CN110233353B - 一种超材料单元及基于超材料的双层辐射天线装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超材料单元A，包括基板A，以及采用金属附着于基板A上的微结构A，所述微结构A包括两个顶角开口的三角形，以及连接两个等腰三角形底边中点的线段。本发明还公开了一种基于超材料的双层辐射天线装置。本发明的有益效果为：本发明设计两种超材料单元结构，这两种超材料单元结构在13GHz到17GHz具有近零折射率特性，用于辐射天线装置后，提高了天线的方向性和增益，半功率波束收缩为原来的一半，大大提高了天线装置的性能。
Description
技术领域
本发明涉及射频微波技术领域，具体涉及一种超材料单元及基于超材料的双层辐射天线装置。
背景技术
天线是无线通信的进出口，影响着无线通信系统的性能。现有技术中天线的种类越来越多，微带天线作为微波频段天线的典型代表，凭借其体积小、易集成等优点在各个领域得到了广泛应用。然而，微带天线的带宽窄，低方向性、高损耗的缺点也制约了它的使用。随着各类器件对天线性能要求的不断提高，设计高增益高方向性微带天线成为了研究的重点。
传统的优化方法无法突破物理尺寸、带宽、增益等方面相互制约的瓶颈，因此，自2001年制作出超材料后，采用超材料对天线进行性能改进被广泛关注并得到了深入的研究。然而，使用超材料提高天线性能的方法有限，且如何利用同一单元结构采取不同方法联合作用，共同实现天线性能大幅度提高仍然是待探索和解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术的不同，提供一种可提高天线增益及方向性的超材料单元及基于超材料的双层辐射天线装置。
本发明采用的技术方案为：一种超材料单元A，包括基板A，以及采用金属附着于基板A上的微结构A，所述微结构A包括两个顶角开口的三角形，以及连接两个三角形底边中点的线段。
按上述方案，所述三角形为等腰三角形。
按上述方案，等腰三角形的底角为30°～50°。
按上述方案，包括基板B，以及采用金属附着制于基板B上的微结构B，所述微结构B包括两个小端开口的心形，以及连接两个心形大端中点的线段。
本发明还提出了一种基于超材料的双层辐射天线装置，包括基础天线结构和覆板结构，基础天线结构包括第一介质基板层、第二介质基板层、馈电层和金属探针，所述第一介质基板层、第二介质基板层和馈电层依次自上而下布置，第一介质基板层上印制有上辐射贴片，第二介质基板层上印制有下辐射贴片，上辐射贴片位于下辐射贴片的上方，且两辐射贴片的中心上下正对；第二介质基板层与馈电层之间设金属接地板；馈电层的底部设馈电线；所述上辐射贴片、下辐射贴片及馈电线均与金属探针相连；所述金属探针竖直布置且其上端面与第一介质基板层的上表面平齐，金属探针的下端面与馈电层的下表面平齐；所述覆板结构设于第一介质基板层的正上方，且与第一介质基板层平行。
按上述方案，所述覆板结构的两相对的上下表面阵列若干微结构A/微结构B，覆板结构上的微结构A/微结构B正对第一介质基板层。
按上述方案，在第一介质基板层的表面附着若干微结构A/微结构B，微结构A/微结构B均布于第一介质基板层上。
按上述方案，在上辐射贴片上刻蚀若干微结构A/微结构B，上辐射贴片上的微结构A/微结构B其尺寸为第一介质基板层上微结构A/微结构B尺寸的0.5倍。
按上述方案，在下辐射贴片的中心刻蚀有微结构A/微结构B，下辐射贴片上的微结构A/微结构B其尺寸为第一介质基板层上微结构A/微结构B尺寸的0.5倍。
本发明的有益效果为：本发明中采用双三角双桃心的开口双谐振环的变形结构，加上连接两个变形环结构的中间短金属导线一起作为微结构，将此微结构周期阵列组合即遵循了左手材料(介电常数和磁导率均小于零)的设计方法，由于实现负介电常数和实现负磁导率的结构均为谐振结构，只能在谐振点附近一定频段内实现负值，因此在负值与正值之间必定存在一个频率区域，使得电磁本构参数趋近于零，从而实现折射率为零或是趋近于零的介质。这两种微结构用于辐射天线装置后，提高了天线的方向性和增益，半功率宽度收缩约50％，大大提高了天线装置的性能；本发明采用覆板结构，辐射贴片刻蚀图案，均可以汇聚电磁波束，使其沿交界面的法线方向射出，基板面增加结构可以抑制表面波，从而可以实现高指向天线；本发明采用背馈式长探针馈电，金属探针从微带馈线一直连通到最上层辐射贴片，可有效地减小寄生辐射；本发明设计合理，可行性好，稳定性高。
附图说明
图1为本发明中超材料单元A的结构示意图。
图2为本发明中超材料单元B的结构示意图。
图3为本发明中双层辐射天线装置的结构示意图。
图4为本发明中基础天线结构的俯示图。
图5为本发明中基础天线结构的侧视图。
图6为本发明中贴片刻蚀结构的示意图。
图7为本发明中基板加载结构的示意图。
图8为本发明中覆板结构的示意图。
图9为超材料单元A的S传输曲线图。
图10为超材料单元A的等效介电常数。
图11为超材料单元A的等效介电常数。
图12为现有天线的辐射方向示意图。
图13为本发明所述辐射天线装置的辐射方向示意图。
图14为现有天线及本发明所述辐射天线装置的S曲线图。
图15为现有天线及本发明所述辐射天线装置的增益曲线图。
其中：1、基板A；2、微结构A；3、基板B；4、微结构B；5、第一介质基板层；6、第二介质基板层；7、馈电层；8、金属探针；9、上辐射贴片；10、下辐射贴片；11、馈电线；12、金属接地板；13、覆板结构；
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地描述。
如图1所示的一种超材料单元A，包括基板A1，以及采用金属附着于基板A1上的微结构A2，所述微结构A2包括两个顶角开口的三角形，以及连接两个三角形底边中点的线段；所述三角形为等腰三角形。本实施例中，所述微结构A2的等腰三角形两个底角为30°～50°，优选为40°～45°(更容易实现近零折射率特性)，如图1所示。
如图2所示的一种超材料单元B，包括基板B3，以及采用金属附着于基板B3上的微结构B4，所述微结构B4采用金属印制而成，其包括两个小端开口的心形，以及连接两个心形大端中点的线段，心形单侧弧长5mm左右，微调弧度可以对谐振点进行微移。
如图3～5所示的一种基于超材料的双层辐射天线装置,包括超材料功能结构和基础天线结构。其中，超材料功能结构包括覆层结构，刻蚀结构和基板加载结构；基础天线结构，包括第一介质基板层5、第二介质基板层6、馈电层7和金属探针8，所述第一介质基板层5、第二介质基板层6和馈电层7依次自上而下布置，第一介质基板层5上印制有上辐射贴片9，第二介质基板层6上印制有下辐射贴片10，上辐射贴片9位于下辐射贴片10的上方，且两辐射贴片的中心上下正对；第二介质基板层6与馈电层7之间设金属接地板12；馈电层7的底部设馈电线11；所述上辐射贴片9、下辐射贴片10及馈电线11均与金属探针8相连；所述金属探针8竖直布置且其上端面与第一介质基板层5的上表面平齐，金属探针8的下端面与馈电层7的下表面平齐；所述覆板结构13设于第一介质基板层5的正上方,且与第一介质基板层5平行。本实施例中，覆板13厚度为0.787mm,采用"Rogers RT/duroid 5880(tm)"。第一介质基板层5、第二介质基板层6及馈电层7均采用"Rogers RT/duroid 5880(tm)"，三者从上到下厚度依次为0.787mm，0.787mm，0.381mm，大体遵循2:2:1，对于基础天线结构：Ll＝6.1mm，Wl＝3.7mm，L2＝5.5mm，w2＝7mm，wf＝1mm，lf＝7mm，如图4图5所示。
优选地，如图6所示，所述覆板结构13的上下表面阵列若干微结构A2/微结构B4，覆板结构13上的微结构A2/微结构B4正对第一介质基板层5。
优选地，如图4所示，在第一介质基板层5的表面附着若干微结构A2/微结构B4，微结构A2/微结构B4均布于第一介质基板层5上。
优选地，在上辐射贴片9上刻蚀若干微结构A2/微结构B4，在下辐射贴片10的中心刻蚀有微结构A2/微结构B4。具体地，所述上辐射贴片9为矩形结构，其可均分为上下左右四个分区，每个分区的中心刻蚀一个微结构A2/微结构B4。本实施例中，上下辐射贴片10上的微结构A2/微结构B4其尺寸为第一介质基板层5上微结构A2/微结构B4尺寸的0.5倍。
实施例
各具体结构及相关尺寸如下：
1、超材料微结构A2：超材料微结构A2采用铜结构，基板采用"Rogers RT/duroid5880(tm)"，厚度为0.787mm，其上的超材料微结构单元A2采用纯铜附着印制，铜结构的导电率58.0MS/m，厚度为0.035mm,微结构的其他尺寸为c＝0.2mm,g＝0.3mm,h＝0.5mm,m＝1.3,k＝0.4mm,l＝3.7mm,a＝b＝5mm；入射波沿X轴方向入射到材料表面，电场极化方向在Y轴，磁场方向在Z轴，如图1。超材料单元A的特性仿真结果如图9～11所示，超材料单元A的等效磁导率在13GHz到17GHz的频带内接近零，等效介电常数实部也在10以内，故微结构A具有近零折射率性质(折射率等于等效介电常数和等效磁导率的乘积的开方)。
2、超材料微结构B4：超材料微结构B4如图2所示，以谐振环变形结构采用铜附着于介质板上，其具体尺寸为：心形单侧弧长5mm左右，弧度可以微调，来平移谐振点。
双层辐射天线装置其组件采用超材料微结构A2：
1、介质基板层(包括第一介质基板层5、第二介质基板层6及馈电层7)：介质基板层均为矩形结构，厚度为1.957mm(0.787mm+0.787mm+0.383mm)，基板上设计的微结构A2尺寸为调整为：l＝4.1mm，其他参量不变；介质基板层5的表面设两行两列四个超材料微结构。
2、上下辐射贴片10：将四个微结构A2/微结构B4整体缩小0.5倍后设于上辐射贴片9的上下左右四个分区中心，将一个超材料微结构整体缩小0.5倍后设于下辐射贴片10的中心，此时下辐射贴片10上的超材料微结构位于上辐射贴片9四个超材料微结构的中心。适当优化两个贴片的大小尺寸，进而产生两个不同谐振点且两个谐振点频率相差不大，这可以有效地增大单元天线的阻抗带宽。
3、金属探针8：采用背馈式长探针馈电，金属探针8从微带馈线一直连通到最上层辐射贴片，这样可有效地减小寄生辐射；两层不同的金属贴片可产生不同的谐振频率。
4、覆板结构13：经过优化调整，当覆层距离天线20mm时，增益最大为9.12dB,与不采用本申请中的超材料微结构及覆板结构13相比，增加了34.1％。
本发明的原理为：
金属圆环在与其垂直的变化磁场中，会产生感应电磁场，但却并非谐振的系统。为了产生谐振加强磁响应，需要引入电容。因为电感和电容一起才能形成谐振电路(金属圆环可视为电感)。为此在每个金属环上加入一个缺口，就形成了电容，电荷会在两端积聚。这样一个开口谐振环就类比于一个带有两个电容的谐振电路。之所以使用两个开口谐振环是因为单个开口谐振环积聚的电荷会产生电偶极矩消弱我们所想要的电磁极矩，两个开口反向放置的开口谐振环所产生的电偶极矩会互相抵消。超材料的特殊性质取决于它们新颖的设计结构，并非其依托的基板材料。精密的几何形状，尺寸，方向和排布方式使它们具有能够控制特定频率电磁波的奇异特性，如：反射波，吸波，汇聚波或改变波的传播方向，从而实现超越传统材料的优势。折射率等于零或者接近零的超材料可以进行辐射场整形，理论上，电磁波在零折射率超材料(ZIM)中传播的相位变化为零，出射波的波前将平行于界面,因此，通过改变ZIM的界面，就可以改变电磁波的波阵面，如汇聚波，抑制表面波或反射波的特性，最终实现天线高增益定向辐射。
本实施例中，超材料单元A/超材料单元B在13GHz到17GHz具有近零折射率特性(调整两种微结构的大小尺寸和角度弧度等，使者两种微结构在不同频率范围内具有近零折射率特性)，将其联合运用至宽带双层微带天线装置上之后，经仿真分析计算：由图12～15可以看出，天线的性能得到了明显改善：E和H面的半功率宽度分别从76°到30°、从82°到38°，均收缩约50％，天线的辐射方向性得到极大的提升；在13GHz到17GHz频段内，天线的增益有不同程度的提高，14GHZ到16GHZ更为显著，其中15GHZ处的增益提高了67.64％。天线带宽(S11<-10dB)相比加载之前稍变窄了一点,但相对带宽仍然接近20％，属于带宽天线。
最后应说明的是，以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但是凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种基于超材料的双层辐射天线装置，其特征在于，包括基础天线结构和覆板结构，基础天线结构包括第一介质基板层、第二介质基板层、馈电层和金属探针，所述第一介质基板层、第二介质基板层和馈电层依次自上而下布置，第一介质基板层上印制有上辐射贴片，第二介质基板层上印制有下辐射贴片，上辐射贴片位于下辐射贴片的上方，且两辐射贴片的中心上下正对；第二介质基板层与馈电层之间设金属接地板；馈电层的底部设馈电线；所述上辐射贴片、下辐射贴片及馈电线均与金属探针相连；所述金属探针竖直布置且其上端面与第一介质基板层的上表面平齐，金属探针的下端面与馈电层的下表面平齐；所述覆板结构设于第一介质基板层的正上方，且与第一介质基板层平行；所述覆板结构的两相对的上下表面阵列若干微结构A或微结构B，覆板结构上的微结构A或微结构B正对第一介质基板层；所述微结构A包括两个顶角开口的三角形，以及连接两个三角形底边中点的线段；所述三角形为等腰三角形；等腰三角形的底角为30°～50°；所述微结构B包括两个小端开口的心形，以及连接两个心形大端中点的线段。
2.如权利要求1所述的基于超材料的双层辐射天线装置，其特征在于，在第一介质基板层的表面附着若干微结构A或微结构B，微结构A或微结构B均布于第一介质基板层上。
3.如权利要求1所述的基于超材料的双层辐射天线装置，其特征在于，在上辐射贴片刻蚀若干微结构A或微结构B，上辐射贴片上的微结构A或微结构B其尺寸为第一介质基板层上微结构A或微结构B尺寸的0.5倍。
4.如权利要求1所述的基于超材料的双层辐射天线装置，其特征在于，在下辐射贴片的中心刻蚀有微结构A或微结构B，下辐射贴片上的微结构A或微结构B其尺寸为第一介质基板层上微结构A或微结构B尺寸的0.5倍。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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