CN1941503B

CN1941503B - S波段左手材料微带天线

Info

Publication number: CN1941503B
Application number: CN2005100961029A
Authority: CN
Inventors: 赵晓鹏; 周欣
Original assignee: Northwestern Polytechnical University
Current assignee: Northwestern Polytechnical University
Priority date: 2005-09-30
Filing date: 2005-09-30
Publication date: 2011-05-18
Anticipated expiration: 2025-09-30
Also published as: CN1941503A

Abstract

本发明涉及一种S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；一组由周期性排布开口谐振环和金属丝组成的左手材料单元，并将左手材料单元刻蚀于辐射金属片和金属地板周围的介质基板上和作为左手材料天线覆层安装在天线正面。利用左手材料对电磁波中的倏逝波有效放大和对电磁波的频率选择特性，提高天线灵敏度，降低外界对天线的电磁干扰，减小环境噪音；此外由于左手材料的平板透镜效应对电磁波起到会聚作用，作为天线覆层能显著提高微带天线的方向性，从而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

S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

无线通信作为信息社会的主要技术手段正日显重要，其信道的扩充，传输速率的提高，运行体制的兼容，服务方式的灵活等，促使其工作频率一再上拓，设备日趋小型化，台站设施从点对点、一点对多点发展到移动和全球漫游。与此相对应的是作为无线通信载体的天线在功能、设计及制造工艺上都发生了巨大的变化，然而，微电子技术及大规模集成电路的发展，使天线成为电子设备中庞大，笨重设备的问题日益突出。因此天线技术也从传统的振子天线，八木天线、抛物面天线、卡塞格沦天线等发展到目前体积更小结构更为简单的微带天线。与普通得天线相比，微带天线实现了一维小型化，具有低剖面，可共形，易集成，以及便于获得圆极化，实现双频，双极化工作等多项缺点，然而任何事物都有两面性，微带天线的Q值极高，因此辐射效率低，频带窄，必须通过适当的设计改进才能获得良好性能。

左手材料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人工周期结构材料，主要是以周期排列的开口谐振环(Split-ring resontors)和金属线组成。在左手材料中，可观察到诸如负折射、平面镜聚焦、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，实现对倏逝波的放大。左手材料在电磁场中的透射行为表现为在某一频率段形成“带阻-带通-带阻”的响应特性。因此，在无线电通信、天线设计、滤波器、微波元器件、超敏感传感器或探测系统等领域左手材料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，频带窄等缺点，提供一种左手材料微带天线。左手材料能对倏逝波有效放大，使倏逝波参与天线对信号的辐射和接收工作，从而提高天线的辐射效率，改善天线增益；并且利用左手材料对电磁波的频率选择特性降低外界对天线的电磁干扰，减小环境噪音；此外由于左手材料的平板透镜效应对电磁波起到会聚作用，能显著提高微带天线的方向性。基于左手材料的种种优点，本发明以印刷电路板刻蚀技术制作左手材料，并采用在天线基板上刻蚀左手材料和在天线表面加装覆层两种方法设计微带天线。前者适用于移动或便携通讯设备的天线，后者则可在大型电线阵得到应用。由于本发明中的左手材料微带天线不仅具有高增益、高带宽、高方向性的特点，且设计结构简单，均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两面阳刻金属丝和开口谐振环周期结构及正面加覆层示意图

图2本发明中在微带天线中采用的左手材料结构示意图

图3本发明中在微带天线正面阳刻周期性排列的开口谐振环背面阳刻周期性排列金属丝的结构示意图

图4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5本发明中在微带天线背面阴刻周期性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周期性排列的开口谐振环的结构示意图

图7本发明中在微带天线背面阴刻周期性排列的金属丝的结构示意图

图8本发明中用于拼接覆层的平板左手材料结构示意图

图9本发明中在微带天线正面加装左手材料覆层的结构示意图

具体实施方式

先通过计算机模拟和实验确定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，设计出适合天线频率的左手材料。

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周围的介质板两侧刻蚀出由金属丝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，在长条状介质板7(基板宽度约为天线工作波长)两面分别刻蚀出开口谐振环8和金属丝9阵列，并在每两个开口谐振环之间的介质基板上开一道槽，槽宽等于基板厚度，槽长等于基板宽的一半，将这样的长条状左手材料沿开槽处两两拼接二维隔板状，最后将其用螺钉10和一层空基板11固定于微带天线的辐射金属贴片一面。

本发明的微带天线工作于S波段。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可通过阳刻、阴刻两种工艺实现，几何尺寸则由线宽和长度确定。长度L＝50mm～300mm，线宽为c₁＝0.4mm～0.6mm，厚度为0.02mm～0.04mm，两金属线中心间距D＝5mm～10mm。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为圆形或多边形，结构有同心开口双/多环和开口单环两种，可通过阳刻、阴刻两种工艺实现。由同心开口双/多环组成的开口谐振环，其最内环内切圆直径为d₁＝2mm～6mm，外环与内环的内切圆直径相差为Δd＝3mm～5mm，最外环内切圆直径d2＝14～20mm，开口间隙为g₂＝0.3mm～1mm，线宽c₂＝1mm～3mm，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＝18mm～22mm，开口间隙为g₂＝0.3mm～1mm，线宽c₂＝1mm～3mm，谐振环的厚度为0.02mm～0.04mm。两开口谐振环开口谐振环中心间距为20～50mm，位于基板的一面排成周期性阵列，两金属线的中心间距为5～10mm，位于基板的另一面排成周期性阵列。

本发明的实现过程由实施例和附图说明：

实施例一：

如图3所示，采用电路板刻蚀技术制作天线，天线的中心频率在3.5GHz。在尺寸为150mm×150mm×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60mm×60mm的金属接地板1和尺寸为24mm×24mm的辐射金属片2。在离金属辐射片2中心约40mm周围的聚四氟乙烯纤维基板上阳刻出三环同心六边形开口谐振环阵列，每个三环同心开口谐振环的尺寸为：内环内切圆直径d₁＝4mm，中环内切圆直径d₂＝10mm，外环内切圆直径＝16mm，开口间隙g＝0.6mm，线宽c＝1mm，谐振环厚度为0.02mm，每两个谐振环的中心间距为28mm；在基板另一面金属接地板的周围阳刻出金属丝阵列，其中金属丝5线宽c₁＝0.50mm，长度L＝150mm，每两条金属丝的中心间距为7mm。开口谐振环总数目为40，金属丝总数目为27。在辐射金属贴片轴线上距对称中心4mm处选取直径为2mm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：

如图4和图5所示，采用电路板刻蚀技术制作天线，天线的中心频率在2.65GHz。在尺寸为150mm×150mm×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150×150mm的金属接地板1和尺寸为32mm×32mm的辐射金属片2。在金属辐射片2一面的聚四氟乙烯纤维基板上阳刻出金属丝阵列，贯穿辐射贴片的金属线在离贴片中心约50mm处打断，金属丝5线宽c₁＝0.50mm，长度L＝150mm，每两条金属丝的中心间距为7mm；在基板另一面金属接地板的周围阴刻出双环同心矩形开口谐振环阵列，每个双环同心矩形开口谐振环的尺寸为：内环内切圆直径d₁＝8mm，外环内切圆直径d₂＝18mm，开口间隙g＝0.8mm，线宽c＝3mm，谐振环厚度为0.02mm，每两个谐振环的中心间距为36mm。开口谐振环总数目为40，金属丝总数目为27。在辐射金属贴片轴线上距对称中心5.6mm处选取直径为2mm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。

实施例三：

如图6和图7所示，采用电路板刻蚀技术制作天线，天线的中心频率在4GHz。在尺寸为150mm×150mm×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150mm×150mm的金属接地板1和尺寸为20mm×20mm的辐射金属片2。在离金属辐射片2中心约36mm周围的聚四氟乙烯纤维基板上阳刻出圆形单环开口谐振环阵列，每个开口谐振环的尺寸为：环内切圆直径＝14mm，开口间隙g＝0.4mm，线宽c＝3.5mm，谐振环厚度为0.02mm，每两个谐振环的中心间距为26mm；在基板另一面金属接地板的周围阳刻出金属丝阵列，其中金属丝5线宽c₁＝1mm，长度L＝150mm，每两条金属丝的中心间距为6mm。开口谐振环总数目为40，金属丝总数目为27。在辐射金属贴片轴线上距对称中心4mm处选取直径为2mm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。

实施例四：

如图8和图9所示，利用电路板刻蚀技术制作微带天线阵，天线的中心频率在4GHz。在尺寸为300mm×300mm×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300mm×300mm金属接地板1和摆放成矩形阵列的尺寸为20mm×20mm的辐射金属片阵2。以功率分配网络连接，集中馈电。

另取尺寸为300mm×60mm×1.5mm聚四氟乙烯纤维基板(介电常数ε＝2.65)在两个侧面分别阳刻同心双环开口谐振环和金属丝阵列，每个开口谐振环的尺寸为：内环内切圆直径d1＝15mm，外环内切圆直径d2＝7mm开口间隙g＝0.4mm，线宽c＝3.5mm，谐振环厚度为0.02mm，每两个谐振环的中心间距为30mm；金属丝5线宽c₁＝1mm，长度L＝60mm，每两条金属丝的中心间距为7.5mm，总共刻蚀有18个开口谐振环和31条金属线。再在基板上每两环中间各开一道1.5mm×30mm的槽，制成单片左手材料。将制得的左手材料沿基板开槽处两两拼接，拼成三维层状左手材料。用4个螺钉将一尺寸为300mm×300mm×1.5mm的聚四氟乙烯纤维基板与三维层状左手材料一起安装在天线阵有辐射贴片一面的基板上。完成带左手覆层的天线阵制作。

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S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，分别刻蚀在介质基板的两侧；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；一组由周期性排列金属丝和开口谐振环组成的左手材料单元，其主要特征是：在普通的微带天线上加载了左手材料，第一种加载方式是在金属辐射片周围的介质基板两侧刻蚀出由金属丝和开口谐振环组成的左手材料；第二种加载方式是先制备三维层状结构左手材料即在长条状左手材料两环中间各开一道槽，槽长为左手材料宽度的一半，槽宽为基板的厚度，开槽后的左手材料沿基板开槽处两两拼接，制成三维层状左手材料；然后在三维层状结构左手材料的顶部加盖一低介电常数的基板，并用螺钉将加盖基板安装于天线正面。

2.如权利要求1所述的S波段左手材料微带天线，其特征在于金属丝可通过印刷电路板刻蚀技术，由阳刻、阴刻两种工艺实现，金属丝的尺寸为长度L＝50～300mm，线宽w＝0.4mm～0.6mm，厚度为0.02mm～0.04mm。

3.如权利要求1中所述的S波段左手材料微带天线，其特征在于开口谐振环的几何形状为圆形或多边形，结构有同心开口双/多环和开口单环两种，可通过印刷电路板刻蚀技术，由阳刻、阴刻两种工艺实现，其几何尺寸为：

1)由同心开口双/多环组成的开口谐振环，其最内环内切圆直径为2mm～6mm，外环与内环的内切圆直径相差为Δd＝3mm～5mm，最外环内切圆直径为14～20mm，开口间隙为g2＝0.3mm～1mm，线宽c2＝1mm～3mm，谐振环的厚度为0.02mm～0.04mm；

2)由开口单环构成的开口谐振环，环内切圆直径d＝18mm～22mm，开口间隙为g2＝0.3mm～1mm，线宽c2＝1mm～3mm，谐振环的厚度为0.02mm～0.04mm。

4.如权利要求1中所述的S波段左手材料微带天线，其特征在于每两个开口谐振环以中心间距20mm～50mm排成周期性阵列，每两条金属丝以中心间距5mm～10mm排成周期性阵列。