CN1941505A

CN1941505A - C波段左手材料微带天线及其阵列

Info

Publication number: CN1941505A
Application number: CN 200510096104
Authority: CN
Inventors: 赵晓鹏; 赵伟
Original assignee: Northwestern Polytechnical University
Current assignee: Northwestern Polytechnical University
Priority date: 2005-09-30
Filing date: 2005-09-30
Publication date: 2007-04-04
Anticipated expiration: 2025-09-30
Also published as: CN1941505B

Abstract

本发明涉及一种C波段左手材料微带天线及其阵列。该微带天线包括介质基板；辐射金属片和金属接地板，分别刻蚀于介质基板的两侧；SMA同轴接头，连接辐射金属片和金属接地板，作为天线电波信号的输入/出端；在微带天线的介质基板上异面刻蚀周期排列的金属线和开口谐振环以构成左手材料，或在微带天线辐射面加装左手材料覆层。在天线辐射或接收的电磁波激励下，利用左手材料对天线表面波的抑制以及左手材料的平板聚焦效应，达到减少天线边缘散射，提高天线辐射效率和方向性的目的。

Description

C波段左手材料微带天线及其阵列

技术领域本发明涉及一种微带天线及其阵列，特别是涉及一种利用左手材料抑制天线表面波以及左手材料平板汇聚电磁波，减少天线边缘散射，提高天线辐射效率和方向性的新型微带天线结构。

背景技术微带天线是在带有导体接地板的介质基片上贴加导体薄片而形成的天线。它利用微带线或同轴线馈电，在导体贴片和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。与普通微波天线相比，微带天线具有体积小、重量轻，可制成与导弹、卫星等载体表面相共形的结构，并能和有源器件、电路集成为统一的组件，适合大规模生产。目前工作频段为C波段的微带天线在无线电高度表、卫星地面接收站、雷达等方面得到了广泛应用。但是微带天线工作频带窄，有导体和介质损耗，容易激励起表面波，辐射效率低等缺点限制了它的应用。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，效果并不十分显著，提高增益的同时导致天线的加工过程更为复杂，成本提高。

左手材料(left-handed metamaterials，LHMs)是一种介电常数与磁导率同时为负值的电磁材料。它具有负折射效应、逆多普勒效应、逆切仑科夫辐射、平板聚焦等奇异的物理现象。目前研究发现左手材料可以替代微带天线的传统介质基板，利用左手材料对表面波的抑制，可减少天线的边缘散射，提高天线的辐射效率；另外左手材料平板可对电磁波起到汇聚作用，能显著提高微带天线的方向性。并且微波段左手材料的结构单元尺寸与谐振波长之比可达1∶10，可以通过电路板印刷的方式实现。因此左手材料在无线电通信、射频武器等领域有独特的优势。

发明内容本发明的目的在于针对普通微带天线边缘散射强、辐射效率低等缺点，提供一种左手材料微带天线及其阵列。利用左手材料对天线表面波的抑制以及左手材料的平板聚焦效应，从而达到减少天线边缘散射，提高天线辐射效率和方向性的目的。本发明中的左手材料微带天线及其阵列可工作于C波段。

本发明中的左手材料微带天线包括：介质基板；辐射金属片，刻蚀在介质基板上；金属接地板，刻蚀在介质基板的另一面上，尺寸较辐射金属片略大；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，外导体与金属接地板相连，以作为天线电波信号的输入/出端；左手材料刻蚀在天线的介质基板上，或者在天线表面加装左手材料覆层。通过调整谐振环的尺寸参数对左手材料的左手特性区域频段进行调节，使其覆盖微带天线的工作频段。在天线辐射或接收电磁波激励下，刻蚀于天线介质基板上的左手材料可抑制基板中所产生的表面波，天线表面加装的左手材料覆层可对电磁波汇聚，以此减少天线边缘散射，提高天线的辐射效率和方向性。同时，本发明中的左手材料微带天线及其阵列，可通过电路板刻蚀技术实现，工艺简单，适合大规模工业化生产。

附图说明

本发明的其它技术内容、特征及优点，在以下配合参考附图的优选实施例的详细说明中，将可清楚的呈现，在附图中：

图1左手材料微带天线的结构示意图

图2微带天线中采用的金属丝结构示意图

图3微带天线中采用的开口谐振环结构示意图

图4微带天线的辐射面刻蚀六边形开口谐振环的结构示意图

图5微带天线的接地板面刻蚀金属线的结构示意图

图6微带天线的辐射面刻蚀金属线的结构示意图

图7微带天线的接地板面刻蚀方形开口谐振环的结构示意图

图8安装左手材料覆层的微带天线的结构示意图

图9即在天线基板上刻蚀左手材料又安装左手材料覆层的微带天线的结构示意图

图10安装左手材料覆层的2×2矩形贴片微带天线阵的结构示意图

具体实施方式

本发明采用电路板刻蚀技术制作微带天线。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的两侧；SMA同轴接头4连接金属接地板1和辐射金属片2，并作为天线电波信号的输入/出端。微带天线阵列则采用并合式功率分配网络馈电。

本发明的微带天线结构中的左手材料可以刻蚀在天线的介质基板3上，其中金属线5和开口谐振环6异面刻蚀，且周期排列以构成左手材料。

本发明的微带天线结构中的左手材料还可以刻蚀在介质板上，加载在天线辐射面，作为天线的覆层。介质板尺寸与天线基板尺寸一样，中心有与微带天线接地板相同尺寸的缺口。覆层通过四角的四个螺钉安装在天线的辐射面上，与辐射面的距离为0～λ/2，其中λ为天线中心工作频率处波长。

本发明的微带天线可工作于C波段(4GHz～8GHz)。如图2所示，本发明的微带天线结构中采用的金属线单元5的几何尺寸则由线宽和长度确定。长度L＝10.00mm～200.00mm，线宽为c＝0.30mm～1.00mm，厚度为0.02mm～0.04mm，金属线中心间距为d＝3.25～15.00mm，即与开口谐振环的列间距一致或为它的一半。

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为六边形和方形。开口谐振环单元的尺寸随着天线的工作频率进行相应的调整。六边形开口谐振环单元的内环内切圆直径为d₁＝1.40mm～3.50mm，外环的内切圆直径为d₂＝2.90mm～7.00mm，开口间隙为g＝0.30mm～0.80mm，线宽c＝0.55mm～1.20mm，谐振环的厚度为0.02mm～0.04mm；谐振环的行间距为4.00～10.00mm，列间距为6.50～15.00mm。方形开口谐振环单元的内环内切圆直径为d₁＝1.50～3.50mm，外环的内切圆直径为d₂＝2.50mm～6.00mm，开口间隙为g＝0.35mm～0.85mm，线宽c＝0.35mm～0.85mm，谐振环的厚度为0.02mm～0.04mm。谐振环的行间距为6.50～15.00mm，列间距为6.50～15.00mm。

通过调整开口谐振环的尺寸参数(内外环直径、线宽、开口等)和金属线的尺寸参数(长度、线宽等)实现对左手特性区域频段的调控，保证左手特性区域频段覆盖天线的工作频段，以达到减少天线边缘散射，提高天线辐射效率的目的。

本发明的实现过程由实施例和附图说明：

实施例一：

如图4、5所示，采用电路板刻蚀技术制作天线，天线的中心工作频率在4.2GHz。在尺寸为100mm×100mm×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36.0mm×36.0mm的金属接地板1和尺寸为26.5mm×21.0mm的辐射金属片2。在辐射金属贴片2长边的对称线上，距贴片中心3.9mm处选取馈电点，通过SMA接头连接金属接地板1和辐射金属片2，以作为天线电波信号的输入/出端。在金属接地板周围的聚四氟乙烯纤维基板上，刻蚀出周期排列的金属线5。金属线5的线宽c＝0.60～0.80mm，厚度为0.02mm，金属线上下端距离基板边沿均为l＝2.5mm。金属线阵列的列间距d＝5.75～7.25mm，为开口谐振环的列间距的一半。金属接地板左右两侧的金属线数量均为4条，长度L＝95mm；上下两侧的金属线数量均为5条，长度L′＝29mm，与金属接地板间距l′＝0.5mm。在辐射金属片周围的聚四氟乙烯纤维基板上，刻蚀出周期排列的开口谐振环6，其采用六边形结构。谐振环单元的内环内切圆直径d₁＝2.40～3.00mm，外环内切圆直径d₂＝5.10～6.30mm，开口g＝0.55～0.75mm，线宽c＝0.90～1.15mm，厚度为0.02mm；谐振环的行间距为7.50～9.50mm，列间距为11.50～14.50mm。辐射金属片左右两侧的谐振环均为10行2列，上下两侧的谐振环均为3行3列。这种由开口谐振环和金属线周期性排列而成的左手材料，其左手性能区域的中心频率为4.2GHz，带宽800MHz，完全可以覆盖微带天线的工作波段。

实施例二：

如图6、7所示，采用电路板刻蚀技术制作天线，天线的中心工作频率在4.2GHz。在尺寸为100mm×100mm×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36.0mm×36.0mm的金属接地板1和尺寸为26.5mm×21.0mm的辐射金属片2。在辐射金属贴片2长边的对称线上，距贴片中心3.9mm处选取馈电点，通过SMA接头连接金属接地板1和辐射金属片2，以作为天线电波信号的输入/出端。在辐射金属贴片周围的聚四氟乙烯纤维基板上，刻蚀出周期排列的金属线5。金属线5的线宽c＝0.70～0.90mm，厚度为0.02mm，金属线上下端距离基板边沿均为l＝2.5mm。金属线阵列的列间距d＝5.70～7.00mm，为开口谐振环的列间距的一半。辐射金属贴片左右两侧的金属线数量均为4条，长度L＝95mm；上下两侧的金属线数量均为5条，长度L′＝29mm，与辐射金属贴片间距l′＝18.5mm。在金属接地板周围的聚四氟乙烯纤维基板上，刻蚀出周期排列的开口谐振环6，其采用方形结构。谐振环单元内环内切圆直径d₁＝2.75～3.35mm，外环内切圆直径d₂＝4.80～5.85mm，开口g＝0.65～0.85mm，线宽c＝0.65～0.85mm，厚度为0.02mm；谐振环的行间距为11.40～14.00mm，列间距为11.40～14.00mm。金属接地板左右两侧的谐振环均为7行2列，上下两侧的谐振环均为2行3列。这种由开口谐振环和金属线周期性排列而成的左手材料，其左手性能区域的中心频率为4.2GHz，带宽800MHz，完全可以覆盖微带天线的工作波段。

实施例三：

如图8所示，采用电路板刻蚀技术制作天线，天线的中心工作频率在6.5GHz。在尺寸为100mm×100mm×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23.0mm×23.0mm的金属接地板1和尺寸为17.0mm×13.5mm的辐射金属片2。在辐射金属贴片2长边的对称线上，距贴片中心2.5mm处选取馈电点，通过SMA接头连接金属接地板1和辐射金属片2，以作为天线电波信号的输入/出端。选取尺寸为100mm×100mm×1.5mm的聚四氟乙烯纤维基板，中间开一个尺寸为23.0mm×23.0mm的缺口。金属线5刻蚀在基板的一面，其线宽c＝0.50～0.60mm，厚度为0.02mm，金属线上下端距离基板边沿均为l＝2.5mm。金属线阵列的列间距d＝7.80～9.00mm，与开口谐振环的列间距的一致。缺口左右两侧金属线数量均为4条，长度L＝95mm；上下两侧金属线数量均为3条，长度L′＝35.50mm，与缺口边沿间距l′＝0.50mm。在基板另一面上，刻蚀出周期排列的开口谐振环6，其采用六边形结构。谐振环单元的内环内切圆直径d₁＝1.55～1.90mm，外环内切圆直径d₂＝3.40～4.00mm，开口g＝0.35～0.50mm，线宽c＝0.60～0.75mm，厚度为0.02mm；谐振环的行间距为5.10～6.00mm，列间距为7.80～9.00mm。缺口左右两侧的谐振环均为15行4列，上下两侧的谐振环均为5行3列。用四个螺钉将左手材料覆层安装在天线的辐射面，与辐射面紧贴着，即距离为0mm。其中左手性能区域的中心频率为6.5GHz，带宽800MHz，完全可以覆盖微带天线的工作波段。

实施例四：

如图9所示，采用电路板刻蚀技术制作天线，天线的中心工作频率在6.5GHz。在尺寸为100mm×100mm×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23.0mm×23.0mm的金属接地板1和尺寸为17.0mm×13.5mm的辐射金属片2。在辐射金属贴片2长边的对称线上，距贴片中心2.5mm处选取馈电点，通过SMA接头连接金属接地板1和辐射金属片2，以作为天线电波信号的输入/出端。在金属接地板周围的聚四氟乙烯纤维基板上，刻蚀出周期排列的金属线5。金属线5的线宽c＝0.50～0.60mm，厚度为0.02mm，金属线上下端距离基板边沿均为l＝2.5mm。金属线阵列的列间距d＝7.60～8.65mm，与开口谐振环的列间距的一致。金属接地板左右两侧的金属线数量均为4条，长度L＝95mm；上下两侧的金属线数量均为3条，长度L′＝35.5mm，与金属接地板间距l′＝0.5mm。在辐射金属片周围的聚四氟乙烯纤维基板上，刻蚀出周期排列的开口谐振环6，其采用方形结构。谐振环单元内环内切圆直径d₁＝1.80～2.10mm，外环内切圆直径d₂＝3.20～3.70mm，开口g＝0.40～0.55mm，线宽c＝0.40～0.55mm，厚度为0.02mm；谐振环的行间距为7.60～8.65mm，列间距为7.60～8.65mm。辐射金属片左右两侧的谐振环均为11行4列，上下两侧的谐振环均为4行3列。选取与天线基板相同尺寸的聚四氟乙烯纤维基板，中间开一个与天线接地板相同尺寸的缺口。其两面分别刻蚀金属线和开口谐振环，尺寸与排列方式与天线基板上的一致。左手材料覆层通过四角的四个螺钉安装在天线的辐射面上，与辐射面的距离为11.50mm。其中左手性能区域的中心频率为6.5GHz，带宽800MHz，完全可以覆盖微带天线的工作波段。

实施例五：

如图10所示，采用电路板刻蚀技术制作2×2矩形贴片微带天线阵，天线的中心工作频率在7GHz。在尺寸为200mm×200mm×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，分别刻蚀出金属接地板1和2×2矩形金属片阵2。阵元采用并合式功率分配网络进行馈电。选取尺寸为200mm×200mm×1.5mm的聚四氟乙烯纤维基板，中间开一个与天线接地板相同尺寸的缺口。金属线5刻蚀在基板的一面，其线宽c＝0.50～0.60mm，厚度为0.02mm，金属线上下端距离基板边沿均为l＝2.5mm。金属线阵列的列间距d＝7.00～8.00mm，与开口谐振环的列间距的一致。缺口左右两侧金属线数量均为6条，长度L＝195.00mm；上下两侧金属线数量均为13条，长度L′＝45.00mm。在基板另一面上，刻蚀出周期排列的开口谐振环6，其采用六边形结构。谐振环单元的内环内切圆直径d₁＝1.50～1.70mm，外环内切圆直径d₂＝3.20～3.60mm，开口g＝0.35～0.40mm，线宽c＝0.55～0.65mm，厚度为0.02mm；谐振环的行间距为4.50～5.50mm，列间距为7.00～8.00mm。缺口左右两侧的谐振环均为35行6列，上下两侧的谐振环均为8行13列。用四个螺钉将左手材料覆层安装在天线的辐射面，距离为10.7mm。其中左手性能区域的中心频率为7.0GHz，带宽800MHz，完全可以覆盖微带天线的工作波段。

以上所述，仅为本发明的优选实施例而已，当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C波段左手材料微带天线及其阵列，该天线包括：介质基板；辐射金属片和金属接地板，分别刻蚀于介质基板的两侧；SMA接头，连接辐射金属片和金属接地板，作为天线电波信号的输入/出端；左手材料，其特征是在普通微带天线的介质基板上异面刻蚀周期排列的金属线和开口谐振环以构成左手材料，或在普通微带天线辐射面加装左手材料覆层。

2.如权利要求1所述的C波段左手材料微带天线及其阵列，其特征在于周期排列的金属线的长度为L＝10.00mm～200.00mm，线宽为c＝0.30mm～1.00mm，厚度为0.02mm～0.04mm，金属线阵列的列间距为d＝3.25-15.00mm。

3.如权利要求1中所述的C波段左手材料微带天线及其阵列，其特征在于开口谐振环的几何结构有两种：

(1)开口谐振环为六边形，内环内切圆直径为d₁＝1.40mm～3.50mm，外环的内切圆直径为d₂＝2.90mm～7.00mm，开口间隙为g＝0.30mm～0.80mm，线宽c＝0.55mm～1.20mm，谐振环的厚度为0.02mm～0.04mm；谐振环的行间距为4.00～10.00mm，列间距为6.50～15.00mm；

(2)方形开口谐振环单元的内环内切圆直径为d₁＝1.50～3.50mm，外环的内切圆直径为d₂＝2.50mm～6.00mm，开口间隙为g＝0.35mm～0.85mm，线宽c＝0.35mm～0.85mm，谐振环的厚度为0.02mm～0.04mm；谐振环的行间距为6.50～15.00mm，列间距为6.50～15.00mm。

4.如权利要求1中所述的C波段左手材料微带天线及其阵列，其特征在于金属线阵列的列间距与开口谐振环的列间距一致或为它的一半。

5.如权利要求1中所述的C波段左手材料微带天线及其阵列，其特征在于左手材料覆层通过四角的四个螺钉加装在天线辐射面上，覆层尺寸与天线介质基板的尺寸一致，中间开有与天线接地板相同尺寸的缺口，与天线辐射面的距离为0～λ/2，λ为天线中心频率处波长。

6.如权利要求1中所述的C波段左手材料微带天线及其阵列，其特征在于可以同时采用在天线基板上刻蚀左手材料和在天线辐射面加装左手材料覆层，其中左手材料覆层上刻蚀的金属线和开口谐振环的尺寸及排列方式与刻蚀在天线基板上的一致。

7.如权利要求1中所述的C波段左手材料微带天线及其阵列，其特征在于微带天线阵列的阵元采用并合式功率分配网络进行馈电。