本發(fā)明涉及一種三頻天線，尤其是涉及一種加載嵌套雙R形左手結(jié)構(gòu)縫隙的三頻天線。

背景技術(shù)：

作為超材料的一種，左手材料(Left-handed Materials)也稱作負(fù)折射率材料(Negative Index Metamaterials)，反向波媒質(zhì)(Backward Wave Media),雙負(fù)超材料(Double Negative Metamaterials)在電磁波的某些頻段顯示出負(fù)的折射率^[1]。左手材料由遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)的單元組成，這些單元或堆疊，或成曲面并以特殊的重復(fù)模式組成了獨(dú)特的材料。對(duì)該材料的設(shè)想最早由V.G.Veselago提出^[2]，他假設(shè)存在一種材料，其電場(chǎng)、磁場(chǎng)和波矢量滿足左手螺旋定則，其介電常數(shù)ε及磁導(dǎo)率μ均為負(fù)。而且在左手材料中傳播的電磁波的波矢量和坡印廷矢量剛好相反，因此左手材料相比自然界的普通材料擁有許多奇異的電磁特性。

隨著左手材料研究的不斷深入，其在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用也蓬勃發(fā)展。左手材料在微帶天線的應(yīng)用研究就是其中的一個(gè)熱點(diǎn)。由于有體積小、易加工、易集成等諸多優(yōu)點(diǎn)，微帶天線在衛(wèi)星通信、無(wú)線電引信、手持通信設(shè)備等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，但是其帶寬窄、增益低、損耗大等缺點(diǎn)成為其應(yīng)用的瓶頸。左手材料的出現(xiàn)恰恰可以改善微帶天線的這些缺陷。

左手材料在天線方面的應(yīng)用由來(lái)已久，早在2002年法國(guó)菲涅耳研究所的Enoch^[3]等人利用多層平面左手材料加載改善了半功率波瓣寬度；左手材料作為天線的覆蓋層或加載到天線基板都使天線獲得更好的方向性及更高的增益^[4-5]。左手材料還可以增加天線的帶寬、提升UWB天線性能或得到多頻特性^[6-8]。

然而，目前工作于微波頻段的左手材料單元結(jié)構(gòu)變化有很大一部分來(lái)源于經(jīng)典的開(kāi)口諧振環(huán)加金屬線結(jié)構(gòu)(SRR+Rod)，例如S型結(jié)構(gòu)^[9]、Ω型結(jié)構(gòu)^[10]、H型結(jié)構(gòu)^[11]、樹(shù)枝結(jié)構(gòu)^[12]和漁網(wǎng)結(jié)構(gòu)^[13]，主要以規(guī)則、對(duì)稱構(gòu)型，一般雙負(fù)頻帶窄、損耗大、尺寸也偏大，難以應(yīng)用于有特殊性能要求和空間限制的微波器件。

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技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對(duì)目前微波頻段左手材料所存在的以上缺點(diǎn)，提供加載嵌套雙R形左手結(jié)構(gòu)縫隙的三頻天線。

本發(fā)明設(shè)有介質(zhì)基板，在介質(zhì)基板的上表面刻蝕一個(gè)矩形貼片，將兩個(gè)加載嵌套R(shí)形左手結(jié)構(gòu)作為縫隙加載到單極子天線,利用平面波導(dǎo)饋電并且在地板的左右兩邊加載圓弧。

所述介質(zhì)基板可采用長(zhǎng)方形介質(zhì)基板，長(zhǎng)方形介質(zhì)基板的長(zhǎng)L＝20～40mm，寬L₁＝15～30mm，厚度h＝1.5～2.5mm，相對(duì)介電常數(shù)為2～8，損耗角正切值為0.005～0.04。

所述矩形貼片的長(zhǎng)Lp＝10～20mm,寬Wp＝8～16mm，厚＝0.01～0.03mm。

所述兩個(gè)加載嵌套R(shí)形左手結(jié)構(gòu)相同，兩個(gè)加載嵌套R(shí)形左手結(jié)構(gòu)作為縫隙加載到單極子天線矩形輻射板，左側(cè)加載嵌套R(shí)形左手結(jié)構(gòu)外側(cè)輪廓由長(zhǎng)為a＝1.5～3mm、寬為w＝0.4～0.8mm的矩形金屬棒和外側(cè)圓弧半徑為r₃＝2～2.5mm、內(nèi)側(cè)圓弧為同心結(jié)構(gòu)、內(nèi)外圓弧距離為w＝0.4～0.8mm的1/2金屬圓弧，長(zhǎng)為b＝3.5～7mm、寬為w＝0.4～0.8mm的矩形金屬棒以及外側(cè)圓弧半徑為r₅＝4～5mm、內(nèi)側(cè)圓弧為同心結(jié)構(gòu)、內(nèi)外圓弧距離為w＝0.4～0.8mm的1/4金屬圓弧依次組成，其中1/2金屬圓弧下側(cè)水平內(nèi)側(cè)距離1/4金屬圓弧上側(cè)水平內(nèi)側(cè)的距離b₃＝0.8～1.6mm。在加載嵌套R(shí)形左手結(jié)構(gòu)底部增加金屬桿結(jié)合1/4圓弧的類似結(jié)構(gòu)，其外側(cè)圓弧半徑為r₄＝2.5～3.1mm、內(nèi)側(cè)圓弧為同心結(jié)構(gòu)、內(nèi)外圓弧距離為w＝0.4～0.8mm,與R型左手結(jié)構(gòu)外側(cè)輪廓的矩形金屬桿距離為a₁＝0.4～0.8mm，在加載嵌套R(shí)形左手結(jié)構(gòu)上半部分的兩個(gè)矩形金屬棒和1/2金屬圓弧之間嵌入小尺寸的外側(cè)圓弧半徑為r₂＝0.8～1mm內(nèi)側(cè)圓弧為同心結(jié)構(gòu)、內(nèi)外圓弧距離為w＝0.4～0.8mm的U環(huán)，U環(huán)外側(cè)下邊沿距離加載嵌套R(shí)形左手結(jié)構(gòu)外側(cè)輪廓的1/2金屬圓弧上邊沿b₁＝0.6～1.2mm，最終形成加載嵌套R(shí)形左手結(jié)構(gòu)。左側(cè)的加載嵌套R(shí)形左手結(jié)構(gòu)距離矩形貼片左側(cè)s₁＝0.3～0.6mm，右側(cè)的加載嵌套R(shí)形左手結(jié)構(gòu)與左側(cè)的構(gòu)成方式相同，距離矩形貼片右側(cè)s₂＝0.2～0.4mm,左側(cè)的加載嵌套R(shí)形左手結(jié)構(gòu)通過(guò)1/4金屬圓弧與右側(cè)的加載嵌套R(shí)形左手結(jié)構(gòu)的下側(cè)的矩形金屬棒相連，兩個(gè)加載嵌套R(shí)形左手結(jié)構(gòu)底部距離矩形貼片下側(cè)b₂＝3～6mm。

所述利用平面波導(dǎo)饋電并且在地板的左右兩邊加載圓弧，是在地板上左右兩側(cè)關(guān)于垂直軸對(duì)稱加載兩個(gè)長(zhǎng)為L(zhǎng)g＝5～10mm和Wg＝7～14mm的矩形共面波導(dǎo)饋電，同時(shí)將左(右)矩形的左(右)上角變換成半徑r₁＝1.8～2.2mm的1/4圓弧以增強(qiáng)阻抗匹配，該矩形共面波導(dǎo)距離矩形貼片下側(cè)Lf＝3～6mm。

所述單極子天線使用50Ω的微帶線饋電，所述微帶線的寬Wf＝0.8～1.6mm。

本發(fā)明針對(duì)目前微波頻段左手材料所存在的以上缺點(diǎn)，提出了非對(duì)稱的左手材料單元結(jié)構(gòu)，將其應(yīng)用到微帶天線中，該左手結(jié)構(gòu)擁有電諧振、磁諧振頻段靈活可控、左手特性帶寬較寬及損耗較低等優(yōu)點(diǎn)，由于其在電磁波入射方向的非對(duì)稱性，使其相對(duì)于對(duì)稱左手材料擁有更為特殊的電磁特性，以及更為簡(jiǎn)潔的左手特性調(diào)節(jié)參數(shù)。

與現(xiàn)有的左手材料相比，本發(fā)明具有如下突出的優(yōu)點(diǎn)和顯著的效果：

本發(fā)明針對(duì)目前微波頻段左手材料所存在的雙負(fù)頻帶窄、損耗大、尺寸也偏大的缺點(diǎn)，提出了非對(duì)稱的左手材料單元結(jié)構(gòu)，將其應(yīng)用到微帶天線中，該左手結(jié)構(gòu)擁有電諧振、磁諧振頻段靈活可控、左手特性帶寬較寬及損耗較低等優(yōu)點(diǎn)，由于其在電磁波入射方向的非對(duì)稱性，使其相對(duì)于對(duì)稱左手材料擁有更為特殊的電磁特性，以及更為簡(jiǎn)潔的左手特性調(diào)節(jié)參數(shù)。

該天線形成了2.44GHz(WLAN低頻)、3.64GHz(WiMAX中頻)以及5.80GHz(WiMAX高頻)三個(gè)諧振頻點(diǎn)，在2.44GHz，S₁₁值達(dá)到-18.31dB，小于-10.00dB的頻帶范圍從2.00GHz到2.95GHz，帶寬為0.95GHz；在3.64GHz，S₁₁值達(dá)到‐20.48dB，小于-10dB的頻帶范圍從3.55GHz到4.14GHz，帶寬為0.59GHz；在5.80GHz，S₁₁值達(dá)到-24.02dB，小于-10dB的頻帶范圍從5.13GHz到6.11GHz，帶寬為0.98GHz。因此該天線完全滿足于WLAN低頻、WiMAX中頻及WiMAX高頻的天線對(duì)頻帶的要求。

當(dāng)天線諧振頻點(diǎn)為2.44GHz時(shí)，電流主要集中在饋線上，此時(shí)天線此時(shí)表現(xiàn)出單極子的輻射特性。而在3.64GHz時(shí)，除了饋線上有大量電流，嵌套R(shí)左手結(jié)構(gòu)縫隙周?chē)灿邢喈?dāng)多的電流集中。在5.80GHz時(shí)電流少量集中在饋線底部，大部分集中于嵌套R(shí)左手結(jié)構(gòu)縫隙周?chē)?，此時(shí)天線的諧振頻點(diǎn)主要由嵌套R(shí)左手結(jié)構(gòu)縫隙決定。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例1的加載嵌套雙R形左手結(jié)構(gòu)縫隙的三頻天線的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例1的加載嵌套雙R形左手結(jié)構(gòu)縫隙的三頻天線的回波損耗(S₁₁)性能圖。在圖3中橫坐標(biāo)為頻率/GHz，縱坐標(biāo)為回波損耗(S₁₁)的取值。實(shí)線是加載后的回波損耗(S₁₁)性能圖，虛線是加載前的回波損耗(S₁₁)性能圖。

圖3為本發(fā)明實(shí)施例1的加載嵌套雙R形左手結(jié)構(gòu)縫隙的三頻天線的回波損耗(S₁₁)隨垂直方向的高度a₂＝b₂+Lf變化性能圖。在圖4中，橫坐標(biāo)為頻率/GHz，縱坐標(biāo)為S(1,1)的取值。

圖4為本發(fā)明實(shí)施例1的加載嵌套雙R形左手結(jié)構(gòu)縫隙的三頻天線在2.44GHz時(shí)的E面和H面增益方向圖，圖中坐標(biāo)為極坐標(biāo)。

圖5為本發(fā)明實(shí)施例1的加載嵌套雙R形左手結(jié)構(gòu)縫隙的三頻天線在3.64GHz時(shí)的E面和H面增益方向圖，圖中坐標(biāo)為極坐標(biāo)。

圖6為本發(fā)明實(shí)施例1的加載嵌套雙R形左手結(jié)構(gòu)縫隙的三頻天線在5.80GHz時(shí)的E面和H面增益方向圖，圖中坐標(biāo)為極坐標(biāo)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。

實(shí)施例1：參見(jiàn)圖1，本發(fā)明的基本結(jié)構(gòu)為單面覆有良導(dǎo)體的高性能介質(zhì)基板1，介質(zhì)基板1形狀為長(zhǎng)方形，長(zhǎng)L＝30mm，寬L₁＝20mm，厚度h＝1.6mm，介電常數(shù)為4.4，損耗角正切值為0.02，良導(dǎo)體厚度為0.017mm。在該介質(zhì)基板的良導(dǎo)體面上刻蝕一個(gè)矩形貼片2，長(zhǎng)Lp＝16mm,寬Wp＝11mm。將兩個(gè)加載嵌套R(shí)形左手結(jié)構(gòu)3作為縫隙加載到單極子天線矩形輻射貼片上,左側(cè)加載嵌套R(shí)形左手結(jié)構(gòu)外側(cè)輪廓由長(zhǎng)為a＝2mm、寬為w＝0.6mm的矩形金屬棒和外側(cè)圓弧半徑為r₃＝2.3mm、內(nèi)側(cè)圓弧為同心結(jié)構(gòu)、內(nèi)外圓弧距離為w＝0.6mm的1/2金屬圓弧，長(zhǎng)為b＝5.2mm、寬為w＝0.6mm的矩形金屬棒以及外側(cè)圓弧半徑為r₅＝4.6mm、內(nèi)側(cè)圓弧為同心結(jié)構(gòu)、內(nèi)外圓弧距離為w＝0.6mm的1/4金屬圓弧依次組成，其中1/2金屬圓弧下側(cè)水平內(nèi)側(cè)距離1/4金屬圓弧上側(cè)水平內(nèi)側(cè)的距離b₃＝1.2mm。在R形左手結(jié)構(gòu)底部增加金屬桿結(jié)合1/4圓弧的類似結(jié)構(gòu)，其外側(cè)圓弧半徑為r₄＝2.8mm、內(nèi)側(cè)圓弧為同心結(jié)構(gòu)、內(nèi)外圓弧距離為w＝0.6mm,與R型左手結(jié)構(gòu)外側(cè)輪廓的矩形金屬桿距離為a₁＝0.59mm,在R形左手結(jié)構(gòu)上半部分的兩個(gè)矩形金屬棒和1/2金屬圓弧之間嵌入小尺寸的外側(cè)圓弧半徑為r₂＝1mm內(nèi)側(cè)圓弧為同心結(jié)構(gòu)、內(nèi)外圓弧距離為w＝0.6mm的U環(huán)，U環(huán)外側(cè)下邊沿距離R形左手結(jié)構(gòu)外側(cè)輪廓的1/2金屬圓弧上邊沿b₁＝0.9mm，最終形成嵌套R(shí)形左手結(jié)構(gòu)。左側(cè)的嵌套R(shí)形左手結(jié)構(gòu)距離矩形貼片左側(cè)s₁＝0.5mm，右側(cè)的嵌套R(shí)形左手結(jié)構(gòu)與左側(cè)的構(gòu)成方式相同，距離矩形貼片右側(cè)s₂＝0.3mm,左側(cè)的嵌套R(shí)形左手結(jié)構(gòu)通過(guò)1/4金屬圓弧與右側(cè)的嵌套R(shí)形左手結(jié)構(gòu)的下側(cè)的矩形金屬棒相連，兩個(gè)加載嵌套R(shí)形左手結(jié)構(gòu)底部距離矩形貼片下側(cè)b₂＝4.9mm。利用平面波導(dǎo)饋電并且在地板的左右兩邊加載圓弧，是在地板上左右兩側(cè)關(guān)于垂直軸對(duì)稱加載兩個(gè)長(zhǎng)為L(zhǎng)g＝6.7mm和寬Wg＝9.3mm的矩形共面波導(dǎo)饋電，同時(shí)將左(右)矩形的左(右)上角變換成半徑r₁＝2mm的1/4圓弧以增強(qiáng)阻抗匹配，該矩形共面波導(dǎo)距離矩形貼片下側(cè)Lf＝4.5mm。單極子天線使用50歐姆的微帶線饋電，該微帶線寬Wf＝1.03mm。

參見(jiàn)圖2，可見(jiàn)加載嵌套R(shí)形左手結(jié)構(gòu)縫隙的天線形成了2.44GHz(WLAN低頻)、3.64GHz(WiMAX中頻)以及5.80GHz(WiMAX高頻)三個(gè)諧振頻點(diǎn)。在2.44GHz，S₁₁值達(dá)到-18.31dB，小于-10.00dB的頻帶范圍從2.00GHz到2.95GHz，帶寬為0.95GHz；在3.64GHz，S₁₁值達(dá)到-20.48dB，小于-10dB的頻帶范圍從3.55GHz到4.14GHz，帶寬為0.59GHz；在5.80GHz，S₁₁值達(dá)到-24.02dB，小于-10dB的頻帶范圍從5.13GHz到6.11GHz，帶寬為0.98GHz。因此該天線完全滿足于WLAN低頻、WiMAX中頻及WiMAX高頻的天線對(duì)頻帶的要求。相對(duì)于加載左手結(jié)構(gòu)前，天線的每個(gè)諧振頻點(diǎn)都降低，并且?guī)挏p小。

參見(jiàn)圖3，可知當(dāng)a₂＝9.00mm,9.20mm,9.40mm時(shí)，該天線的2.44GHz、5.80GHz頻點(diǎn)的S₁₁曲線基本不變，而中間頻段的諧振點(diǎn)則不斷降低。當(dāng)a₁取值為9.60mm時(shí)，天線的S₁₁曲線出現(xiàn)大幅改變，低頻、高頻諧振消失，只保留了一個(gè)頻點(diǎn)。因此，a₁的取值不能等于9.60mm，考慮天線的頻點(diǎn)要求，a₁的取值應(yīng)為9.4mm。

參見(jiàn)圖4～6，由圖可知在2.44GHz、3.64GHz以及5.80GHz這三個(gè)頻點(diǎn)，該天線H面增益方向圖都為標(biāo)準(zhǔn)的全向輻射模式。而在2.44GHz和3.64GHz兩個(gè)頻點(diǎn)，天線的E面輻射方向圖都為標(biāo)準(zhǔn)的雙向輻射模式，此時(shí)天線的輻射特性主要表現(xiàn)為單極子貼片天線的輻射特性。在5.80GHz天線的E面輻射方向圖有明顯的變形，說(shuō)明此時(shí)的天線輻射特性主要由嵌套R(shí)形左手結(jié)構(gòu)縫隙決定。在2.44GHz，天線最大增益為1.34dB；在3.64GHz天線最大增益為1.55dB；在5.80GHz天線最大增益為2.65dB。

本發(fā)明針對(duì)目前微波頻段左手材料所存在的缺點(diǎn)，提出了非對(duì)稱的左手材料單元結(jié)構(gòu)，將其應(yīng)用到微帶天線中，該左手結(jié)構(gòu)擁有電諧振、磁諧振頻段靈活可控、左手特性帶寬較寬及損耗較低等優(yōu)點(diǎn)，由于其在電磁波入射方向的非對(duì)稱性，使其相對(duì)于對(duì)稱左手材料擁有更為特殊的電磁特性，以及更為簡(jiǎn)潔的左手特性調(diào)節(jié)參數(shù)。