CN110854520B - 一种k波段超材料微带天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种K波段超材料微带天线，包括天线基板、辐射微带贴片、超材料单元、金属接地板、同轴馈电探针，其中，超材料单元过渡圆弧基元为三条具有倒角的相互平行的折线，所述基元为三相互平行的通‑断线，每条通‑断线为连续直线或具有间隔的断线，将连续直线记为1、间隔断线记为0，形成111、110、101、011、001、010、100、000的编码组合，每个基元的结构为编码组合中的一种。本发明设计的一种K波段超材料微带天线，不仅克服了传统微带天线增益低的问题，并且大大简化了超材料单元的复杂结构，具有制备简单，增益高的优点。

Description

一种K波段超材料微带天线
技术领域
本发明涉及通信天线技术领域，具体地是指一种K波段超材料微带天线。
背景技术
微带天线具有低剖面、质量轻、易共形的优点在电子通信领域得到广泛应用，然而微带天线损耗大、增益低,因此,提高微带天线增益成为研究的热点。目前用于提高微带天线增益的方法很多，传统的方法有组成天线阵、加载反射器、超材料频率选择表面(FSS)、零折射率材料、高阻表面的应用为提高天线增益带来了新的方法，诸多学者进行了研究，成果***。然而利用通-断线的通断产生电磁谐振禁带抑制微带天线表面波的超材料设计方法还未有研究。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，而提出一种K波段超材料微带天线，通过基板上的超材料单元抑制微带天线表面波，提升天线增益。
为实现上述目的，本发明所设计的一种K波段超材料微带天线，包括天线基板，所述天线基板的下表面设置有金属接地板，上表面中部设置有微带贴片，所述微带贴片上设置有同轴线馈电探针，所述天线基板的上表面、微带贴片外部刻蚀超材料单元，其特殊之处在于，所述超材料单元为框型封闭结构，包括设置于四角的过渡圆弧基元和设置于过渡圆弧基元之间的基元，所述过渡圆弧基元为三条具有倒角的相互平行的折线，所述基元为三相互平行的通-断线，每条通-断线为连续直线“－”或具有一个间隔的断线“--”，将连续直线记为1、间隔断线记为0，对应111、110、101、011、001、010、100、000的编码组合，每个基元的结构为编码组合中的一种。
进一步地，所述基元中每条通-断线对应一个设计变量，通过通-断线进行0-1编码后基于遗传算法的求解策略，并使用MATLAB接口工具箱确定基元的结构排布。
更进一步地，所述过渡圆弧基元为4个，所述基元为12个。
更进一步地，所述过渡圆弧基元的折线为相互垂直的直线并通过四分之一圆弧过渡连接。
更进一步地，所述基元的通-断线结构编码分别为：000、000、000、100、100、100、110、110、101、010、001、011。
更进一步地，所述基元的通-断线之间的垂直间距为0.35mm，连续直线为1.7*0.35*0.017mm的铜金属线；间隔断线为两条0.6*0.35*0.017mm的铜金属线，且两条铜金属线的水平间隔为0.5mm。
更进一步地，所述同轴线馈电探针的特性阻抗为50欧姆，位于天线正中心向微带贴片宽度方向偏移，偏移距离为1.2523mm。
更进一步地，所述天线基板材料为介电常数为2.25的聚四氟乙烯。
与现有技术相比，本发明设计的一种K波段超材料微带天线，不仅克服了传统微带天线增益低的问题，并且大大简化了超材料单元的复杂结构，具有制备简单，增益高的优点。基元采用电路板刻蚀技术，结构简单且不存在小尺寸结构，大大提升了可制备性。基元组成的超材料单元能明显抑制天线表面波，提升微带天线增益，整体结构规则且紧凑，占用空间小，天线增益明显提升，制备成本低。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为图1的俯视示意图。
图3为本发明的具体实施例的超材料单元离散结构示意图。
图4为图3的中的超材料单元的设计结构示意图。
图5为本发明的具体实施例的仿真结果示意图。
图中：天线基板1，微带贴片2，超材料单元3，金属接地板4，同轴馈电探针5。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
如图1和图2所示，本发明提出的一种K波段超材料微带天线，包括天线基板1，天线基板1的下表面设置有金属接地板4，上表面中部设置有微带贴片2，微带贴片2上设置有同轴线馈电探针5，天线基板1的上表面、微带贴片2外部刻蚀超材料单元3。超材料单元3为框型封闭结构，包括设置于四角的过渡圆弧基元和设置于过渡圆弧基元之间的基元。
过渡圆弧基元为三条具有倒角的相互平行的折线，过渡圆弧基元的折线为相互垂直的直线并通过四分之一圆弧过渡连接。
基元包含三条通-断线，每条通-断线有“断”和“连”两种状态，因此共有八种类型，基元的结构便是八种类型中的若干组合。基元为三相互平行的通-断线，每条通-断线为连续直线“－”或具有一个间隔的断线“--”，将连续直线记为1、间隔断线记为0，分别对应“111”、“110”、“101”“011”、“001”、“010”、“100”、“000”的编码组合，每个基元的结构为编码组合中的一种。具有基元的超材料单元3产生禁带的频率与天线的中心工作频率相吻合，利用超材料单元具有的禁带特性，可以有效地抑制微带天线工作时激发的表面波及馈电网络寄生辐射，从而改善微带天线的增益等辐射性能。基元由电路板刻蚀技术制备完成，结构简单且不存在小尺寸结构，大大提升了可制备性。
本发明的一个具体实施例如图3和图4所示，天线基板1的下表面设置有金属接地板4，上表面中部设置有微带贴片2，微带贴片2上设置有同轴线馈电探针5，同时上表面边缘放置超材料单元3。
天线基板1为10*10*1mm的聚乙烯板，绝缘性能好，介电常数较低有利于增大天线带宽。天线基板1的厚度小于五分之一天线工作波长，这里取为1mm。微带贴片2为铜覆层的金属辐射贴片，微带贴片2的长和宽分别为4.9029mm和3.4714mm，规格小，易于实现天线的小型化。人工结构的超材料单元3具有的电磁超特性能提抑制天线表面波提升天线增益。同轴馈电探针5位于天线正中心向微带贴片2宽度方向偏移，其偏移距离为1.2523mm。金属接地板4为铜覆层，覆铜厚度为0.017mm。
超材料单元3由12组基元和4组圆弧过渡基元组成，基元中每两条通-断线竖直方向间距为0.35mm，通-断线线宽为0.35mm，每两个基元水平方向不设置间距且在四个拐角处采用四分之一圆弧过渡基元中两条通-断线之间的间距为0.35mm,通-断线中的“连线”为1.7*0.35*0.017mm的铜金属线；通-断线中的“断线”为两条0.6*0.35*0.017mm的铜金属线，且两条金属线的水平间隔为0.5mm。
基元中每条通-断线对应一个设计变量，通过通-断线进行0-1编码后基于遗传算法的求解策略，并使用MATLAB接口工具箱对超材料微带天线建模和优化以确定基元的结构排布。
12个基元对应的编码为：000、000、000、100、100、100、110、110、101、010、001、011。
同轴馈电探针5上端与微带辐射贴片2相连，下端与天线基板1连接的金属接地板4连接。金属接地板4规格为10*10*0.035mm，即在整个基板背面刻蚀铜覆层。本发明通过采用天线基板1、金属辐射的微带贴片2、超材料单元3，金属接地板4，同轴馈电探针5，相互结合组成微带天线，基元组成的超材料单元3能明显抑制天线表面波，提升微带天线增益，整体结构规则且紧凑，占用空间小，天线增益明显提升，制备成本低。
对本实施例中设计的超材料单元3的微带天线进行仿真，图5为超材料微带天线的二维和三维远场辐射增益方向图，从图中可以看出其最大增益为9.552dB，明显高于无超材料的普通24GHz微带天线的增益7.78dB。
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，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 (7)

1.一种K波段超材料微带天线，包括天线基板（1），所述天线基板（1）的下表面设置有金属接地板（4），上表面中部设置有微带贴片（2），所述微带贴片（2）上设置有同轴线馈电探针（5），所述天线基板（1）的上表面、微带贴片（2）外部刻蚀超材料单元（3），其特征在于：所述超材料单元（3）为框型封闭结构，包括设置于四角的过渡圆弧基元和设置于过渡圆弧基元之间的基元，所述过渡圆弧基元为三条具有倒角的相互平行的折线，所述基元为三相互平行的通-断线，每条通-断线为连续直线“－”或具有一个间隔的断线“- -”，将连续直线记为1、间隔断线记为0，形成111、110、101、011、001、010、100、000的编码组合，每个基元的结构为编码组合中的一种；所述过渡圆弧基元为4个，所述基元为12个。
2.根据权利要求1所述的一种K波段超材料微带天线，其特征在于：所述基元中每条通-断线对应一个设计变量，通过通-断线进行0-1编码后基于遗传算法的求解策略，并使用MATLAB接口工具箱确定基元的结构排布。
3.根据权利要求1所述的一种K波段超材料微带天线，其特征在于：所述过渡圆弧基元的折线为相互垂直的直线并通过四分之一圆弧过渡连接。
4.根据权利要求1所述的一种K波段超材料微带天线，其特征在于：所述基元的通-断线结构编码分别为：000、000、000、100、100、100、110、110、101、010、001、011。
5.根据权利要求1所述的一种K波段超材料微带天线，其特征在于：所述基元的通-断线之间的垂直间距为0.35mm，连续直线为1.7*0.35*0.017mm的铜金属线；间隔断线为两条0.6*0.35*0.017mm的铜金属线，且两条铜金属线的水平间隔为0.5mm。
6.根据权利要求1所述的一种K波段超材料微带天线，其特征在于：所述同轴线馈电探针（5）的特性阻抗为50欧姆，位于天线正中心向微带贴片（2）宽度方向偏移，偏移距离为1.2523mm。
7.根据权利要求1所述的一种K波段超材料微带天线，其特征在于：所述天线基板材料（1）为介电常数为2.25的聚四氟乙烯。
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