CN112038763B - 基于双六边形环结构的高增益高方向性超材料微带天线 - Google Patents

基于双六边形环结构的高增益高方向性超材料微带天线 Download PDF

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Abstract

本发明涉及通信天线技术领域，一种基于双六边形环结构的高增益高方向性超材料微带天线，将两个大小相同、水平排列连接在一起的正六边形金属铜环作为超材料单元，若干个处于同一水平面上的横向连接纵向不连接的超材料单元构成超表面谐振器，超表面谐振器粘接在上覆层介质基板上作为超材料上覆层，将超材料上覆层加载于同轴馈电的微带天线上，构成高增益高方向性超材料微带天线，同轴馈电的微带天线包括微带贴片、同轴馈电探针、天线基板、金属接地板，微带贴片处于天线基板中部，微带贴片（3）上设置有同轴馈电探针。由于法布里‑珀罗谐振腔效应，超材料相对较高的反射特性有助于增强天线的增益。

Description

基于双六边形环结构的高增益高方向性超材料微带天线
技术领域
本发明涉及通信天线技术领域，具体的指一种基于双六边形环结构的高增益高方向性超材料微带天线的设计。
背景技术
微带天线由于具有剖面低、体积小、成本低、易于集成等优点，己经成为微波、雷达和通信应用等现代无线传输系统中的主要选择。但常规微带天线因为增益低、方向差、带宽窄等缺点的影响，限制了它们的广泛使用。因此提高天线的增益和带宽成为了研究的热点，微带天线的研究也在不断地创新和发展，目前已经提出了几种技术来提高增益、改善天线性能。
超材料是一种具有周期性结构的亚波长人工复合材料，因其具有常规材料所没有的电磁特性，如：逆开普勒效应、完美透镜效应等，已成为近年来电磁学及相关交叉学科的研究热点。通过引入超材料来提高天线的增益和带宽是一个非常简单和有效的办法。例如零折射率材料(ZIMs)被设计用来提高微带天线的方向性。如：Liu Yahong等人提出了一种基于网格结构的零折射率材料，设计了两种基于ZIMs的上覆层微带天线，其中窄带天线的平均增益提高了4.23dB，E面和H面的半功率波数宽度(HPBW)分别减少了42°和15°；宽带天线的平均增益提高了4.37dB，E面和H面的HPBW分别减少了49°和22°(Liu Y, Guo X, Gu S,et al., Zero Index Metamaterial for Designing High-Gain Patch Antenna[J].International Journal of Antennas and Propagation, 2013, 1098-1101.)；天线阵列也是实现高增益的一种有效方法，但馈电网络通常难以设计且天线尺寸相对较大。如：Yeliang等人成功研制了两种大型平板天线阵，所设计的接收和发射面板阵列在每个频段的增益和效率分别为34.1dBi，48.2%和33.5dBi，36.3%(Ye S, Liang X, Wang W, et al.,High-Gain Planar Antenna Arrays for Mobile Satellite Communications[J]. IEEEAntennas & Propagation Magazine, 2012, 54(6), 256-268.)；单负超材料(SNMs)也被用来提高天线性能，例如：Gao Xiangjun等人在传统的微带贴片天线周围插入不同尺寸的双层对称单环谐振器对(D-SSRRP)，天线增益至少增加了2.2dB，HPBW降低了约20°(Gao X,Cai T, Zhu L, et al., Enhancement of gain and directivity for microstripantenna using negative permeability metamaterial[J]. Aeu-internationalJournal of Electronics and Communications, 2016, 70(7), 880-885.)。虽然已经提出了一些技术来提高微带天线增益，改善方向性，但仍然存在带宽窄、反馈网络复杂、天线尺寸较大、结构复杂等问题。
发明内容
本发明目的在于克服现有微带天线的增益低、方向性差、带宽窄等缺点，而提出一种基于双六边形环结构的高增益高方向性超材料微带天线，通过引入超表面上覆层来提高天线的性能。
本发明所采用的技术方案是：一种基于双六边形环结构的高增益高方向性超材料微带天线，将两个大小相同、水平排列连接在一起的正六边形金属铜环作为超材料单元，若干个处于同一水平面上的横向连接纵向不连接的超材料单元构成超表面谐振器，超表面谐振器（1）粘接在上覆层介质基板（2）上作为超材料上覆层，将超材料上覆层加载于同轴馈电的微带天线上（现有技术的同轴馈电的微带天线上），构成高增益高方向性超材料微带天线，同轴馈电的微带天线包括微带贴片（3）、同轴馈电探针（4）、天线基板（5）、金属接地板（6），微带贴片（3）处于天线基板（5）中部，微带贴片（3）上设置有同轴馈电探针（4）。由于法布里-珀罗谐振腔效应，超材料相对较高的反射特性有助于增强天线的增益。
所述超表面谐振器（1）为24个超材料单元按照4列6行的方式布置，每行的4个超材料单元中，相邻超材料单元之间彼此连接在一起，纵向排列的两超材料单元结构之间有缝隙。
上覆层介质基板（2）的材料为介电常数为4.4的环氧玻璃布层压板FR-4。其它可用于GHz波段的介质均可作为备选介质层。
所述天线基板（5）材料为介电常数为2.65的聚四氟乙烯F4B。其它可用于GHz波段的介质均可作为备选介质层。
同轴馈电探针（4）的特性阻抗为50欧姆，位于天线正中心向微带贴片（3）的长度方向偏移，偏移距离为2.68mm。
所述的上覆层介质基板（2）和天线基板（5）中间隔有空气层，间隔距离为15mm。
所述的超表面谐振器、上覆层介质基板、微带贴片、金属接地板和天线基板的中心轴重合。
正六边形金属铜环厚度为0.017mm。
本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明通过在传统微带天线上方添加超表面上覆层，实现了对增益的提高和方向性的改善，并且大大简化了超材料单元的复杂结构，具有制备简单等优点。本发明的-10dB带宽为9.41-10.23GHz，相对带宽为8.6%。本发明结构合理，有效解决了传统微带天线带宽较窄、增益低、方向性差等技术问题，适用于无线通信。
附图说明
图 1为本发明的结构示意图；
图 2为本发明的超材料单元结构示意图；
图 3为本发明与传统微带天线的反射系数对比示意图；
图 4本发明与传统微带天线的3D辐射增益方向图对比示意图；
图 5本发明与传统微带天线的 E面辐射方向图的对比示意图；
图 6本发明与传统微带天线的 H面辐射方向图的对比示意图；
其中： 1、超表面谐振器；2、上覆层介质基板；3、微带贴片；4、同轴馈电探针；5、天线基板；6、金属接地板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细描述。
本发明提出一种基于双六边形环结构的高增益高方向性超材料微带天线，其具体结构为：从上到下依序排列为超表面谐振器1、上覆层介质基板2、微带贴片3、同轴馈电探针4、天线基板5和金属接地板6，微带贴片3和金属接地板6分别贴装于天线基板5的上下表面，微带贴片3上设有同轴馈电探针4。
超表面谐振器1由24个超材料单元构成，24个超材料单元按照4×6的方式排列。横向排列的两超材料单元之间无缝隙，纵向排列的两超材料单元之间有缝隙。超材料单元是由两个相同大小且水平排列的六边形金属环组成，左边六边形环的左侧和右边六边形环的右侧及两环中间均由矩形金属片连接，且对称分布在单元结构的方形表面。
图1中，天线基板5的下表面设置有金属接地板6，上表面中部设置有微带贴片3，微带贴片3上设置有同轴馈电探针4，同时天线基板5上方放置上覆层介质基板2和超表面谐振器1，中间间隔距离为15mm。
天线基板5为70*70*1mm的聚四氟乙烯板(F4B)板，微带贴片3为铜覆层的金属辐射贴片，微带贴片3的长宽分别为8.6mm和13.2mm。同轴馈电探针4位于天线中心向微带贴片3长度方向偏移，其偏移距离为2.68mm。金属接地板6为铜覆层。
图2中，超材料单元由两个水平排列的正六边形金属环组合而成，其中每个六边形环外接圆半径为3.7mm，六边形边宽度为2.2mm，连接两个正六边形金属环的金属片长为1mm，宽为1mm，两六边形环中间相连接的方形金属片长为2mm，宽为1mm。上覆层介质基板2选择厚度为1.6mm的环氧玻璃布层压板(FR-4)。
本发明利用了光学中的法布里-珀罗(F-P)谐振腔的原理，将超表面上覆层和传统微带天线及中间的空气层共同模拟为法布里-珀罗(F-P)谐振腔，当腔长满足一定条件时，电磁波经过F-P谐振腔多次反射后，向空间辐射出高方向性的波束。同时该发明在原谐振的临近处产生了新的谐振，从而形成一个较宽的阻抗带宽。
如图3所示，曲线a表示没有引入超表面上覆层时天线的反射系数，曲线b表示引入了超表面上覆层时天线的反射系数。通过图3可以看出，没有引入超表面上覆层时天线的-10dB阻抗带宽相对较窄，为9.73-10.3GHz，引入超表面上覆层后，10.01GHz处的谐振减小到9.6GHz处，在9.6GHz附近又产生了一个新的谐振，从而使-10dB阻抗带宽被展宽，为9.41-10.23GHz，-10dB阻抗带宽增加了250MHz。
如图4所示，图4中的(a)表示没有引入超表面上覆层时天线的3D辐射增益方向图，图4中的(b)表示引入了超表面上覆层时天线的3D辐射增益方向图，可以明显看出，在引入超表面上覆层后，最大增益达15.298dB，明显高于传统微带天线的最大增益6.5486dB，通过引入超表面上覆层使增益提高了8.7494dB。
如图5所示，曲线a表示没有引入超表面上覆层时天线的 E面辐射方向图，曲线b表示引入超表面上覆层时天线的 E面辐射方向图，从图中可以看出，旁瓣和后瓣有所增加，同时天线的方向性的到了改善，天线的半功率波束宽度(HPBW)由114°减小至24°，减小了90°。
如图6所示，曲线a表示没有引入超表面上覆层时天线的 H面辐射方向图，曲线b表示引入了超表面上覆层后天线的 H面辐射方向图，可以看出虽然新增了旁瓣和后瓣辐射，但天线的方向性有明显提高，天线的HPBW由60°减小至24°，减小了36°。
本发明并不局限于上述的具体实施方式，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，可以对本专利的技术方案进行修改或者同等替换，其均属本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于双六边形环结构的高增益高方向性超材料微带天线，其特征在于：将两个大小相同、水平排列连接在一起的正六边形金属铜环作为超材料单元，左边六边形环的左侧和右边六边形环的右侧及两环中间均由矩形金属片连接，且对称分布在单元结构的方形表面，若干个处于同一水平面上的横向连接纵向不连接的超材料单元构成超表面谐振器，超表面谐振器（1）粘接在上覆层介质基板（2）上作为超材料上覆层，将超材料上覆层加载于同轴馈电的微带天线上，构成高增益高方向性超材料微带天线，同轴馈电的微带天线包括微带贴片（3）、同轴馈电探针（4）、天线基板（5）、金属接地板（6），所述超表面谐振器（1）为24个超材料单元按照4列6行的方式布置，每行的4个超材料单元中，相邻超材料单元之间彼此连接在一起，纵向排列的两超材料单元结构之间有缝隙。
2.根据权利要求1所述的一种基于双六边形环结构的高增益高方向性超材料微带天线的特征在于：上覆层介质基板（2）的材料为介电常数为4.4的环氧玻璃布层压板FR-4。
3.根据权利要求1所述的一种基于双六边形环结构的高增益高方向性超材料微带天线的特征在于：所述天线基板（5）材料为介电常数为2.65的聚四氟乙烯F4B。
4.根据权利要求1所述的一种基于双六边形环结构的高增益高方向性超材料微带天线的特征在于：同轴馈电探针（4）的特性阻抗为50欧姆，位于天线正中心向微带贴片（3）的长度方向偏移，偏移距离为2.68mm。
5.根据权利要求1所述的一种基于双六边形环结构的高增益高方向性超材料微带天线的特征在于：所述的上覆层介质基板（2）和天线基板（5）中间隔有空气层，间隔距离为15mm。
6.根据权利要求1所述的一种基于双六边形环结构的高增益高方向性超材料微带天线的特征在于：所述的超表面谐振器（1）、上覆层介质基板（2）、微带贴片（3）、金属接地板（6）和天线基板（5）的中心轴重合。
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