CN203617428U - 一种同时具有近零折射率效应和左手效应的矩形框分形天线 - Google Patents
一种同时具有近零折射率效应和左手效应的矩形框分形天线 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型涉及一种同时具有近零折射率效应和左手效应的矩形框分形天线，该贴片天线包括三层介质基板、金属接地板、矩形框分形金属辐射贴片、微带馈线、矩形金属谐振环。该复合结构的介质基板有三层，第一、三层相对介电常数为10，第二层相对介电常数为2.2。激励源采用Gaussian离散源，通过微带馈线给贴片天线馈电。本实用新型在矩形框分形结构上加入矩形开口环左手材料组合形成的天线，在不同频率处，具有左手效应和折射率近零效应，对电磁能量的局域化程度有了明显的提高，对波束产生汇聚作用，导致天线增益明显增大，并表现为较低的回波损耗，较好地改善了天线的性能，可广泛应用于移动通信、卫星通信以及航空航天等领域。
Description
技术领域
本发明属于通信技术领域，具体涉及一种基于矩形开口环左手材料的矩形框分形天线。
背景技术
近来，作为人工电磁超材料的另一分支，对于零折射率超材料的研究引起了广泛关注，很多团队已经通过实验证实了零折射材料及近零折射材料的存在。ENOCH等人第一次实验证实了将辐射源嵌入零折射率基板中时，辐射的能量将被限制在一个周围介质狭小的圆锥区域内，即通过利用零折射率材料的特性，能量辐射的方向性得到了很大的改善。
分形的概念是由名为Mandelbrot的一个法国数学家于1983年在《自然界中的分形几何》一书中首次提出的。分形几何就是研究无限复杂而具有特定意义下的自相似图形和结构的几何学，自相似就是局部的形态与整体形态的相似。所谓分形天线，是指在几何属性上具有分形几何特征的天线。它是通过将天线设计理沦和分形几何学相结合而设计出的新型天线。分形几何的自填充特性使得天线单元可以比较容易的实现小型化，另一方面，由于分形几何所具有的自相似特性，天线可以获得多频带的特性。
左手材料(LHM)是一种新型周期结构的人工电磁媒质，其介电常数和磁导率同时为负，因此，当电磁波在这种双负介质材料中传播时，波传播的电矢量、磁矢量和波矢量三者满足左手定则，所以被称为左手材料(或称负折射材料)。它作为一种新型的人工电磁材料，引起了人们极大的研究兴趣。早在1968年，V.G.Veselageo就从理论上研究了LHM中的反常电磁现象；2000年，Smith等人首次发现用特殊微结构周期排列的复合介质可以在微波波段同时得到负的介电常量和负的磁导率，从而从实验上验证了这种材料可以通过人工方法制得。LHM的反常电磁特使它在光与电磁波领域存在的重要应用价值。
本发明通过对一种基于矩形开口环左手材料的矩形框分形天线体系的研究，得到对应的性能参数，运用Nicolson-Ross-Weir(NRW)方法算出这种基于矩形框左手材料分形天线的等效折射率。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种同时具有近零折射率效应和左手效应的左手材料矩形框分形天线，即在某一频率范围内，具有左手效应，加强了电磁波共振强度，提高了电磁能量的局域化程度，从而降低天线的回波损耗，增大了增益；同时在另一频率范围内，具有折射率近零效应，进一步提高天线的定向增益。
为解决上述技术问题，本发明的一种基于矩形开口环左手材料的矩形框分形天线包括第一层介质基板（1）、第二层介质基板（2）、第三层介质基板（3）、金属接地板（4）、微带 馈线（5）、矩形框分形金属辐射贴片（6）、矩形金属谐振环（7）。第一层介质基板（1）、第二层介质基板（2）、第三层介质基板（3）、金属接地板（4）依次叠加，矩形框左手材料分形天线由矩形框分形金属辐射贴片（6）和微带馈线（5）组成，微带馈线（5）通过金属导线与激励源相连，用于对基于矩形开口环左手材料的矩形框分形天线馈电。第一层介质基板（1）、第二层介质基板（2）和第三层介质基板（3）的正面都采用电路板刻蚀技术。第一层介质基板（1）的正面采用电路板刻蚀技术刻蚀出矩形框分形贴片天线和周期性排列的矩形金属谐振环（7）；第二层介质基板（2）和第三层介质基板（3）的正面都采用电路板刻蚀技术刻蚀出周期性排列的矩形金属谐振环（7），第三层介质基板（3）的反面贴有金属接地板（4），其通过金属导线与激励源相连。
所述的第三层介质基板（3）正面周期性排列的矩形金属谐振环（7）共36个，以6×6的结构均匀排布，所述的第二层介质基板（2）与第三层介质基板（3）相比，其正面除缺少正中的四个矩形金属谐振环（7）外其他排布与第三层介质基板（3）相同，共排布了32个矩形金属谐振环（7），所述的第一层介质基板（1）正面的矩形金属谐振环（7）的排布与第二层介质基板（2）正面的矩形金属谐振环（7）的排布相同，正中采用电路板刻蚀技术刻蚀出矩形框分形贴片天线。
所述的基于矩形开口环左手材料的矩形框分形天线其组成结构可选用如下尺寸：第一层介质基板（1）、第二层介质基板（2）、第三层介质基板（3）叠加后的尺寸为80mm×80mm×7mm；第一层介质基板（1）、第二层介质基板（2）和第三层介质基板（3）的尺寸相同，长和宽均为80mm×80mm；第一层介质基板（1）和第三层介质基板（3）的相对介电常数均为10，厚度均为D1=2mm，第二层介质基板（2）的相对介电常数均为2.2，厚度D2=3mm；第一层介质基板（1）正面固定有宽度W7=27mm的矩形框分形金属辐射片（6），其中矩形框分形金属辐射贴片（6）由25个长宽均为W8=3mm的矩形框构成；所述的矩形金属谐振环（7）由内外两层矩形开口环构成，外层矩形开口环长和宽均为W2=9mm，内层矩形开口环长和宽均为W3=7mm，矩形金属谐振环（7）的宽度W9=0.5mm，内外层矩形的开口宽度均为W5=1mm，相邻的矩形金属谐振环（7）左右间隔S1=4mm，上下间隔也是S1=4mm。矩形金属谐振环（7）距介质基板边缘的间距W4=3mm。微带馈线（5）的长L2=38.5mm，宽W6=1mm。第三层介质基板（3）反面贴有80mm×80mm金属接地板（4），激励源通过金属导线一端与微带馈线（5）相连，一端与金属接地板（4）相连，激励源采用Gaussian离散源，通过微带馈线（5）给矩形框分形金属辐射片（6）馈电。
为了验证本发明的有效性，将上述基于矩形开口环左手材料的矩形框分形天线结构利用仿真软件XFDTD进行测试，该软件是美国REMCOM公司开发的基于电磁数值计算方法 FDTD(时域有限差分法)的全波三维电磁仿真软件，该软件仿真结果可靠性高。通过该软件的仿真测试，可以得到天线性能对应的性能参数值，如回波损耗（s11，也称为反射系数）、传输系数（s21）、电压驻波比（VSWR）和增益（Gain）等。通过分析这些数值，可以比较出天线性能的优劣。
本发明是通过对普通矩形框分形天线加入了矩形开口环左手材料结构组合形成一种基于矩形开口环左手材料的矩形框分形天线，其特性表现为天线具有左手效应和折射率近零效应，将该天线在两个频率的效应进行比较，发现左手效应具有更小的回波损耗，而近零折射率效应具有更高的定向增益；并将具有矩形谐振环的矩形框分形天线与普通的矩形框分形天线进行比较，发现它比后者具有更小的回波损耗和更高的增益。从理论的角度分析其原因为：一方面，在f=15.9098GHz频率处产生的电磁波共振态，使得该结构的整体相对介电常数和磁导率均为负值，形成电磁波的“隧道”效应和倏逝波的放大作用，由此，大大加强了电磁波共振强度。另一方面，在f=23.2309GHz处，近零折射率效应对电磁波束产生汇聚作用，导致天线增益明显增大，并表现为较低的回波损耗，较好地改善了天线的性能。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：
图1是本发明一种基于矩形开口环左手材料的矩形框分形天线正面结构示意图，其中：1-第一层介质基板；2-第二层介质基板；3-第三层介质基板；4-金属接地板；5-微带馈线；6-矩形框分形金属辐射贴片；7-矩形金属谐振环。
图2是本发明一种基于矩形开口环左手材料的矩形框分形天线第二层介质基板结构示意图；
图3是本发明一种基于矩形开口环左手材料的矩形框分形天线第三层介质基板结构示意图；
图4是本发明一种基于矩形开口环左手材料的矩形框分形天线的矩形金属谐振环结构示意图；
图5是本发明一种基于矩形开口环左手材料的矩形框分形天线各层结构组合示意图；
图6是本发明一种基于矩形开口环左手材料的矩形框分形天线整体结构的相对介电常数、磁导率和折射率n，其中(a)嵌有谐振环的矩形框分形天线在f=23.2309Ghz处的折射率n，磁导率，介电常数εr；(b)嵌有谐振环的矩形框分形天线在f=15.9098Ghz处的折射率n，磁导率μr，介电常数εr；
图7是本发明一种基于矩形开口环左手材料的矩形框分形天线回波损耗s11示意图,其中 (a)嵌有谐振环的矩形框分形天线在频率f=23.2309GHz时的s11；(b)嵌有谐振环的矩形框分形天线在频率f=15.9098GHz时的s11；
图8是本发明一种基于矩形开口环左手材料的矩形框分形天线电压驻波比VSWR示意图，其中(a)嵌有谐振环的矩形框分形天线在频率f=23.2309GHz时的VSWR；(b)嵌有谐振环的矩形框分形天线在频率f=15.9098GHz时的VSWR；
图9是本发明一种基于矩形开口环左手材料的矩形框分形天线增益示意图，其中(a)嵌有谐振环的矩形框分形天线在频率f=23.2309GHz时的增益极化图；(b)嵌有谐振环的矩形框分形天线在频率f=15.9098GHz时的增益极化图。
具体实施方式
采用电路板刻蚀技术，如图1所示的这种基于近零折射率的三角形框左手材料贴片天线结构，在第一层介质基板（1）上刻蚀矩形框分形天线（6）和矩形金属谐振环（7）。第二层介质基板（2）上周期性的刻蚀32个矩形金属谐振环（7），第三层介质基板（3）上周期性的排列着36个矩形金属谐振环（7）。微带馈线（5）连接着矩形框分形金属辐射片（6），作为电波信号馈入源。
本发明是一种基于矩形开口环左手材料的矩形框分形天线，如图1所示，这种矩形框左手材料的分形天线有3层尺寸相同的介质基板，叠加后的尺寸为80mm×80mm×7mm。第一层介质基板（1）和第三层介质基板（3）的相对介电常数为10，厚度D1=2mm，第二层介质基板（2）的相对介电常数为2.2，厚度D2=2mm。
第一层介质基板（1）、第二层介质基板（2）、第三层介质基板（3）叠加后的尺寸为80mm×80mm×7mm；第一层介质基板（1）、第二层介质基板（2）和第三层介质基板（3）的尺寸相同，长和宽均为80mm×80mm；第一层介质基板（1）和第三层介质基板（3）的相对介电常数均为10，厚度均为D1=2mm，第二层介质基板（2）的相对介电常数均为2.2，厚度D2=3mm；第一层介质基板（1）正面固定有宽度W7=27mm的矩形框分形金属辐射片（6），其中矩形框分形金属辐射贴片（6）由25个长和宽均为W8=3mm的矩形框构成；在第一层介质基板（1）上嵌入32个矩形金属谐振环（7），矩形金属谐振环（7）由内外两层矩形开口环构成，外层矩形开口环长和宽均为W2=9mm，内层矩形开口环长和宽均为W3=7mm，矩形金属谐振环（7）的宽度W9=0.5mm，内外层矩形的开口宽度均为W5=1mm，相邻的矩形金属谐振环（7）左右间隔S1=4mm，上下间隔也是S1=4mm。矩形形金属谐振环（7）距介质基板边缘的间距W4=3mm。微带馈线（5）的长L2=38.5mm，宽W6=1mm。第二层介质基板（2）上周期性的排列着32个矩形金属谢振环（7），第三层介质基板（3）上周期性的排列着36个矩形金属谐振环（7）。第三层介质基板（3）反面贴有80mm×80mm金属接地板（4），激励源通过金属 导线一端与微带馈线（5）相连，一端与金属接地板（4）相连，激励源采用Gaussian离散源，通过微带馈线（5）给矩形框分形金属辐射片（6）馈电。
为验证所设计结构是否具有近零折射率效应和左手效应，用XFDTD电磁仿真软件对这种基于矩形开口环左手材料的矩形框分形天线进行仿真实验，得到了该结构整体的散射参数，即反射系数(s11)和传输系数(s21)，通过NRW传输/反射算法提取出了这种复合结构整体的有效介电常数和有效磁导率电磁参数，图4给出了由仿真得到的参数所提取的该复合结构的有效磁导率μr、有效介电常数εr和折射率n。在天线谐振点附近f=23.2309GHZ频率处，天线介质板整体的折射率小于零且接近于零，其中有效磁导率μr=-0.156，有效介电常数εr=-0.3107，其等效折射率n=-0.2201，其值接近于零。而在谐振点f=15.9098Ghz附近，有效磁导率μr=-0.5009，有效介电常数εr=-2.406，其等效折射率n=-1.098，其值为非近零情况。如图5所示为这种基于矩形开口环左手材料的矩形框分形天线的回波损耗s11特性图，在频率f=23.2309GHZ处最小回波损耗s11=-31.6528dB，在谐振点f=15.9098Ghz附近，最小回波损耗s11=-37.8794dB，说明左手效应具有更小的回波损耗。
图6所示为电压驻波比VSWR特性图，在频率f=23.2309GHZ处最小电压驻波比为1.05，已经很靠近理想值1，在谐振点f=15.9098Ghz附近，最小电压驻波比为1.026。
图7所示为增益特性图，加入矩形金属谐振环左手材料结构后，这种多层复合左手材料矩形框分形天线，在频率f=23.2309GHZ处正向增益最大约为10.8dB，在谐振点f=15.9098Ghz附近正向最大增益为6.3dB。说明近零折射率效应具有更高的定向增益。
通过对这种基于矩形开口环左手材料的矩形框分形天线的研究，发现其特性表现为天线具有左手效应和折射率近零效应，将该天线在两个频率的效应进行比较，发现左手效应具有更小的回波损耗，而近零折射率效应具有更高的定向增益；并将具有矩形谐振环的矩形框分形天线与普通的矩形框分形天线进行比较,发现它比后者具有更小的回波损耗和更高的增益。从理论的角度分析其原因为：一方面，在贴片天线的基底介质上加入了左手材料之后，就会形成电磁(光子)禁带，抑制沿基底底板介质传播的表面波，从而增加电磁波向自由空间的反射能量；另一方面，在f=15.9098GHz频率处产生的电磁波共振态，使得该结构的整体相对介电常数和磁导率均为负值，形成电磁波的“隧道”效应和倏逝波的放大作用，由此，大大加强了电磁波共振强度，另外f=23.2309GHz处，近零折射率效应对电磁波束产生汇聚作用，导致天线增益明显增大，并表现为较低的回波损耗，较好地改善了天线的性能。
至此，完成这种基于矩形框左手材料的分形天线的制作。
Claims (3)
1.一种同时具有近零折射率效应和左手效应的矩形框分形天线，其特征在于：包括第一层介质基板（1）、第二层介质基板（2）、第三层介质基板（3） 、金属接地板（4）、微带馈线（5）、矩形框分形金属辐射贴片（6）、矩形金属谐振环（7），第一层介质基板（1）、第二层介质基板（2） 、第三层介质基板（3） 、金属接地板（4）依次叠加，矩形框分形贴片天线由矩形框分形金属辐射贴片（6）和微带馈线（5）组成，微带馈线（5）通过金属导线与激励源相连，用于对基于矩形开口环左手材料的矩形框分形天线馈电；第一层介质基板（1）的正面采用电路板刻蚀技术刻蚀出矩形框分形贴片天线和周期性排列的矩形金属谐振环（7）、第二层介质基板（2）和第三层介质基板（3）的正面都采用电路板刻蚀技术刻蚀出周期性排列的矩形金属谐振环（7），第三层介质基板（3）的反面贴有金属接地板（4），其通过金属导线与激励源相连。
2.根据权利要求1所述的一种同时具有近零折射率效应和左手效应的矩形框分形天线，其特征在于：所述的第三层介质基板（3）正面周期性排列的矩形金属谐振环（7）共36个，以6×6的结构均匀排布，所述的第二层介质基板（2）与第三层介质基板（3）相比，其正面除缺少正中的四个矩形金属谐振环（7）外其他排布与第三层介质基板（3）相同，共排布了32个矩形金属谐振环（7），所述的第一层介质基板（1）正面的矩形金属谐振环（7）的排布与第二层介质基板（2）正面的矩形金属谐振环（7）的排布相同，正中采用电路板刻蚀技术刻蚀出矩形框分形贴片天线。
3.根据权利要求1或2所述的一种同时具有近零折射率效应和左手效应的矩形框分形天线，其特征在于：第一层介质基板（1）、第二层介质基板（2）、第三层介质基板（3）叠加后的尺寸为80mm×80mm×7mm；第一层介质基板（1）、第二层介质基板（2）和第三层介质基板（3）的尺寸相同，长和宽均为80mm；第一层介质基板（1）和第三层介质基板（3）的相对介电常数均为10，厚度均为D1=2mm，第二层介质基板（2）的相对介电常数为2.2，厚度D2=3mm；第一层介质基板（1）正面固定有宽度W7=27mm的矩形框分形金属辐射贴片（6），其中矩形框分形金属辐射贴片（6）由25个长和宽均为W8=3mm的矩形框构成；所述的矩形金属谐振环（7）由内外两层矩形开口环构成，外层矩形开口环长和宽均为W2=9mm，内层矩形开口环长和宽均为W3=7mm，矩形金属谐振环（7）的宽度W9=0.5mm，内外层矩形的开口宽度均为W5=1mm，相邻的矩形金属谐振环（7）左右间隔S1=4mm，上下间隔也是S1=4mm，矩形金属谐振环（7）距介质基板边缘的间距W4=3mm，微带馈线（5）的长L2=38.5mm，宽W6=1mm，第三层介质基板（3）反面贴有80mm×80mm金属接地板（4），激励源通过金属导线一端与微带馈线（5）相连，一端与金属接地板（4）相连，激励源采用Gaussian离散源，通过微带馈线（5）给矩形框分形金属辐射贴片（6）馈电。
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20140528 Termination date: 20160822 |