CN107069201A - 基于磁单负材料的亚波长谐振腔天线 - Google Patents

Abstract

基于磁单负材料的亚波长谐振腔天线，包括间隔设置的全反射板和部分反射板，部分反射板与全反射板相反的一面为表面一，朝向全反射板的一面为表面二，表面一和表面二上均设置有贴片单元阵列，任意两个相邻的表面一贴片单元相接，且任意一个表面一贴片单元均包括至少一个空缺部；任意两个相邻的表面二贴片单元之间间隔设置；全反射板朝向部分反射板的一面设置有辐射金属贴片，另一面涂覆金属层。本发明基于磁单负特异材料特性及天线结构设计，提供一种体积小、重量轻，结构灵活的天线，接收波段信号对此类天线体积及重量的影响小。

Description

基于磁单负材料的亚波长谐振腔天线

技术领域

本发明涉及天线领域，具体的说，涉及一种基于特异材料的亚波长谐振腔天线。

背景技术

待接收信号的频段一定程度决定所需应用的天线的尺寸。以GHz波段信号的接收为例，国际和国内现用于接收GHz波段信号(例如太阳射电信号、***信号L、S、C、Ku波段)的天线主要是抛物面天线，这类天线体积大、重量大、维护费用高，特别是太阳射电成像***中的天线更是如此。

相对于抛物面天线，微带贴片天线是一种平面天线，具有体积小、重量轻、剖面薄、易于加工、易与有源器件和电路集成为单一模块等诸多优点，在空间探测方面有诸多优势，已被用于星载卫星观测***中。传统的微带贴片天线也具有一些不足，例如，可接收频带较窄、极化纯度差、寄生馈电辐射大等。传统的腔体微带贴片天线，利用谐振腔共振原理可实现高方向性，由于受金属反射面180反射相位的限制，谐振腔的厚度需要满足：其中d为谐振腔的厚度，λ为接收信号的波长，n为任意正整数，也就是说，谐振腔的厚度最小只能做到接收信号波长的二分之一，若将这种天线用于接收GHz波段信号，视信号需要将谐振腔厚度做到较大，天线整体厚度也限制了天线体积的减小。

特异材料是一种新型的人工材料，是指具有亚波长周期性结构的材料，利用材料表面周期性晶格的设计，可使局域共振机制起主导作用。特异材料的介电常数和磁导率可以同时为负值，或者其中之一为负值，或同时小于1。常规材料的电磁特性，主要源于组成材料本身的原子分子对电磁波的相应，特异材料的电磁特性主要源于人工谐振单元对电磁波的响应，利用其电磁波特殊的调控机理，可构造等效磁导率小于零而介电常数大于零的磁单负材料，磁单负材料属于特异材料的一种，由于磁单负材料的等效磁导率小于零，使其表面的反射相位为0，即产生同相反射，因此，利用磁单负材料的零反射相位特性，可以实现突破半波长尺度限制的谐振腔(亚波长谐振腔)，其谐振腔的厚度可以趋于零，从而可以实现天线***的小型化。另外，磁单负材料可以用来抑制印刷天线的表面波损耗，从而改善辐射旁瓣和背散射性能。

公开号为CN101461097A的中国专利公开了一种采用AMC材料的便携式天线，包括第一层组和第二层组，第一层组和第二层组上下间隔平行设置，中间形成空腔层，其提供了一种三层结构的小型天线。但是其第一层为天线层，第二层为电路结构层，两层之间是用于隔绝天线层和电路曾的电磁屏蔽层，也就是说，其天线特性层仅为第一层，其他两层不具有天线的特性。虽然其也公开了贴片的结构，但贴片是经垂直导电空与固定底线连接的，为一种传统的天线设计结构。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中，天线尺寸受接收信号波段影响，高波段信号要求接收天线体积大、重量大，以至此类天线存在不易与其他器件共形、维护困难的问题，基于磁单负特异材料特性及天线结构设计，提供一种体积小、重量轻、结构灵活的天线，接收波段信号对此类天线体积及重量的影响小。

本发明的技术方案为：基于磁单负材料的亚波长谐振腔天线，包括间隔设置的全反射板和部分反射板，部分反射板与全反射板相反的一面为表面一，朝向全反射板的一面为表面二(即与表面一相反的一面为表面二)，表面一和表面二上均设置有贴片单元阵列，任意两个相邻的表面一贴片单元相接，且任意一个表面一贴片单元均包括至少一个空缺部；任意两个相邻的表面二贴片单元之间间隔设置；部分反射板的上下两表面上的贴片阵列起到调节部分反射板的反射特性的作用，既能调节信号的反射率，同时能调节信号的反射相位；全反射板朝向部分反射板的一面设置有辐射金属贴片，另一面涂覆金属层，作为全反射面，且这一面设置有馈电接头(馈电输出端)，馈电接头与辐射金属贴片相接，通过馈电接头输出天线信号。

优选为：表面一贴片单元和表面二贴片单元均为规则两侧对称形状。

优选为：表面一贴片单元为四边形，且四边形四个角部分形成四个空缺部。

优选为：表面一贴片单元为十字形贴片，任意两个相邻的十字形贴片相对的一边相接；表面二贴片单元为方形贴片。

优选为：十字形贴片的边长大于正方形贴片的边长。

优选为：部分反射板的一个表面一贴片单元与一个表面二贴片单元的中心对齐。中心互为对齐的一组表面一贴片单元和表面二贴片单元构成一个信号调理组，可实现更稳定的信号调理作用。

优选为：全反射板为固定安装结构，部分反射板为可拆卸可调结构。

优选为：部分反射板通过滑动部件安装在竖向滑轨上。

优选为：全反射板和部分反射板上设置有配合安装孔，通过调节螺钉配合安装。将全反射板和部分反射板之间设计为可拆卸的结构，便于调整谐振腔的厚度，也方便根据接收需求，通过更换全反射板或部分反射板的方式调整天线的接收频率。

优选为：全反射板和部分反射板之间的间隔为空气层或填充有介质材料，信号可通过即可。

优选为：全反射板和部分反射板平行设置，实现更稳定的信号传输和调理。

本发明的有益效果为：

(1)本发明提供了一种含单层磁单负材料的亚波长谐振腔特异材料天线是一种平面天线，本发明基于部分反射板表面一和表面二的贴片单元阵列，使部分反射板具有磁单负材料的特性，利用磁单负材料的特殊电磁特性，其整体厚度可以远小于探测或者接收电磁波的波长的二分之一，特别是，利用磁单负材料的零反射相位特性，谐振腔厚度可以趋于零。与现有微带贴片天线相比，谐振腔厚度不受接收信号波长的限制，从而可极大减小天线的尺寸。

(2)特异材料微带天线的主体是介质材料，部分反射板和全反射板表面的金属层占整体重量很小，因此，含单层磁单负材料的亚波长谐振腔特异材料天线是具有体积小、重量轻、超薄、易与其他器件共形等多个优点。这类新型的特异材料天线继承了传统微带天线的优点，同时克服了很多传统微带天线的缺点。

(3)与公开号为CN101461097A的专利相比，虽然本申请提供的天线也是一种三层结构，但本申请中三层均具有天线的特性，三层配合工作，使天线的性能大大提高。

(4)天线的工作频率受谐振腔厚度和磁单负单元个体尺寸、磁单负材料整体尺寸的影响。调整谐振腔的厚度可调整，全反射板和部分反射板的组装结构灵活，可根据天线应用场合、待接收信号的波段特性调整二者之间的间距，从而调整谐振腔的厚度。也可以更换具有不同磁单负单元尺寸的部分反射板，调整接收天线的频率响应特性，使天线工作在最佳的接收或发射频率。进一步使该天线为一种变频天线。

(5)全反射板和部分反射板的组装结构灵活，另一方面好处为：天线组装后，可通过微调改变谐振腔的厚度，避免了调整天线结构而重新加工，从而节省了加工成本和降低了测试调试难度。

附图说明

图1为天线结构示意图；

图2为部分反射板表面一结构示意图；

图3为部分反射板表面二结构示意图；

图4为全反射板全反射面结构示意图；

图5为全反射板与部分反射板相对的一面结构示意图；

图6为部分反射板的表面一贴片单元结构示意图；

图7为部分反射板的表面二贴片单元结构示意图；

图8为部分反射板传统单元与磁单负单元的反射率对比图；

图9为部分反射板传统单元与磁单负单元的反射相位对比图；

图10为工作频率为2.8GHz的天线的S11图；

图11为工作频率为2.8GHz的天线的方向增益图。

图12为另一种实施方式表面一贴片单元结构示意图。

图13为另一种实施方式表面一贴片单元结构示意图。

图14为另一种实施方式表面一贴片单元结构示意图。

图15为另一种实施方式表面二贴片单元结构示意图。

图16为另一种实施方式表面二贴片单元结构示意图。

图17为另一种实施方式表面二贴片单元结构示意图。

其中：1-部分反射板，2-全反射板，3-谐振腔，4-表面一贴片单元，5-表面二贴片单元，6-金属全反射面，7-馈电接头，8-辐射金属贴片

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的具体实施方式进行清楚完整地描述。显然，具体实施方式所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明提供了一种基于磁单负特异材料的亚波长谐振腔天线，属于微带贴片天线的一种，与现有技术中微带贴片天线相比，基于特异材料的频率调整特性，可使天线的谐振腔厚度大大减小，且不受接收信号频段的限制，从而可大大减小天线的体积和重量。

实施例1

如图1所示，为本发明提供的谐振腔天线结构示意图。基于磁单负特异材料的亚波长谐振腔天线包括间隔平行设置的全反射板3和部分反射板1；全反射板2和部分反射板1之间的间隙即形成谐振腔2。根据接收信号的方向不同，全反射板3可位于部分反射板1下方，也可以为全反射板3位于部分反射板1上方。

如图2和图3所示，部分反射板1上下两表面均设置有周期排布的贴片单元阵列，任意两个相邻的表面一贴片单元相接，且任意一个表面一贴片单元均包括至少一个空缺部，用于使信号通过部分反射板1；任意两个相邻的表面二贴片单元之间间隔设置；全反射板3朝向部分反射板1的一面设置有辐射金属贴片8，另一面涂覆金属层作为金属全反射面6，金属全反射面6上有馈电接头7。馈电接头7正极与辐射金属贴片8相接，用于导出天线信号；馈电接头7负极接地。

具体的说，部分反射板的表面一贴片单元包括N个，相接结合构成表面一贴片单元4阵列，表面二贴片单元包括N个，间隔排列构成表面二贴片单元5阵列。表面一贴片单元和表面二贴片单元的这种配合结构，构造部分反射板为单层磁单负材料，对接收信号产生调节作用。其中部分反射板1主要作用有两个，一个是使部分信号能够透过部分反射板1，入射到谐振腔2内，另一个作用是对未透射进谐振腔的信号起到反射作用，同时可以调节进入谐振腔内的电磁波信号的反射相位。其进入谐振腔2内的信号强弱与表面一贴片单元的空缺部的设置有关。

部分反射板1的表面二贴片单元阵列以及全反射板的金属反射面6配合作用，二者的主要作用是对透射进入谐振腔2的信号进行多次反射、叠加，信号经过多次加强后，最终使信号被馈源(包含辐射金属贴片8和馈电输出端)接收。

作为优选，部分反射板1上的表面一贴片单元4和表面二贴片单元5均为规则的两侧对称形状，一个表面一贴片单元4和一个表面二贴片单元5的中心对齐。这种结构可增强表面一贴片单元4和表面二贴片单元5的反射特性，即可以得到合适的反射率和可调的反射相位，由于采用对称结构，可实现稳定的信号调理效果，同时可以调节进入谐振腔的电磁波信号的反射相位。

例如，部分反射板1上的表面一贴片单元4可采用四边形，且四边形四个角部分形成四个空缺部。也就是说，表面一贴片单元是由一个四边形演变而成的形状，在四边形的四个角对称的构成出四个空缺部，为信号传入、传出部分反射板1提供通道。这个空缺部可以为三角形或正方形或其他的形状。

再给出一种具体的实施方式，部分反射板1上的表面一贴片单元4为十字形贴片，任意两个相邻的十字形贴片相对的一边相接；表面二贴片单元5为正方形贴片。可以理解，十字形贴片即是一个正方形或长方形演变而形成的结构，可以想象为一个正方形或长方形对称的抠除四个角后形成的。

作为一种更优的实施方式，一个十字形贴片与一个正方形贴片中心对齐，十字形贴片的长度大于正方形贴片的边长。由于十字形贴片是每个均连接，而正方形贴片需要间隔设置，这种结构才可以实现一个十字形贴片对应一个正方形贴片，中心对齐。

全反射板和部分反射板之间的间隔，也就是谐振腔2，可以为空气层或填充介质材料，其中所述的介质材料是指天线信号可传输的材料。

除采用十字形贴片和正方形贴片外，表面一贴片单元4和表面二贴片单元5还可以采用其他的形状。如图12至图17所示，给出了其他几种表面一贴片单元4和表面二贴片单元5的实施结构示意图。

以上，概括论述了天线的结构，以下，将以一种2.80GHz特异材料天线为具体实施方式来说明天线的结构。由于本发明提供的天线，其谐振腔2的厚度，贴片单元的尺寸都会影响天线接收信号的频率，因此，以下具体实施方式提供的天线尺寸提供了一种工作频率为2.80GHz的天线。该天线以太阳10.7cm波长(2.80GHz，对应F107指数)的射电辐射流量计中的天线接收频率2.80GHz为例，谐振腔以空气为例，进行设计。

谐振腔2的两个反射壁，分别是，下面的全反射板3，包含金属全反射面6和金属辐射贴片8，上面的是部分反射板1，包括表面一和表面二，分别设置不同的贴片结构。

图4至图7给出了这种实施方式天线结构示意图。具体来说，该天线由三层结构组合而成。其中位于底部的全反射板3为厚度为1.6mm的介质板，介质的介电常数为3.6。一面覆盖铜层作为金属全反射面6，另一面的中央是作为激励源的通过50Ω同轴线直接馈电的辐射金属贴片8，辐射金属贴片8的尺寸为25mm*16.7mm；位于中间的是作为谐振腔2填充空气的第二层结构，厚度为17.2mm；位于天线顶部的部分反射板1，厚度为5mm，它的表面一刻有周期为34*34的十字形金属贴片(表面一贴片)4，单元金属网格线条的宽度为4mm，长度为12mm。它的表面二为周期为34*34的正方形金属贴片(表面二贴片)5，单元金属贴片的尺寸为11.4mm，金属片间的间距为1.2mm。

天线的工作参数为：工作频率为2.80GHz，谐振腔2厚度仅为17.2mm，仅为工作频率空气波长108mm的1/6，实现了天线超薄特性，S11参数为-21.4dB,主瓣的增益为20.2dB，最大增益角度为0°，主瓣方向角为16.9°，旁瓣电平为-19.9dB。该天线与传统的贴片天线相比，具有更高的增益和主波束效率。与传统抛物面天线相比，相同的性能下具有更小的体积和更小的厚度，可具有更轻的重量，结构更加简单，加工更加方便。

天线结构的上层结构为部分反射板1，上层结构的非完全反射特性使得电磁波既能在谐振腔2中多次反射以使谐振频率的电磁波信号实现共振增强，同时又能保证信号向前方辐射出去或者被馈源接收。

传统的部分反射平板结构通常为介质平板的一面上是周期排布金属贴片，而另一面不具有贴片结构，此处，我们称这种结构的天线为谐振腔体天线。与传统的结构不同，新型的部分反射平板上是由亚波长磁单负谐振单元(表面一为金属网格结构，表面二为周期排布的方形金属贴片)周期性排布构成。传统部分反射平板面，和由磁单负单元周期排布构成的部分反射平板面，在2.8GHz的反射率分别为0.973和0.975，满足高反射的特性。当2.8GHz频率的电磁波照射到传统结构时会产生接近180度的反射相位，所以腔体的最小厚度接近工作频率波长的一半，工作频率的电磁波在共振腔体中才能反射叠加增强。但2.8GHz频率的电磁波照射到含磁单负材料的结构时，电磁波的反射相位可以为0或者接近0，所以谐振腔2厚度可以小于半波长，从而实现亚波长谐振腔体。

图8和图9给出了本实施例天线与传统的部分反射结构材料天线反射率和反射相位的对比图。从图8可见，采用磁单负特异材料的天线，其反射率较传统天线的反射率有较大的不同；图9可见，采用磁单负特异材料天线较传统天线相比，反射相位可以接近0或者等于0。需要说明，由于本实施例提供的为2.8GHz的天线，可见在2.8GHz附近，天线的反射相位接近于0，而在2.8GHz正负范围内，由于天线特性不再适用于这种工作频率，频率差越大，反射相位也会逐渐增大。

图10和图11给出了本实施例中天线的S11图和方向增益图，可见天线性能良好。

该设计方法也适用于其他频率的新型天线。适当的调整亚波长谐振腔2的厚度，及磁单负单元结构和辐射金属贴片的尺寸(特别说明的是，构成磁单负单元的结构不限定于十字网格和矩型贴片，其他形状的组合也可以实现磁单负单元)，使其等效磁导率小于零甚至趋于负无穷大，从而调整磁单负材料的零反射相位(或者任意数值的反射相位)频率，并调整天线的工作频率。

具体的说，部分反射平板层1的部分反射特性的变化可以通过改变磁单负材料的基本单元的大小来实现，例如，组成贴片阵列的十字交叉金属线的宽度调控，宽度增加时平板层1的反射率增大，宽度减小时平板层1的反射率减小。部分反射平板层1的零反射相位对应的频率，主要由表面二贴片单元5方形金属贴片的宽度调整，宽度增加时部分反射平板层的零反射相位频率向低频移动，宽度减小时部分反射平板层的零反射相位频率向高频移动。根据以上规律可以设计不同频率响应的磁单负单元。

磁单负单元整体尺寸增大时，部分反射平板层1的零反射相位频率向低频移动。磁单负单元整体尺寸减小时，部分反射平板层1的零反射相位频率向高频移动。

天线的工作频率也可通过调整亚波长谐振腔2的厚度来调整。当谐振腔体2的厚度增加时，天线工作频率向低频移动，当谐振腔体2的厚度减小时，天线的工作频率向高频移动。电磁波在共振腔体中多次反射叠加，满足上下两面的反射相位与波程相位之和为2π的整数倍才能实现叠加增强。磁单负特异材料在一定的频率范围内可以实现接近零的反射相位，在这个频率范围内腔体厚度发生变化，满足电磁波共振增强条件的频率也会随之发生变化。所以通过适当调节腔体的厚度可以调整天线的工作频率。

综合调整各个尺寸参数可以实现天线的最佳辐射性能。

该天线结构利用亚波长谐振腔结构对于放置在腔体内部的辐射源8，可以起到增强辐射方向性的作用，提高天线辐射的增益。利用磁单负材料的0反射相位特性，实现了谐振腔体的亚波长超薄厚度。

实施例2

本实施方式进一步提供一种谐振腔2厚度可调的天线结构。除以下不同外，其他结构同实施例1。

实施例1中已述，可通过调整谐振腔2厚度或改变磁单负阵列单元的尺寸来调整天线的工作频率。而现有结构中，天线一般为固定结构，一但组装好，很难再改变天线的结构。

本实施例中可将全反射板3和部分反射板1均设计为可拆卸可调的结构，通过调整二者的位置可调整谐振腔2的厚度，通过拆卸更换，可更换不同尺寸磁单负阵列单元的部分反射板1。另外一种方式，也可将全反射板3设计为固定安装结构，部分反射板为可拆卸可调结构。

具体的说，部分反射板1通过滑动部件安装在竖向滑轨上，通过在滑轨上移动，可调整谐振腔2的厚度。

另一种实施方式，全反射板3和部分反射板1上设置有配合安装孔，通过调节螺钉配合安装。通过配合螺钉旋转可调整二者之间的间距。

Claims (10)

1.基于磁单负材料的亚波长谐振腔天线，其特征在于：包括间隔设置的全反射板和部分反射板，部分反射板与全反射板相反的一面为表面一，朝向全反射板的一面为表面二，表面一和表面二上均设置有贴片单元阵列，任意两个相邻的表面一贴片单元相接，且任意一个表面一贴片单元均包括至少一个空缺部；任意两个相邻的表面二贴片单元之间间隔设置；全反射板朝向部分反射板的一面设置有辐射金属贴片，另一面涂覆金属层。

2.如权利要求1所述的基于磁单负材料的亚波长谐振腔天线，其特征在于：表面一贴片单元和表面二贴片单元均为规则对称形状。

3.如权利要求2所述的基于磁单负材料的亚波长谐振腔天线，其特征在于：表面一贴片单元为四边形，且四边形四个角部分形成四个空缺部。

4.如权利要求3所述的基于磁单负材料的亚波长谐振腔天线，其特征在于：部分反射板的表面一贴片单元为十字形贴片，任意两个相邻的十字形贴片相对的一边相接；表面二贴片单元为方形贴片。

5.如权利要求1或2或3或4所述的基于磁单负材料的亚波长谐振腔天线，其特征在于：部分反射板的一个表面一贴片单元与一个表面二贴片单元的中心对齐。

6.如权利要求1所述的基于磁单负材料的亚波长谐振腔天线，其特征在于：全反射板为固定安装结构，部分反射板为可拆卸可调结构。

7.如权利要求6所述的基于磁单负材料的亚波长谐振腔天线，其特征在于：所述部分反射板通过滑动部件安装在竖向滑轨上。

8.如权利要求1或6所述的基于磁单负材料的亚波长谐振腔天线，其特征在于：全反射板和部分反射板上设置有配合安装孔，通过调节螺钉配合安装。

9.如权利要求1所述的基于磁单负材料的亚波长谐振腔天线，其特征在于：全反射板和部分反射板之间的间隔为空气层或填充介质材料。

10.如权利要求1所述的基于磁单负材料的亚波长谐振腔天线，其特征在于：全反射板和部分反射板平行设置。