專利名稱：寬帶寬高增益的超材料天線的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及通訊天線領域，具體涉及一種寬帶寬高增益的超材料天線，其采用較小的體積，實現較寬的帶寬和較高的增益。
背景技術：
超材料(Metamaterial MTM)的人工制造結構顯示出特別的波傳播特性,其應用到天線設計中一直是一個熱 門方向，吸引了很多學者和工程師的注意，但是超材料的構造是用電磁諧振，所以帶寬很窄，損耗也會增加。Le-Wei Li 等在 Proc. of 2010 European Conference on Antennas andPropagation中公開了一種寬帶寬高增益超材料天線(Broadband and High-GainMetamaterial Microstrip Anetnna Arrays),其包括基板、安裝在基板上表面的左手超材料天線單元和位于基板下表面的金屬反射層；所述金屬反射層被刻蝕出十字型帶狀間隙，其中饋電區(qū)域未被刻蝕，天線區(qū)域采用四個超材料天線單元并聯(lián)，并通過饋線與饋源連接。與傳統(tǒng)四元天線相比，其帶寬大大提高，帶寬內同樣實現了高增益。雖然并聯(lián)饋陣有更寬的帶寬并且提高了增益，但是并聯(lián)饋電由于功分器的尺寸、數量與其連接的微帶線的長度與數量是設計好的，并聯(lián)饋電的天線體積或面積很難被進一步縮小。隨著電子產品日益小型化，對天線的性能要求不斷提高的前提下，對其所占面積也提出了小型化要求。
發(fā)明內容
本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種寬帶寬高增益的超材料天線陣，其采用偏離中心的饋線將超材料天線串聯(lián)連接，在減小天線尺寸的同時，拓寬了天線帶寬、增加了天線增益。為解決上述技術問題，本發(fā)明采取的技術方案如下
一種寬帶寬高增益的超材料天線，結構中包括基板、刻蝕在基板上表面的超材料制成的天線陣和覆在基板下表面的金屬反射層，所述金屬反射層上刻蝕有陣列的十字型間隙；所述天線陣由第一陣元和第二陣元串聯(lián)組成。所述第一陣元和第二陣元借助偏離中心的第一饋線連接，第二陣元與饋源之間借助偏離中心的第二饋線連接，所述第二饋線與第一饋線與中心偏離的方向是相反的。采用上技術方案產生的有益效果在于
1)本發(fā)明采用二元超材料陣元串聯(lián)饋電，不需要預留功分器的面積，所需饋線的數量也減少為2根，而且陣元所占的面積也減少一半，因此天線的體積(或面積)較四元陣元并聯(lián)饋電的體積(或面積)要小很多，適于電子產品對小型化趨勢；
2)本發(fā)明采用體積較小的串聯(lián)的二元陣元工作帶寬為3.9GHz^7. 7GHz，相對帶寬達到68%，而單個陣元的相對帶寬是46% ;除了 3. 9GHz 4. 65GHz，帶寬內峰值增益都高于3. 9dB。
圖I是本發(fā)明天線的主視結構示意 圖2是本發(fā)明天線的后視結構示意 圖3是本發(fā)明天線的S11 圖4是本發(fā)明天線的增益 圖5是本發(fā)明天線的仿真3D方向 圖6是測量的本發(fā)明天線7GHz的2D共面極化與交叉極化的結果；
圖7是測量的本發(fā)明天線7. 6GHz的2D共面極化與交叉極化的結果；
附圖中，I、第一陣元，2、第二陣元，3、金屬反射層，4、基板，5、第一饋線，6、第二饋線，7、
十字型間隙。
具體實施例方式參看圖I和圖2，本發(fā)明結構中包括基板4、刻蝕在基板4上表面的超材料制成的天線陣和覆在基板2下表面的金屬反射層3，所述金屬反射層3上刻蝕有陣列的十字型間隙7，在第二饋線6所在的饋電區(qū)域所對應的金屬反射層上未刻蝕十字型間隙，刻畫的超材料參見背景技術中Le-Wei Li所公開的超材料。本發(fā)明中所述天線陣由第一陣元I和第二陣元2串聯(lián)組成。所述第一陣元I和第二陣元2借助偏離中心的第一饋線5連接，第二陣元2與饋源之間借助偏離中心的第二饋線6連接,所述第二饋線6與第一饋線5與中心偏離的方向是相反的。第一陣元I與第二陣元2之間的距離為介質中的中心波長的O. 5^1倍。第一饋線5的特征阻抗與第一陣元I的輸入阻抗匹配。設計傳統(tǒng)天線時的假設(每個天線的阻抗是純實數)在超材料概念天線陣設計中很難被保證。雖然為了增益最好的疊加，兩個陣元之間的距離仍然是一個波長(天線排陣的一個要求，為了保證兩個天線相位相同)，但是饋線和陣元各自的長度不再像傳統(tǒng)天線一樣是半波長。兩個陣元之間的第一饋線5的特征阻抗與第一陣元I的輸入阻抗匹配，即第一饋線5的特征阻抗基本等于第一陣元I的輸入阻抗?？偟妮斎胱杩褂谑墙咏?0 Ω (兩個單個天線阻抗都大于50 Ω，并聯(lián)起來就接近50 Ω )，與天線陣的輸入阻抗一致。這個分步匹配技術使輸入阻抗隨頻率變化緩慢，從而導致寬帶寬的特性。本實施例中基板4是Duroid，相對介電常數為2.2，厚度31mil。每個陣元覆蓋的區(qū)域大小是12_X 16_。第一饋線5和第二饋線6是向著相反方向偏離陣元中心的。兩個陣元之間的距離，也就是第一饋線5與第一陣元4的長度之和為傳輸介質中的一個波長長度。為了維持能量傳輸特性，第二饋線6下方的金屬反射層并未被蝕刻十字型縫隙；為了維持第一陣元I的輻射特性，第一饋線5下方的金屬反射層是蝕刻的。制造本實施例的二元超材料天線陣，陣元尺寸為12mmX 16mm;第一饋線的長度為12mm、寬度為O. 65mm ;第二饋線的長度為13. 4臟、寬度為2. 42mm,基板4的尺寸為72. 4mmX41mm。Sll的仿真、測量結果比較見圖3，從圖中可以看出，-IOdB時帶寬在3. 9GHz到7. 7GHz之間，相對帶寬到達68%，相比而言單個陣元的相對帶寬是46%(參見Le-Wei Li,Ya-Nan Li，Tat Soon Yeoj Juan R. Mosigj Olivier J. F. Martin, “A broadband andhigh-gain metamaterial microstrip antenna, ” AppI. Phys. Lett. , vol. 96, No. 16,p. 164101， Apr 2010)。圖4是測試的4GHz到8GHz的峰值增益，除了 3. 9GHz^4. 65GHz，帶寬內峰值增益都高于3. 9dB。在7GHz和7. 6GHz有極大值。
圖5是本實施例天線陣的仿真3D方向圖。由于兩個陣元方向圖的疊加，天線主瓣也是向前的。本發(fā)明使用了超材料做串聯(lián)饋電陣，為了繼承其寬帶寬、高增益的特點，使用了偏離中心的饋線，兩個饋線在不同的方向偏離保證了其增益最大化。所以使增益和帶寬進一步提高，帶寬遠大于普通微帶二元串饋天線。圖6和圖7是測量的7GHz和7. 6GHz的2D共面極化與交叉極化結果，從圖中可知在主要輻射方向(即零度方向)共面極化和交叉極化相差大約20dB，其極化效果非常好。
權利要求
1.一種寬帶寬高增益的超材料天線，結構中包括基板(4)、刻蝕在基板(4)上表面的超材料制成的天線陣和覆在基板(2 )下表面的金屬反射層(3 )，所述金屬反射層(3 )上刻蝕有陣列的十字型間隙(7);其特征在于所述天線陣由第一陣元(I)和第二陣元(2)串聯(lián)組成。
2.根據權利要求I所述的寬帶寬高增益的超材料天線，其特征在于所述第一陣元(I)和第二陣元(2)借助偏離中心的第一饋線(5)連接，第二陣元(2)與饋源之間借助偏離中心的第二饋線(6)連接,所述第二饋線(6)與第一饋線(5)與中心偏離的方向是相反的。
3.根據權利要求I所述的寬帶寬高增益的超材料天線，其特征在于第一陣元(I)與第二陣元(2)之間的距離為介質中的中心波長的O. 5^1倍。
4.根據權利要求I所述的寬帶寬高增益的超材料天線，其特征在于第一饋線(5)的特征阻抗與第一陣元(I)的輸入阻抗匹配。
5.根據權利要求2所述的寬帶寬高增益的超材料天線，其特征在于所述第一饋線(5)為12mm，第二饋線(6)的長度為13. 5mm ;第一陣元(I )、第二陣元(2)的長度均為16mm。
全文摘要
一種寬帶寬高增益串聯(lián)饋電的超材料天線陣，包括基板、超材料天線陣和金屬反射層，所述金屬反射層上對應的超材料天線陣區(qū)域設有陣列的十字型間隙；所述超材料天線陣由兩個陣元串聯(lián)組成，所述陣元之間用偏離陣元中心的第一饋線連接，第二陣元與饋源用與第一饋線偏離方向相反的第二饋線連接。本發(fā)明采用二元陣元串聯(lián)饋電，其體積較四元陣元并聯(lián)饋電的體積要小很多，適于天線小型化趨勢；而且其工作帶寬為3.9GHz~7.7GHz，相對帶寬達到68%，而單個陣元的相對帶寬是46%；除了3.9GHz~4.65GHz，帶寬內峰值增益都高于3.9dB。
文檔編號H01Q1/50GK102881999SQ20121019224
公開日2013年1月16日 申請日期2012年6月12日 優(yōu)先權日2012年6月12日
發(fā)明者王朗, 王瓏, 李樂偉, 曹雷 申請人:電子科技大學