基于支節(jié)加載人工磁導體的高增益微帶天線的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提出了一種基于支節(jié)加載人工磁導體的高增益微帶天線。與基于普通人工磁導體的微帶天線相比，該結構采用非周期加載支節(jié)的人工磁導體反射面，通過適當?shù)卣{(diào)節(jié)加載支節(jié)的長度分布，可以有效地改善天線表面的電場強度分布，使得天線的工作頻帶、輻射增益和輻射效率都有很大的提高，尤其是輻射增益提高了1.73dB。此外，該天線仍然保留了人工磁導體的低剖面特性，整體結構只有0.05λ的厚度。該天線采用雙層微波介質(zhì)板，結構簡單，加工容易，成本和重量都相對較小，因而可以大規(guī)模生產(chǎn)。
【專利說明】基于支節(jié)加載人工磁導體的高增益微帶天線
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種微帶天線，特別是一種基于支節(jié)加載人工磁導體的高增益微帶天 線。
【背景技術】
[0002] 近幾年來，人工磁導體是微波毫米波領域研究的熱點之一。利用其具有獨特的 表面波帶隙特性以及對平面波同相反射特性，可以有效地改善天線的性能。F. Yang與 Y. Rahmat-Samii等人將人工磁導體結構應用于微帶天線周圍，用以抑制表面波的傳播，提 高天線的增益，降低背瓣。同時，將其作為偶極子天線和螺旋線圈天線的反射面，可以使天 線緊貼人工磁導體結構表面，實現(xiàn)低剖面天線。此外，A. Foroozesh等人將人工磁導體結構 應用到貼片天線上，帶寬及輻射增益都得到了很大的改善。
[0003] 但是，當若干個相同的人工磁導體單元組成反射板位于天線下方時，由于每個單 元與天線的距離不同，每個單元表面的電流強度分布也不一致，因此不能最大程度地增強 天線的輻射增益。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004] 本發(fā)明所解決的技術問題在于提供一種基于支節(jié)加載人工磁導體的高增益微帶 天線，它能在較寬的頻帶內(nèi)實現(xiàn)高增益輻射特性。
[0005] 實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術解決方案為：一種基于支節(jié)加載人工磁導體的高增益微帶 天線，包括矩形貼片天線、介質(zhì)基板I、同軸饋電探針和加載支節(jié)的人工磁導體反射板，矩形 貼片天線印制在介質(zhì)基板I的上表面中心，介質(zhì)基板I下方設置加載支節(jié)的人工磁導體反 射板，同軸饋電探針從底部依次插入加載支節(jié)的人工磁導體反射板和介質(zhì)基板I，同軸饋電 探針上端與矩形貼片天線相連接。
[0006] 加載支節(jié)的人工磁導體反射板包括36個呈正方形排列的人工磁導體單元，其中 從左往右的第一列六個人工磁導體單元均包括正方形金屬貼片、介質(zhì)基板II、金屬地板、條 狀金屬支節(jié)，條狀金屬支節(jié)位于正方形金屬貼片的右側并與正方形金屬貼片相連；
[0007] 從左往右的第二列至第五列的結構相同，均包括正方形金屬貼片、介質(zhì)基板II、金 屬地板、條狀金屬支節(jié)，條狀金屬支節(jié)位于正方形金屬貼片的右側并與正方形金屬貼片相 連，正方形金屬貼片的另一側開有凹槽，所述凹槽的形狀與相鄰的條狀金屬支節(jié)相對應；
[0008] 從左往右的第六列的六個人工磁導體單元均包括正方形金屬貼片、介質(zhì)基板II、 金屬地板，正方形金屬貼片的左側開有凹槽，所述凹槽的形狀與相鄰的條狀金屬支節(jié)相對 應；
[0009] 上述所有人工磁導體單元的正方形金屬貼片和條狀金屬支節(jié)均印制在介質(zhì)基板 II的上表面，介質(zhì)基板II下方設置金屬地板，每個條狀金屬支節(jié)均位于相鄰正方形金屬貼 片的凹槽內(nèi)，相鄰兩個人工磁導體單元的正方形金屬貼片之間存在窄型縫隙。
[0010] 介質(zhì)基板I和介質(zhì)基板II的介電常數(shù)L均為2. 2?10. 2,厚度Η均為0.01 λ? 0. 1 λ，其中λ為自由空間波長。
[0011] 矩形貼片天線的長a為0· 15λ8?〇·75λ8，寬b為0·3λ8?〇·5λ8，其中入 8為 介質(zhì)基板I的介質(zhì)有效波長。
[0012] 正方形金屬貼片的邊長W為0.05 λ?0.25 λ，條狀金屬支節(jié)的長度L為0? 0. 4W，窄型縫隙的寬度G為0. 001 λ?〇. 015 λ。
[0013] 加載支節(jié)的人工磁導體反射板中每個人工磁導體單元的條狀金屬支節(jié)的長度L 不完全相同，沿著y軸排布的每排單元的L是一致的，沿著X軸排布的每排單元的L是不一 致的，沿著1軸排布的每排單元的1^從上至下依次為171、172、173、174、175、176,其中171 =ly6, ly2 = ly5, ly3 = ly4 ;其中從上到下為X軸的正方向，從左到右為y軸正方向。
[0014] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，其顯著優(yōu)點為：1)本發(fā)明提出的基于支節(jié)加載人工磁導 體的高增益微帶天線，與基于普通人工磁導體的微帶天線相比，該結構采用非周期加載支 節(jié)的人工磁導體反射面，通過適當?shù)卣{(diào)節(jié)加載支節(jié)的長度分布，可以有效地改善天線表面 的電場強度分布，使得天線的工作頻帶、輻射增益和輻射效率都有很大的提高，尤其是輻射 增益提高了 1.73dB。2)本發(fā)明提出的基于支節(jié)加載人工磁導體的高增益微帶天線，仍然保 留了人工磁導體的低剖面特性，整體結構只有0. 05 λ的厚度。3)本發(fā)明提出的基于支節(jié)加 載人工磁導體的高增益微帶天線，采用雙層微波介質(zhì)板，結構簡單，加工容易，成本和重量 都相對較小，因而可以大規(guī)模生產(chǎn)。
[0015] 下面結合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細描述。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016] 圖1為本發(fā)明基于支節(jié)加載人工磁導體的高增益微帶天線的三維圖、俯視圖和側 視圖，其中圖（a)為三維拆分圖，圖（b)為俯視圖，圖（c)為側視圖。
[0017] 圖2為本發(fā)明加載支節(jié)的人工磁導體單元的三維圖和俯視圖，其中圖（a)為三維 圖，圖（b)為俯視圖。
[0018] 圖3為本發(fā)明加載支節(jié)的人工磁導體反射板的各單元的條狀金屬支節(jié)的長度L分 布圖。
[0019] 圖4為本發(fā)明加載支節(jié)的人工磁導體單元在不同的條狀金屬支節(jié)長度L下反射相 位和表面電流密度的對比圖，其中圖（a)為反射相位，圖（b)為表面電流密度。
[0020] 圖5為本發(fā)明基于支節(jié)加載人工磁導體的高增益微帶天線在條狀金屬支節(jié)的長 度L不同分布下的法向最大增益的對比圖。
[0021] 圖6為本發(fā)明基于支節(jié)加載人工磁導體的高增益微帶天線在條狀金屬支節(jié)的長 度分布為lyl = 〇, ly2 = 1mm，ly3 = 2. 5mm時的反射系數(shù)、增益和效率與基于普通人工磁 導體的微帶天線的對比圖。
[0022] 圖7為本發(fā)明基于支節(jié)加載人工磁導體的高增益微帶天線在條狀金屬支節(jié)的長 度分布為lyl = 〇，ly2 = 1mm, ly3 = 2. 5mm時的最大增益點處的福射方向圖與基于普通 人工磁導體的微帶天線的對比圖，其中圖（a)為基于支節(jié)加載人工磁導體的高增益微帶天 線，圖（b)為基于普通人工磁導體的微帶天線。
[0023] 圖8為本發(fā)明基于支節(jié)加載人工磁導體的高增益微帶天線在條狀金屬支節(jié)的長 度分布為lyl = 〇, ly2 = 1mm，ly3 = 2. 5mm時的最大增益點處的近場電場強度分布與基于 普通人工磁導體的微帶天線的對比圖，其中圖（a)為基于支節(jié)加載人工磁導體的高增益微 帶天線，圖（b)為基于普通人工磁導體的微帶天線。
【具體實施方式】
[0024] 結合圖1，本發(fā)明一種基于支節(jié)加載人工磁導體的高增益微帶天線，包括矩形貼片 天線1、介質(zhì)基板12、同軸饋電探針3和加載支節(jié)的人工磁導體反射板4,矩形貼片天線1印 制在介質(zhì)基板12的上表面中心，介質(zhì)基板I [2]下方設置加載支節(jié)的人工磁導體反射板4， 同軸饋電探針3從底部依次插入加載支節(jié)的人工磁導體反射板4和介質(zhì)基板I [2]，同軸饋 電探針3上端與矩形貼片天線1相連接。
[0025] 結合圖1和圖2,所述加載支節(jié)的人工磁導體反射板4包括36個呈正方形排列的 人工磁導體單元5,其中從左往右的第一列六個人工磁導體單元5均包括正方形金屬貼片 6、介質(zhì)基板II [7]、金屬地板8、條狀金屬支節(jié)9,條狀金屬支節(jié)9位于正方形金屬貼片6的 右側并與正方形金屬貼片6相連；從左往右的第二列至第五列的結構相同，均包括正方形 金屬貼片6、介質(zhì)基板II [7]、金屬地板8、條狀金屬支節(jié)9,條狀金屬支節(jié)9位于正方形金屬 貼片6的右側并與正方形金屬貼片6相連，正方形金屬貼片6的另一側開有凹槽，所述凹槽 的形狀與相鄰的條狀金屬支節(jié)9相對應；從左往右的第六列的六個人工磁導體單元5均包 括正方形金屬貼片6、介質(zhì)基板II [7]、金屬地板8,正方形金屬貼片6的左側開有凹槽，所述 凹槽的形狀與相鄰的條狀金屬支節(jié)9相對應；上述所有人工磁導體單元5的正方形金屬貼 片6和條狀金屬支節(jié)9均印制在介質(zhì)基板II [7]的上表面，介質(zhì)基板II [7]下方設置金屬 地板8,每個條狀金屬支節(jié)9均位于相鄰正方形金屬貼片6的凹槽內(nèi)，相鄰兩個人工磁導體 單元5的正方形金屬貼片6之間存在窄型縫隙10。
[0026] 所述介質(zhì)基板I [2]和介質(zhì)基板II [7]的介電常數(shù)、均為2. 2?10. 2,厚度Η均 為0.01 λ?0.1 λ，其中λ為自由空間波長。
[0027] 所述的矩形貼片天線1的長a為0· 15 λ g?〇· 75 λ g，寬b為0· 3 λ g?〇· 5 λ g，其 中Ag為介質(zhì)基板I [2]的介質(zhì)有效波長。
[0028] 所述正方形金屬貼片6的邊長W為0. 05 λ?〇. 25 λ，條狀金屬支節(jié)9的長度L為 0?0· 4W，窄型縫隙10的寬度G為0· 001 λ?〇· 015 λ。
[0029] 結合圖3,所述加載支節(jié)的人工磁導體反射板4中每個人工磁導體單元5的條狀金 屬支節(jié)9的長度L不完全相同，沿著y軸排布的每排單元的L是一致的，沿著X軸排布的每 排單元的L是不一致的，沿著X軸排布的每排單元的L從上至下依次為Iyl、ly2、ly3、ly4、 Iy5、ly6,其中l(wèi)yl = Iy6,ly2 = Iy5,ly3 = ly4 ;其中從上到下為X軸的正方向，從左到右 為y軸正方向。
[0030] 下面結合實施例對本發(fā)明的具體裝置的細節(jié)及工作情況進行細化說明。
[0031] 實施例1
[0032] 結合圖1和圖2,該微帶天線包括矩形貼片天線1、介質(zhì)基板I [2]、同軸饋電探針 3和加載支節(jié)的人工磁導體反射板4。加載支節(jié)的人工磁導體反射板4由36個呈正方形 排列的人工磁導體單元5組成，每個人工磁導體單元5包括四個部分，分別為正方形金屬 貼片6、介質(zhì)基板7、金屬地板8、條狀金屬支節(jié)9。其中，矩形貼片天線1的長a為5. 25_， 寬b為10. 5mm ;正方形金屬貼片6的邊長W為7. 8_，條狀金屬支節(jié)9的長度為L，在0到 2. 5mm范圍內(nèi)，窄型縫隙10的寬度G為0.4mm;介質(zhì)基板I [2]和介質(zhì)基板II [7]的材料均 為Rogers RT/Duroid5880,介電常數(shù)、為2. 2,介質(zhì)損耗角為0. 0009,厚度Η均為1mm，約 為0.025 λ。（其中λ。為7. 7GHz處的自由空間波長）。
[0033] 結合圖3,所述加載支節(jié)的人工磁導體反射板4中每個人工磁導體單元5的條狀金 屬支節(jié)9的長度L不完全相同，沿著y軸排布的每排單元的L是一致的，沿著X軸排布的每 排單元的L是不一致的，沿著X軸排布的每排單元的L從上至下依次為Iyl、ly2、ly3、ly4、 Iy5、ly6,其中l(wèi)yl = Iy6,ly2 = Iy5,ly3 = ly4 ;其中從上到下為X軸的正方向，從左到右 為y軸正方向。
[0034] 結合圖4,當平面波垂直入射到加載支節(jié)的人工磁導體反射板4時，反射波的反射 相位會隨著頻率變化而連續(xù)變化，相位變化范圍為180°?-180°，這與普通的人工磁導 體的反射相位特性是一致的；隨著條狀金屬支節(jié)9的長度L從0增加到3mm，零反射相位點 逐漸向低頻移動。另外，當條狀金屬支節(jié)9的長度L小于1mm時，人工磁導體表面電流分布 與普通人工磁導體一致；當條狀金屬支節(jié)9的長度L大于1_時，人工磁導體表面電流分布 發(fā)生變化，支節(jié)上的電流被激勵。
[0035] 結合圖5,該人工磁導體反射板的條狀金屬支節(jié)長度L分布對該微帶天線的法向 最大增益有很大的影響。從不同的曲線符號可以發(fā)現(xiàn)，lyl越小，該微帶天線的法向最大 增益越大，此處lyl = 1mm，增益最大；當lyl = 1mm時，從不同的線型可以發(fā)現(xiàn)，ly2對天 線的增益影響很??；此外，從X軸的數(shù)值可以發(fā)現(xiàn)，ly3越大，天線的增益越大，此處ly3 = 2. 5_，增益最大。所以，減小lyl和增大ly3可以有效地提高該微帶天線的輻射增益。
[0036] 根據(jù)圖5總結的規(guī)律，為獲得較大的輻射增益，此處條狀金屬支節(jié)的長度分布為 lyl = 0，ly2 = 1謹，ly3 = 2. 5謹。結合圖6,與基于普通人工磁導體的微帶天線相比， 基于支節(jié)加載人工磁導體的微帶天線有更寬的工作帶寬，反射系數(shù)低于-10dB的工作頻 帶為7GHz?8. 3GHz，相對帶寬為17% ;輻射增益也有1. 73dB的增強，最大增益可以達到 12. 43dBi ;此外，輻射效率也隨之增加，由55. 7%增加到83%。
[0037] 結合圖7和圖8,比較兩種天線的最大增益點處的輻射方向圖可以發(fā)現(xiàn)，基于支節(jié) 加載人工磁導體的微帶天線的主瓣波束寬度更窄，且E面有副瓣出現(xiàn)，從天線近場的電場 強度分布來看，加載支節(jié)的人工磁導體使得天線的近場電場強度分布更加一致。由于該天 線的輻射口徑約為1. 3 λ 1. 3 λ ^，相對一致的電場強度分布使得天線的輻射方向圖出現(xiàn) 了較窄的主瓣和較高的副瓣，這也是天線增益提高的主要原因。
[0038] 由上可知，本發(fā)明的基于支節(jié)加載人工磁導體的高增益微帶天線能在較寬的頻帶 內(nèi)實現(xiàn)高增益輻射特性。
【權利要求】
1. 一種基于支節(jié)加載人工磁導體的高增益微帶天線，其特征在于，包括矩形貼片天線 [1]、介質(zhì)基板I [2]、同軸饋電探針[3]和加載支節(jié)的人工磁導體反射板[4]，矩形貼片天線 [1]印制在介質(zhì)基板I [2]的上表面中心，介質(zhì)基板I [2]下方設置加載支節(jié)的人工磁導體反 射板[4]，同軸饋電探針[3]從底部依次插入加載支節(jié)的人工磁導體反射板[4]和介質(zhì)基板 I [2]，同軸饋電探針[3]上端與矩形貼片天線[1]相連接。
2. 根據(jù)權利要求1所述的基于支節(jié)加載人工磁導體的高增益微帶天線，其特征在于， 加載支節(jié)的人工磁導體反射板[4]包括36個呈正方形排列的人工磁導體單元[5]，其中從 左往右的第一列六個人工磁導體單元[5]均包括正方形金屬貼片[6]、介質(zhì)基板II [7]、金 屬地板[8]、條狀金屬支節(jié)[9]，條狀金屬支節(jié)[9]位于正方形金屬貼片[6]的右側并與正 方形金屬貼片[6]相連； 從左往右的第二列至第五列的結構相同，均包括正方形金屬貼片[6]、介質(zhì)基板 II [7]、金屬地板[8]、條狀金屬支節(jié)[9]，條狀金屬支節(jié)[9]位于正方形金屬貼片[6]的右 側并與正方形金屬貼片[6]相連，正方形金屬貼片[6]的另一側開有凹槽，所述凹槽的形狀 與相鄰的條狀金屬支節(jié)[9]相對應； 從左往右的第六列的六個人工磁導體單元[5]均包括正方形金屬貼片[6]、介質(zhì)基板 II [7]、金屬地板[8]，正方形金屬貼片[6]的左側開有凹槽，所述凹槽的形狀與相鄰的條狀 金屬支節(jié)[9]相對應； 上述所有人工磁導體單元[5]的正方形金屬貼片[6]和條狀金屬支節(jié)[9]均印制在介 質(zhì)基板II [7]的上表面，介質(zhì)基板II [7]下方設置金屬地板[8]，每個條狀金屬支節(jié)[9]均 位于相鄰正方形金屬貼片[6]的凹槽內(nèi)，相鄰兩個人工磁導體單元[5]的正方形金屬貼片 [6]之間存在窄型縫隙[10]。
3. 根據(jù)權利要求1和2所述的基于支節(jié)加載人工磁導體的高增益微帶天線，其特征在 于，介質(zhì)基板I [2]和介質(zhì)基板II [7]的介電常數(shù)、均為2. 2?10. 2,厚度Η均為0.01 λ? 0. 1 λ，其中λ為自由空間波長。
4. 根據(jù)權利要求1和2所述的基于支節(jié)加載人工磁導體的高增益微帶天線，其特征在 于，矩形貼片天線[1]的長&為0.15入 8?0.75入8，寬13為0.3入8?0.5入8，其中入 8為介 質(zhì)基板I [2]的介質(zhì)有效波長。
5. 根據(jù)權利要求1和2所述的基于支節(jié)加載人工磁導體的高增益微帶天線，其特征在 于，正方形金屬貼片[6]的邊長W為0. 05 λ?〇. 25 λ，條狀金屬支節(jié)[9]的長度L為0? 0· 4W，窄型縫隙[10]的寬度G為0· 001 λ?〇· 015 λ。
6. 根據(jù)權利要求1和2所述的基于支節(jié)加載人工磁導體的高增益微帶天線，其特征在 于，加載支節(jié)的人工磁導體反射板[4]中每個人工磁導體單元[5]的條狀金屬支節(jié)[9]的 長度L不完全相同，沿著y軸排布的每排單元的L是一致的，沿著X軸排布的每排單元的L 是不一致的，沿著X軸排布的每排單元的L從上至下依次為lyl、ly2、ly3、ly4、ly5、ly6, 其中l(wèi)yl = Iy6,ly2 = Iy5,ly3 = ly4 ;其中從上到下為x軸的正方向，從左到右為y軸正 方向。
【文檔編號】H01Q1/38GK104124523SQ201410357238
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年7月24日 優(yōu)先權日:2014年7月24日
【發(fā)明者】車文荃, 楊琬琛, 王昊 申請人:南京理工大學