CN210443662U - 新型k波段高增益超材料微带天线 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种新型K波段高增益超材料微带天线，包括金属接地板，金属接地板上方设置有超材料介质基板，超材料介质基板的表面中部设置有辐射贴片，辐射贴片中部设置有同轴线馈电探针，同轴线馈电探针的一端与辐射贴片连接，另一端与金属接地板连接，辐射贴片的四周环绕设置超材料基元，超材料基元与辐射贴片之间设有空隙，每个超材料基元由若干个铜贴片组合而成，相邻的铜贴片之间存在重叠区域。本实用新型天线结构简单，无拓扑优化中常出现的棋盘格式，可加工性强，制造成本低，效果明显，若将该天线用于汽车毫米波雷达上，将提高雷达探测距离。
Description
技术领域
本实用新型涉及通信天线技术领域，具体地指一种新型K波段高增益超材料微带天线。
背景技术
微带天线由介质基板、金属辐射贴片、馈线装置和金属接地板组成，并通过金属辐射贴片四周与接地板间的缝隙向外辐射电磁波。微带天线具有体积小、重量轻、易与载体共形等优点，但同时存在增益低、方向性差、辐射效率低和损耗大等缺点和不足。常用的提高微带天线增益的方法有通过使用介电常数较低的介质板来降低天线的固有品质因子、添加寄生贴片或将单一天线组成阵列的形式，但这些方法在提高天线增益的同时也带了如尺寸变大、结构复杂和成本增高等方面的缺点。
超材料是一类人工复合结构材料，它可以通过周期性的人工结构对外加电磁场产生相应的响应，超材料理论上可以得到任意数值的磁导率或介电常数，极大突破了人类对传统材料的认识禁锢。近年来，随着超材料理论的发展，超材料开始在微波和天线等领域得到应用，超材料能阻止特定频率范围内的光波在其中的传播，但必须使设计的超材料谐振频率与微带天线的工作频率一致，基板与谐振贴片组成的结构具有电磁超特性，当天线的工作频率位于超材料的谐振频带中时，天线表面波受到抑制，天线辐射效率增高，增益增大，这对于设计高增益，宽波束、小型化的微带天线意义重大。
发明内容
本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提出一种新型K波段高增益超材料微带天线，结构简单，加工方便，能够在不改变普通微带天线结构的基础上，通过引入新型超材料基元可有效增大天线增益。
为实现上述目的，本实用新型所设计的新型K波段高增益超材料微带天线，包括金属接地板，其特殊之处在于，所述金属接地板上方设置有超材料介质基板，所述超材料介质基板的表面设置有辐射贴片，所述辐射贴片中部设置有同轴线馈电探针，所述同轴线馈电探针的一端与辐射贴片连接，另一端与金属接地板连接，所述辐射贴片的四周环绕设置超材料基元，所述超材料基元与辐射贴片之间设有空隙，每个超材料基元由若干个正方形铜贴片组合而成，相邻的铜贴片之间存在小尺寸的重叠。
进一步地，所述超材料基元沿辐射贴片外围成圈状刻蚀于超材料介质基板上。
更进一步地，所述超材料基元中相邻铜贴片之间的重叠宽度为0.05mm。
更进一步地，所述铜贴片为正方形结构。
更进一步地，所述超材料基元由若干个正方形结构的铜贴片排列组合形成的正方形结构。
更进一步地，所述微带天线的工作频率落在超材料基元的谐振禁带的频率范围内。
更进一步地，所述超材料基元为对称结构。
更进一步地，所述超材料介质基板为介电常数为2.25的聚乙烯板。
更进一步地，所述同轴线馈电探针设置于辐射贴片中心且偏向辐射贴片宽度方向1.2523mm。
更进一步地，所述超材料介质基板上超材料基元与边缘处设有空隙，所述超材料基元之间设有空隙。
与现有技术相比，本实用新型针对普通24GHz微带天线增益低，损耗高的特点设计出一种新型超材料结构，它由若干个方形铜片组合而成，将其刻蚀在微带天线的基板上能将天线增益提升至10.84dB。该天线结构简单，无拓扑优化中常出现的棋盘格式，可加工性强，制造成本低，效果明显，若将该天线用于汽车毫米波雷达上，将提高雷达探测距离。
附图说明
图1本实用新型所涉及的超材料微带天线结构示意图。
图2为图1的俯视示意图。
图3超材料微带天线的二维远场辐射增益方向图(E面)。
图4超材料微带天线的二维远场辐射增益方向图(H面)。
图中：超材料基元1，金属微带辐射贴片2，金属接地板3，超材料介质基板4，同轴线馈电探针5。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的详细描述。
如图1、图2所示，本实用新型提出的新型K波段高增益超材料微带天线，包括超材料基元1、金属辐射贴片2、天线金属接地板3、超材料介质基板4，同轴线馈电探针5。金属接地板3上方设置有超材料介质基板4，超材料介质基板4的表面中部设置有辐射贴片2，辐射贴片2中部设置有同轴线馈电探针5，同轴线馈电探针5的一端与辐射贴片2连接，另一端与金属接地板3连接。辐射贴片2的四周环绕设置超材料基元1，超材料基元1沿辐射贴片2外围成圈状刻蚀于超材料介质基板4上。超材料基元1与辐射贴片2之间设有空隙，每个超材料基元1由若干个铜贴片组合而成，相邻的铜贴片之间存在重叠区域。
超材料基元1共12组刻蚀在微带天线基板外围四周，并于超材料介质基板4一起作为超材料基板。微带天线的辐射贴片2刻蚀在超材料介质基板4中心处，并且不与超材料基元1相接触，同轴线馈电探针5作为天线信号的传输线一端与辐射贴片2相连另一端与金属接地板3相连。
超材料介质基板4取厚度为1mm，长宽为10*10mm，介电常数为2.25的聚乙烯板。辐射贴片2长4.029mm,宽3.4714mm，同轴馈线探针5位于微带天线正中心并偏向辐射贴片2宽度方向1.2523mm。
超材料基元1是个对称结构，其原始设计尺寸为2.1*2.1mm，厚度为0.017-0.02mm材料为铜，共取12组均匀布置在超材料介质基板4周围。该超材料基元1可以布置一圈两圈或多圈都能明显改善天线性能，但考虑到天线的小型化和加工成本，可以采用单圈布置的方式，另外该超材料微带天线不改变传统天线的结构，甚至不需改变传统微带天线的大小，且谐振基元结构简单，只需通过电路板刻蚀技术便可实现。将超材料基元的设计域2.1*2.1mm离散为10*10个正方形铜贴片，每个铜贴片所占据的空间为0.21*0.21mm，且在左右与前后相邻的两个铜贴片之间设计0.05mm的重叠区域，如此材料基元1由若干尺寸为0.26*0.26mm的正方形铜贴片通过排列组合而成，超材料基元的最终尺寸为2.15*2.15mm,避免贴片型超材料基元1出现点接触从而无法保证制备性。该超材料微带天线工作频率在车用毫米波雷达的24GHz附近，所用的超材料基元1的谐振频率与天线工作频率一致，天线表面波得到抑制，天线辐射性能得到改善，天线增益有明显提升。超材料基元1内部铜贴片的排列方式由遗传算法求解得到，目的是使得天线增益最大化，本实用新型给出的超材料基元1为该离散方格子规模下的最优构型。
金属接地板3材料也为铜，刻蚀厚度为0.35mm，可以在超材料介质基板4底部全部刻蚀金属铜覆层的金属接地板3也可以部分刻蚀。
超材料基元1由拓扑优化得到的，并且是个对称结构。在基板的x，y方向各预留0.02mm的设计间隙，各基元间在X,Y方向的间隙分别为0.433mm和0.367mm，布置一圈共12个超材料基元，其目的是为了使两方向超材料基元分布均匀，且不与金属辐射贴片相干涉。
超材料微带天线采用同轴线馈电，并使用50欧姆的标准阻抗传输线馈电。超材料微带天线的工作频率在24GHz附近，且超材料基元在24GHz存在谐振禁带。
图3为超材料微带天线的二维远场辐射增益方向图(E面)，图4为超材料微带天线的二维远场辐射增益方向图(H面)，可以看出天线在主瓣方向上增益最大，最大增益约为10.8dB。其增益远大于不施加超材料基元时普通微带天线的7.8dB，可见本实用新型中的微带天线增益较普通微带天线方向性更好、增益更高。
最后需要说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本专利技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本专利进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本专利的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本专利技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本专利的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种新型K波段高增益超材料微带天线，包括金属接地板(3)，其特征在于：所述金属接地板(3)上方设置有超材料介质基板(4)，所述超材料介质基板(4)的表面中部设置有辐射贴片(2)，所述辐射贴片(2)中部设置有同轴线馈电探针(5)，所述同轴线馈电探针(5)的一端与辐射贴片(2)连接，另一端与金属接地板(3)连接，所述辐射贴片(2)的四周环绕设置超材料基元(1)，所述超材料基元(1)与辐射贴片(2)之间设有空隙，每个超材料基元(1)由若干个铜贴片组合而成，相邻的铜贴片之间存在重叠区域。
2.根据权利要求1所述的新型K波段高增益超材料微带天线，其特征在于：所述超材料基元(1)沿辐射贴片(2)外围成圈状刻蚀于超材料介质基板(4)上。
3.根据权利要求1所述的新型K波段高增益超材料微带天线，其特征在于：所述超材料基元(1)中相邻铜贴片之间的重叠宽度为0.05mm。
4.根据权利要求1所述的新型K波段高增益超材料微带天线，其特征在于：所述铜贴片为正方形结构。
5.根据权利要求1所述的新型K波段高增益超材料微带天线，其特征在于：所述超材料基元(1)由若干个正方形结构的铜贴片排列组合形成的正方形结构。
6.根据权利要求1所述的新型K波段高增益超材料微带天线，其特征在于：微带天线的工作频率落在超材料基元(1)的谐振禁带的频率范围内。
7.根据权利要求1所述的新型K波段高增益超材料微带天线，其特征在于：所述超材料基元(1)为对称结构。
8.根据权利要求1所述的新型K波段高增益超材料微带天线，其特征在于：所述超材料介质基板(4)为介电常数为2.25的聚乙烯板。
9.根据权利要求1所述的新型K波段高增益超材料微带天线，其特征在于：所述同轴线馈电探针(5)设置于辐射贴片(2)中心且偏向辐射贴片(2)宽度方向1.2523mm。
10.根据权利要求1所述的新型K波段高增益超材料微带天线，其特征在于：所述超材料介质基板(4)上超材料基元(1)与边缘处设有空隙，所述超材料基元(1)之间设有空隙。
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| CN111786086A (zh) * | 2020-07-10 | 2020-10-16 | 兰州大学 | 基于特征模理论优化的超表面可穿戴微带天线及优化方法 |
| CN112366456A (zh) * | 2020-11-02 | 2021-02-12 | 合肥学院 | 一种5g通信用基于人工电磁超材料的超宽带天线 |
| CN116169468A (zh) * | 2023-04-24 | 2023-05-26 | 吉林大学 | 一种探地雷达超宽带定向辐射天线 |
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