CN1941504A - C波段负磁导率材料微带天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种C波段微带天线，特别涉及一种将负磁导率材料用于C波段的新型微带天线包括微带单阵子贴片天线和微带贴片阵天线。本发明负磁导率材料微带天线包括：介质基板、金属辐射贴片、金属接地板、馈电网络、负磁导率材料。负磁导率材料由周期性排列的金属开口谐振环(SRRs)组成，本发明在天线的介质基板上刻蚀SRRs阵列，利用其禁带效应抑制天线工作时激发的表面波和和多次谐波，减小天线副瓣，使天线方向性更集中，提高天线增益，增加带宽，改善天线的性能；本发明还将多层SRRs阵列作为天线覆层，可以抑制天线辐射的切向分量，提高天线的方向性，增强向前辐射的增益。相比于其他以往改进的微带天线，本发明微带天线还具有结构简单、与天线一体化、易加工成型、成本造价低等优点。

Description

C波段负磁导率材料微带天线

技术领域  本发明涉及C波段微带天线，特别涉及将负磁导率材料用于C波段的新型微带天线。

背景技术  微带天线的概念早在1953年提出但是并未引起重视，直到上个世纪七十年代才真正发展和实用起来。微带天线是在带有导体接地板的介质基片上用光刻腐蚀等方法做出一定形状的金属贴片如圆形、矩形等，利用同轴线或微带线等馈线馈电，在贴片与接地板之间激励起射频电磁场，并通过贴片四周与接地板间的缝隙向外辐射电磁波。由于微波集成技术的发展以及各种低损耗介质材料的出现，使微带天线的制作得到了工艺保证，再者由于微带天线体积小，重量轻，低剖面，馈电网络可与天线结构一起制成，适合于用印刷电路技术大批量生产，因此应用非常广泛。微带天线作为火箭、导弹、飞机上的共形全向天线获得了广泛应用，如卫星通讯、雷达、遥感、导弹、飞行器高度表、电子对抗等等。其中工作频率段为C波段的微带天线应用非常之多。飞机天线高度表上用的是中心频率为4.3GHz微带天线，雷达上用的中心频率为5.45GHz微带天线，飞机蒙皮上用的中心频率为5GHz共形微带相控阵天线等等均属于C波段微带天线。但是微带天线也有很多缺点如工作频带窄、增益低，导体和介质损耗大，工作效率低等。在需要高性能和高灵敏度的仪器和设备中难以得到更好的应用。现有的提高微带天线性能的技术如增加基板厚度、用光子晶体基板等，但是这些技术工艺复杂而且使微带天线的体积增大，总之改善天线性能的同时伴随而来许多缺点。

Pendry提出了一种能产生负磁导率的结构单元--开口谐振环(Split Ring ResonatorsSRRs)。SRRs是由两个同心且具有开口的金属环构成。当磁场垂直于SRRs时，在SRRs内产生了感应电流，从而引入了电感。由于内外环间存在一个间隙，从而产生了电容。于是产生了与SRRs的几何尺寸和形状相关的LC谐振。在某一频率段内电磁波不能传播，即产生了禁带，在此禁带范围内磁导率为负，并表现出一些奇异的微波响应行为，因此近几年对其的研究成为科学界的焦点。这种能产生负磁导率的材料在微电子线路元件、滤波器、无线电通信、调制器等领域将有很好的应用前景。

发明内容  本发明的目的是提供一种C波段负磁导率材料微带天线包括微带单阵子贴片天线和微带贴片阵天线。负磁导率材料是一种由金属开口谐振环(SRRs)周期排列的人工结构材料。通过调节SRRs的几何尺寸，可使禁带位置在不同频率段调控，选择适当几何尺寸的SRRs使其禁带所在的频段包括天线的工作中心频率。本发明将SRRs刻蚀于天线基板上，其禁带效应能抑制微带天线工作时激发的表面波和多次谐波，减小天线副瓣，使天线方向性更集中，提高天线增益，增加带宽，改善了天线性能；本发明还将多层SRRs阵列作为天线覆层，可以抑制天线辐射的切向分量，提高天线的方向性，增强向前辐射的增益。这种SRRs的引入没有增加天线设计的复杂度，只需在微带贴片天线介质基板上刻蚀周期性排列的SRRs或者在天线前面加负磁导率材料覆层，相比用其他方法有不可比拟的优点，比如尺寸小、工艺简单、易与天线一体化成型、成本造价低等。本发明C波段负磁导率材料微带天线包括：介质基板、金属辐射贴片、金属接地板、馈电网络、负磁导率材料。其中组成负磁导率材料的SRRs的形状可以为六边形、圆形、正方形、矩形等，可以采用同心双环、单环，单开口环、多开口环等。

附图说明

图1组成负磁导率材料的SRRs的一些不同结构单元

图2SRRs排列示意图

图3本发明实施例一的微带天线示意图

图4本发明实施例二的微带天线俯视图

图5本发明实施例三的负磁导率覆层微带天线示意图

图6本发明实施例四的负磁导率覆层微带天线示意图

具体实施方式  本发明采用电路板刻蚀技术制作微带天线。在一块介质基板的一面刻蚀金属铜辐射贴片，在另一面刻蚀大小能覆盖辐射贴片的金属铜接地板，根据天线设计不同采用不同的馈电方式，可以同轴线直接馈电也可以用微带线馈电。在天线正(背)面围绕辐射贴片(金属接地板)的空白介质基板上刻蚀周期性排列的金属开口谐振环阵列。本发明的微带天线还可以采用加载周期性排列的开口谐振环覆层的结构，取多块与微带天线介质基板相同的空基板，分别在其上的某一面刻蚀周期性排列的金属开口谐振环阵列并将这些基板依次层叠制成有空气夹层的负磁导率材料，将其置于天线前面作为天线覆层。刻蚀的所有开口谐振环的外环开口均朝同一方向且以行中心间距w＝5-9mm平行排列8-13行，以列中心间距w＝5-9mm平行排列8-13列。金属SRRs可以为六边形、圆形、正方形、矩形等同心双环或单环；并且开口可以是单开口或者多开口。其中的一些结构单元及排列方式、几何参数标注如附图1、2所示。若为同心双环，其几何参数为：外环的内切圆直径为d₁＝2.50-6.50mm，内环的内切圆直径为d₂＝1.50-3.50mm，开口为g＝0.30-1.00mm，开口数目至少两个，线宽为c＝0.40-0.90mm；若为单环，其几何参数为：环的内切圆直径为d＝2.30-6.70mm，开口为g＝0.30-1.00mm，开口数目至少一个，线宽为c＝0.40-0.90mm，以上所用金属厚度t＝0.03-0.05mm，制作SRRs的金属可以为金属铜、为了防止铜被氧化也可以在铜表面镀银、锡等金属。制作的负磁导率材料微带天线如附图所示。

本发明的实现过程由实施例和附图说明：

实施例一：

采用电路板刻蚀技术制作微带天线，设计制作C波段负磁导率材料单阵子微带贴片天线。在一块环氧玻璃纤维介质基板1(ε＝4.55)的一面中心位置刻蚀金属铜辐射贴片2，在另一面刻蚀大小能覆盖辐射贴片的金属铜接地板，在辐射贴片单元上设置馈电点3，天线采用同轴线4直接馈电，同轴插座的探针经介质基板与贴片相连接，同轴插座的外导体连接接地板。在天线正(背)面围绕辐射贴片(金属接地板)的空白介质基板上刻蚀周期性排列的金属铜开口谐振环阵列5，根据设计制作的天线工作中心频率不同选用不同几何尺寸的SRRs，其几何尺寸范围和排列方式如具体实施方式所述。附图3是设计的其中一种工作中心频率为4.2GHz的负磁导率材料单阵子微带贴片天线，选用周期性排列的正方形二开口金属铜单环，根据天线工作中心频率设计金属SRRs的几何尺寸为：环的内切圆直径为d＝5.00mm，两个开口均为g＝0.60mm，在正方形的上下边长中心位置分别开口，线宽为c＝0.65mm，厚度t＝0.03mm，环开口朝同一个方向且以行中心间距w＝8.5mm平行排列10行，以列中心间距w＝8.5mm平行排列10列。

实施例二：

采用电路板刻蚀技术制作微带天线，设计制作C波段负磁导率材料微带贴片天线阵。在一块聚四氟乙烯介质基板(ε＝2.65)的一面刻蚀金属铜贴片阵元，另一面刻蚀大小能覆盖辐射贴片的金属铜接地板。在天线正(背)面围绕辐射贴片阵(金属接地板)的空白介质基板上刻蚀周期性排列的金属SRRs阵列，根据设计制作的天线工作中心频率不同选用不同几何尺寸的SRRs，其几何尺寸范围和排列方式如具体实施方式所述。附图4是设计制作的中心频率为5.5GHz的2*2元方形微带贴片天线阵，在聚四氟乙烯介质基板1的一面刻蚀贴片阵元2，另一面刻蚀大小能覆盖辐射贴片的金属铜接地板。馈线3连接方式如图所示采用了谐振式馈电，有一条中心馈线，在它的支点再分成两条馈线连接在贴片上。选用周期性排列的金属铜镀银六边形同心双环阵列4，根据天线工作中心频率设计金属SRRs的几何尺寸为：外环的内切圆直径为d₁＝4.30mm，内环的内切圆直径为d₂＝2.30mm，开口为g＝0.60mm，线宽为c＝0.60mm，厚度t＝0.04mm，外环开口朝同一个方向以行中心间距w＝6.5mm平行排列11行，以列中心间距w＝6.5mm平行排列11列。

实施例三：

采用电路板刻蚀技术制作微带天线，设计制作C波段负磁导率材料单阵子贴片微带天线。在一块聚乙烯介质基板(ε＝2.3)1一面的中心位置刻蚀金属铜辐射贴片2，在另一面刻蚀大小能覆盖辐射贴片的金属铜接地板。天线采用同轴线3直接馈电，同轴插座的探针经介质基板与贴片相连接，同轴插座的外导体连接接地板。另取大小、材质与天线所用介质基板相同的基板，在其一面刻蚀周期性排列的金属SRRs阵列4，根据设计制作的天线工作中心频率不同选用不同几何尺寸的SRRs，几何尺寸范围和排列方式如具体实施方式所述。按同样的方法做多块相同的SRRs阵列，将其依次层叠制得有空气夹层的负磁导率材料，用螺钉5将其固定于天线前面作为天线覆层6。图5所设计的是工作中心频率为7.5GHz的单阵子微带贴片天线，选用周期性排列的金属铜镀锡四开口圆形SRRs，根据天线工作中心频率设计金属SRRs的几何尺寸为：环的内切圆直径为d＝2.95mm，开口均为g＝0.38mm，线宽为c＝0.40mm，厚度t＝0.05mm，环开口朝同一个方向且以行中心间距和列中心间距都为w＝5mm平行排列13行13列，分别在三块聚乙烯介质基板上刻蚀周期性的SRRs阵列，制作三层将其依次层叠制得有空气夹层的负磁导率材料，用螺钉将其固定于天线前面。

实施例四：

采用电路板刻蚀技术制作微带天线，设计制作了C波段负磁导率材料微带贴片天线阵。在一块聚乙烯介质基板(ε＝2.3)1的一面刻蚀金属铜辐射元阵2，在基板的另一面刻蚀大小能覆盖辐射贴片元的金属铜接地板。另取一块大小、材质与天线所用介质基板相同的基板，在其一面刻蚀周期性排列的金属SRRs阵列4，根据设计制作的天线工作中心频率不同选用不同几何尺寸的SRRs，几何尺寸范围和排列方式如具体实施方式所述。按同样的方法做多块相同的SRRs阵列，将其依次层叠制得有空气夹层的负磁导率材料，用螺钉5将其固定于天线前面作为天线覆层6。图6所示是工作中心频率为5GHz的梳形微带天线阵，采用谐振式馈电。选用周期性排列的金属铜镀锡六边形单SRRs，根据天线工作中心频率设计金属SRRs的几何尺寸为：环的内切圆直径为d＝4.50mm，开口为g＝0.40mm，线宽为c＝0.50mm，厚度t＝0.05mm，环开口朝同一个方向且以行中心间距和列中心间距都为w＝7.5mm平行排列8行8列，分别在三块聚乙烯介质基板上刻蚀周期性的SRRs阵列，制作三层将其依次层叠制得有空气夹层的负磁导率材料，用螺钉将其固定于天线前面。

Claims (5)

1.一种C波段负磁导率材料单阵子微带贴片天线及其阵列，组成包括：介质基板、金属辐射贴片、金属接地板、馈电网络、负磁导率材料(开口谐振环)，其主要特征是将开口谐振环(SRRs)引入天线设计中，通过调节SRRs的几何尺寸使其谐振频率即出现禁带的频段包括天线工作中心频率。

2.如权利要求1所述C波段负磁导率材料微带天线，其特征是：

(1)在微带天线的正(背)面围绕辐射贴片(金属接地板)在空白介质基板上刻蚀周期性排列的SRRs；

(2)取与微带天线介质基板相同的基板，在其上某一面刻蚀周期性排列的SRRs，制作同样大小的多层SRRs阵列将其依次层叠用螺钉固定于微带天线前面。

3.如权利要求1所述C波段负磁导率材料微带天线，其特征是：

(1)引入微带天线的SRRs为同心六边形、圆形、方形、矩形等双环，环可以为单开口或多开口环，其开口数量至少为二，SRRs几何参数为：外环的内切圆直径为d₁＝2.50-6.50mm，内环的内切圆直径为d₂＝1.50-3.50mm，开口为g＝0.30-1.00mm，线宽为c＝0.40-0.90mm，厚度t＝0.03-0.05mm，使SRRs的禁带位置在C波段可调控；

(2)引入微带天线的SRRs为六边形、圆形、方形、矩形等单环，环可以为单开口或多开口环，其开口数数量至少为一，SRRs几何参数为：环的内切圆直径为d＝2.30-6.70mm，开口为g＝0.30-1.00mm，线宽为c＝0.40-0.90mm，厚度t＝0.03-0.05mm，使SRRs的禁带位置在C波段可调控。

4.如权利要求1所述C波段负磁导率材料微带天线，其特征是：开口谐振环的排列方式为外环开口均朝同一方向以中心行间距5-9mm平行排列8-13行和中心列间距5-9mm平行排列8-13列。

5.如权利要求1所述C波段负磁导率材料微带天线，其特征是：所用介质基板为聚四氟乙烯、聚乙烯、环氧玻璃布；所用的开口谐振环的是金属铜、金属铜镀银、金属铜镀锡。

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