CN1874067B

CN1874067B - X波段左手材料微带天线

Info

Publication number: CN1874067B
Application number: CN200510042744A
Authority: CN
Inventors: 赵晓鹏; 张富利; 周欣
Original assignee: Northwestern Polytechnical University
Current assignee: Northwestern Polytechnical University
Priority date: 2005-05-31
Filing date: 2005-05-31
Publication date: 2010-05-26
Anticipated expiration: 2025-05-31
Also published as: CN1874067A

Abstract

本发明涉及一种X波段左手材料微带天线。本发明中的微带天线结构包括一个介质基板；一个辐射金属片和一个金属地板，分别印制在介质基板的两侧；一个SMA接头，连接辐射金属片和金属接地板，并作为天线电波信号的馈入接口；一组左手材料单元，由周期性排布的开口谐振环和金属丝组成，刻蚀于辐射金属片和金属地板周围的介质基板上。利用左手材料对电磁波中的倏逝波有效放大，改善微带天线信号的接收和发射能力，提高微带天线的增益。

Description

X波段左手材料微带天线

技术领域本发明涉及一种微带天线，具体来说，涉及一种利用左手材料对倏逝波成分有效放大，提高天线的辐射效率，改善天线增益的新型微带天线结构。

背景技术普通的微带天线(Patch antenna)是由一块厚度远小于波长的介质基板和刻蚀在其两侧的金属贴片组成，利用同轴线或微带线馈电，并通过贴片四周与接地板间的缝隙向外辐射。与其它天线相比，微带天线具有抛面薄、体积小、重量轻，平面结构并易与制成导弹、卫星等载体表面相共形的结构等优点，在卫星通信、雷达、遥感等方面得到了广泛应用。但是微带天线自身的结构特点，致使了其天线单元增益低，方向性差，有导体和介质损耗，辐射效率低等缺点。现有的一些提高微带天线性能的技术，例如增加基板厚度或多个贴片组阵，提高增益的同时大幅增加了天线的体积，牺牲了微带天线体积小的优势，在许多移动通信或是共形集成等对天线体积要求苛刻的场合下无法采用，并导致天线的加工过程更为复杂，成本提高。

左手材料(LHMs，Left-handed Metamaterials)是一种在某一电磁波响应频段内介电常数与磁导率同时为负值的奇特材料，因在其中传播的电磁波电场矢量、磁场矢量以及波传播方向满足左手定则而得名。在左手材料中，可观察到诸如负折射、反常Doppler效应、反常Cerenkov辐射以及完美透镜等奇异性能，特别是左手材料中能流的方向和波矢方向恰好相反，以指数级数衰减的倏逝波进入左手材料中将变为指数增强场，因此，左手材料可实现对倏逝波的放大，在无线电通信、滤波器、微波元器件、超敏感传感器或探测系统等领域将有很好的应用前景。

发明内容本发明的目的在于针对普通微带天线辐射效率不高，增益低等缺点，提供一种左手材料微带天线。通过利用左手材料对电磁波中的倏逝波有效放大，使倏逝波参与天线对信号的辐射和接收工作，从而达到提高天线的辐射效率，改善天线增益的目的。本发明中的左手材料微带天下可工作于X波段。

本发明中的左手材料微带天线包括：一个介质基板；一个辐射金属片，在介质基板的一侧面上；一个金属地板，印制在介质基板的另一侧，尺寸较辐射金属片略大；一个SMA同轴接头，其金属探针与金属贴片相连，同轴底座内导体与金属探针相连，外导体金属接地板相连，并作为天线电波信号的馈入接口；一组左手材料单元，包括周期性排列的开口谐振环和金属丝，刻蚀于金属地板或辐射片的周围。通过改变谐振环的外形尺寸(内切圆直径，开口间隙，线宽等)，对左手材料的左手特性区域的波段进行调节，使其覆盖微带天线的工作频段。在天线辐射或接收的电磁波激励下，左手材料对电磁波中的倏逝波进行有效的放大，进而提高天线的对信号的发射和接受能力。同时，本发明中的左手材料微带天线，可通过电路板刻蚀技术实现，工艺简单易行，易于大规模工业化生产。

附图说明

图1本发明中在微带天线正面阳刻周期性排列的金属丝和开口谐振环结构示意图

图2本发明中在微带天线中采用的金属丝结构示意图

图3本发明中在微带天线中采用的开口谐振环结构示意图

图4本发明中在微带天线背面阳刻周期性排列的金属丝的结构示意图

图5本发明中在微带天线正面阳刻周期性排列的开口谐振环的结构示意图

图6本发明中在微带天线正面阳刻结构为开口单环的开口谐振环的结构示意图

图7本发明中在微带天线正面阳刻周期性排列的金属丝的结构示意图

图8本发明中在微带天线背面阴刻周期性排列的开口谐振环的结构示意图

具体实施方式

采用电路板刻蚀技术，如图1所示的微带天线结构中，金属接地板1和辐射金属片2分别蚀刻于介质基板3上。SMA同轴接头4连接金属接地板1和辐射金属片2，并作为天线的电波信号馈入源。在辐射金属片2周围的介质板上刻蚀出由金属丝5和开口谐振环6组成的左手材料单元，其中金属丝5和开口谐振环6呈周期性排列在介质基板3上。

本发明的微带天线结构中左手材料也可采用开口谐振环和金属丝异面分布的结构，如图4和图5所示，在金属接地板1(或辐射金属片2)周围的介质板上刻蚀出金属丝5，其中金属丝5呈周期性排列；在辐射金属片2(或金属接地板1)周围的介质板上刻蚀出开口谐振环6，开口谐振环6以相同的图案呈周期性排列分布；且开口谐振环5和金属丝6严格对正。

本发明的微带天线可工作于X波段(8.2GHz～12.4GHz)。金属丝和开口谐振环单元尺寸也相应地调整。如图2所示，本发明的微带天线结构中采用的金属丝单元5几何尺寸则由线宽和长度确定。长度L＝8.0mm～12.0mm，线宽为c₁＝0.4mm～0.6mm，厚度为0.02mm～0.04mm，x方向上，金属丝中心间距为a_x＝3.0mm～6.0mm，y方向上，金属丝中心间距为a_y＝8.1mm～12.3mm，轴向间隙开口g₁＝0.1mm～0.3mm。

如图3所示，本发明的微带天线结构中采用的开口谐振环6为六边形，结构有同心开口双环和开口单环两种，可通过阳刻、阴刻两种工艺实现。由同心开口双环组成的开口谐振环，其内环内切圆直径为d₁＝0.5mm～1.2mm，外环的内切圆直径为d₂＝1.8mm～3.0mm，开口间隙为g₂＝0.1mm～0.8mm，线宽c₂＝0.3mm～0.5mm，谐振环的厚度为0.02mm～0.04mm；由开口单环构成的开口谐振环，环内切圆直径d＝2.0mm～3.2mm，开口间隙为g₂＝0.1mm～0.5mm，线宽c₂＝0.3mm～0.4mm，谐振环的厚度为0.02mm～0.04mm。开口谐振环以三个开口谐振环为一组并以此为单位采用与金属丝相同的图案周期排列，组内开口谐振环中心间距b＝2.80mm～4mm；组间距：x方向上，b_x＝3.0mm～6.0mm，y方向上，b_y＝8.1mm～12.3mm。

通过调整开口谐振环的外形尺寸参数(内外环直径、线宽、开口等)实现对左手特性区域波段的调控。保证左手特性区域波段包覆天线的工作频段。通过左手材料对天线接收信号中的倏逝波成分的放大的作用，提高天线的增益，改善天线的方向性，进而提高天线对信号的接收和发射能力。

本发明的实现过程由实施例和附图说明：

实施例一：

如图1所示，采用电路板刻蚀技术制作天线，天线的中心频率在10.5GHz。在尺寸为65mm×65mm×1.5mm的聚四氟乙烯纤维基板3(介电常数ε＝2.65)两个侧面上，分别刻蚀出尺寸为65mm×65mm的金属接地板1和尺寸为7.8mm×7.8mm的辐射金属片2。在金属辐射片2周围的聚四氟乙烯纤维基板上，阳刻出周期排列的金属丝5和开口谐振环6。其中金属丝5线宽c₁＝0.50mm，长度L＝9.90mm。x方向上，金属丝单元中心间距a_x＝5.00mm，单元数量N_x＝12；y方向(金属丝轴向方向)上，金属丝单元中心间距a_y＝10.05mm，单元数量N_x＝6，金属丝间空隙g₁＝0.15mm，金属丝总数目为64。开口谐振环6采用同心开口双环结构。其中开口谐振环单元内环内切圆直径d₁＝1.0mm，外环内切圆直径d₂＝2.20mm，开口g₂＝0.25mm，线宽c₂＝0.40mm。如具体实施方式所述，开口谐振环6以每三个开口谐振环为一组对应于一条金属丝，且和金属丝5相同的图案等间距交错排布。组内开口谐振环中心间距b＝3.25mm；组间距：x方向上，开口谐振环中心间距b_x＝5.00mm，开口谐振环与相邻金属丝中心间距为2.5mm，单元数量N_x＝13；y方向上，开口谐振环中心间距b_y＝10.05mm，单元数量N_y＝18。开口谐振环总数目为204。这种由开口谐振环和金属丝阵列共面排布构成的左手材料，其左手性能区域中心为10.6GHz，带宽800MHz，完全可以覆盖微带天线的工作波段。在辐射金属贴片轴线上距对称中心1.6mm处选取直径为1.0mm的馈电点，通过SMA接头连接金属接地板1和辐射金属片2，完成天线的制作。

实施例二：

参照图4和图5，采用电路板刻蚀技术制作天线，天线的中心频率在10.5GHz。利在一块尺寸为65mm×65mm×1.5mm的聚四氟乙烯纤维基板3(介电常数ε＝2.65)两个侧面上，分别刻蚀出尺寸为19.95mm×19.95mm的金属接地板1和尺寸为7.8mm×7.8mm的辐射金属片2。在金属接地板1的周围的聚四氟乙烯纤维基板3上，阳刻出周期排布的金属丝5阵列。其中金属丝单元线宽c₁＝0.50mm，长度L＝9.80mm。x方向上，金属丝单元中心间距a_x＝5.00mm，单元数量N_x＝12，y方向(金属丝轴向方向)上，金属丝单元中心间距a_y＝10.05mm，单元数量N_y＝6，金属丝间的空隙g₁＝0.15mm。金属丝总数目为64。在金属辐射片2的周围的聚四氟乙烯纤维基板3上，阳刻出与金属丝阵列图案相同的开口谐振环6阵列，开口谐振环采用同心开口双环结构。其中开口谐振环单元内环内切圆直径d₁＝1.0mm，外环内切圆直径d₂＝2.20mm，开口g₂＝0.25mm，线宽c₂＝0.40mm。开口谐振环6以每三个开口谐振环为一组对应于一条金属丝，按照金属丝5相同的图案排布。组内开口谐振环中心间距b＝3.25mm；组间距：x方向上，谐振环中心间距b_x＝5.00mm，单元数量N_x＝12；y方向(金属丝轴向方向)上，谐振环中心间距b_y＝3.25mm，单元数量N_y＝18。开口谐振环总数目为192。这种由开口谐振环和金属丝阵列异面排布构成的左手材料，其左手性能区域中心为10.5GHz，带宽1000MHz，完全可以覆盖微带天线的工作波段。在辐射金属贴片2的轴线上，距对称中心1.6mm处选取直径为1.0mm的馈电点，通过SMA接头连接金属接地板1和辐射金属片2，实现对天线的电波信号传输，完成天线的制作。

实施例三：

本发明中的微带天线结构中开口谐振环可采用开口单环结构。参照图4和图6，采用电路板刻蚀技术制作天线，天线的中心频率在10.0GHz。在尺寸为65mm×65mm×1.5mm聚四氟乙烯纤维基板3(介电常数ε＝2.65)两个侧面上，分别刻蚀出尺寸为19.95mm×19.95mm的金属接地板1和尺寸为8.0mm×8.2mm的辐射金属片2。在金属接地板1周围的聚四氟乙烯纤维基板3上阳刻出周期排布的金属丝5阵列。其中金属丝单元线宽c₁＝0.60mm，长度L＝9.70mm。x方向上，金属丝单元中心间距a_x＝5.00mm，单元数量N_x＝12；y方向(金属丝轴向方向)上，金属丝单元中心间距a_y＝10.05mm，单元数量N_y＝6，金属丝间的空隙g₁＝0.35mm。金属丝总数目为64。在金属辐射片1的周围的聚四氟乙烯纤维基板3上阳刻开口谐振环6。开口谐振环6为六边形开口单环结构。其中开口谐振环单元内切圆直径d＝2.6mm，开口g₂＝0.20mm，线宽c₂＝0.30mm。开口谐振环阵列以每三个谐振环为一组对应于一条金属丝，采用金属丝阵列相同图案排布。组内开口谐振环中心间距b＝3.30mm；组间距：x方向上，谐振环中心间距b_x＝5.00mm，单元数量N_x＝12；y方向(金属丝轴向方向)上，谐振环中心间距b_y＝10.05mm，单元数量N_x＝18。开口谐振环总数目为192。这种由单开口谐振环和金属丝阵列组成的异面排布的左手材料结构，其左手性能区域中心为10.1GHz，带宽600MHz，完全可以覆盖微带天线的工作波段。在辐射金属贴片2的对称轴线上与辐射边相距1.9mm处，选取直径为1.0mm的馈电点，通过SMA接头连接金属接地板1和辐射金属片2，实现对天线的电波信号传输，完成天线的制作。

实施例四：

如图7和8所示，利用电路板刻蚀技术制作天线，天线的中心频率在12.0GHz。在尺寸为65mm×65mm×1.5mm聚四氟乙烯纤维基板3(介电常数ε＝2.65)两个侧面上，分别刻蚀出尺寸为65.00mm×65.00mm金属接地板1和尺寸为6.83mm×6.5mm的辐射金属片2。在金属辐射片2的聚四氟乙烯纤维基板3上阳刻金属丝5，金属丝5呈周期性排列。其中金属丝单元线宽c₁＝0.50mm，长度L＝10.00mm。x方向上，金属丝单元中心间距a_x＝5.00mm，单元数量N_x＝12；y方向(金属丝轴向方向)上，金属丝单元中心间距a_y＝10.05mm，单元数量N_x＝6，金属丝间的空隙g₁＝0.05mm。金属丝总数目为64。在金属接地板1上，阴刻周期性排列的开口谐振环6，开口谐振环6为六边形同心开口双环结构。其中开口谐振环单元内环内切圆直径d₁＝1.0mm，外环内切圆直径d₂＝1.80mm，开口g₂＝0.40mm，线宽c₂＝0.40mm。开口谐振环阵列以每三个谐振环为一组对应于一条金属丝，采用金属丝阵列相同图案排布。组内开口谐振环中心间距b＝3.15mm；组间距：x方向上，谐振环中心间距b_x＝5.00mm，单元数量N_x＝12；y方向(金属丝轴向方向)上，谐振环中心间距b_y＝10.05mm，单元数量N_x＝18。阵列中开口谐振环总数目为192。这种由阴刻的开口谐振环和金属丝阵列异面排布构成的左手材料，其左手性能区域中心为11.8GHz，带宽500MHz，完全可以覆盖微带天线的工作波段。在辐射金属贴片2对称轴线上，距辐射边1.4mm处，选取直径为1.0mm的馈电点，通过SMA接头连接金属接地板1和辐射金属片2，实现对天线的电波信号传输，完成天线的制作。

以上所述，虽然对本发明中较佳实施例作了说明，但并不能以此限定本发明实施的范围，即大凡依本发明权利要求及发明说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，皆应仍属本发明专利覆盖的范围内。

Claims

1.一种X波段左手材料微带天线，包括：一个介质基板；一个辐射金属片和一个金属地板，分别印制在介质基板的两侧；一个SMA接头，连接辐射金属片和金属接地板，并作为天线电波信号的馈入接口；一组左手材料单元，刻蚀于辐射金属片和金属接地板的周围的介质基板上，其主要特征是：在微带天线上刻蚀了由周期性排列的开口谐振环和金属丝构成的左手材料。

2.如权利要求1所述的X波段左手材料微带天线，其特征在于金属丝的长度是8mm～12mm，线宽为0.4mm～0.6mm，厚度为0.02mm～0.04mm，金属丝中心间距为3.0mm～6.0mm，金属丝轴向间隙为0.1mm～0.3mm。

3.如权利要求1中所述的X波段左手材料微带天线，其特征在于开口谐振环的几何结构有如下两种：

(1)开口谐振环为六边形，结构为同心开口双环，其中内环的内切圆直径为0.5mm～1.2mm，外环的内切圆直径为1.8mm～3.0mm，开口间距为0.1mm～0.8mm，线宽0.3mm～0.5mm，谐振环的厚度为0.02mm～0.04mm；

(2)开口谐振环为六边形，结构为开口单环，其中环内切圆直径2.0mm～3.2mm，开口间距为0.1mm～0.5mm，线宽为0.3mm～0.4mm，谐振环的厚度为0.02mm～0.04mm。

4.如权利要求3中所述的X波段左手材料微带天线，其特征在于开口谐振环以三个开口谐振环为一组并以此为单位采用与金属丝相同的图案周期排列，组内开口谐振环中心间距为2.8mm～4.0mm；组间距：x方向上为3.0mm～6.0mm，y方向上为8.1mm～12.3mm。

5.如权利要求2或权利要求3中所述的X波段左手材料微带天线，其特征在于所述的左手材料由周期排列开口谐振环和周期排列金属丝共面或异面分布构成，其中金属丝制备方法为阳刻，开口谐振环制备方法为阴刻或阳刻两种方法。

6.如权利要求1所述的X波段左手材料微带天线，其特征在于制作过程包括以下几个步骤：

(1)采用电路板刻蚀技术，在聚四氟乙烯纤维基板上两侧分别刻蚀出金属接地板和金属辐射片；

(2)将在金属辐射片的周围的聚四氟乙烯纤维基板上刻蚀由周期性排列开口谐振环和金属丝；或是在金属接地板周围的聚四氟乙烯纤维基板刻蚀出周期排列的金属丝，同时在辐射金属片周围的聚四氟乙烯纤维基板上刻蚀出以相同的图案呈周期性排列开口谐振环，且开口谐振环和金属丝严格对正；或是在辐射金属片周围的聚四氟乙烯纤维基板刻蚀出周期排列的金属丝，同时在金属接地板周围的聚四氟乙烯纤维基板上刻蚀出以相同的图案呈周期性排列开口谐振环，且开口谐振环和金属丝严格对正；

(3)选取合适的馈电点，通过SMA接头连接金属地板和辐射金属片，完成天线制作。