CN101950858A - 一种复合左右手传输线的宽带二元阵天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合左右手传输线的宽带二元阵天线，包括微波介质基板和上、下表面元件，上表面元件包括两个通过弓形连接线相连接的天线阵单元，弓形连接线中间和馈源之间连接微带线，下表面元件为接地板，每个天线阵单元由N个依次排列的方形辐射片构成，每个辐射片通过短路针与接地板导通；天线阵单元最外边的辐射片上刻蚀有方形槽，每两个辐射片之间刻蚀有方齿形刻蚀线，弓形连接线和辐射片之间刻蚀有0.1mm～0.3mm的缝隙。本发明增强了辐射片之间的电磁耦合，改善了天线的阻抗分布情况和电磁流分布，进一步提高天线阵的辐射带宽和增益。

Description

一种复合左右手传输线的宽带二元阵天线

技术领域

本发明涉及一种天线，尤其是基于复合左右手传输线技术的一种宽带的高增益的毫米波二元阵天线。

背景技术

左手材料(left-handed metamaterials)是近年来材料学和物理学领域研究的热点之一。在经典的电动力学理论中，介电材料的电磁特性可由介电常数ε和磁导率μ两个宏观参数来描述。在自然界中，介质的介电常数ε和磁导率μ都是正数，当电磁波照射这些介质材料时，描述电磁波传播特性的电场强度E、磁场强度H和电磁波的传播方向K满足右手螺旋关系，这是物理学中经典的“右手定则”关系。满足“右手定则”关系的介质材料即为右手材料。而通过一定的周期性结构设计，能够获得介电常数ε和磁导率μ都是负数的人造左手材料。当电磁波照射左手材料时，描述电磁波传播特性的电场强度E、磁场强度H和电磁波的传播方向K满足“左手螺旋”关系。此外，电磁波在左手材料中传播时还存在逆snell折射等特殊的电磁特性。基于传输线理论分析可知，采用串联电容和并联电感设计的传输线具有左手材料的特性，由于此时传输线上还寄生有右手效应，这时的传输线就构成了复合左右手传输线。

Itoh等人在文献和相关文献介绍了基于复合左右手传输线技术设计天线的方法。在2002年Itoh等人在文章“Application of the transmission line theory of left-handed(LH)materials to the realization of a microstrip LH line”和2007年Lee等人在文章“Epsilon negative zeroth-order resonator antenna”都叙述了利用左右手传输线设计的天线，美中不足的时，上述基于左手传输线结构实现的天线虽然尺寸较小，却存在着辐射效率低，带宽窄以及增益小的问题。这样的天线很难满足实际应用的需要。究其原因，主要是因为采用复合左右手传输线的零阶谐振模式时，在此工作状态下，传输线的传输常数β为零，波长为无穷大，天线贴片下电场分布没有倒相的过程，从而导致天线辐射效率低、增益差的问题。

发明内容

为了克服现有技术带宽窄(通常小于1％)、低增益的不足，本发明提供一种二元阵天线，基于复合左右手传输线技术，改进构成天线的左手特性的串联电容和并联电感的分布，合理设置由复合左右手传输线组成的天线阵单元结构，从而实现小尺寸、宽带和高增益的二元阵天线，能够满足多种天线场合的实际需求。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于左右手传输线技术的宽带二元阵天线，包括一涂覆铜箔的微波介质基板和通过刻蚀铜箔在微波介质基板上的上、下表面分别形成的上表面元件和下表面元件，所述的上表面元件包括两个结构相同的天线阵单元，天线阵单元之间通过弓形连接线相连接；弓形连接线中间的某处连接微带线的一端，连接点到弓形连接线的两个端口的距离之间相差λ/2，λ为天线阵单元的工作波长，微带线的另一端和馈源相连接，所述的下表面元件为接地板。每个天线阵单元由N个依次排列的方形辐射片构成，N可以取为2～10个。每个辐射片通过短路针穿过微波介质基板与接地板导通；天线阵单元最外边(以远离弓形连接线一侧为外边)的辐射片上刻蚀有方形槽，改善最外边辐射片上的电磁流分布；每两个辐射片之间刻蚀有方齿形刻蚀线，构成一个或多个方齿形交指，以构成交指电容，增强辐射片之间的电磁耦合，从而可以在辐射片之间形成构成左右手传输线所需要的分布电容；所述的弓形连接线和辐射片之间刻蚀有缝隙，加强弓形连接线与辐射片之间的电磁耦合，缝隙的间距可以为0.1mm～0.3mm。

所述微波介质基板由特氟龙材料构成，该种微波介质材料具有价格低廉和优越的抗老化性能，微波介质基板也可由FR4环氧玻璃布或者发泡聚苯乙烯等其他微波介质材料构成。

所述的弓形连接线为形状弯曲类似于弓形的微带线。

所述的方齿形刻蚀线构成的交指电容宽度小于辐射片宽度。

本发明的有益效果是：通过将复合左右手传输线技术中起到左手效应的电容部分改用了交指电容的方式，增强了辐射片之间的电磁耦合，改善了天线的阻抗分布情况，提高了天线的带宽；利用弓形连接线和一端连接馈源的微带线之间的连接点位置的优化设置，来调整两个的天线阵单元之间的相位差，从而改善整个二元阵天线的电磁流分布，进一步提高天线阵的辐射带宽和增益，获得高增益、宽带的子波二元阵毫米波天线。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

附图说明

图1为本发明实施实例1宽带二元阵天线的整体结构示意图。

图2为本发明实施实例1宽带二元阵天线的上表面元件结构示意图。

图3为本发明所述天线阵单元的谐振特性等效图。

图4为本发明实施实例1的宽带二元阵天线的回波损耗/频率曲线图。

图5为本发明实施实例1的宽带二元阵的电压驻波比(VSWR)/频率曲线图。

图6为本发明实施实例2宽带二元阵天线的上表面元件结构示意图。

图中，10-微波介质基板，20-上表面元件，21-辐射片，22-交指电容，23-缝隙，24-方形槽，25-弓形连接线，26-微带线，30-接地板，41-短路针。

具体实施方式

实施例1：

如图1和图2所示，一种基于复合左右手传输线技术的宽带、高增益的二元阵天线，包括一覆铜箔的特氟龙材料的微波介质基板10，通过刻蚀铜箔在微波介质基板的上、下表面形成的上表面元件20和接地板30，穿过微波介质基板连接上表面元件和接地板的短路针41，其中，

所述的二元阵天线由两个结构相同的天线阵单元组成，每个天线阵单元的辐射片21可以是N(本实施例中N＝3)个，每个辐射片21的尺寸设定为3.5mm×3.5mm；所述的天线阵单元的辐射片21分别通过短路针41与接地板30导通；所述的天线阵单元的相邻的辐射片21之间的电磁耦合是通过交指电容22进行的，本实施实例1中交指电容只设计成一个交指，交指的物理尺寸为0.2mm×0.4mm，交指与对应的辐射片之间的间距为0.2mm；所述的天线阵单元最外边的辐射片21刻蚀有方形槽24，改变辐射片上的电磁流分布，提供分布电容；在本实施实例1中，方形槽24的尺寸为0.6mm×0.4mm。

所述的两个天线阵单元之间是通过与弓形连接线25的两个端口相连接，并且天线阵单元的辐射片21和弓形连接线25之间的电磁耦合是通过一矩形缝隙23来进行的，且弓形连接线25的尺寸为15.5mm×1.5mm；

所述的微带线26一端和弓形连接线25中间的一点相连接，本实施实例1中其连接点与弓形连接线25的两个端口之间的距离相差半个工作波长；微带线26的另一端与馈源相连接；微带线26的尺寸为3.8mm×0.8mm；

所述的辐射片21，交指电容22，接地板30，短路针41在微波介质基板10上组成了左右手传输线结构。

用来确定上述设计的理论推导如下：

根据电磁场理论和传输线理论，本发明天线的天线阵单元的谐振特性可等效为如图3所示，图3中，符号L_R、C_L、C_R和L_L分别代表串联电感、串联电容、并联电容和并联电感。根据无耗传输线理论，传输线的传播常数

其中Z和Y分别为传输线的单位长度的阻抗和导纳。

根据Bloch理论和周期性边界的Floquent边界条件，可以得到图3所示的周期性单元的色散方程为如下：

$\mathrm{\βd}={\cos }^{-1}\{1-\frac{1}{2}[\frac{{\mathrm{\ω}}_L^2}{{\mathrm{\ω}}^2}+\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{{\mathrm{\ω}}_R^2}-(\frac{{\mathrm{\ω}}_E^2}{{\mathrm{\ω}}_R^2}+\frac{{\mathrm{\ω}}_M^2}{{\mathrm{\ω}}_R^2})\left]\right\}---\left(1\right)$

其中，

和β为Bloch波的传播常数，d为周期性单元的长度。在ω_M＞ω_E的情况下，传输线的色散曲线可以通过计算式(1)得到。当βd取不同值时可得到上述复合左右手传输线的不同的谐振频率，具体的表达式如下：

${\mathrm{\β}}_{n}d=\frac{\mathrm{n\πd}}{l}=\frac{\mathrm{n\π}}{N}(n=0,\±1,\±2,\·\·\·,(N-1))---\left(2\right)$

上式中N(＝l/d)和l分别代表周期单元的个数和整个谐振器的长度。式(2)也指出当n＝0时，该复合左右手结构的谐振单元具有零阶的谐振频率，其表达式为：

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ZOR}}={\mathrm{\ω}}_E=1/\sqrt{L_L{C}_R}---\left(3\right)$

由式(3)可以看出，复合左右手传输线的零阶谐振频率是由周期单元的并联电感和并联电容所决定，与整个传输线(由多个周期单元构成)的总长度无关。因此，可以根据这个思想利用复合左右手传输线来构造子波天线。

在本实施实例1中，每个天线阵单元由三个基于左右手结构的周期单元构成。周期单元之间的交指电容22、辐射片21和接地板30间的电容、电流流过辐射片21产生的电感及电流流过辐射片21和接地板30间导通的短路针41产生的电感共同组成了构成复合左右手传输线的串联电容C_L、并联电容C_R、串联电感L_R和并联电感L_L。因此可以看出，本发明的二元阵天线具备零阶谐振所要求的条件。作为实验，我们设计了基于零阶谐振频率为f₀＝10.3GHz的二元阵天线。天线阵单元的物理尺寸为0.37λ₀×0.12λ₀，其中λ₀为零阶谐振波长，具体见本发明实施实例1图1。该二元阵天线达到了预期设定的效果，并且这个子波的二元阵天线物理尺寸远远小于传统微带天线所能达到的最小尺寸值，这说明本发明可以实施。

图4为本发明实施实例1的宽带二元阵天线的回波损耗/频率曲线图；图5为本发明实施实例1的宽带二元阵的电压驻波比(VSWR)/频率曲线图。从图中可以看出，天线的绝对带宽达到480MHz(VSWR＜2)，达到超宽带天线的设计标准。可见，本发明在拓展天线频率带宽上的效果是明显而显著的。本发明实施实例1的宽带二元阵天线的峰值Gain达到9.7dBi。

实施例2：

请参阅图6为本发明实施实例2宽带二元阵天线的上表面元件结构示意图。相邻辐射片21之间的交指电容22设计成5个交指，微波介质基板10为FR4环氧玻璃布材料，其他结构均与实施实例1相同。

Claims (4)

1.一种复合左右手传输线的宽带二元阵天线，包括一涂覆铜箔的微波介质基板和通过刻蚀铜箔在微波介质基板上的上、下表面分别形成的上表面元件和下表面元件，其特征在于：所述的上表面元件包括两个结构相同的天线阵单元，天线阵单元之间通过弓形连接线相连接；弓形连接线中间的某处连接微带线的一端，连接点到弓形连接线的两个端口的距离之间相差λ/2，λ为天线阵单元的工作波长，微带线的另一端和馈源相连接，所述的下表面元件为接地板，每个天线阵单元由N个依次排列的方形辐射片构成，N取2～10个，每个辐射片通过短路针穿过微波介质基板与接地板导通；天线阵单元最外边的辐射片上刻蚀有方形槽，每两个辐射片之间刻蚀有方齿形刻蚀线，构成一个或多个方齿形交指，以构成交指电容，所述的弓形连接线和辐射片之间刻蚀有缝隙，缝隙的间距可以为0.1mm～0.3mm。

2.根据权利要求1所述的一种复合左右手传输线的宽带二元阵天线，其特征在于：所述的微波介质基板由特氟龙材料构成、FR4环氧玻璃布或发泡聚苯乙烯构成。

3.根据权利要求1所述的一种复合左右手传输线的宽带二元阵天线，其特征在于：所述的弓形连接线为形状弯曲的微带线。

4.根据权利要求1所述的一种复合左右手传输线的宽带二元阵天线，其特征在于：所述的方齿形刻蚀线构成的交指电容宽度小于辐射片宽度。

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