CN109509977B - 加载圆回形左手材料单元的单极子天线 - Google Patents

加载圆回形左手材料单元的单极子天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了加载圆回形左手材料单元的单极子天线，涉及无线通信领域。该单极子天线为平面结构，包括：介质板（1）、共面波导（2）、半环形辐射贴片（3）和弧形微带线（4）；用于馈电的共面波导（2）的馈线（20）的一端与半环形辐射贴片（3）的中心位置连接，弧形微带线（4）位于半环形辐射贴片（3）的正上方；在半环形辐射贴片（3）和弧形微带线（4）之间印刷有多个圆环形左手材料单元构成的阵列（5）。本发明加载圆回形左手材料单元的单极子天线通过加载圆回形左手材料单元，使得普通的单极子天线实现了更加良好的阻抗匹配，同时也获得了增益的提高，具有尺寸小，结构简单，易加工，高增益，低损耗等优点。

Description

加载圆回形左手材料单元的单极子天线
技术领域
本发明属于无线通信领域，涉及加载圆回形左手材料单元的单极子天线。
背景技术
左手材料是一种最为经典的超材料，被定义为在某些频段内同时具有负介电常数和负磁导率。由周期性尺寸远远小于工作波长的人工单元结构组成，这类材料可呈现天然材料所不具备的超常物理性能。
随着信息技术的飞速发展，无线通信技术因其不受地理环境的约束可以随时随地进行信息传输与交换，被广泛应用于人们生活和社会发展的方方面面，同时无线通信方式的多样化极大的便利了人们的生活和工作。在随处可见的无线通信***中，信息往往是通过无线电磁波进行传输，而天线做为无线通信***中的重要构成部分，其好坏直观地影响到无线通信的效率和质量。而伴随着当今各类通信***的飞速成长，业界对天线的多项性能和指标同时达成的渴望也愈加浓烈，良好的性能参数需要在天线的设计中开发更加新颖特异的结构，并且需要更具高品质的板材来支持天线设计，显而易见，天线的成本在无形中大幅度的提升了。但是，超材料的出现使得这一问题找到了可行的办法，通过设计超材料的加载，可以使制作天线的成本得以控制的同时提升天线的多项性能参数，因此，将超材料和天线有效的结合，以此来提高天线性能参数的研究存在着深远的价值和意义。
近年来，众多学者将超材料应用于天线设计，取得了很多实质性的进展。超材料作为一种全新的人工电磁材料，由于其具有负的折射率、负的群速度、逆多普勒效应等一系列奇特的物理性质，将其应用于传统的天线设计中，可显著的改善天线的工作性能，如提高增益、增加带宽、小型化、实现多频段以及降低天线间的耦合等等。值得注意的是，基于超材料的新型天线不仅能改善其某一个指标，同时还能提髙多个指标。
本发明加载圆回形左手材料单元的单极子天线，通过加载圆回形左手材料单元，使得普通的单极子天线实现了更加良好的阻抗匹配，同时也获得了增益的提高，具有尺寸小，结构简单，易加工，高增益，低损耗等优点。
本发明内容，经文献检索，未见与本发明相同的公开报道。
发明内容
本发明的目的是提供加载圆回形左手材料单元的单极子天线。本发明加载圆回形左手材料单元的单极子天线，包括：介质板（1）、共面波导（2）、半环形辐射贴片（3）和弧形微带线（4）组成；用于馈电的共面波导（2）的馈线（20）的一端与半环形辐射贴片（3）的中心位置连接，位于半环形辐射贴片（3）上方的弧形微带线（4）为半环形辐射体的近场共振寄生单元；在半环形辐射贴片（3）和弧形微带线（4）之间印刷有圆环形左手材料单元构成的阵列（5）；该左手材料单元阵列（5）的每个单元包括介质板（9）及印刷在介质板（9）上的圆回形贴片（10）；圆回形贴片（10）由两个外部半圆(6、6’)、两个内部半圆（7、7’）和一根过圆心的微带线（8）构成；两个外部半圆(6、6’)上下排列，两个内部半圆（7、7’）相较于外部的半圆绕圆心旋转了 90°，呈左右排列。
所述加载圆回形左手材料单元的单极子天线，该天线可以通过调节弧形寄生单元，便能与驱动单元实现良好的阻抗匹配，近场共振寄生单元的尺寸远大于驱动单元的尺寸，这便使得弧形寄生单元为天线的主要辐射体。
所述加载圆回形左手材料单元的单极子天线，在半环形辐射贴片（3）和弧形微带线（4）之间印刷的圆回形左手材料单元构成的阵列（5）可以由1—3个圆回形左手材料单元构成，当只加载1个圆回形左手材料单元时，该左手材料单元位于半环形辐射贴片（3）和弧形微带线（4）之间的水平和垂直居中位置；当加载2个圆回形左手材料单元时，该左右2个左手材料单元在半环形辐射贴片（3）和弧形微带线（4）之间垂直居中并且在中线两侧对称分布；当加载3个圆回形左手材料单元时，中间的左手材料单元在相对于左右两侧的2个单元垂直方向上向上平移半个内部圆环半径的距离，3个左手材料单元形成一个倒V形的阵列。
所述加载圆回形左手材料单元的单极子天线，采用厚度为1.2mm的FR4介质板，尺寸为25mmX30mm；左手材料单元的尺寸为5mmX5mm。
本发明具有尺寸小，结构简单，易加工，高增益，低损耗等优点。
附图说明
图1单极子天线结构示意图
图2圆回形左手材料单元结构示意图
图3加载1-3个左手材料单元的单极子天线结构示意图
图4加载圆回形左手材料单元的单极子天线的回波损耗对比图
图5加载圆回形左手材料单元的单极子天线的方向图对比图
图6加载圆回形左手材料单元的单极子天线的辐射效率对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行具体实施方式的说明。
如图1、图2和图3所示，本发明加载圆回形左手材料单元的单极子天线，包括介质板（1）、共面波导（2）、半环形辐射贴片（3）和弧形微带线（4）组成；用于馈电的共面波导（2）的馈线（20）的一端与半环形辐射贴片（3）的中心位置连接，位于半环形辐射贴片（3）上方的弧形微带线（4）为半环形辐射体的近场共振寄生单元；在半环形辐射贴片（3）和弧形微带线（4）之间印刷有圆环形左手材料单元构成的阵列（5）；该左手材料单元阵列（5）的每个单元包括介质板（9）及印刷在介质板（9）上的圆回形贴片（10）；圆回形贴片（10）由两个外部半圆(6、6’)、两个内部半圆（7、7’）和一根过圆心的微带线（8）构成；两个外部半圆(6、6’)上下排列，两个内部半圆（7、7’）相较于外部的半圆绕圆心旋转了 90°，呈左右排列。所述加载圆回形左手材料单元的单极子天线，该天线可以通过调节弧形寄生单元，便能与驱动单元实现良好的阻抗匹配，近场共振寄生单元的尺寸远大于驱动单元的尺寸，这便使得弧形寄生单元为天线的主要辐射体。
所述加载圆回形左手材料单元的单极子天线，在半环形辐射贴片（3）和弧形微带线（4）之间印刷的圆回形左手材料单元构成的阵列（5）可以由1—3个圆回形左手材料单元构成，当只加载1个圆回形左手材料单元时，该左手材料单元位于半环形辐射贴片（3）和弧形微带线（4）之间的水平和垂直居中位置；当加载2个圆回形左手材料单元时，该左右2个左手材料单元在半环形辐射贴片（3）和弧形微带线（4）之间垂直居中并且在中线两侧对称分布；当加载3个圆回形左手材料单元时，中间的左手材料单元在相对于左右两侧的2个单元垂直方向上向上平移半个内部圆环半径的距离，3个左手材料单元形成一个倒V形的阵列。
所述加载圆回形左手材料单元的单极子天线，采用厚度为1.2mm的FR4介质板，尺寸为25mmX30mm；左手材料单元的尺寸为5mmX5mm。
通过仿真软件对天线进行多次的调节实验，得到该天线加载不同个数的回波损耗对比图如图 4 所示，由图可知，天线未加载左手材料时的 S11<-10dB 的频段为5.27GHz-7.9GHz，谐振点为 5.6GHz，在谐振点处的 S11 值为-31dB，同时在 6.5GHz附近存在一个S11 值为-21dB 的谐振点；加载一个圆回形左手材料单元的天线工作带宽为 5.59GHz-8.2GHz，整体比未加载左手材料前往高频移动了近 300MHz，谐振点上移至 5.8GHz，此处S11 值为-29dB，加载两个左手材料单元的天线的带宽与加载一个左手材料的带宽和谐振点几乎一致，不同的是其在谐振点处获得了更加良好的阻抗匹配，此处 S11 值为-42dB；当左手材料单元的个数加载到三个时，天线工作的工作带宽和谐振点及谐振点处的值均呈现轻微的下降趋势。总的来说，加载左手材料几乎未对天线的带宽造成影响。
天线在 5.6GHz 处加载不同个数的方向图对比图如图 5 所示，其中图5（a）为该天线的 xoz 面方向图，图5（b）为该天线的 yoz 面方向图。为了便于分析天线辐射过程中，各个分量对天线整体辐射造成的影响，本节采用共极化和交叉极化两个分量的方式来描绘天线的方向图。在图5（a）中，天线 xoz 面共极化的增益在左手材料单元个数由 0 增加到3 的过程中，其最大值分别为 2.23dB、2.75dB、3.45dB、3.21dB；在图 5（b）中，天线 yoz 面共极化的增益在左手材料单元个数由 0 增加到 3 的过程中，其最大值分别为 1.98dB、2.45dB、2.97dB、2.78dB。由此可知，环工形左手材料单元的增加使得天线的增益得到了提升，但当加载个数到三时，由于匹配原因，使得天线的辐射受到了一定的阻碍，因此，我们选择在天线近场寄生单元的附近加载两个环工形左手材料单元。并且通过对 xoz 面和 yoz面方向图的对比观察，我们发现天线的 xoz 面交叉极化极小，辐射几乎不受其影响，但yoz 面的交叉极化没有明显远小于共极化，仍有待提高。
天线的辐射效率如图6所示，由图中可以看出，随着加载的环工形左手材料的个数的增加，天线的增益在不断的增加，使得天线的辐射效率呈现上升趋势，虽在工作频段内波动不一，但都在 88%以上，可以实现良好的辐射。

Claims (2)

1.加载圆回形左手材料单元的单极子天线，其特征在于：该单极子天线为平面结构，包括：介质板(1)、共面波导(2)、半环形辐射贴片(3)和弧形微带线(4)；用于馈电的共面波导(2)的馈线(20)的一端与半环形辐射贴片(3)的中心位置连接，弧形微带线(4)位于半环形辐射贴片(3)的正上方，是半环形辐射体的近场共振寄生单元；在半环形辐射贴片(3)和弧形微带线(4)之间印刷有圆环形左手材料单元构成的阵列(5)；左手材料单元阵列(5)的每个单元包括介质板(9)及印刷在介质板(9)上的圆回形贴片(10)；圆回形贴片(10)由两个外部半圆(6、6’)、两个内部半圆(7、7’)和一根过圆心的微带线(8)构成；两个外部半圆(6、6’)上下排列，两个内部半圆(7、7’)相较于外部的半圆绕圆心旋转了90°，呈左右排列；
该天线可以通过调节弧形寄生单元，便能与驱动单元实现良好的阻抗匹配，近场共振寄生单元的尺寸远大于驱动单元的尺寸，使得弧形寄生单元为天线的主要辐射体；
在半环形辐射贴片(3)和弧形微带线(4)之间印刷的圆回形左手材料单元构成的阵列(5)由3个圆回形左手材料单元构成，中间的左手材料单元在相对于左右两侧的2个单元垂直方向上向上平移半个内部圆环半径的距离，3个左手材料单元形成一个倒V形的阵列。
2.根据权利要求1所述加载圆回形左手材料单元的单极子天线，其特征在于：采用厚度为1.2mm的FR4介质板，尺寸为25mmX30mm；左手材料单元的尺寸为5mmX5mm。
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