁导体反射基板，三角形微带天线通过非金属绝缘柱支撑设置在人工磁导体反射基板中心位置上方0.1mm处；三角形微带天线包括从上至下依次排列的三角形辐射贴片、介质层和接地板，接地板与三角形辐射贴片的形状、尺寸一一对应，三角形辐射贴片的中心位置刻蚀有互补的谐振环结构、底边中点位置处设有共面波导馈电点，三角形辐射贴片的边缘除馈电点外均等间距设有贯通三角形微带天线的空气通孔；人工磁导体反射基板由呈3×3阵列排布的人工磁导体反射单元拼接构成，人工磁导体反射单元与所述介质层的形状、尺寸一一对应；本发明结构简单、易于加工，具有小型化、高增益的特性。

Description

一种基于人工磁导体的微带天线
技术领域
本发明涉及一种微带天线，具体涉及一种基于人工磁导体的微带天线，属于毫米波技术领域。
背景技术
近年来，人工磁导体（Artificial Magnetic Conductors，AMC）成为微波毫米波领域研究的热点之一。人工磁导体又称为高阻抗表面，其具有同相位反射特性，被广泛应用于波导、天线、薄吸收体等设计中。传统的人工磁导体结构包括Sievenpiper提出的蘑菇型电磁带隙（EBG）结构和Itoh提出的光子带隙（PBG）结构，利用其具有独特的表面波带隙特性以及对平面波同相反射特性，可以有效地改善天线的性能，但蘑菇型EBG结构由于存在金属过孔，制作较为复杂且加工成本较高，而PBG结构虽然不需要过孔但其工作带宽过窄。
F.Yang 与Y.Rahmat-Samii 等人将人工磁导体结构应用于微带天线周围，用以抑制表面波的传播，提高天线的增益，降低背瓣。同时，将其作为偶极子天线和螺旋线圈天线的反射面，可以使天线紧贴人工磁导体结构表面，实现低剖面天线。此外，A.Foroozesh 等人将人工磁导体结构应用到贴片天线上，带宽及辐射增益都得到了改善。但是，上述的微带天线均结构复杂、体型较大，回波损耗及增益效果仍不能满足技术要求。如何在现有微带天线的基础上进行结构的简单改进，并结合反射特性优良的人工磁导体结构，设计出一种小型且高增益的微带天线，成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于人工磁导体的微带天线，该微带天线结构简单、体型小巧，回波损耗小、增益提高且反射性能良好。
为实现以上目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于人工磁导体的微带天线，包括三角形微带天线和人工磁导体反射基板，所述三角形微带天线通过非金属绝缘柱支撑设置在所述人工磁导体反射基板中心位置上方0.1mm处；所述三角形微带天线包括从上至下依次排列的三角形辐射贴片、介质层和接地板，所述接地板与所述三角形辐射贴片的形状、尺寸一一对应，所述三角形辐射贴片的中心位置刻蚀有互补的谐振环结构，所述三角形辐射贴片的底边中点位置处设有共面波导馈电点，所述三角形辐射贴片的边缘除所述共面波导馈电点外均等间距设有贯通所述三角形微带天线的空气通孔；所述人工磁导体反射基板由呈3×3阵列排布的人工磁导体反射单元拼接构成，所述人工磁导体反射单元与所述介质层的的形状、尺寸一一对应。
进一步地，每个所述人工磁导体反射单元包括介质基片和在该介质基片顶层、底层分别镀铜形成的顶层金属层、底层金属层，所述顶层金属层的金属镀层为呈梅花状。
进一步地，所述谐振环结构包括开口方向相反的外谐振环和内谐振环，所述外谐振环套在所述内谐振环的外部。
进一步地，所述三角形辐射贴片的形状为等腰三角形，所述介质层的形状为矩形。
进一步地，所述等腰三角形内接于所述矩形中，且所述等腰三角形的底边与所述矩形的一边重合。
进一步地，所述等腰三角形的底边长度小于两腰的长度。
进一步地，所述非金属绝缘柱设置在所述等腰三角形的内心及所述矩形的两个顶角位置处。
进一步地，所述非金属绝缘柱的材质为泡沫或石蜡。
进一步地，所述空气通孔的孔径为0.2mm-0.3mm，且所述空气通孔间的间距为0.3mm-0.4mm。
与已有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明采用辐射率高的三角形微带天线与具有同相位反射特性的人工磁导体反射基板进行复合组装，构成一种新型的增益增强型微带天线，不仅减小了传统微带天线的尺寸，改善了传统天线的回波损耗，还提高了微带天线的增益，此外，该微带天线结构简单、易于工业加工，具有小型化、高增益的优质特性。
附图说明
图1是本发明中三角形微带天线的俯视图；
图2是本发明中三角形微带天线的立体图；
图3是本发明中人工磁导体反射单元的立体图；
图4是本发明中人工磁导体反射基板的立体图；
图5是本发明基于人工磁导体的微带天线的立体结构示意图；
图6是本发明实施例1的S参数仿真波形图；
图7是本发明实施例2的S参数仿真波形图；
图8是本发明实施例1的3D辐射方向图；
图9是本发明实施例2的3D辐射方向图；
图中：10、三角形微带天线；11、三角形辐射贴片；12、介质层；13、接地板；14、谐振环结构；15、外谐振环；16、内谐振环；17、共面波导馈电点；18、微带线；19、空气通孔；20、人工磁导体反射基板；21、人工磁导体反射单元；22、顶层金属层；23、介质基片；24、底层金属层。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步详细的说明。所述实施例的示例在附图中示出，在下述本发明的实施方式中描述的具体的实施例仅作为本发明的具体实施方式的示例性说明，旨在用于解释本发明，而不构成为对本发明的限制。
图5是本发明一个实施例的立体结构示意图，由图中可知，本发明的基于人工磁导体的微带天线由三角形微带天线10和人工磁导体反射基板20复合组装而成，其中，三角形微带天线10在上，人工磁导体反射基板20在下，三角形微带天线10通过非金属绝缘柱（图中未示出）支撑设置在人工磁导体反射基板20中心位置上方的0.1mm处。
图1和图2分别为本发明中采用的等腰三角形微带天线的俯视图和立体图。由图2中可知，三角形微带天线10包括从上至下依次排列的三角形辐射贴片11、介质层12和接地板13，接地板13与三角形辐射贴片11的形状、尺寸一一对应；由图1中可知，位于顶层的三角形辐射贴片11与位于底层的接地板13的形状均为等腰三角形，该等腰三角形的底边长度小于两腰的长度，中间的介质层12的形状为矩形，等腰三角形（三角形辐射贴片与接地板）内接于矩形（介质层）中，且等腰三角形（三角形辐射贴片与接地板）的底边与矩形（介质层）的一边重合。
三角形辐射贴片11的中心位置处刻蚀有互补的谐振环结构14，通过刻除金属贴片形成，用于提高天线的增益、增加辐射。该谐振环结构包括外谐振环15和内谐振环16，外谐振环15套在内谐振环16的外部，且二者的开口方向相反。
三角形辐射贴片11的底边中点位置处设有共面波导馈电点17，位于该共面波导馈电点两侧的两条微带线18通过该共面波导馈电点接入等腰三角形微带天线的底边，微带线18的阻抗为50欧姆。
三角形辐射贴片的边缘（即两腰内侧及底边）除馈电点位置外均等间距设有一排空气通孔19，空气通孔的孔径为0.2mm-0.3mm，空气通孔间的间距为0.3mm-0.4mm，空气通孔贯通整个三角形微带天线的厚度方向。
图4是本发明中人工磁导体反射基板的立体图，图中可知人工磁导体反射基板20由9个人工磁导体反射单元21拼接构成，人工磁导体反射单元呈3×3阵列排布，人工磁导体反射单元与三角形微带天线中介质层的的形状、尺寸一一对应。
图3是本发明中人工磁导体反射单元的立体图，人工磁导体反射单元包括自上而上依次排布的顶层金属层22、介质基片23和底层金属层24，顶层金属层22是在介质基片23的顶层进行镀铜而形成，底层金属层24是在介质基片22的底层进行镀铜而形成，其中，顶层金属层22的金属镀层呈梅花状。
如图5所示，等腰三角形微带天线10位于人工磁导体反射基板中心位置的人工磁导体反射单元21的正上方，3个非金属绝缘柱支撑设置等腰三角形微带天线10与人工磁导体反射基板20之间，具体设置位置为等腰三角形的接地板的内心及矩形的介质板的两个顶角位置处。
进一步地，非金属绝缘柱的材质为泡沫或石蜡。
本发明实施例中的等腰三角形微带天线，采用的介质板的介电常数为2.2、厚度为1.0毫米。两条微带线分别作为三角形微带天线的输入端，阻抗均为50欧姆，三角形微带天线的正下方是一个由人工磁导体反射单元呈3×3阵列排布拼接构成的人工磁导体反射基板。
实施例1
一种基于人工磁导体的微带天线，如图5所示，包括等腰三角形微带天线和人工磁导体反射基板，其中，人工磁导体反射单元采用Rogers 6010的介质基片，其介电常数为10.2、厚度为1.0mm。图6为该实施例的S参数仿真波形图，由图中可知，该实施例的中心频率为12.3GHz，回波损耗大于12dB，天线增益为4.9dB，工作性能良好；图8为该实施例的3D辐射方向图，表明电场的空间分布，颜色深浅代表辐射强度，颜色越深，电场越强，颜色越浅，电场越弱）。
实施例2
一种基于人工磁导体的微带天线，如图5所示，人工磁导体反射单元采用Rogers 5880的介质基片，其介电常数为2.2、厚度为1.0mm。图7为该实施例的S参数仿真波形图，由图中可知，中心频率为12.3GHz，回波损耗大于14dB，天线增益为7.8dB，工作性能良好；图9为该实施例的3D辐射方向图，相比于图8，本实施例的辐射方向由双向变成单向，增益增加了接近3dB，方向性变佳，实现了天线的高增益。
本发明采用辐射率高的三角形微带天线与具有同相位反射特性的人工磁导体反射基板进行复合组装，构成一种新型的增益增强型微带天线，同时首次引入人工磁导体结构，目的是将微带天线下半部分的磁场反射到上半部分，使微带天线由双向辐射变为单向辐射，提高了天线的方向性和增益，改善了天线的回波损耗；此外，本发明结构简单、易于工业加工且反射性能良好，减小了传统微带天线的外形尺寸，具有小型化、高增益的优质特性。
应该注意的是，上述实施例是对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的数据或步骤。

Claims (9)

1.一种基于人工磁导体的微带天线，其特征在于：包括三角形微带天线和人工磁导体反射基板，所述三角形微带天线通过非金属绝缘柱支撑设置在所述人工磁导体反射基板中心位置上方0.1mm处；
所述三角形微带天线包括从上至下依次排列的三角形辐射贴片、介质层和接地板，所述接地板与所述三角形辐射贴片的形状、尺寸一一对应，所述三角形辐射贴片的中心位置刻蚀有互补的谐振环结构，所述三角形辐射贴片的底边中点位置处设有共面波导馈电点，所述三角形辐射贴片的边缘除所述共面波导馈电点外均等间距设有贯通所述三角形微带天线的空气通孔；
所述人工磁导体反射基板由呈3×3阵列排布的人工磁导体反射单元拼接构成，所述人工磁导体反射单元与所述介质层的形状、尺寸一一对应。
2.根据权利要求1所述的一种基于人工磁导体的微带天线，其特征在于：每个所述人工磁导体反射单元包括介质基片和在该介质基片顶层、底层分别镀铜形成的顶层金属层、底层金属层，所述顶层金属层的金属镀层呈梅花状。
3.根据权利要求1所述的一种基于人工磁导体的微带天线，其特征在于：所述谐振环结构包括开口方向相反的外谐振环和内谐振环，所述外谐振环套在所述内谐振环的外部。
4.根据权利要求1所述的一种基于人工磁导体的微带天线，其特征在于：所述三角形辐射贴片的形状为等腰三角形，所述介质层的形状为矩形。
5.根据权利要求4所述的一种基于人工磁导体的微带天线，其特征在于：所述等腰三角形内接于所述矩形中，且所述等腰三角形的底边与所述矩形的一边重合。
6.根据权利要求5所述的一种基于人工磁导体的微带天线，其特征在于：所述等腰三角形的底边长度小于两腰的长度。
7.根据权利要求5所述的一种基于人工磁导体的微带天线，其特征在于：所述非金属绝缘柱设置在所述等腰三角形的内心及所述矩形的两个顶角位置处。
8.根据权利要求1所述的一种基于人工磁导体的微带天线，其特征在于：所述非金属绝缘柱的材质为泡沫或石蜡。
9.根据权利要求1所述的一种基于人工磁导体的微带天线，其特征在于：所述空气通孔的孔径为0.2mm-0.3mm，且所述空气通孔间的间距为0.3mm-0.4mm。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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GR01 Patent grant
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