一種基于電磁超材料單元的高增益天線的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于電磁超材料單元的高增益天線，包括多個電磁超材料單元和饋電網(wǎng)絡(luò)，所述電磁超材料單元包括銅基板和銅導(dǎo)線，銅基板上設(shè)有通孔，銅導(dǎo)線的一端垂直放置通孔中與通孔間隙配合，銅導(dǎo)線與通孔之間的間隙內(nèi)填充有絕緣材料，銅導(dǎo)線的另一端經(jīng)水平、豎直彎折后與銅基板相對，多個電磁超材料單元周期性排列成陣列天線，所述饋電網(wǎng)絡(luò)與陣列天線相匹配的周期性排列以對每個電磁超材料單元進(jìn)行饋電，饋電網(wǎng)絡(luò)刻蝕在介質(zhì)基板上，在介質(zhì)基板的邊緣設(shè)有激勵端口，介質(zhì)基板位于陣列天線的下方。本發(fā)明天線結(jié)構(gòu)簡單易加工，周期性排列的電磁超材料單元和饋電網(wǎng)路在結(jié)構(gòu)上具有對稱性，提高了天線增益。
【專利說明】
一種基于電磁超材料單元的高増益天線
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于電磁超材料單元的高增益天線，屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，空間太陽能傳輸（Solar Power Transmission，SPT)和微波無線輸能 (WPT)越來越受到人們的重視，電磁能量的發(fā)射是其中一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。目前，微波無線輸電 技術(shù)主要應(yīng)用在架設(shè)導(dǎo)線不切實(shí)際或架設(shè)導(dǎo)線輸電風(fēng)險(xiǎn)較大、成本較高的一些場合，如高 空永久作業(yè)平臺、大規(guī)模無線傳感節(jié)點(diǎn)的供電等。
[0003] 目前常見的微波天線如2.5GHz的微波發(fā)射天線存在體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、發(fā)射增益 小和小型化系統(tǒng)集成等問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供了一種基于電磁超材料單元的高 增益天線，解決了現(xiàn)有技術(shù)中發(fā)射天線增益小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的技術(shù)問題。
[0005] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種基于電磁超材料單元的高增益天線，其 特征是，包括多個電磁超材料單元和饋電網(wǎng)絡(luò)，所述電磁超材料單元包括銅基板和銅導(dǎo)線， 銅基板上設(shè)有通孔，銅導(dǎo)線的一端垂直放置通孔中與通孔間隙配合，銅導(dǎo)線與通孔之間的 間隙內(nèi)填充有絕緣材料，銅導(dǎo)線的另一端經(jīng)水平、豎直彎折后與銅基板相對，多個電磁超材 料單元周期性排列成陣列天線，所述饋電網(wǎng)絡(luò)與陣列天線相匹配的周期性排列以對每個電 磁超材料單元進(jìn)行饋電，饋電網(wǎng)絡(luò)刻蝕在介質(zhì)基板上，在介質(zhì)基板的邊緣設(shè)有激勵端口，介 質(zhì)基板位于陣列天線的下方。
[0006] 進(jìn)一步的，銅基板的尺寸為28mmX 14mmX 3mm。
[0007] 進(jìn)一步的，電磁超材料單元為512個，排列成16 X 32的陣列。
[0008] 進(jìn)一步的，所述絕緣材料為聚四氟乙稀。
[0009] 進(jìn)一步的，介質(zhì)基板為Rogers基板。
[0010] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所達(dá)到的有益效果是:本發(fā)明天線結(jié)構(gòu)簡單易加工，周期 性排列的電磁超材料單元和饋電網(wǎng)路在結(jié)構(gòu)上具有對稱性，通過饋電網(wǎng)絡(luò)的方式對每個電 磁超材料單元進(jìn)行饋電，提高了天線增益，陣列天線的增益達(dá)到22.07dB，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于同等尺 寸大小下的常規(guī)陣列天線。陣列天線能夠進(jìn)行周期性擴(kuò)展，使得結(jié)構(gòu)靈活多變，當(dāng)單元周期 數(shù)增加時，電磁能量發(fā)射增益變大，易于實(shí)現(xiàn)應(yīng)用量產(chǎn)。通過改變電磁超材料單元尺寸大 小，能夠使得諧振頻率改變，實(shí)現(xiàn)了發(fā)射頻段的可調(diào)性。
【附圖說明】
[0011]圖1是本發(fā)明電磁超材料單元的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0012] 圖2是本發(fā)明電磁超材料單元周期性排列的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0013] 圖3是本發(fā)明饋電電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014]圖4是本發(fā)明天線在2.5GHz的回波損耗示意圖。
[0015]圖5是本發(fā)明天線在2.5GHz的XOZ面福射增益示意圖。
[0016]圖6是本發(fā)明天線在2.5GHz的yoz面輻射增益示意圖。
[0017]附圖標(biāo)記：1、銅基板;2、銅導(dǎo)線。
【具體實(shí)施方式】
[0018] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。以下實(shí)施例僅用于更加清楚地說明本發(fā)明 的技術(shù)方案，而不能以此來限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0019] 超材料是由具有一定形狀的金屬微結(jié)構(gòu)按照特定方式周期性排列于基材上而構(gòu) 成。金屬微結(jié)構(gòu)不同的形狀和排列方式使得超材料具有不同的介電常數(shù)和不同的磁導(dǎo)率從 而使得超材料具有不同的電磁響應(yīng)。其中，當(dāng)該金屬微結(jié)構(gòu)處于諧振頻段時，該金屬微結(jié)構(gòu) 的阻抗、容感性、等效的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率隨著頻率會發(fā)生劇烈的變化。
[0020]本發(fā)明利用超材料的上述原理，設(shè)種基于電磁超材料單元的天線。其將金屬 微結(jié)構(gòu)附著于銅基板上并利用金屬微結(jié)構(gòu)具有豐富的輻射特性從而省去了阻抗匹配網(wǎng)絡(luò) 的設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)天線小型化;另外，本發(fā)明還在天線結(jié)構(gòu)中加入覆有饋電網(wǎng)絡(luò)的介質(zhì)基板，饋 電網(wǎng)絡(luò)位于銅基板下方提高天線的發(fā)射增益。
[0021] 如圖1至圖3所示，本發(fā)明的一種基于電磁超材料單元的高增益天線，包括多個電 磁超材料單元和饋電網(wǎng)絡(luò)，多個電磁超材料單元周期性排列成陣列天線，所述饋電網(wǎng)絡(luò)與 陣列天線相匹配的周期性排列以對每個電磁超材料單元進(jìn)行饋電。
[0022] 電磁超材料單元的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，包括銅基板1和銅導(dǎo)線2，銅基板1的尺 寸大小為28_ X 14mm X 3mm，銅基板1的材質(zhì)為銅，此材質(zhì)的基板特點(diǎn)是造價低，能夠?qū)l(fā)射 的能量更好的轉(zhuǎn)化為輻射的能量。銅基板1的背面可以等效為地平面，銅基板1上設(shè)有供銅 導(dǎo)線2貫穿的通孔，銅導(dǎo)線2的一端插入通孔，與通孔間隙配合，銅導(dǎo)線2與通孔之間的間隙 內(nèi)填充有絕緣材料，絕緣材料采用現(xiàn)有技術(shù)中陶瓷或聚四氟乙烯，銅導(dǎo)線2另一端經(jīng)水平、 豎直彎折后與銅基板1正面相對，銅導(dǎo)線2與銅基板1的具體位置為，銅基板1的長L=28mm， 寬為14mm，高為d = 3mm，銅導(dǎo)線2彎折成由三節(jié)組成的開口的框型，其開口正對銅基板1的正 面，與銅基板1的長邊平行放置，插入通孔的一節(jié)高出銅基板1的正面距離為h = 7mm，水平的 一節(jié)長度為b = 22mm，豎直的一節(jié)長度為g = 3.6mm，插入通孔的銅導(dǎo)線2-端與銅基板1之間 等同于LC諧振電路，諧振頻率為2.5GHz，電磁超材料單元能夠高效的發(fā)射入射頻率為 2.5GHz的電磁波。通過改變電磁超材料單元尺寸大小，能夠使得諧振頻率改變，實(shí)現(xiàn)了發(fā)射 頻段的可調(diào)性。
[0023] 如圖2所示，多個電磁超材料單元周期性排列成陣列天線，優(yōu)選512個電磁超材料 單元周期性排列成16X32的方形陣列天線，以提高天線的增益。陣列天線能夠進(jìn)行周期性 擴(kuò)展，使得結(jié)構(gòu)靈活多變，當(dāng)單元周期數(shù)增加時，電磁能量發(fā)射增益變大，易于實(shí)現(xiàn)應(yīng)用量 產(chǎn)。
[0024] 如圖3所示，饋電網(wǎng)絡(luò)刻蝕在介質(zhì)基板的下表面，介質(zhì)基板位于陣列天線的下方。 饋電網(wǎng)絡(luò)由H型功分網(wǎng)絡(luò)和阻抗變換器按照與陣列天線相匹配的周期性排列組成，2 X 2元 子陣列采用阻抗變換器并聯(lián)饋電，4個對稱的2X2元子陣列組成16元子陣列，此陣列內(nèi)部采 用并饋方式;4個對稱的16元子陣列組成64元子陣列，此陣列內(nèi)部采用并饋方式；以此類推， 組成512元的饋電網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對每個電磁超材料單元進(jìn)行饋電，提高天線的增益。阻抗變阻器 的具體阻抗變換阻值如表1所示，不同的長寬對應(yīng)的阻抗值。
[0025] 弄1糖電網(wǎng)絡(luò)中λ/4陽抗奪拖器對府參教
[0027] 饋電網(wǎng)絡(luò)在介質(zhì)基板的邊緣設(shè)有激勵端口，通過激勵端口連接外圍的信號源，對 激勵端口進(jìn)行饋電可以通過饋電網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對每個電磁超材料單元進(jìn)行饋電，提高天線的增 益。此陣列天線和饋電網(wǎng)絡(luò)具有對稱性，通過調(diào)整結(jié)構(gòu)及其對稱結(jié)構(gòu)的尺寸大小，能實(shí)現(xiàn)調(diào) 頻特性。進(jìn)一步的，介質(zhì)基板材料為Rogers基板。
[0028] 本實(shí)施例的工作過程為，在介質(zhì)基板上的激勵端口外接信號源(如發(fā)射器），外加 的激勵信號通過饋電網(wǎng)絡(luò)耦合傳輸?shù)姐~基板的天線陣列，然后通過銅導(dǎo)線向周圍空間輻射 出去，實(shí)現(xiàn)無線通信的功能。
[0029]進(jìn)一步對本發(fā)明天線的發(fā)射效果進(jìn)行了測試，測試結(jié)果如下：
[0030]如圖4所示，本發(fā)明天線在中心諧振頻率2.5GHz的回波損耗達(dá)到了-25dB。
[0031] 如圖5和圖6所示，本發(fā)明天線在電磁能量發(fā)射的增益上有很大的突破，實(shí)驗(yàn)表明， 2.5GHz的高增益發(fā)射天線的增益達(dá)到了22.07dB，且具有很好的定向性。改善目前常規(guī)的發(fā) 射天線增益不高的現(xiàn)狀，使得無線輸能的整體效率大幅地提高。
[0032] 以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和變型，這些改進(jìn)和變型 也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于電磁超材料單元的高增益天線，其特征是，包括多個電磁超材料單元和饋 電網(wǎng)絡(luò)，所述電磁超材料單元包括銅基板和銅導(dǎo)線，銅基板上設(shè)有通孔，銅導(dǎo)線的一端垂直 放置通孔中與通孔間隙配合，銅導(dǎo)線與通孔之間的間隙內(nèi)填充有絕緣材料，銅導(dǎo)線的另一 端經(jīng)水平、豎直彎折后與銅基板相對，多個電磁超材料單元周期性排列成陣列天線，所述饋 電網(wǎng)絡(luò)與陣列天線相匹配的周期性排列以對每個電磁超材料單元進(jìn)行饋電，饋電網(wǎng)絡(luò)刻蝕 在介質(zhì)基板上，在介質(zhì)基板的邊緣設(shè)有激勵端口，介質(zhì)基板位于陣列天線的下方。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于電磁超材料單元的高增益天線，其特征是，所述銅基 板的尺寸為28mm X 14mm X 3mm。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于電磁超材料單元的高增益天線，其特征是，所述電磁 超材料單元為512個，排列成16X32的陣列。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于電磁超材料單元的高增益天線，其特征是，所述絕緣 材料為聚四氟乙烯。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于電磁超材料單元的高增益天線，其特征是，介質(zhì)基板 為Rogers基板。
【文檔編號】H01Q1/52GK106058455SQ201610620695
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年7月29日
【發(fā)明人】王身云, 徐鵬
【申請人】南京信息工程大學(xué)