CN1874066A

CN1874066A - 带有开口谐振环（SRRs）的微带天线

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Publication number: CN1874066A
Application number: CN 200510042743
Authority: CN
Inventors: 赵晓鹏; 周欣; 张富利
Original assignee: Northwestern Polytechnical University
Current assignee: Northwestern Polytechnical University
Priority date: 2005-05-31
Filing date: 2005-05-31
Publication date: 2006-12-06
Anticipated expiration: 2025-05-31
Also published as: CN100580994C

Abstract

本发明涉及一种新型的微带天线，具体来说涉及一种采用有负磁导率效应的金属开口谐振环来改善天线性能的微带天线。与普通的微带天线相比，本发明具有宽频带，高增益，且结构简单的特点。发明中采用的金属开口谐振环为多边形和圆形单环或双环同心嵌套结构，并使用电路板刻蚀工艺，将其按一定的周期排列方式刻蚀在微带天线基板上。由于金属开口谐振环的禁带效应能抑制天线激发的表面波和馈电网络的寄生辐射，从而提高微带天线的辐射性能。

Description

带有开口谐振环(SRRs)的微带天线

技术领域本发明涉及一种新型的微带天线，具体来说涉及一种采用有负磁导率效应的金属开口谐振环来改善天线性能的微带天线。

背景技术介电常数和磁导率是描述均匀媒质中电磁场性质的最基本两个物理量，自然界中存在的材料都有正的磁导率和介电常数。自从1999年Pendry等人提出金属开口谐振环(SplitRing Resonators)能实现负的磁导率、金属线阵列能实现负介电常数，目前对这种“双负现象”的研究已经成为学术热点。由于金属开口谐振环在一定的谐振频段有负的磁导率，形成禁带，并表现出一些特异的微波响应特性，因而在微电子线路元件、滤波器、无线电通信、超敏感传感器、医学诊断成像等领域将有很好的应用前景。

微带天线是在有导体接地板的介质基片上贴加金属贴片的天线，它利用微带线或同轴线馈电。与普通的天线相比，微带天线的体积小，易成形，易集成，结构简单，适合用于印刷技术大批量生产，目前已广泛应用在卫星通信，飞机器、导弹共型天线，探针探头等各种军事民用领域。但是微带天线工作频带窄增益低，方向性差，有导体和介质损耗，辐射效率低，在需要更高性能和灵敏度的仪器和设备中难以得到更近一步的应用。现有的一些提高微带天线性能的技术，例如增加基板厚度或多层贴片，或是改变贴片形状，效果并不十分显著，提高带宽的同时大幅增加了天线的体积，牺牲了微带天线体积小的优势，在许多移动通信或是共形集成等对天线体积要求苛刻的场合下无法采用，并导致天线的加工过程更为复杂，成本提高。

发明内容本发明的目的就是针对微带天线频带窄效率低，提出一种新型的带有开口谐振环的微带天线，它不仅具有宽频带，高增益，且具有体积小，低剖面，结构简单的特点。金属开口谐振环在一定的频段下有负磁导率，能在谐振工作频段形成禁带，将这个特性应用于微带天线可以有效地抑制微带天线工作时激发的表面波和馈电网络的寄生辐射，从而提高辐射效率改善微带天线性能。采用加载金属开口谐振环的方法，可应用在各种场合下的微带天线改造上，并且同样采用印刷电路板制造工艺，与微带天线一体成型，成本低廉。

本发明中带有开口谐振环的微带天线主要包括：

一介质基板

一金属接地板，该金属接地板以金属微带的形式制作在所述介质基板的一侧面上。

一辐射金属贴片，该金属贴片以金属微带的形式制作在所述介质基板的另一侧面上，在其一侧临近中央处取一馈电点。

一金属探针，该探针一端与金属贴片相连。

一同轴插座，该同轴插座内导体与金属探针相连，外导体金属接地板相连。

金属开口谐振环单元，环的几何形状分圆形、或多边形，采用内外环同心嵌套或者单环形式；该金属开口谐振环单元呈周期性排列在所述金属贴片周围。

附图说明：

图1本发明中带金属开口谐振环微带天线的结构示意图

图2本发明中采用阳刻和阴刻工艺制备的金属开口谐振环单元示意图

图3本发明中在微带天线正面采用阳刻工艺制备的呈放射状排列的金属开口谐振环结构示意图

图4本发明中在微带天线背面采用阴刻工艺制备的金属开口谐振环阵列结构示意图

图5本发明中在微带天线正面加载放射状排列的阳刻工艺金属开口谐振环阵列结构示意图

图6本发明中在微带天线阵背面加载阴刻工艺金属开口谐振环阵列结构示意图

图7本发明中金属开口谐振环的尺寸示意图

具体实施方式本发明采用PCB板刻蚀技术制作微带天线，在图1所示的微带天线结构中，金属探针2一头通过事先在介质基板3和金属接地板4上钻好的小孔与辐射金属贴片1相连，另一头与同轴插座5的内导体相连，同轴插座的外导体6与金属接地板4相连。在介质基板3上刻蚀出金属开口谐振环单元7，此谐振单元呈周期排列在介质基板3上。依据实施例，金属开口谐振环单元7采用阳刻、阴刻两种工艺：

如图3所示，阳刻工艺是在介质板带有辐射金属贴片的一面刻蚀出阳面图案的金属开口谐振环，所有金属开口谐振环外环的开口方向朝同一方向平行排列或朝向贴片方向放射状排列。由于微带天线是一种开放式结构，在工作时不仅向外辐射电磁波而且会介质表面激发出沿介质表面传播的表面波，表面波的能量主要集中在介质层表面附近，一旦离开表面，场强随离开的距离呈指数衰减，所以表面波带走的一部分能量是微带天线效率低的一个重要原因，采用阳刻工艺的金属开口谐振产生的禁带可以显著抑制表面波的传播，让这部分表面波能量参与天线向外辐射。经计算机模拟和实际测试，金属开口谐振环与辐射金属贴片的最佳最小中心距离D≈λ/2，λ为此微带天线的中心工作波长。

如图4所示，阴刻工艺是在介质板带有金属接地板的一面刻蚀出阴面图案的金属开口谐振环凹槽，所刻金属开口谐振环覆盖微带天线的馈电部分，金属开口谐振环外环开口方向朝同一方向。由于微带天线阵是提高微带天线带宽和增益和制造相控阵天线的一种解决方案，然而与之相匹配的馈电网络必然会产生一些天线工作频率范围附近的寄生辐射，造成辐射能量流失，更进一步还可能恶化方向图。采用接地板阴刻的金属开口谐振环的禁带能有效抑制这些寄生辐射。

如图7，金属开口谐振环单元的几何尺寸根据微带天线的工作频率调整。如微带天线中心工作频率从8～12GHz，则设计谐振环双环单元内环内切圆直径为φ_i＝0.5～1.0mm，外环内切圆直径为φ_o＝2.2～4.0mm，线宽w＝0.1～0.5mm，开口g＝0.1～0.3mm，列间距d₁＝3.3～5mm，行间距d₂＝5～8mm；或单环单元内切圆直径φ＝2.0～3.8mm，线宽w＝0.1～0.5mm，开口间距g＝0.1～0.3mm，列间距d₁＝3.3～5mm，行间距d₂＝5～8mm。

本发明的实现过程和材料的性能由实施例和附图说明：

实施例一：

如图3所示，采用PCB板刻蚀技术制作微带天线，天线的中心频率在10.5GHz，设计出的辐射金属贴片为7.8mm×7.8mm的正方形，金属接地板为65mm×65mm的正方形。选用六边形金属开口谐振环双环单元：内外环内切圆直径分别为φ_i＝1mm，φ_o＝2mm，线宽w＝0.3mm，开口g＝0.25mm。取65mm×65mm×1.5mm的正方形敷铜聚四氟乙烯介质基板(ε＝2.6)，一面刻蚀辐射金属贴片和呈周期排列的阳刻工艺金属开口谐振环单元，其排列方式为：每两个金属开口谐振环单元外环开口朝向相同，以中心间隔d₁＝3.3mm排成列，每两列的间隔d₂＝5mm，阵列中环单元与辐射贴片的最小中心距离大于24mm，总共排列216个金属开口谐振环单元。在离辐射金属贴片的一边间隔2.3mm的轴线位置打直径1mm的圆孔取为馈电点，将金属探针的一端焊于馈电点上，另一端与同轴插座的内导体相连；同轴插座的外导体焊在金属接地板上，完成天线的制作。

实施例二：

于实施例一相似，采用PCB板刻蚀技术制作微带天线，天线的中心频率在10.5GHz，设计出的辐射金属贴片为7.8mm×7.8mm的正方形，金属接地板为65mm×65mm的正方形。选用方形金属开口谐振环单环单元：单环内切圆直径φ＝1.8mm，线宽w＝0.3mm，开口g＝0.25mm。取65mm×65mm×1.5mm的正方形敷铜聚四氟乙烯介质基板(ε＝2.6)，一面刻蚀辐射金属贴片和呈周期排列的阳刻工艺金属开口谐振环单元，其排列方式为：每两个金属开口谐振环单元环开口朝向相同，以中心间隔d₁＝3.5mm排成列，每两列的间隔d₂＝7mm，阵列中环单元与辐射贴片的最小中心距离大于24mm，总共排列216个金属开口谐振环单元。在离辐射金属贴片的一边间隔2.3mm的轴线位置打直径1mm的圆孔取为馈电点，将金属探针的一端焊于馈电点上，另一端与同轴插座的内导体相连；同轴插座的外导体焊在金属接地板上，完成天线的制作。

实施例三：

如图5所示，采用PCB板刻蚀技术制作微带天线，天线的中心频率在8.14GHz，设计出的辐射金属贴片为半径5mm的圆形，金属接地板为60mm×60mm的正方形。选用圆形金属开口谐振环双环单元：单环内切圆直径φ＝2.2mm，线宽w＝0.3mm，开口g＝0.2mm；双环内外环直径分别为φ_i＝1mm，φ_o＝3mm，线宽w＝0.3mm，开口g＝0.2mm。取60mm×60mm×1.5mm的正方形敷铜聚四氟乙烯介质基板(ε＝2.6)，一面刻蚀辐射金属贴片和阳刻金属开口谐振环单元阵列，其排列方式为每两个金属开口谐振环单元外环开口朝向相同，且朝向辐射金属贴片，以中心间隔d₁＝4mm排成列，沿贴片呈放射状排列，每两列间距d₂≥5mm排成列，阵列中环单元与辐射贴片的最小中心距离大于50mm，总共排列70个金属开口谐振环单元。在离辐射金属贴片的中心间隔1.5mm的轴线位置打直径1mm的圆孔取为馈电点，将金属探针的一端焊于馈电点上，另一端与同轴插座的内导体相连；同轴插座的外导体焊在金属接地板上，完成天线的制作。

实施例四：

如图6所示，采用PCB板刻蚀技术制作微带天线，设计双单元微带天线阵列，工作频率在12GHz，两个天线单元间以四分之一波长功率分配器连接。此时选用选用三角形金属开口谐振环单环或双环单元：单环内切圆直径φ＝1.8mm，线宽w＝0.25mm，开口g＝0.3mm；双环内外环直径分别为φ_i＝0.8mm，φ_o＝2.2mm，线宽w＝0.22mm，开口g＝0.25mm。在金属接地板上刻蚀呈周期排列的阴刻工艺开口谐振环单元，其排列方式为：每两个金属开口谐振环单元外环开口朝向相同，以中心间距d₂＝6mm排列，且阴刻金属开口谐振环阵列必需能覆盖住天线正面的功率分配器。

以上所述，仅为本发明的优选实施例，不能以此限定本发明实施的范围，即凡依本发明权利要求及发明说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，皆应仍属本发明专利覆的范围内。

Claims

1.一种带有金属开口谐振环(SRRs)的微带天线，主要包括有：辐射金属贴片，介质基板，金属底板，金属开口谐振环，同轴探针，同轴插座，同轴探针的一端与辐射金属贴片相连，另一端与同轴插座的内导体相连，同轴插座外导体与金属底板相连，其主要特征在于：在微带天线的介质基板上刻蚀出周期排列的金属开口谐振环阵列。

2.根据权利要求1所述的微带天线，其特征是金属开口谐振环的几何结构有两种：

(1)每个金属开口谐振环单元为圆形、多边形的同心内外双环结构，内环内切圆直径为φ_i＝0.5～1.0mm，外环内切圆直径为φ_o＝2.2～4.0mm，线宽w＝0.1～0.5mm，开口间距g＝0.1～0.3mm，谐振的中心频率位于X波段与此天线的工作中心频率相等；

(2)每个金属开口谐振环单元为圆形、多边形的单环结构，单环内切圆直径φ＝2.0～3.8mm，线宽w＝0.1～0.5mm，开口间距g＝0.1～0.3mm，谐振的中心频率位于X波段与此天线的工作中心频率相等。

3.根据权利要求1所述的微带贴片天线，其特征在于：

(1)周期排列的金属开口谐振环阵列为每两个金属开口谐振环单元外环开口同向，以中心间距d₁＝3.3～5mm排成列，每两列的间距d₂＝5～8mm形成阵列，围绕于辐射金属贴片周围；

(2)周期排列的金属开口谐振环阵列为每两个金属开口谐振环单元外环开口同向，以中心间距d₁＝3.3～5mm排成列，每两列的间距d2≥5mm形成阵列，围绕辐射金属贴片排成放射状。

4.根据权利要求1所述的微带天线，其特征是金属开口谐振环的制备可由过程如下两种方法实现：

(1)采用阳刻工艺是在敷铜介质板上刻蚀出金属开口谐振环的金属线图案，围绕于辐射金属贴片周围；

(2)采用阴刻工艺是在敷铜介质板上刻蚀出金属开口谐振环的敷铜薄片凹槽图案，覆盖天线正面的馈电网络。