CN109586023A - 基于超材料介质基板的矩形微带天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于超材料介质基板的矩形微带天线，涉及无线通信领域。一种基于超材料介质基板的矩形微带天线包括：顶层介质板（1）、底层介质板（2）、矩形贴片（3）和类蝶形超材料单元阵列（4）。本发明将类蝶形超材料结构放置在普通矩形微带贴片天线的介质板中间来间接改变介质基片的介电常数等基本参数，通过不断增加类蝶形超材料单元的个数，可以从仿真数据清楚的观察到微带天线性能的不断改善。本发明一种基于超材料介质基板的矩形微带天线具有尺寸小，结构简单，易加工，高增益，低损耗等优点。
Description
技术领域
本发明属于无线通信领域，涉及一种基于超材料介质基板的矩形微带天线。
背景技术
超材料被定义为在某些频段内同时具有负介电常数和负磁导率，由周期性尺寸远远小于工作波长的人工单元结构组成，这类材料可呈现天然材料所不具备的超常物理性能。
随着信息技术的飞速发展，无线通信技术因其不受地理环境的约束可以随时随地进行信息传输与交换，被广泛应用于人们生活和社会发展的方方面面，同时无线通信方式的多样化极大的便利了人们的生活和工作。在随处可见的无线通信系统中，信息往往是通过无线电磁波进行传输，而天线做为无线通信系统中的重要构成部分，其好坏直观地影响到无线通信的效率和质量。而伴随着当今各类通信系统的飞速成长，业界对天线的多项性能和指标同时达成的渴望也愈加浓烈，良好的性能参数需要在天线的设计中开发更加新颖特异的结构，并且需要更具高品质的板材来支持天线设计，显而易见，天线的成本在无形中大幅度的提升了。但是，超材料的出现使得这一问题找到了可行的办法，通过设计超材料的加载，可以使制作天线的成本得以控制的同时提升天线的多项性能参数，因此，将超材料和天线有效的结合，以此来提高天线性能参数的研究存在着深远的价值和意义。
近年来，众多学者将超材料应用于天线设计，取得了很多实质性的进展。超材料作为一种全新的人工电磁材料，由于其具有负的折射率、负的群速度、逆多普勒效应等一系列奇特的物理性质，将其应用于传统的天线设计中，可显著的改善天线的工作性能，如提高增益、增加带宽、小型化、实现多频段以及降低天线间的耦合等等。值得注意的是，基于超材料的新型天线不仅能改善其某一个指标，同时还能提髙多个指标。
本发明一种基于超材料介质基板的矩形微带天线，将类蝶形超材料结构放置在普通矩形微带贴片天线的介质板中间来间接改变介质基片的介电常数等基本参数，通过不断增加类蝶形超材料单元的个数，可以从仿真数据清楚的观察到微带天线的带宽、阻抗和辐射效率等性能有不断改善。
本发明内容，经文献检索，未见与本发明相同的公开报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于超材料介质基板的矩形微带天线，基于超材料介质基板的矩形微带天线包括顶层介质板（1）、底层介质板（2）、矩形贴片（3）和类蝶形超材料单元阵列（4）。
所述基于超材料介质基板的矩形微带天线，在普通矩形微带天线介质基片的正下方增加一层与原有介质基片一模一样的介质基片，并将超材料单元阵列放置于微带贴片天线正下方的两层介质基片中间，超材料单元阵列个数可以为 1、3、9、16 和 25。
所述一种基于超材料介质基板的矩形微带天线，构成超材料单元阵列的类蝶形材料单元包括介质板（14）及印刷在介质板（14）上的类蝶形贴片（15）；类蝶形贴片（15）由类蝶形两翼的贴片(11、11’)、中间的镂空菱形贴片（12）和两翼贴片(11、11’)中间的两个镂空梯形贴片（13、13’）构成；类蝶形两翼的贴片(11、11’)沿中间的菱形贴片（12）对称设置，并朝外侧开口（16、16’）; 镂空菱形贴片（12）各边长长度相等;两翼贴片(11、11’)中间的两个镂空梯形贴片（13、13’）沿中间的菱形贴片（12）对称设置，向内侧开口（17、17’），开口方向与两翼贴片的开口方向相反，开口尺寸相同。
所述一种基于超材料介质基板的矩形微带天线，将类蝶形超材料结构放置在普通矩形微带贴片天线的介质板中间来间接改变介质基片的介电常数等基本参数，通过不断增加类蝶形超材料单元的个数，可以从仿真数据清楚的观察到微带天线性能的不断改善。
本发明具有尺寸小，结构简单，易加工，高增益，低损耗等优点。
附图说明
图1基于超材料介质基板的矩形微带天线结构示意图
图2类蝶形超材料结构示意图
图3加载1个超材料的微带贴片天线
图4加载3个超材料的微带贴片天线
图5加载9个超材料的微带贴片天线
图6加载16个超材料的微带贴片天线
图7加载25个超材料的微带贴片天线
图8天线的回拨损耗对比图
图9天线的方向图对比图
图10天线的辐射效率对比图
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行具体实施方式的说明。
如图1所示，本发明一种基于超材料介质基板的矩形微带天线包括顶层介质板（1）、底层介质板（2）、矩形贴片（3）和类蝶形超材料单元阵列（4）。
如图3-图7所示，所述一种基于超材料介质基板的矩形微带天线，在普通矩形微带天线介质基片的正下方增加一层与原有介质基片一模一样的介质基片，并将超材料单元阵列放置于微带贴片天线正下方的两层介质基片中间，超材料单元阵列个数可以为 1、3、9、16 和 25。
如图2所示，所述一种基于超材料介质基板的矩形微带天线，构成超材料单元阵列的类蝶形材料单元包括介质板（14）及印刷在介质板（14）上的类蝶形贴片（15）；类蝶形贴片（15）由类蝶形两翼的贴片(11、11’)、中间的镂空菱形贴片（12）和两翼贴片(11、11’)中间的两个镂空梯形贴片（13、13’）构成；类蝶形两翼的贴片(11、11’)沿中间的菱形贴片（12）对称设置，并朝外侧开口（16、16’）; 镂空菱形贴片（12）各边长长度相等;两翼贴片(11、11’)中间的两个镂空梯形贴片（13、13’）沿中间的菱形贴片（12）对称设置，向内侧开口（17、17’），开口方向与两翼贴片的开口方向相反，开口尺寸相同。
所述一种基于超材料介质基板的矩形微带天线，将类蝶形超材料结构放置在普通矩形微带贴片天线的介质板中间来间接改变介质基片的介电常数等基本参数，通过不断增加类蝶形超材料单元的个数，可以从仿真数据清楚的观察到微带天线性能的不断改善。
所述一种基于超材料介质基板的矩形微带天线，其特征在于：该天线的辐射部分的尺寸为 23.7×18.4mm 2 ，介质基片的尺寸为 40×40×0.787mm 3，超材料单元尺寸为 5×5mm 2 。
通过仿真软件对天线进行多次的调节实验，图8 给出了一种基于超材料介质基板的矩形微带天线加载不同类蝶形左手材料单元的回拨损耗图，由图可知，在未添加左手材料单元时，天线的工作带宽是5.31GHz-5.39GHz，谐振点为 5.35GHz，在该谐振点处的 S11为-14.8dB，但当加入1 个类蝶形左手材料单元时，天线的工作频段为 5.075GHz-5.24GHz，谐振点为5.15GHz，在该谐振点处的 S11 为-19dB，由此可见，左手材料单元的加入使得该天线的工作频段和谐振点均往低频方向移动，且工作带宽相较于前面的天线有所展宽，在实现天线小型化的同时，也使天线实现了较为良好的阻抗匹配。比较在微带贴片天线下方加载 1 个或者 3 个超材料单元时，天线的性能几乎一致，工作频段均为5.08GHz-5.24GHz，谐振点为 5.15GHz，在该谐振点处的 S11 也几乎都为-22.5dB，较上述天线结构使得该天线实现了更加良好的阻抗匹配，当贴片天线下方的类蝶形左手材料单元个数增加到 16 个时，该天线的工作频段扩展为 4.91GHz-5.06GHz，谐振点为 5GHz，在该谐振点处的 S11 为-24dB，相较于添加 9 个类蝶形左手材料单元时，该天线的工作频段和谐振点进一步的往低频移动，谐振点也跟随工作频段进一步的下移，同时天线也进一步的实现了更加良好的阻抗匹配，当类蝶形左手材料单元个数增加到 25 个时，由图可以看出，该天线的工作频段为 4.96HGz-5.13GHz，谐振点为5.05GHz，在该谐振点处的 S11 值为-27dB，相比于加载 16 个左手材料单元的情况，带宽有所收缩，但仍持续性的实现了更加良好的阻抗匹配。通过对比可知，贴片天线下方的左手材料单元的增加会对天线的性能实现持续性的提升趋势，但当左手材料单元到一定数量的时候，不在对工作带宽和谐振点起到调节作用，但是仍在实现良好的阻抗匹配方面发挥了作用。
加载不同类蝶形左手材料单元个数的天线的方向图对比图如图 9所示，由图中我们可以看出，加载不同个数材料单元的微带天线的方向图几乎重叠，说明左手材料的加载对天线的方向图并没有影响。这是由于左手材料仅加载在天线下方对天线起支撑作用的介质基板中，左手材料的加入是为了间接调节介质基板的介电常数和磁导率，并未对天线的能量辐射起作用。
天线的辐射效率作为衡量天线的重要参数之一，我们将不同类蝶形左手材料单元个数的天线的辐射效率展现如图 10所示。图中我们可以清晰的看出，未加载类蝶形左手材料单元的贴片天线的效率整体上低于加载了类蝶形左手材料单元的贴片天线，当类蝶形左手单元的数量加载到 16 个以上时，在天线工作频段内的较高频段，辐射效率呈现较明显的下降的趋势，但辐射效率仍较高，在 95%以上。
Claims (4)
1.一种基于超材料介质基板的矩形微带天线，其特征在于：包括顶层介质板（1）、底层介质板（2）、矩形贴片（3）和类蝶形超材料单元阵列（4）。
2.根据权利要求1所述一种基于超材料介质基板的矩形微带天线，其特征在于：在普通矩形微带天线介质基片的正下方增加一层与原有介质基片一模一样的介质基片，并将超材料单元阵列放置于微带贴片天线正下方的两层介质基片中间，超材料单元阵列个数可以为1、3、9、16 和 25。
3.根据权利要求1所述一种基于超材料介质基板的矩形微带天线，其特征在于：构成超材料单元阵列的类蝶形材料单元包括介质板（14）及印刷在介质板（14）上的类蝶形贴片（15）；类蝶形贴片（15）由类蝶形两翼的贴片(11、11’)、中间的镂空菱形贴片（12）和两翼贴片(11、11’)中间的两个镂空梯形贴片（13、13’）构成；类蝶形两翼的贴片(11、11’)沿中间的菱形贴片（12）对称设置，并朝外侧开口（16、16’）; 镂空菱形贴片（12）各边长长度相等;两翼贴片(11、11’)中间的两个镂空梯形贴片（13、13’）沿中间的菱形贴片（12）对称设置，向内侧开口（17、17’），开口方向与两翼贴片的开口方向相反，开口尺寸相同。
4. 根据权利要求1所述一种基于超材料介质基板的矩形微带天线，其特征在于：该天线的辐射部分的尺寸为 23.7×18.4mm 2 ，介质基片的尺寸为 40×40×0.787mm 3，超材料单元尺寸为 5×5mm 2 。
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|---|---|---|---|
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| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20190405 |