CN108767465A - 基于人工小型化超材料结构双频段陷波超宽带天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种基于人工小型化超材料结构双频段陷波超宽带天线。包括超宽带天线，超宽带天线正面的上半部分为覆铜区、下半部分为裸露区，正面覆铜区中部有一凹形裸露区、底边中间带有馈线，正面覆铜区的底边呈弧形，超宽带天线背面的下半部分为覆铜区、上半部分为裸露区，背面覆铜区的上边呈弧形，背面覆铜区的上边中间有一裸露槽，超宽带天线的下部有两个人工超材料结构，两个人工超材料结构分布于馈线的两侧，人工超材料结构的正面为下边开口的方形覆铜框、背面为上边开口的方形裸露框、并且开口处均有向内的转折段。本发明能够满足在WLAN中5.15GHz–5.35GHz和5.725GHz–5.825GHz下的陷波。

Description

基于人工小型化超材料结构双频段陷波超宽带天线

技术领域

本发明涉及的是一种双频段陷波超宽带天线。

背景技术

1996年至1999年，J.B.Pendry等人构造了由细金属棒和金属谐振环组成的人工超材料，验证了人工超材料同时具有负介电常数(ε)、负磁导率(μ)的特性。2000年，R.A.Shelby等人首次构造出左手材料，使左手材料结构引起国内外广泛关注。目前，人工超材料广泛应用于各个领域，如微波电路、天线设计等。

基于SRR(开口谐振环)的人工超材料和超宽带天线的结合种类多种多样，实现的功能也各有不同。例如2014年JawardYaseen设计的超宽带陷波天线利用的是方形SRR谐振环实现的，设计的两个方形SRR放置在天线馈线下方以实现陷波；2016年AbdolmehdiDadgarpour设计的新型的圆SRR结构成功实现了天线高增益，利用的是人工超材料的零折射率特性；2016年Ali KaramiHorestani设计的可调谐S型分裂环谐振器是以S型SRR为基础，加入变容二极管成功实现了人工超材料中心频率可调。他们研究的共同点就是模型是以传统的开口谐振环为基础进行改进，但是对于人工超材料结构的小型化问题还没有合适的模型来解决。

综上所述，现有的文献报告对人工超材料结构的小型化问题还没有深入研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种性能优良能实现双频段陷波的基于人工小型化超材料结构双频段陷波超宽带天线。

本发明的目的是这样实现的：包括超宽带天线，超宽带天线正面的上半部分为正面覆铜区、下半部分为正面裸露区，正面覆铜区中部有一凹形裸露区、底边中间带有馈线，正面覆铜区的底边呈弧形，超宽带天线背面的下半部分为背面覆铜区、上半部分为背面裸露区，背面覆铜区的上边呈弧形，背面覆铜区的上边中间有一裸露槽，超宽带天线的下部有两个人工超材料结构，两个人工超材料结构分布于馈线的两侧，所述人工超材料结构的正面为下边开口的方形覆铜框、背面为上边开口的方形裸露框、并且开口处均有向内的转折段。

两个人工超材料结构的尺寸不相等。

本发明针对超宽带天线的频段存在某些窄带导致信号干扰的问题，本发明提出了对于实现在WLAN下的双频段陷波的超宽带天线。本发明的特点包括：

(1)利用巴比涅原理，一个平面金属结构的互补结构可以通过如下方式获得：将原结构中的金属部分用缝隙替代，而原结构中的缝隙用金属替代。将传统的SRR结构进行改进，利用巴比涅原理建立互补结构CSRR结构单元，将SRR和对应的CSRR结合，建立新型人工超材料模型，获得其中心频率。

(2)根据(1)中模型，将建立的新型人工超材料保证在相同尺寸的情况下降低中心频率实现小型化的效果。

(3)根据(2)中模型，仿真新型人工超材料，并提取对应的中心频率使得满足WLAN中5.15GHz-5.35GHz和5.725GHz-5.825GHz两个频段，并计算出折射率、阻抗、有效介电常数和磁导率。

本发明建立并优化超宽带天线，实现频带为3GHz～11GHz下的宽频段。仿真天线的增益图、VSWR图。

本发明将新型人工超材料和超宽带天线结合设计单频段陷波超宽带天线。将小型化人工超材料放在天线的馈线一侧，分别实现中心频率在5.2GHz和5.75GHz下单频段陷波超宽带天线，仿真分析两个天线在对应的频段内的电压驻波比VSWR。

本发明在单频段陷波超宽带天线的基础上进行改进，将两个小型化人工超材料分别置于天线的馈线两侧，优化人工超材料的尺寸结构和距离天线馈线的位置，改善天线的性能实现双频段陷波超宽带天线，仿真分析双频段陷波天线在对应的陷波频段内的电压驻波比VSWR，观察电流在两个频段内在天线上的分布。

本发明新型人工超材料结构能够在相同尺寸的情况下实现更低的中心频率，在尺寸不变的情况下，超材料模型的中心频段可以降低800MHz左右，且陷波效果不受影响。本发明中设计的单频和双频陷波超宽带天线能够满足在WLAN中5.15GHz–5.35GHz和5.725GHz–5.825GHz下的陷波。设计的此类天线结构简单，易于制造和使用。

附图说明

图1a-图1b是超宽带天线模型。

图2是超宽带天线反射系数参数模型。

图3a-图3b是人工超材料结构模型图。

图4a-图4d是人工超材料结构变化模型图。

图5是人工超材料磁导率结果。

图6a-图6b是人工超材料模型和边界图。

图7a-图7b是人工超材料仿真结果图。

图8a-图8f是单频陷波天线超宽带天线模型。

图9是单频陷波超宽带天线仿真驻波比。

图10a-图10b是双频陷波超宽带天线模型。

图11双频陷波超宽带天线电压驻波比仿真结果。

图12双频陷波超宽带天线部分增益图。

图13a-图13b双频陷波超宽带天线EH面辐射图。

具体实施方式

下面举例对本发明做更详细的描述。

为了实现人工超材料结构的小型化，并在人工超材料的基础上建立多频段陷波超宽带天线，本发明采用如下步骤设计基于人工小型化超材料结构双频段陷波超宽带天线

1.超宽带天线的建立。

天线模型如图1a-图1b，图1a-图1b分别表示天线的俯视图和仰视图。区域1、4表示天线的覆铜部分，区域2、3表示天线介质基板部分。

微带辐射贴片的尺寸，首先要选择合适的介质基板。

辐射贴片的宽度公式如下：

其中，是介质的介电常数，是工作频率，是光速。

辐射单元长度L为：

式中，是有效介电常数，是等效辐射缝隙长度。分别用下式计算：

其中，h是介质板的厚度。

设计的超宽带天线定义为天线A。天线A的尺寸如下：W＝27mm,W1＝2.4mm,W2＝9.3mm,W3＝6.1mm,W4＝W5＝1.6mm,L＝31mm,L1＝13.1mm,L2＝15mm,L3＝0.6mm,L4＝4.8mm,L5＝16.5mm,L6＝1.5mm,L7＝11.6mm，L8＝8.2mm。天线的介质基板材料为RogersDuroid5880，厚度0.787mm，它的介电常数ε_r＝2.2，介质损耗为tanδ＝0.009，尺寸为27(W)×31(L)×0.787(H)mm³。天线A的反射系数S₁₁如图2，天线A的频段为3.15GHz-11GHz。

2.新型小型化人工超材料模型的建立。

在天线A的基础上加入人工超材料，使得天线在WLAN频段(5.15GHz–5.35GHz，5.725GHz–5.825GHz)实现陷波。

实现完成的小型化人工超材料结构模型名为C-SRR，如图3a-图3b，图3a表示人工超材料C-SRR的正面，图3b表示人工超材料的反面。区域5、8表示介质基板,区域6、7表示覆铜。

图4a-图4d，中的模型表示的是设计的小型化人工超材料的变化过程，图4a-图4d中的模型的电磁仿真结果对应图5。图4a表示的是传统的C型结构，其背面无覆铜，即单层结构；图4b模型表示的是在图4a的基础上改进得到的新单层覆铜超材料，背面无覆铜，名为SRR，图4c、图4d作为正反面共同构成一个人工超材料，即图4c、图4d表示的是一个双层的覆铜人工超材料，区域9、11、14、15表示的是金属铜，区域10、12、13、16表示的是介质基板。

超材料的建立方法是首先建立单层人工超材料，如图4a所示，并在图4a的基础上进行改进，得到的新结构如图4b，再在单层超材料的结构上改造，利用巴比涅原理，一个平面金属结构的互补结构可以通过如下方式获得：将图4b中的结构中的金属部分用缝隙替代，而缝隙用金属替代建立正反面都由铜覆盖的新型超材料，即利用图4c中的SRR建立图4d的CSRR，两者共同构成一个新的人工超材料，名为C-SRR。三个模型的折射率和有效磁导率的效果如图5，当三种人工超材料有相同尺寸时，C-SRR的中心频率对比C型超材料降低了约850MHz，比SRR型超材料的中心频率降低约450MHz。从图5中可以看出，相比较而言，在不改变尺寸的情况下，改变模型的结构，就可以实现人工超材料的小型化。

3.单频段陷波超宽带天线的设计

(1)和天线结合实现单频段陷波，人工超材料C-SRR首先需要设计合适的中心频率。

为了方便和天线A结合，人工超材料C-SRR的介质基板选用和超宽带天线A一样的材料RogersDuroid5880，厚度为0.787mm。人工超材料C-SRR的正面尺寸图如图6a所示，正反面结构大小相等，覆层位置相反，其边界条件如图6b。经过仿真计算，设计了两个人工超材料模型，其中心频率分别满足在5.15GHz–5.35GHz之间(仿真效果如图7a所示)和5.725GHz–5.825GHz之间(仿真效果如图7b所示)。其中，中心频率在5.15GHz–5.35GHz频段内的超材料的尺寸如下：D＝5.88mm,G＝0.7mm,W＝0.85mm,L＝1mm，中心频率在5.725GHz–5.825GHz频段内的超材料的尺寸如下：D＝6.3mm,G＝1mm,W＝1mm,L＝1mm。

(2)单频段陷波超宽带天线的设计。

选用一个人工超材料C-SRR放置在天线A的馈线左侧或右侧，以实现天线A在对应频段内的陷波，结合方式如图8a-f所示，图8a、图8b分别表示中心频段在5.15GHz–5.35GHz频段下的单频段陷波超宽带天线C正反面结构图，此频段陷波需要的人工超材料命名为人工超材料A，图8c、图8d表示中心频段为5.725GHz–5.825GHz下的单频段陷波超宽带天线D正反面结构，此频段陷波需要的人工超材料，命名为人工超材料B。图8e、图8f分别表示图8a、图8c的局部放大图。人工超材料A和人工超材料B的尺寸和位置分别在图8e、图8f中表示，尺寸如下：X1＝1.1mm,Y1＝2.35mm,X2＝1.1mm,Y2＝2.2mm，D1＝5.88mm,G1＝0.7mm,W1＝0.85mm,L1＝1mm，D2＝6.3mm,G2＝1mm,W2＝1mm,L2＝1mm。

将人工超材料A和天线A结合，得到在5.15GHz-5.5GHz的单频段陷波天线C的效果图如图9中虚线所示，人工超材料B和天线A结合得到的5.725GHz-5.825GHz单频段陷波天线D的效果图如图9中实线所示。从图9中可以看出，图8a、图8b中的天线C的单频陷波频段对应图9的虚线，频段范围是5.16–5.35GHz，图8c、图8d中的天线D的单频陷波频段对应图9的实线，单频陷波频段是5.70–5.89GHz，都满足单频陷波特性，各自实现了在WLAN的5.15GHz–5.35GHz和5.725GHz–5.825GHz下的陷波，且陷波效果良好。

3.双频段陷波超宽带天线的设计。

将图8a-图8f中两个小型化的人工超材料A和人工超材料B和图1中的超宽带天线A结合，实现双频陷波超宽带天线E，选用的两个人工超材料分别位于天线A的馈线两侧以减少各自的干扰，具体结合方式和仿真效果如图10a-b和图11。图10a表示天线E的俯视图，图10b表示天线E的仰视图。选用超材料A和超材料B和天线A的效果仿真图如图11中黑色实线所示，效果不明显且陷波频段有偏移。经过优化仿真,以获得新的尺寸的超材料A′和超材料B′，得到新的尺寸：A材料边界尺寸D1＝5.88mm,B材料边界尺寸D2＝6.4mm,A材料宽度W1＝1.05mm,B材料宽度W2＝0.9mm,A材料缝隙宽度L1＝1mm,B材料缝隙宽度L2＝1mm,A材料缝隙长度G1＝0.7mm,B材料缝隙长度G2＝1.1mm,A材料位置X1＝1.05mm,Y1＝2.3mm,B材料位置X2＝1.1mm,Y2＝2.2mm，效果如图11虚线所示。从此图中可以看出：天线的陷波频段5.10–5.38GHz和5.723–5.829GHz，满足WLAN下的两个波段。

为了更加明显的观测超材料的陷波效果，图12绘制了在3—6GHz下的增益情况，在5.3GHz和5.75GHz下天线的增益显著降低。图13a-图13b表示的是在3.1GHz、5GHz下的EH面辐射图。

从图中可以看出，新型人工超材料结构能够在相同尺寸的情况下实现更低的中心频率，在尺寸不变的情况下，超材料模型的中心频段可以降低800MHz左右，且陷波效果不受影响。专利中设计的单频和双频陷波超宽带天线能够满足在WLAN中5.15GHz–5.35GHz和5.725GHz–5.825GHz下的陷波。设计的此类天线结构简单，易于制造和使用。

Claims (3)

1.一种基于人工小型化超材料结构双频段陷波超宽带天线，包括超宽带天线，其特征是：超宽带天线正面的上半部分为正面覆铜区、下半部分为正面裸露区，正面覆铜区中部有一凹形裸露区、底边中间带有馈线，正面覆铜区的底边呈弧形，超宽带天线背面的下半部分为背面覆铜区、上半部分为背面裸露区，背面覆铜区的上边呈弧形，背面覆铜区的上边中间有一裸露槽，超宽带天线的下部有两个人工超材料结构，两个人工超材料结构分布于馈线的两侧，所述人工超材料结构的正面为下边开口的方形覆铜框、背面为上边开口的方形裸露框、并且开口处均有向内的转折段。

2.根据权利要求1所述的基于人工小型化超材料结构双频段陷波超宽带天线，其特征是：两个人工超材料结构的尺寸不相等。

3.根据权利要求2所述的基于人工小型化超材料结构双频段陷波超宽带天线，其特征是所述两个人工超材料结构的尺寸不相等具体为：两个人工超材料结构分别为A材料与B材料，则：A材料边界尺寸D1＝5.88mm,B材料边界尺寸D2＝6.4mm,A材料宽度W1＝1.05mm,B材料宽度W2＝0.9mm,A材料缝隙宽度L1＝1mm,B材料缝隙宽度L2＝1mm,A材料缝隙长度G1＝0.7mm,B材料缝隙长度G2＝1.1mm,A材料距馈线的距离X1＝1.05mm,A材料距天线底边的距离Y1＝2.3mm,B材料距馈线的距离X2＝1.1mm,B材料距天线底边的距离Y2＝2.2mm。