CN104078773A - 一种微带贴片天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微带贴片天线，属于射频微波技术领域。该微带贴片天线包括基片以及分别附着于基片两面的金属贴片天线、金属接地层，在基片的附着有金属贴片天线的表面上还附着有环绕所述金属贴片天线的左手材料谐振层，所述左手材料谐振层由一组周期耦合的双环双开口谐振单元构成，双环双开口谐振单元包括两个同心的开口金属环，两个开口金属环上均设置有两个大小相同、位置相对的开口，且两个开口环上开口的位置相互错开。进一步地，所述金属接地层上设置有一组均匀分布的圆形通孔。本发明通过在微带贴片天线的两面分别构建左手材料谐振层、光子带隙，可有效消除贴片天线所产生的表面波及高次谐波，提升信号的增益及辐射方向性。
Description
技术领域
本发明涉及一种天线，尤其涉及一种微带贴片天线，属于射频微波技术领域。
背景技术
微带贴片天线普遍应用与频率高于100MHZ的低轮廓结构，常用的一类微带天线是在一个薄介质基上，一面附上金属薄层作为接地板，另一面用光刻腐蚀等方法做出一定形状的金属贴片，利用微带线和轴线探针对贴片馈电，这就构成了微带天线。长为L，宽为W的矩形微带天线元可看作一般低阻传输线连接两个辐射缝组成。L为半个微带波长即为λg/2时，在低阻传输线两端形成两个缝隙，构成一二元缝阵，向外辐射能量。其贴片可采用光刻工艺制造，使之成本低，易于大量生产。这种普通的微带天线增益较低，方向性较差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种微带贴片天线，大幅降低了表面波影响，提高了信号的增益和辐射方向性。
本发明采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种微带贴片天线，包括基片以及分别附着于所述基片两面的金属贴片天线、金属
接地层，在所述基片的附着有金属贴片天线的表面上还附着有环绕所述金属贴片天线的左手材料谐振层。
优选地，所述左手材料谐振层由一组周期耦合的双环双开口谐振单元构成，所述双环双开口谐振单元包括两个同心的开口金属环，两个开口金属环上均设置有两个大小相同、位置相对的开口，且两个开口环上开口的位置相互错开。
优选地，所述双环双开口谐振单元的数量为40个。
优选地，所述开口金属环的形状为矩形。
优选地，所述左手材料谐振层关于金属贴片天线的中心轴对称。
为了更有效地消除表面波以及高次谐波的影响，作为本发明的进一步改进方案，所述金属接地层上设置有一组均匀分布的圆形通孔。
优选地，所述圆形通孔均匀分布于所述金属贴片天线正下方的位置。
优选地，所述圆形通孔关于金属贴片天线的中心轴对称分布。
优选地，任意两个相邻圆形通孔之间的距离等于该微带贴片天线所收发信号波长的四分之一。
相比现有技术，本发明以及本发明的优选、改进方案具有以下有益效果：
本发明通过在微带贴片天线的贴片天线周围设置左手材料谐振层，充分利用了左手材料的负折射效应，能够有效消除贴片天线产生的表面波并提高信号的辐射方向性；
本发明提出了一种全新结构的左手材料，由一组周期耦合的双环双开口谐振单元构成，相比现有单开口谐振器构建的左手材料，具有更好的频率适应性，能够更好的工作于微波频段，而不仅仅是工作于很高的频率段；
本发明进一步利用光子带隙结构来增强表面波和高次谐波的抑制效果，进一步提高了微带贴片天线的性能；
本发明结构紧凑，便于加工，实现成本较低。
附图说明
图1为具体实施方式中所述微带贴片天线的俯视图；
图2为双环双开口谐振单元的放大图；
图3为具体实施方式中所述微带贴片天线的仰视图；
图4为具体实施方式中所述微带贴片天线的三维结构透视图；
图5为具体实施方式中左手材料谐振层的等效介电常数和磁导率实部仿真结果；
图6为具体实施方式中左手材料谐振层的等效介电常数和磁导率虚部仿真结果；
图7为具体实施方式中所述微带贴片天线的方向图仿真结果；
图8为具体实施方式中所述微带贴片天线的回波损耗S11仿真结果；
图中各标号含义如下：
1、金属贴片天线，2、左手材料谐振层，3、基片，4、双环双开口谐振单元，5、金属接地层，6、圆形通孔。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：
本发明的思路是在微带贴片天线的正面和反面分别构建左手材料谐振层、光子带隙结构，利用左手材料以及光子带隙结构的特性，有效消除贴片天线所产生的表面波及高次谐波，从而提升信号的增益及辐射方向性。
为了便于公众理解，在对本发明技术方案进行详细说明之前，先对左手材料以及光子带隙结构的基本内容进行简要介绍。
左手材料（Left-Handed Material，简称LHM）是指介电常数和磁导率同时为负值的材料。左手材料具有不同于自然界里存在的右手材料的特性。在左手材料中，电磁波的电场，磁场和波矢构成左手关系。电磁波在左手材料中与右手材料中相反，具有负折射，负的切连科夫效应，反的多普勒效应等等。
光子带隙（Photonic Band-Gap，简称PBG）是指某一频段范围内，波不能在此周期性结构中传播，即这种周期结构存在禁带。这一概念最初是在光学领域中提出的，现在它的研究范围已扩展到微波和声波波段。
本发明在微带贴片天线正面的贴片天线周围设置左手材料谐振层，利用左手材料抑制表面波，并进一步在背面的金属接地层上设置光子带隙结构，利用光子带隙结构增强表面波及高次谐波的抑制效果。本发明的左手材料谐振层以及光子带隙结构均可采用现有的各种左手材料结构及光子带隙结构。为了便于公众理解本发明技术方案，下面举一个优选实施例来进行说明。
本实施例中的微带贴片天线与现有微带贴片天线的基本结构类似，均包括中间的介质基片，以及分别贴装于基片正、反面的金属贴片天线、金属接地层。其不同之处在于，本实施例的微带贴片天线的正面围绕金属贴片天线设置有左手材料谐振层，背面的金属接地层上设置有光子带隙结构。
图1显示了本实施例微带贴片天线的俯视图，如图所示，金属贴片天线1贴装于基片3（采用Rogers 5880介质板，介电常数为2.2，厚度为0.8毫米）的中间部位，在金属贴片天线1的周围环绕有左手材料谐振层2。本实施例中的左手材料谐振层2并未采用现有的互补单开口谐振器构造，而是利用一组周期耦合的双环双开口谐振单元4构成，所述双环双开口谐振单元4包括两个同心的开口金属环，两个开口金属环上均设置有两个大小相同、位置相对的开口，且两个开口环上开口的位置相互错开。本实施例中的双环双开口谐振单元4的结构如图2所示，两个开口金属环的形状均为矩形，外环和内环的开口位置均在一对对边的中间部位。本实施例中双环双开口谐振单元4的数量为40个，且关于金属贴片天线1的中心轴对称分布。
图3显示了本实施例微带贴片天线的仰视图，如图所示，基片3的背面附着有一层金属接地层5，在金属接地层5上设置有一组均匀分布的圆形通孔6，这些均匀分布的圆形通孔6构成了光子带隙结构，可通过蚀刻的方式制备。为了更好的抑制表面波和高次谐波，这些均匀分布的圆形通孔6最好设置于金属贴片天线1所对应的正下方位置处，最好关于金属贴片天线1的中心轴对称分布。本实施例中任意两个相邻的圆形通孔6之间的距离等于该微带贴片天线所收发信号波长的四分之一。
图4为本实施例微带贴片天线的三维结构透视图。
在本实施例的微带贴片天线中，相邻双环双开口谐振单元4通过空气隙相互耦合，所有双环双开口谐振单元4周期耦合构成左手材料谐振层，与背面的光子带隙结构共同作用，可最大限度地抑制表面波及高次谐波。
本实施例中的微带贴片天线采用同轴馈线进行馈电，该同轴馈线的阻抗均为50欧姆，且位于所述微带贴片天线的中心纵轴上。
当微带贴片天线工作时，贴片天线向外辐射能量，同时介质基板上产生表面波影响能量向外辐射；由于左手材料谐振层等效介电常数和等效磁导为负值的特殊特性，介质层上的表面波得到了很好的抑制。再加上底面PBG层的作用，大量由于天线谐振产生的表面波被抑制，辐射能量基本从贴片天线上向外辐射出去，从而使得天线的增益和方向性得到了很好的提高，天线性能得到明显改善。
双环双开口谐振单元工作的频率范围在微波范围内，应用性更广。图5、图6显示了本发明的双环双开口谐振单元的等效介电常数和磁导率的仿真结果，其中图5为实部，图6为虚部。从图中可以看出，其等效介电常数和磁导率在6.9GHz附近达到负的极大值，且介电常数和磁导率在该频段处的绝对值比现有单开口谐振器更高。
图7显示了本发明微带贴片天线的方向图和增益，图8显示了本发明微带贴片天线的回波损耗S11。从图7~图8以看出，本发明微带贴片天线的-10dB带宽为6.75GHz~7.15GHz，中心频率为6.9GHz。能量从同轴馈线输入时，回波损耗大于25dB，本发明微带贴片天线的增益比普通微带天线增加3.4dB，半功率辐射张角缩小24°。
Claims (10)
1.一种微带贴片天线，包括基片以及分别附着于所述基片两面的金属贴片天线、金属接地层，其特征在于，在所述基片的附着有金属贴片天线的表面上还附着有环绕所述金属贴片天线的左手材料谐振层。
2.如权利要求1所述微带贴片天线，其特征在于，所述左手材料谐振层由一组周期耦合的双环双开口谐振单元构成，所述双环双开口谐振单元包括两个同心的开口金属环，两个开口金属环上均设置有两个大小相同、位置相对的开口，且两个开口环上开口的位置相互错开。
3.如权利要求2所述微带贴片天线，其特征在于，所述开口金属环的形状为矩形。
4.如权利要求2所述微带贴片天线，其特征在于，所述双环双开口谐振单元的数量为40个。
5.如权利要求2所述微带贴片天线，其特征在于，所述左手材料谐振层关于金属贴片天线的中心轴对称。
6.如权利要求1～5任一项所述微带贴片天线，其特征在于，所述金属接地层上设置有一组均匀分布的圆形通孔。
7.如权利要求6所述微带贴片天线，其特征在于，所述圆形通孔均匀分布于所述金属贴片天线正下方的位置。
8.如权利要求7所述微带贴片天线，其特征在于，所述圆形通孔关于金属贴片天线的中心轴对称分布。
9.如权利要求6所述微带贴片天线，其特征在于，任意两个相邻圆形通孔之间的距离等于该微带贴片天线所收发信号波长的四分之一。
10.如权利要求6所述微带贴片天线，其特征在于，还包括用于给金属贴片天线馈电的同轴馈线。
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