CN108767446A - 一种低剖面左手平面透镜天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种低剖面左手平面透镜天线，包括从上至下依次触接排列的左手透镜层、部分反射面和耦合辐射层，还包括位于底部的馈电板，馈电板与耦合辐射层之间设有介质垫片。本发明将谐振腔天线与左手材料单元结合，易于加工、成本降低，左手材料单元采用单面蚀刻工艺，由此制得的单面蚀刻结构不仅组成单元阵列时更加灵活，而且，由此拼接构成的左手透镜层直接覆盖在部分反射面上，该无腔结构未产生额外的剖面高度，在保留了天线低剖面特性的前提下，使得天线的增益和方向性得到显著提高；此外，部分反射面具有双层结构，其上、下表面均敷设有由不同形状的金属周期单元拼接而成的金属层，进一步提高了天线的增益带宽，提高了天线的应用频段。

Description

一种低剖面左手平面透镜天线

技术领域

本发明涉及一种透镜天线，具体涉及一种低剖面左手平面透镜天线，属于微波技术领域。

背景技术

物质的折射率与该物质的磁导率和介电常数有关，即n²=ε(ω)μ(ω)，显然地，当磁导率和介电常数同时为负值时，折射率n<0；电磁波在该物质中传播时，波矢、电场和磁场之间的关系符合左手定律，因此称之为“左手材料”。左手材料具有负相速度、负折射率、理想成像、逆Doppler频移、反常Cerenkov辐射等优异的物理性质，因此被广泛应用于透镜天线中。

采用左手单元阵列的透镜天线对电场和磁场均呈现出特殊的响应特性，现有的左手天线一般采用在介质基板的两侧均蚀刻左手材料单元的结构，该结构不仅工序复杂、制造成本高，还限制了天线在更高频段的应用。传统的谐振腔天线根据同相叠加出射的原理设计，波束宽度仍然较大，不具有笔形波束的高方向性效果。随着现代技术的迅速发展，无线通信技术正在向小型化，高性能和高集成方向发展。现代无线通信特别是5G时代的到来，如何设计和生产出体积小、低成本的高增益高方向性天线，就成为本领域技术人员亟待解决的技术问题，同样也是行业发展的迫切需要。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种低剖面左手平面透镜天线，该天线体积小、结构简单、易于加工且成本低，还具有高增益、高方向性和辐射效率佳的特点。

为实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

一种低剖面左手平面透镜天线，包括从上至下依次触接排列的左手透镜层、部分反射面和耦合辐射层，还包括位于底部的馈电板，所述馈电板与所述耦合辐射层之间设有介质垫片，其中，所述左手透镜层呈矩形，由呈23×21阵列排布的左手材料单元拼接构成，每个所述左手材料单元包括介质基片和在该介质基片下表面镀铜形成的底层金属层，所述底层金属层上蚀刻有谐振环金属线结构；所述部分反射面呈正方形，包括尺寸相同、相互叠加的上层介质板和下层介质板，其中，所述上层介质板的上表面贴有上层金属层，所述下层介质板的下表面贴有下层金属层；所述耦合辐射层呈正方形，包括辐射介质板和方形的辐射金属片，所述辐射金属片印刷在所述辐射介质板下表面的中心位置，并沿所述辐射介质板的横向、纵向中心线对称分布；所述馈电板与所述部分反射面的形状、尺寸一一对应，所述馈电板包括从上至下依次触接排布的顶层金属层、馈电介质板和微带线，所述顶层金属层敷设在所述馈电介质板的上表面，所述微带线纵向设置在所述馈电介质板的下表面。

进一步地，所述上层金属层由第一金属周期单元拼接构成，所述下层金属层由第二金属周期单元拼接构成，其中，所述第一金属周期单元由位于中间的方形金属贴片及其四周的框形金属贴片组合构成，所述第二金属周期单元为方框形金属贴片。

进一步地，所述上层金属层的截面积小于所述上层介质板，所述下层金属层的截面积小于所述下层介质板。

进一步地，所述耦合辐射层的边长小于所述部分反射面的边长。

进一步地，所述顶层金属层与所述馈电介质板的形状、尺寸一一对应。

进一步地，所述顶层金属层的中心位置横向开有一矩形缝隙，所述矩形缝隙的中心与所述馈电介质板的中心重合并沿所述馈电介质板的横向、纵向中心线对称分布。

进一步地，所述矩形缝隙与所述微带线在水平面上的投影相互垂直。

进一步地，所述微带线沿所述馈电介质板的纵向中心线对称分布，且所述微带线的长度为所述馈电介质板边长的一半。

进一步地，所述微带线纵向设置在所述馈电介质板的中心与边缘之间。

进一步地，所述介质垫片的材质为尼龙或泡沫。

与已有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明将谐振腔天线与左手材料单元结合，易于加工、成本降低，左手材料单元采用单面蚀刻工艺，由此制得的单面蚀刻结构不仅组成单元阵列时更加灵活，而且，由此拼接构成的左手透镜层直接覆盖在部分反射面上，该无腔结构未产生额外的剖面高度，在保留了天线低剖面特性的前提下，使得天线的增益和方向性得到显著提高；此外，部分反射面具有双层结构，其上、下表面均敷设有由不同形状的金属周期单元拼接而成的金属层，进一步提高了天线的增益带宽，提高了天线的应用频段。

附图说明

图1是本发明的立体结构示意图；

图2是本发明的俯视透视图；

图3是本发明的三维透视图；

图4是本发明中左手材料单元的仰视图；

图5是本发明中上层介质板的俯视图；

图6是本发明中下层介质板的仰视图；

图7是本发明中部分反射面的截面示意图；

图8是本发明中耦合辐射层的仰视图；

图9是本发明中馈电板的俯视图；

图10是本发明中馈电板的仰视图；

图11是本发明实施例的S11仿真结果图；

图12是本发明实施例的增益随频率变化仿真结果图；

图13是本发明实施例在14GHz的E面方向图；

图14是本发明实施例在14GHz的H面方向图；

图中：10、左手透镜层；11、左手材料单元；12、底层金属层；13、谐振环金属线结构；20、部分反射面；21、上层金属层；22、上层介质板；23、下层介质板；24、下层金属层；30、耦合辐射层；31、辐射介质板；32、辐射金属片；40、馈电板；41、顶层金属层；42、馈电介质板；43、微带线；44、矩形缝隙。

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。

如图1-3所示，本发明的低剖面左手平面透镜天线，包括从上至下依次触接排列的左手透镜层10、部分反射面20和耦合辐射层30，还包括位于底部的馈电板40，所述馈电板40与所述耦合辐射层30之间设置有若干非金属的介质垫片（图中未示出），介质垫片支撑设置在耦合辐射层30与馈电板40之间，致使耦合辐射层30与馈电板40没有直接接触，二者之间为一空气层。通过空气层，将微带线的能量耦合到方形的辐射金属片上，从而形成天线的辐射，提高了天线的阻抗带宽，提高了天线的辐射效率。

所述介质垫片的材质为尼龙或泡沫。

所述左手透镜层10呈矩形，由呈23×21阵列排布的左手材料单元11拼接构成，每个所述左手材料单元11包括介质基片和底层金属层12，底层金属层12通过在介质基片下表面镀铜形成，图4中，所述底层金属层12上蚀刻有谐振环金属线结构13，所述谐振环金属线结构13包括对口谐振环金属线和短金属线，短金属线设置在对口谐振环金属线与介质基片边缘之间。

左手材料单元采用单面加工的工艺，即仅在介质基片的下表面上通过镀铜形成底层金属层，易于加工；底层金属层与部分反射面的上表面直接接触，即左手透镜层直接覆盖在部分反射面上，使天线经部分反射面出射的电磁波经过左手材料负折射会聚效应，在耦合辐射层上方再次聚拢，调整相位从球面波转变为近似平面波，从而提高透镜天线的增益与方向性；此外，左手透镜层紧紧覆盖在部分反射面上，没有产生额外的剖面高度，保留了天线的低剖面特性。左手材料单元的单面蚀刻结构提高了参数优化与加工的可操作性，组成单元阵列时更加灵活，左手材料单元的尺寸决定了天线能够提高增益的工作频段。

如图5-7所示，所述部分反射面20呈正方形，包括相互叠加的上层介质板22和下层介质板23，其中，上层介质板22和下层介质板23的尺寸和面积均相同，所述上层介质板22的上表面贴有上层金属层21，所述下层介质板23的下表面贴有下层金属层24。

所述上层金属层21由第一金属周期单元25拼接构成，所述下层金属层24由第二金属周期单元26拼接构成，图7中，所述第一金属周期单元25由位于中间的方形金属贴片及其四周的框形金属贴片组合构成，所述第二金属周期单元26为方框形金属贴片。

所述上层金属层21的截面积小于所述上层介质板22的截面积，所述下层金属层24的截面积小于所述下层介质板23的截面积，即上层金属层21未敷满上层介质板22，下层金属层24未敷满下层介质板23，便于后期制作过程的打孔固定。

第一金属周期单元和第二金属周期单元的尺寸决定了天线能够提高增益的工作频段，由上述金属周期单元构成的上层金属层及下层金属层的尺寸和形状，会直接关系到天线对于部分反射面的反射相位，部分反射表面在馈源工作频段的反射相位随频率呈正斜率。

图8中，所述耦合辐射层30呈正方形，包括辐射介质板31和方形的辐射金属片32，辐射金属片32的边长决定了馈源天线的工作频段。所述辐射金属片32印刷在所述辐射介质板31下表面的中心位置，并沿所述辐射介质板31的横向、纵向中心线对称分布。本发明中选用方形的辐射金属片，主要是为了产生单一的线极化波，降低天线的结构复杂度。

所述耦合辐射层30的边长小于所述部分反射面20的边长，即耦合辐射层30的面积小于部分反射面20的面积，部分反射面20覆盖在耦合辐射层30的上方。

所述馈电板40与所述部分反射面20的形状、尺寸一一对应，如图9-10所示，所述馈电板40包括从上至下依次触接排布的顶层金属层41、馈电介质板42和微带线43，所述顶层金属层41与所述馈电介质板40的形状、尺寸一一对应，所述顶层金属层41敷设在所述馈电介质板42的上表面作为接地板（GND），顶层金属层41的中心位置横向开有一矩形缝隙44，所述矩形缝隙44的中心与所述馈电介质板42的中心重合并沿所述馈电介质板42的横向、纵向中心线对称分布。矩形缝隙的作用主要是耦合微带线传递的能量，再通过耦合辐射层与馈电板之间的空气层耦合到方形的辐射金属片从而产生辐射。

所述馈电介质板42的下表面纵向设置有一条微带线43，微带线43与矩形缝隙44在水平面上的投影相互垂直。图10中，所述微带线43纵向设置在所述馈电介质板42的中心与边缘之间，并沿所述馈电介质板42的纵向中心线对称分布，所述微带线43的长度为所述馈电介质板42边长的一半（即从馈电介质板的中心位置到边缘位置），微带线的长度和宽度影响天线的输入阻抗，并决定了天线的阻抗匹配及辐射方向。此外，位于GND表面的矩形缝隙的尺寸，也会对天线的辐射性能产生影响。

本发明的实施例，一种低剖面左手平面透镜天线，左手透镜层中的介质基片厚度为0.4mm，相对介电常数为4.3；部分反射面中的上层介质板厚度为1.524mm、相对介电常数为3.66，下层介质板的厚度0.787mm、相对介电常数为2.2；耦合辐射层、馈电板的厚度分别为0.787mm、0.508mm，两者的相对介电常数均为2.2，左手材料单元的周期距离（即相临两个左手材料单元中心间的距离）为4mm。

如图4所示，构成谐振环金属线结构13的对口谐振环金属线和短金属线的宽度均为0.1mm，其中，对口谐振环金属线的内径宽3mm，高0.6mm，开口长0.6mm，短金属线的长度为1.3mm。

如图5-6所示，第一金属周期单元和第二金属周期单元的周期距离（即相临两个金属周期单元中心间的距离）相同，均为8mm；第一金属周期单元位于中间的方形金属贴片边长为4.4mm，位于四周的框形金属贴片（四个矩形）的长为6mm、宽为0.5mm；第二金属周期单元的方框形金属贴片的外框边长为6.8mm，内框边长为5mm；图8中，方形的辐射金属片32的边长为为7.2mm；图9中，矩形缝隙44的长度、宽度分别为6mm、1mm；图10中，微带线的长度、宽度分别为52.6mm、2.6mm；左手透镜层10位于馈电板40上方10.5mm处。

利用三维电磁仿真软件仿真上述天线，如图11所示，天线的回波损耗在工作频段内达到-10dB以下。天线在工作频段内的增益随频率变化仿真结果，如图12所示，其中实线表示该天线顶部敷设有本发明所述的左手透镜层，虚线表示天线顶部未敷设左手透镜层，从图中可知，由左手材料单元拼接构成的左手透镜层的敷设，使得天线的最高增益得以显著提高，最高增益提高了8.4dB。

图13、14分别为本发明实施例在14GHz的E面、H面方向图，由图中可知，相较于未敷设本发明所述的左手透镜层（图中虚线所示），透镜天线的半功率波束宽度大幅减小，下降了约75%，方向性得到大幅提高。

本发明将谐振腔天线与左手材料单元结合，易于加工、成本降低，左手材料单元采用单面蚀刻工艺，由此制得的单面蚀刻结构不仅组成单元阵列时更加灵活，而且，由此拼接构成的左手透镜层直接覆盖在部分反射面上，该无腔结构未产生额外的剖面高度，在保留了天线低剖面特性的前提下，使得天线的增益和方向性得到显著提高；此外，部分反射面具有双层结构，其上、下表面均敷设有由不同形状的金属周期单元拼接而成的金属层，进一步提高了天线的增益带宽，提高了天线的应用频段。

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 (10)

1.一种低剖面左手平面透镜天线，其特征在于：包括从上至下依次触接排列的左手透镜层、部分反射面和耦合辐射层，还包括位于底部的馈电板，所述馈电板与所述耦合辐射层之间设有介质垫片，其中，所述左手透镜层呈矩形，由呈23×21阵列排布的左手材料单元拼接构成，每个所述左手材料单元包括介质基片和在该介质基片下表面镀铜形成的底层金属层，所述底层金属层上蚀刻有谐振环金属线结构；所述部分反射面呈正方形，包括尺寸相同、相互叠加的上层介质板和下层介质板，其中，所述上层介质板的上表面贴有上层金属层，所述下层介质板的下表面贴有下层金属层；所述耦合辐射层呈正方形，包括辐射介质板和方形的辐射金属片，所述辐射金属片印刷在所述辐射介质板下表面的中心位置，并沿所述辐射介质板的横向、纵向中心线对称分布；所述馈电板与所述部分反射面的形状、尺寸一一对应，所述馈电板包括从上至下依次触接排布的顶层金属层、馈电介质板和微带线，所述顶层金属层敷设在所述馈电介质板的上表面，所述微带线纵向设置在所述馈电介质板的下表面。

2.根据权利要求1所述的一种低剖面左手平面透镜天线，其特征在于：所述上层金属层由第一金属周期单元拼接构成，所述下层金属层由第二金属周期单元拼接构成，其中，所述第一金属周期单元由位于中间的方形金属贴片及其四周的框形金属贴片组合构成，所述第二金属周期单元为方框形金属贴片。

3.根据权利要求2所述的一种低剖面左手平面透镜天线，其特征在于：所述上层金属层的截面积小于所述上层介质板，所述下层金属层的截面积小于所述下层介质板。

4.根据权利要求1所述的一种低剖面左手平面透镜天线，其特征在于：所述耦合辐射层的边长小于所述部分反射面的边长。

5.根据权利要求1所述的一种低剖面左手平面透镜天线，其特征在于：所述顶层金属层与所述馈电介质板的形状、尺寸一一对应。

6.根据权利要求5所述的一种低剖面左手平面透镜天线，其特征在于：所述顶层金属层的中心位置横向开有一矩形缝隙，所述矩形缝隙的中心与所述馈电介质板的中心重合并沿所述馈电介质板的横向、纵向中心线对称分布。

7.根据权利要求6所述的一种低剖面左手平面透镜天线，其特征在于：所述矩形缝隙与所述微带线在水平面上的投影相互垂直。

8.根据权利要求1所述的一种低剖面左手平面透镜天线，其特征在于：所述微带线沿所述馈电介质板的纵向中心线对称分布，且所述微带线的长度为所述馈电介质板边长的一半。

9.根据权利要求8所述的一种低剖面左手平面透镜天线，其特征在于：所述微带线纵向设置在所述馈电介质板的中心与边缘之间。

10.根据权利要求1所述的一种低剖面左手平面透镜天线，其特征在于：所述介质垫片的材质为尼龙或泡沫。