專利名稱：S波段新型負(fù)磁導(dǎo)率微帶天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種s波段新型負(fù)磁導(dǎo)率微帶天線，具體來說涉及一種采用有負(fù)磁導(dǎo) 率效應(yīng)的樹枝狀結(jié)構(gòu)來改善天線性能的微帶天線。
背景技術(shù)：
微帶天線是由一塊厚度遠(yuǎn)小于波長的介質(zhì)基板和刻蝕在其兩側(cè)的金屬貼片組成， 利用同軸線或微帶線饋電，并通過貼片四周與接地板間的縫隙向外輻射電磁波。微帶天線具 有拋面薄、體積小、易成形，易集成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適合用于印刷技術(shù)大批量生產(chǎn)，目前已廣 泛應(yīng)用在衛(wèi)星通信，飛機(jī)器，導(dǎo)彈共型天線，探針探頭等各種軍事民用領(lǐng)域。但是微帶天線 自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，致使了其天線單元增益低，方向性差，有導(dǎo)體和介質(zhì)損耗，輻射效率低等 缺點(diǎn)，在需要更高性能和靈敏度的儀器和設(shè)備中難以得到更進(jìn)一步的應(yīng)用?，F(xiàn)有的一些改善 微帶天線性能的技術(shù)，例如增加基板厚度或多層貼片，或是改變貼片形狀，效果并不十分顯著；另外采用天線陣列，不可避免的存在繁瑣的饋線系統(tǒng)。樹枝狀結(jié)構(gòu)是一種能產(chǎn)生負(fù)磁導(dǎo)率的結(jié)構(gòu)。當(dāng)電磁波垂直于樹枝狀結(jié)構(gòu)入射時(shí)，在樹枝 狀結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生了感應(yīng)電流，從而引入了電感。由于樹枝狀結(jié)構(gòu)存在間隙，從而產(chǎn)生了電容。 于是產(chǎn)生了與樹枝結(jié)構(gòu)的幾何尺寸和形狀相關(guān)的LC諧振。在某一頻率段內(nèi)電磁波不能傳播， 即產(chǎn)生了禁帶，在禁帶范圍內(nèi)磁導(dǎo)率為負(fù)，并表現(xiàn)出一些奇異的微波響應(yīng)行為，因此近幾年 對(duì)其的研究成為科學(xué)界的焦點(diǎn)。這種能產(chǎn)生負(fù)磁導(dǎo)率的材料在微電子線路元件、濾波器、無 線電通信、調(diào)制器等領(lǐng)域?qū)⒂泻芎玫膽?yīng)用前景。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的就是針對(duì)微帶天線效率低，頻帶窄，方向性差；提出一種新型的帶 有樹枝狀結(jié)構(gòu)的微帶天線，它不僅具有寬頻帶，高增益，且具有體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。 樹枝狀結(jié)構(gòu)在一定的頻段下有負(fù)磁導(dǎo)率，能在諧振工作頻段形成禁帶，將這個(gè)特性應(yīng)用于微 帶天線可以有效地抑制微帶天線工作時(shí)激發(fā)的表面波和虧電網(wǎng)絡(luò)的寄生輻射，從而提高輻射 效率改善微帶天線性能。采用加載樹枝狀結(jié)構(gòu)的方法，可應(yīng)用在各種場(chǎng)合下的微帶天線改造 上，并且采用印刷電路板制造工藝，與微帶天線一體成型。成本低廉。本發(fā)明中樹枝狀結(jié)構(gòu)微帶天線主要包括介質(zhì)基板，輻射金屬片，在介質(zhì)基板的一側(cè)面上；金屬地板，印制在介質(zhì)基板的另一側(cè) 面上，尺寸較輻射金屬片略大；SMA同軸接頭，其金屬探針與金屬貼片相連，同軸底座內(nèi) 導(dǎo)體與金屬探針相連，外導(dǎo)體與金屬接地板相連，并作為天線電波信號(hào)的饋入接口； 一組負(fù)磁導(dǎo)率單元刻蝕與金屬接地板和輻射片的周圍。通過調(diào)整樹枝狀結(jié)構(gòu)的外形尺寸參數(shù)(樹枝各 級(jí)長度，夾角，線寬，晶格常數(shù)等)實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)磁導(dǎo)率特性區(qū)域波段的調(diào)控，使其覆蓋微帶天線 的工作頻段。在天線輻射或接受的電磁波激勵(lì)下，負(fù)磁導(dǎo)率材料有效地抑制微帶天線工作時(shí) 激發(fā)的表面波和虧電網(wǎng)絡(luò)的寄生輻射，從而提高輻射效率改善微帶天線性能。同時(shí)，本發(fā)明 中的負(fù)磁導(dǎo)率微帶天線，可通過電路板刻蝕技術(shù)實(shí)現(xiàn)，工藝簡(jiǎn)單易行。易于大規(guī)模工業(yè)化生 產(chǎn)。


圖l本發(fā)明中樹枝狀結(jié)構(gòu)的尺寸示意2 ;^發(fā)明中負(fù)磁導(dǎo)率微帶天線示意3本發(fā)明中在微帶天線正背面陽刻周期性排列的金屬樹枝狀的結(jié)構(gòu)示意4本發(fā)明中在微帶天線正面采用陽刻工藝制備的樹枝狀結(jié)構(gòu)示意圖 圖5本發(fā)明中在微帶天線背面采用陽刻工藝制備的樹枝狀結(jié)構(gòu)示意圖 圖6本發(fā)明中負(fù)磁導(dǎo)率材料微帶天線與普通天線的回波損耗曲線 圖7本發(fā)明中負(fù)磁導(dǎo)率材料微帶天線與普通微帶E面方向圖 圖8本發(fā)明中負(fù)磁導(dǎo)率材料微帶天線與普通微帶H面方向圖具體實(shí)施方式
本發(fā)明采用電路板刻蝕技術(shù)制作微帶天線。在圖2所示的微帶天線結(jié)構(gòu)中， 金屬接地板4和輻射金屬片2連接分別刻蝕于介質(zhì)基板1上。SMA同軸接頭3連接金屬界地 板4和輻射金屬片2，并作為天線的電波信號(hào)饋入源。在介質(zhì)基板1正背面上刻蝕樹枝狀結(jié) 構(gòu)單元5 (如圖4和圖5)，此諧振單元呈周期排列在介質(zhì)基板上，且正，面的樹枝狀結(jié)構(gòu)單 元嚴(yán)格對(duì)正。依據(jù)實(shí)施例，樹枝狀結(jié)構(gòu)單元采用陽刻工藝。如圖4和圖5所示，陽刻工藝是在介質(zhì)基 板帶有輻射金屬貼片的一面和介質(zhì)基板帶有金屬接地板的一面刻蝕出陽面圖案的樹枝狀結(jié)構(gòu)，同一面的樹枝狀結(jié)構(gòu)平行排列，在介質(zhì)基板正背面上樹枝結(jié)構(gòu)必須嚴(yán)格對(duì)應(yīng)。由于微帶 天線是一種開放式結(jié)構(gòu)，在工作時(shí)不僅向外輻射電磁波而且會(huì)在介質(zhì)表面即發(fā)出沿介質(zhì)表面 傳播的表面波，表面波的能量主要集中在介質(zhì)曾表面附近， 一旦離開表面，場(chǎng)強(qiáng)隨離開的距 離呈指數(shù)衰減，所以表面波帶走的一部分能量是微帶天線效率低的一個(gè)重要原因，采用陽刻 工藝的樹枝狀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的禁帶可以顯著抑制表面波的傳播，讓這部分表面波能量參與天線向4外輻射。
如圖1所示，樹枝狀結(jié)構(gòu)單元的幾何尺寸根據(jù)微帶天線的工作頻率調(diào)整。如微帶天線中 心工作頻率從3 4GHz，樹枝從中心向外圍的各級(jí)長度分別為 一級(jí)分支長度a=4.2mm 5.6mm， 二級(jí)分支長度和三級(jí)分支長度相等，即b=c=2.15mm 2.8mm,相臨兩個(gè)一級(jí)分支間 夾角、兩個(gè)二級(jí)分支間夾角和兩個(gè)三級(jí)分支間夾角為e產(chǎn)ef6f30。 60。； w=0.3mm 1.5mm, 單元晶格常數(shù)d=16.7mm 22.4mm，所有金屬厚度t=0.02mm 0.06mm，
為了防止銅被氧化可以在銅表面鍍銀、錫等金屬。通過調(diào)整樹枝狀結(jié)構(gòu)的外形尺寸參數(shù) (樹枝各級(jí)長度，夾角，線寬，晶格常數(shù)等)實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)磁導(dǎo)率特性區(qū)域波段的調(diào)控。保證負(fù)磁 導(dǎo)率特性區(qū)域包覆天線的工作頻段。通過負(fù)磁導(dǎo)率材料對(duì)天線表面波的抑制。減小天線副瓣， 使天線方向性更集中，提高天線增益，增加帶寬，改善天線性能。
本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)過程由實(shí)施例和

實(shí)施例一
采用電路板刻蝕技術(shù)制作天線，天線的中心頻率在3.67GHz。在尺寸160 mmxi60咖xi.5 mm的聚四氟乙烯纖維基板1 (e=2.65)兩個(gè)側(cè)面上，分別刻蝕出尺寸為40.5 mrnx40.5咖的金屬 接地板4和尺寸為24mmx28mm的輻射金屬片2。在天線正、背面圍繞輻射片、金屬接地板的 空白介質(zhì)基板上刻蝕周期排列的金屬樹枝狀結(jié)構(gòu)5，且正背面的樹枝狀結(jié)構(gòu)單元嚴(yán)格對(duì)正。 其樹枝狀結(jié)構(gòu)的單元尺寸為&=4.7咖，b=c=2.4mm， w=l咖，^=02=63=45。， t=0.03mm。 X方 向上，金屬樹枝狀結(jié)構(gòu)單元中心間距d)^18.63min,單元數(shù)量Nx二7; Y方向上，金屬樹枝結(jié)構(gòu) 單元中心間距df18.63 mm,単元數(shù)量Ny-7 (如圖3所示)；樹枝間空隙H=3.28咖，金屬樹 枝狀結(jié)構(gòu)單元總數(shù)目為40 (如圖4和圖5所示)。這種由樹枝狀結(jié)構(gòu)雙面刻蝕構(gòu)成的負(fù)磁導(dǎo) 率材料，其負(fù)磁性能區(qū)域中心頻率為3.6Ghz，帶寬80MHz，完全可以覆蓋微帶天線的工作波 段。在輻射金屬貼片軸線上距對(duì)稱中心4mm處選取直徑為1.3mm的饋電點(diǎn)，通過SMA接頭 連接金屬接地板4和輻射金屬片2，完成天線的制作。天線的回波損耗曲線如圖6所示，普 通天線和加樹枝天線的諧振頻率在3. 67GHz，諧振峰強(qiáng)度分別為-15. 83dB和-16. 89dB，能夠很 好地滿足天線工作要求；而且天線的頻帶增加了 lOMHz。由圖7中天線在諧振頻率處的E、 H 面輻射方向圖可知，加樹枝天線的最大增益7.84dBi，而采用相同介質(zhì)基板的普通微帶天線 的增益僅為6.25dBi，相比天線的增益提高了 1.48dB。
實(shí)施例二
采用電路板刻蝕技術(shù)制作天線，天線的中心頻率在3 GHz。在尺寸190 mmxi90 imix1 imi的環(huán)氧玻璃布基板1 (e=4. 55)兩個(gè)側(cè)面上，分別刻蝕出尺寸為48咖x48mm的金屬接地板4和 尺寸為28咖x33mm的輻射金屬片2。在天線正、背面圍繞輻射片、金屬接地板的空白介質(zhì)基 板上刻蝕周期排列的金屬樹枝狀結(jié)構(gòu)5，且正背面的樹枝狀結(jié)構(gòu)單元嚴(yán)格對(duì)正。其樹枝狀結(jié) 構(gòu)的單元尺寸為a=5.6 mm,b=c=2.8 mm,wK).8咖,e尸e產(chǎn)e^300， t=0.04mm。 X方向上，金屬樹 枝狀結(jié)構(gòu)單元中心間距dx=22.4 mm,單元數(shù)量Nx=9; Y方向上，金屬樹枝結(jié)構(gòu)單元中心間距 dY=22.4mm，單元數(shù)量Nf9;樹枝間空隙HN4mm，金屬樹枝狀結(jié)構(gòu)單元總數(shù)目為56。這種由 樹枝狀結(jié)構(gòu)雙面刻蝕構(gòu)成的負(fù)磁導(dǎo)率材料，其負(fù)磁性能區(qū)域中心頻率為3.05Ghz，帶寬 90MHz，完全可以覆蓋微帶天線的工作波段。在輻射金屬貼片軸線上距對(duì)稱中心4.8mm處選 取直徑為1.3mm的饋電點(diǎn)，通過SMA接頭連接金屬接地板4和輻射金屬片2，完成天線的制 作。
實(shí)施例三
采用電路板刻蝕技術(shù)制^乍天線，天線的中心頻率在3.2 GHz。在尺寸180咖xi80咖x1.5 咖的聚乙烯介質(zhì)基板1 ( e =2. 3)兩個(gè)側(cè)面上，分別刻蝕出尺寸為45.5咖x45.5咖的金屬接地 板4和尺寸為27iranx31 mm的輻射金屬片2。在天線正、背面圍繞輻射片、金屬接地板的空白 介質(zhì)基板上刻蝕周期排列的金屬樹枝狀結(jié)構(gòu)5，且正背面的樹枝狀結(jié)構(gòu)單元嚴(yán)格對(duì)正。其樹 枝狀結(jié)構(gòu)的單元尺寸為a=5.2 mm,b=c=2,7 mm,w=0.3咖，0尸62=93=60°， t=0.02 mm。 X方向上， 金屬樹枝狀結(jié)構(gòu)單元中心間距dx=21 mm，單元數(shù)量Nx二9; Y方向上，金屬樹枝結(jié)構(gòu)單元中心 間距df2lmm，單元數(shù)量Nf9;樹枝間空隙H-3.6 mm，金屬樹枝狀結(jié)構(gòu)單元總數(shù)目為56。 這種由樹枝狀結(jié)構(gòu)雙面刻蝕構(gòu)成的負(fù)磁導(dǎo)率材料，其負(fù)磁性能區(qū)域中心頻率為3.2Ghz，帶寬 70MHz，完全可以覆蓋微帶天線的工作波段。在輻射金屬貼片軸線上距對(duì)稱中心4. 5mm處選 取直徑為1.3mm的饋電點(diǎn)，通過SMA接頭連接金屬接地板4和輻射金屬片2，完成天線的制 作。
實(shí)施例四
采用電路板刻蝕技術(shù)制作天線，天線的中心頻率在4 GHz。在尺寸144mmxl44iMixl.5 mm 的聚四氟乙烯纖維基板l (s=2.65)兩個(gè)側(cè)面上，分別刻蝕出尺寸為36.5mmx36.5咖的金屬 接地板4和尺寸為21.5Mix25mm的輻射金屬片2。在天線正、背面圍繞輻射片、金屬接地板 的空白介質(zhì)基板上刻蝕周期排列的金屬樹枝狀結(jié)構(gòu)5，且正背面的樹枝狀結(jié)構(gòu)單元嚴(yán)格對(duì)正。 其樹枝狀結(jié)構(gòu)的單元尺寸為a=4.2 mm，b=c=2.15 ,w=1.5咖，9尸02=63=60。， t=0.06 mm。 X方向 上，金屬樹枝狀結(jié)構(gòu)單元中心間距dx^6.7mm,單元數(shù)量Nx-7; Y方向上，金屬樹枝結(jié)構(gòu)單元中心間距dY=16.7mm，單元數(shù)量NY=7;樹枝間空隙H=2.95咖，金屬樹枝狀結(jié)構(gòu)單元總數(shù) 目為40。這種由樹枝狀結(jié)構(gòu)雙面刻蝕構(gòu)成的負(fù)磁導(dǎo)率材料，其負(fù)磁性能區(qū)域中心頻率為 3.97Ghz，帶寬70MHz，完全可以覆蓋微帶天線的工作波段。在輻射金屬貼片軸線上距對(duì)稱 中心3. 5mm處選取直徑為1. 3mm的饋電點(diǎn)，通過SMA接頭連接金屬接地板4和輻射金屬片 2,完成天線的制作。
綜上所述，本發(fā)明借助于樹枝狀負(fù)磁導(dǎo)率結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的微帶天線體現(xiàn)方向性和增益的改善， 既可以獨(dú)立應(yīng)用，又適合天線陣列。僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，當(dāng)不能以此限定本發(fā)明實(shí)施 的范圍，即大凡依本發(fā)明權(quán)利要求及發(fā)明說明書內(nèi)容所作的簡(jiǎn)單的等效變化與修飾，皆應(yīng)仍 屬本發(fā)明專利覆蓋的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種S波段新型負(fù)磁導(dǎo)率微帶天線，主要包括有介質(zhì)基板，輻射金屬片和金屬接地板，分別印制在介質(zhì)基板的兩側(cè)；SMA同軸接頭，連接輻射金屬片和金屬接地板，并作為天線電波信號(hào)的饋入接口；一組樹枝狀結(jié)構(gòu)負(fù)磁導(dǎo)率材料單元，其主要特征在于在普通微帶天線的正、背面圍繞輻射金屬片、金屬接地板的空白介質(zhì)基板上刻蝕周期排列的金屬樹枝狀結(jié)構(gòu)陣列，且正背面的樹枝狀結(jié)構(gòu)單元嚴(yán)格對(duì)正。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的S波段新型負(fù)磁導(dǎo)率微帶天線，其特征是用于微帶天線的樹枝狀 結(jié)構(gòu)的單元幾何參數(shù)為 一級(jí)分支長度a=4.2mm 5.6mm， 二級(jí)分支長度和三級(jí)分支長度 相等，即b=c=2:15mm 2.8mm;相臨兩個(gè)一級(jí)分支間夾角、兩個(gè)二級(jí)分支間夾角和兩 個(gè)三級(jí)分支間夾角為9尸62=63=30° 60°;線寬w=0.3mm 1.5mm,樹枝的金屬厚度 t=0.02mm 0.06mm
3. 如權(quán)利要求1所述的S波段新型負(fù)磁導(dǎo)率微帶天線，其特征在于制作過程包括(1) 采用電路板刻蝕技術(shù)，在介質(zhì)基板兩側(cè)分別刻蝕出金屬接地板和金屬輻射貼片，并在 微帶天線的正、背面圍繞金屬輻射片、金屬接地板的空白介質(zhì)基板上刻蝕周期排列的負(fù)磁導(dǎo)率樹枝狀結(jié)構(gòu)單元陣列，樹枝狀結(jié)構(gòu)單元中心間距^c^l6.7mm 22.4mm，且正背 面的樹枝狀結(jié)構(gòu)單元嚴(yán)格對(duì)正。(2) 選取饋點(diǎn)，并在饋點(diǎn)處用SMA接頭連接金屬輻射貼片和金屬接地板。
4. 如權(quán)利要求1所述的S波段新型負(fù)磁導(dǎo)率微帶天線，其特征是所用介質(zhì)基板為聚四氟乙 烯、聚乙烯、環(huán)氧玻璃布；所用金屬材料為銅、銅鍍錫、銅鍍銀。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種S波段新型負(fù)磁導(dǎo)率微帶天線，具體來說涉及一種采用有負(fù)磁導(dǎo)率效應(yīng)的樹枝狀結(jié)構(gòu)來改善天線性能的微帶天線。負(fù)磁導(dǎo)率材料由周期性排列的金屬樹枝狀結(jié)構(gòu)組成，本發(fā)明在天線正、背面圍繞輻射片、金屬接地板的空白介質(zhì)基板上刻蝕周期排列的金屬樹枝狀結(jié)構(gòu)。當(dāng)電磁波垂直于樹枝狀結(jié)構(gòu)入射時(shí)，雙面樹枝狀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生負(fù)磁導(dǎo)率效應(yīng)，利用其負(fù)磁導(dǎo)率效應(yīng)抑制天線工作時(shí)激發(fā)的表面波和多次諧波，減少天線副瓣，使天線方向性更集中，提高天線增益，增加帶寬，改善天線的性能。相比與其他以往改進(jìn)的微帶天線，本發(fā)明微帶天線還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、與天線一體化、易加工成型、成本造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01Q1/38GK101626109SQ20081015031
公開日2010年1月13日 申請(qǐng)日期2008年7月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月11日
發(fā)明者史亞龍, 朱忠奎, 寧 紀(jì), 羅春榮, 趙曉鵬 申請(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)