專利名稱：一種諧振環(huán)左手媒質(zhì)貼片天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及左手媒質(zhì)貼片天線。
背景技術(shù)：
左手媒質(zhì)(Left Handed Material, LHM)是一種介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時(shí)為負(fù)的人 工電磁媒質(zhì)，近年來(lái)受到國(guó)內(nèi)外研究工作者的廣泛關(guān)注。由于電磁波在該種媒質(zhì)中傳播時(shí)， 電場(chǎng)、磁場(chǎng)和波矢量構(gòu)成左手螺旋定則，故而得名“左手媒質(zhì)”。左手媒質(zhì)具有很多有異于普 通自然材料的反常特性，如負(fù)折射特性、逆多普勒效應(yīng)、完美棱境等，利用這些特性，可以制 作基于左手媒質(zhì)的高性能天線。它作為一種新型的人工電磁材料，近年來(lái)引起了人們極大 的研究興趣。早在1968年V. G. Veselageo就從理論上研究了 LHM中的反常電磁現(xiàn)象。2000 年，smith等人在實(shí)驗(yàn)室首次制造出了微波段的負(fù)折射率介質(zhì)LHM的反常電磁特性展現(xiàn)了 它在光與電磁波領(lǐng)域潛在的重要應(yīng)用價(jià)值。通過(guò)對(duì)普通的貼片天線的組合形成新的諧振環(huán)左手媒質(zhì)體系后，不難發(fā)現(xiàn)，其特 性表現(xiàn)為較低的回波損耗和較大的天線增益，從理論的角度分析其原因也是容易理解為 在貼片天線的基底介質(zhì)上加入了左手媒質(zhì)結(jié)構(gòu)之后，就會(huì)形成電磁(光子)禁帶，在禁帶頻 率范圍內(nèi)的電磁波將受到束縛不能向任意方向傳播，利用光子晶體的禁帶效應(yīng)，可抑制沿 基底底板介質(zhì)傳播的表面波，由此，將減少天線基底對(duì)電磁波的吸收，增加電磁波向自由空 間的反射能量，從而減少了天線的回波損耗、增加了增益。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明主要提供一種諧振環(huán)左手媒質(zhì)貼片天線，能大幅度的反射介質(zhì)基板中的能 量，能有效地實(shí)現(xiàn)更小的回波損耗和較高的增益特性。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案是一種諧振環(huán)左手媒質(zhì)貼片天線，包括兩個(gè)介質(zhì)基板、一 個(gè)輻射金屬片，輻射金屬片固定在第一介質(zhì)基板上的一個(gè)側(cè)面上、一個(gè)金屬板接地板，印制 在第二介質(zhì)基板的一側(cè)，尺寸和介質(zhì)基板一樣大、一條金屬饋線，連接金屬輻射片和金屬接 地板，作為天線電波信號(hào)的饋入接口、一組左手材料單元，16個(gè)對(duì)稱的諧振環(huán)，刻蝕在第一 介質(zhì)基板正面的輻射片周圍，在第二介質(zhì)基板正面，也刻有16個(gè)諧振環(huán)。通過(guò)改變諧振環(huán)的長(zhǎng)度和寬度，對(duì)左手材料特性區(qū)域的波段進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其可以 覆蓋微帶天線的工作頻段(5. 8GHZ-9. 6GHZ)。在天線輻射或接收的電磁波激勵(lì)下，放大對(duì)天 線接收信號(hào)中的倏逝波成分，降低天線的回波損耗，提高天線的增益，改善天線的方向性， 提高天線對(duì)信號(hào)的接收和發(fā)射能力。同時(shí)，本發(fā)明中的左手材料微帶天線是經(jīng)過(guò)電路板刻 蝕技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，制作工藝簡(jiǎn)單，材料價(jià)格便宜，易于大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)。本發(fā)明與現(xiàn)有的技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明在貼片的介質(zhì)基板上加入了左 手媒質(zhì)組合形成貼片天線，左手媒質(zhì)具有很多有異于普通自然材料的反常特性，如負(fù)折射 特性、逆多普勒效應(yīng)、完美棱境等。利用這些特性在7. 66967GHz頻率處產(chǎn)生的電磁波共振 態(tài)，出現(xiàn)介電常數(shù)和磁導(dǎo)率的實(shí)部同時(shí)為負(fù)值，其折射率也是-1的效應(yīng)大大加強(qiáng)了電磁波共振強(qiáng)度，它使得如此的結(jié)構(gòu)對(duì)電磁能量的局域化程度有了明顯的提高，導(dǎo)致其擁有較高 增益，并表現(xiàn)為較低的回波損耗，較好地改善了天線的性能，使得該貼片天線在移動(dòng)通信、 衛(wèi)星通信以及航空航天等眾多領(lǐng)域能更好地得到應(yīng)用。


下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。圖1是本發(fā)明左手媒質(zhì)貼片天線正面結(jié)構(gòu)示意圖；11，12-介質(zhì)基板，2-金屬接地 板，3-輻射金屬片，4-金屬饋線，51，52-諧振環(huán)；圖2是本發(fā)明左手媒質(zhì)貼片側(cè)面圖；圖3是本發(fā)明左手媒質(zhì)貼片天線諧振環(huán)正面圖；圖4是本發(fā)明實(shí)例中的回波損耗隨頻率變化分布的示意圖；圖5是本發(fā)明實(shí)例中的增益隨角度變化分布的示意圖；圖6是本發(fā)明實(shí)例中的駐波比隨頻率變化分布的示意圖。
具體實(shí)施例方式采用電路板刻蝕技術(shù)，如圖1所示的微帶天線結(jié)構(gòu)中，在介質(zhì)基板11上分別刻蝕 出輻射金屬片3和金屬饋線4，在介質(zhì)基板12上刻蝕出金屬接地板2。金屬饋線4作為天 線的電波信號(hào)饋入源，連接金屬接地板2和輻射金屬片3，在介質(zhì)基板11上，金屬輻射片3 周圍的基板上，刻蝕出16個(gè)諧振環(huán)。圖2是本發(fā)明左手媒質(zhì)貼片側(cè)面圖，可以看出有兩層介質(zhì)基板11和12，在介質(zhì)基 板12上，刻蝕出16個(gè)和介質(zhì)基板11上一樣的諧振環(huán)。本發(fā)明的微帶天線可工作于微波頻段(5. 8GHZ-9. 6GHZ)。介質(zhì)基板11的厚度可 以相應(yīng)的調(diào)整為1. 5mm-2. 5mm，介質(zhì)基板12的厚度可以相應(yīng)的調(diào)整為2. 5mm_3. 5mm，金屬 接地板2的厚度可以相應(yīng)的調(diào)整0. 05mm-0. 07mm,金屬輻射片3的厚度也可以相應(yīng)的調(diào)整 0. 05mm-0. 07mm。16個(gè)諧振環(huán)的尺寸也可以相應(yīng)的調(diào)整(圖3)。長(zhǎng)度Ll = 28mm-32mm, L2 =18mm-22mm, L3 = 5mm-7mm, L4 = 4mm-6mm,寬度 Dl = 2. 5mm-3. 5mm, D2 = 2. 5mm-3. 5mm。通過(guò)調(diào)整諧振環(huán)的尺寸參數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)左手材料特性區(qū)域的控制，可以使得左手特性 區(qū)域波段包覆天線的工作頻段。通過(guò)調(diào)整尺寸大小，放大對(duì)天線接收信號(hào)中的倏逝波成分， 降低天線的回波損耗，提高天線的增益，改善天線的方向性，提高天線對(duì)信號(hào)的接收和發(fā)射 能力。將上述微帶貼片天線用XFDTD仿真軟件做測(cè)試，XFDTD是由美國(guó)REMCOM公司開(kāi)發(fā) 的一款基于電磁數(shù)值計(jì)算方法FDTD (時(shí)域有限差分法)的全波三維電磁仿真軟件。XFDTD的主要特點(diǎn)1)建立模型和輸入FDTD計(jì)算參數(shù)通過(guò)下拉菜單彈出的選項(xiàng)卡，系統(tǒng)自動(dòng)生成 Geometry 文件禾口 Project 文件。2)輸出的結(jié)果可通過(guò)XFDTD的界面顯示。它可以繪制各類參數(shù)曲線，并可以通過(guò) 快照方式顯示系列時(shí)間步長(zhǎng)的電磁場(chǎng)變化。本專利主要觀察回波損耗圖，電壓駐波比圖還 有增益圖。3)XFDTD中激勵(lì)源的設(shè)置分為近場(chǎng)源和平面波源兩種激勵(lì)。在大多數(shù)天線及微波環(huán)路問(wèn)題中經(jīng)常使用近場(chǎng)源激勵(lì)，它包括高斯激勵(lì)，正弦激勵(lì)及用戶自定義等各種激勵(lì)源。 本專利采用高斯激勵(lì)求得回波損耗和電壓駐波比，用正弦激勵(lì)求得增益。4)邊界處理可選擇PEC，PMC和吸收邊界條件，吸收邊界條件包括LIAO氏邊界條 件和完全匹配PML邊界。本專利采用完全匹配PML邊界以達(dá)到最好的效果。經(jīng)過(guò)仿真得到如圖4所示，得到回波損耗sll特性，在頻率7. 66967GHz處最小回 波損耗sll為-29. 3923dB，說(shuō)明了諧振環(huán)左手媒質(zhì)結(jié)構(gòu)能進(jìn)一步減少回波損耗；如圖5所示，得到增益gain特性，在頻率7. 66967GHz處最大增益為8. 21781dB,說(shuō) 明諧振環(huán)左手媒質(zhì)結(jié)構(gòu)可以較大提高貼片天線的增益；如圖6所示，得到電壓駐波比VSWR特性，在頻率7. 66967GHz處最小電壓駐波比為 1. 07021。本發(fā)明采用電路板刻蝕技術(shù)制作天線，天線的中心頻率為7.66967GHz。在尺寸為 160mmX160mmX2mm的多孔SiLK基板11 (介電常數(shù)是2. 2)上刻蝕出尺寸為16mmX12mm的 金屬輻射片3。在尺寸為160mmX160mmX3mm的Taconic CER-10基板12 (介電常數(shù)是10) 上，刻蝕出尺寸為160mmX 160mm的金屬接地板2。在金屬輻射片3周圍的多孔SiLK基板11 上，刻出16個(gè)諧振環(huán)51。在Taconic CER-10基板12上也刻出16個(gè)諧振環(huán)52。諧振環(huán)外 正方形長(zhǎng)Ll = 30mm,寬Dl = 3mm,內(nèi)正方形長(zhǎng)L2 = 20mm,寬D2 = 3mm ；外正方形開(kāi)口 L3 =6mm,內(nèi)正方形開(kāi)口 L4 = 5mm。在輻射金屬片下邊，刻出長(zhǎng)74mm，寬2mm的金屬線作為饋 線4給輻射金屬片3饋電，完成天線的制作。
權(quán)利要求
一種諧振環(huán)左手媒質(zhì)貼片天線，包括介質(zhì)基板(11，12)、金屬接地板(2)，金屬輻射片(3)和金屬饋線(4)，金屬接地板(2)固定在介質(zhì)基板(12)的反面，金屬輻射片(3)固定在介質(zhì)基板(11)的正面，金屬饋線(4)連接金屬接地板(2)和金屬輻射片(3)。其特征在于在介質(zhì)基板(11)正面，金屬輻射片(3)周圍刻有16個(gè)諧振環(huán)(51)，在介質(zhì)基板(12)正面，也刻有16個(gè)諧振環(huán)(52)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的諧振環(huán)左手媒質(zhì)貼片天線，其特征在于在第一介質(zhì)基板上， 金屬輻射片的周圍設(shè)有對(duì)稱的16個(gè)諧振環(huán)，并且在第二介質(zhì)基板上也設(shè)有對(duì)稱的16個(gè)諧 振環(huán)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種諧振環(huán)左手媒質(zhì)貼片天線，該左手媒質(zhì)貼片天線包括兩個(gè)介質(zhì)基板、金屬接地板，金屬輻射片和金屬饋線，金屬接地板固定在第二介質(zhì)基板的反面，金屬輻射片固定在第一介質(zhì)基板的正面，金屬饋線連接金屬接地板和金屬輻射片，其特征在于，在第一介質(zhì)基板正面，金屬輻射片周圍刻有16個(gè)諧振環(huán)，在第二介質(zhì)基板正面，也刻有16個(gè)諧振環(huán)。本發(fā)明在貼片的介質(zhì)基板上加入了左手媒質(zhì)組合形成貼片天線，對(duì)電磁能量的局域化程度有了明顯的提高，導(dǎo)致其擁有較高增益，并表現(xiàn)為較低的回波損耗，較好地改善了天線的性能，使得該貼片天線在移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信以及航空航天等眾多領(lǐng)域能更好地得到應(yīng)用。
文檔編號(hào)H01Q1/38GK101976760SQ201010275568
公開(kāi)日2011年2月16日 申請(qǐng)日期2010年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月7日
發(fā)明者包祥, 夏鵬, 宋雪樺, 陳麗蓮, 陳景柱 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)