專利名稱：基于鐵電介質(zhì)諧振器覆層的微帶天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微帶天線，具體來說是一種基于鐵電介質(zhì)諧振器覆層的微帶天 線。
背景技術(shù)：
微帶天線具有拋面薄、體積小、重量輕，易與載體表面共形等優(yōu)點(diǎn)，在衛(wèi)星通信、雷 達(dá)、遙感等方面得到了廣泛應(yīng)用。然而，微帶天線通過金屬貼片向空間自由輻射能量，帶來 了方向性差、增益低等缺點(diǎn)。參照圖 7，文獻(xiàn)“Investigation of anisotropic negative permeability medium cover forpatch antenna，，IET Microwaves, Antennas & Propagation，vol. 2, no. 7, pp. 737-744，O008)公開一種利用天線覆層對微帶天線輻射場控制的手段。該天線覆層 在輻射金屬片3上方的覆銅板2加工周期排列的開口諧振環(huán)73。在天線發(fā)射的電磁波激 勵下，開口諧振環(huán)發(fā)生諧振并對天線側(cè)向輻射進(jìn)行抑制，進(jìn)而提高天線增益4dB，但只達(dá)到 7. 62dB。然而，由于開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)的不對稱型，僅能對特定極化的電磁波進(jìn)行抑制，這必 然對微帶天線性能的提高形成制約。鐵電介質(zhì)諧振器是一種新型人工周期材料，文獻(xiàn)“Experimental Demonstration ofIsotropic Negative Permeability in a Three-Dimensional Dielectric Composite", PhyscialReview Letters, vol. 101, no. 2, p. 027402, (2008)報道周期排列高 介電常數(shù)的鐵電介質(zhì)顆粒在入射電磁波的激勵下可發(fā)生Mie諧振。在諧振頻率附近，電磁 波無法通過而形成透射禁帶，表現(xiàn)出優(yōu)異的對電磁波的調(diào)控性能。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有的微帶天線方向性差、增益低的不足，本發(fā)明提供一種基于鐵電介 質(zhì)諧振器覆層的微帶天線。通過將鐵電介質(zhì)諧振器置于天線覆層內(nèi)對電磁波的側(cè)向輻射進(jìn) 行抑制，鐵電介質(zhì)諧振器底面為圓形或正方形使鐵電介質(zhì)諧振器對各種側(cè)向輻射電磁波進(jìn) 行有效抑制，從而最大程度地提高天線的增益。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案一種基于鐵電介質(zhì)諧振器覆層的微帶 天線，包括覆銅板2、輻射金屬片3，其特點(diǎn)是，還包括金屬地板1、微帶饋線4、阻抗轉(zhuǎn)換線5、 介質(zhì)諧振器6、聚四氟乙烯板7和連接棒8，所述的覆銅板2 —面為金屬地板1，另一面刻蝕 有輻射金屬片3、微帶饋線4和阻抗轉(zhuǎn)換線5，輻射金屬片3與微帶饋線4和阻抗轉(zhuǎn)換線5 兩端分別連接；所述的聚四氟乙烯板7含周期排列的孔陣列，孔與介質(zhì)諧振器6外形相同且 等大，介質(zhì)諧振器6填充入孔內(nèi)形成含鐵電介質(zhì)諧振器的天線覆層；將聚四氟乙烯板7置于 覆銅板2含輻射金屬片面的上方并通過連接棒8與覆銅板2連為一體。所述介質(zhì)諧振器6的材料是鈦酸鍶鋇，相對介電常數(shù)為100 600。所述介質(zhì)諧振器6的厚度小于底面長方體或圓柱體的尺寸。所述介質(zhì)諧振器6是長方體時，邊長1 = 1. 20 3. 00mm，厚度h = 0. 30 1. OOmm0
所述介質(zhì)諧振器6是圓柱體時，底面半徑R = 0.60 1.75mm，厚度h = 0. 30 1. OOmm0所述的連接棒8為聚氯乙烯樹脂圓棒。本發(fā)明的有益效果是由于通過將鐵電介質(zhì)諧振器置于天線覆層內(nèi)對電磁波的側(cè) 向輻射進(jìn)行抑制，鐵電介質(zhì)諧振器底面為圓形或正方形使鐵電介質(zhì)諧振器對各種側(cè)向輻射 電磁波進(jìn)行有效抑制，具有高介電常數(shù)的鐵電介質(zhì)顆粒在電磁波激勵下可發(fā)生多級Mie諧 振，且在諧振頻段附近形成電磁波透射禁帶。將這種介質(zhì)顆粒組成的介質(zhì)諧振器嵌入聚四 氟乙烯板中形成天線覆層，利用介質(zhì)諧振器在諧振頻段的禁帶效應(yīng)抑制天線的側(cè)向輻射， 收窄天線輻射波束進(jìn)而實(shí)現(xiàn)天線方向性的改善和天線增益的提高。所述的鐵電介質(zhì)諧振器 底面為圓形或正方形，具有高度的結(jié)構(gòu)的對稱性，對側(cè)向輻射波進(jìn)行全面抑制進(jìn)而改善天 線的方向性，天線的增益由背景技術(shù)的7. 62dB提高到12. 42dB，提高了 4. 8dB。下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對本發(fā)明作詳細(xì)說明。


圖1本發(fā)明中基于鐵電介質(zhì)諧振器覆層的微帶天線立體圖。圖2圖1中介質(zhì)諧振器是長方體時的單元放大圖。圖3圖1中介質(zhì)諧振器是圓柱體時的單元放大圖。圖4實(shí)施例1中介質(zhì)諧振器是長方體(1 = 2. 2mm, h = 0. 5mm)時，對不同入射方 向電磁波的透射波譜。圖5實(shí)施例1基于鐵電介質(zhì)諧振器覆層的微帶天線與未加置鐵電介質(zhì)諧振器覆層 的微帶天線遠(yuǎn)場方向比較圖。圖6實(shí)施例2基于鐵電介質(zhì)諧振器覆層的微帶天線立體圖。圖7背景技術(shù)中含開口諧振環(huán)天線覆層的微帶天線立體圖。 圖中，1-金屬地板，2-覆銅板，3-輻射金屬片，4-微帶饋線，5-阻抗轉(zhuǎn)換線，6_介 質(zhì)諧振器，7-聚四氟乙烯板，8-連接棒，41-含鐵電介質(zhì)諧振器覆層的微帶天線遠(yuǎn)場輻射方 向圖，42-未加置鐵電介質(zhì)諧振器覆層的微帶天線遠(yuǎn)場方向圖，73-開口諧振環(huán)。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提供的基于鐵電介質(zhì)諧振器覆層的微帶天線包括覆銅板2、介質(zhì)諧振器6 和聚四氟乙烯板7 ；覆銅板2 —面為金屬地板1，另一面刻蝕有輻射金屬片3、微帶饋線4、阻 抗轉(zhuǎn)換線5，輻射金屬片3和微帶饋線4分別與阻抗轉(zhuǎn)換線5兩端相連；介質(zhì)諧振器6是厚 度小于底面尺寸的鐵電陶瓷顆粒；聚四氟乙烯板7上機(jī)加工有孔陣列，孔與介質(zhì)諧振器6底 面外形相同且等大，呈周期排列，將介質(zhì)諧振器6填充入聚四氟乙烯板7的孔內(nèi)形成含介質(zhì) 諧振器6的天線覆層；利用連接棒8將聚四氟乙烯板7和覆銅板2連接得到基于鐵電介質(zhì) 諧振器覆層的微帶天線?；阼F電介質(zhì)諧振器覆層的微帶天線，采用厚度遠(yuǎn)小于底面尺寸的高介電常數(shù)的 鐵電陶瓷顆粒形成鐵電介質(zhì)諧振器6，由于鐵電介質(zhì)諧振器6的厚度和底面尺寸不同實(shí)現(xiàn) 對側(cè)向入射電磁波抑制而對垂直入射波無響應(yīng)的功能，本發(fā)明的核心在于介質(zhì)諧振器的底 面為正方形或圓形等對稱結(jié)構(gòu)，可以對不同方向的側(cè)向輻射進(jìn)行全面抑制，從而最大限度地改善天線輻射的方向性和提高增益。在入射電磁波磁場分量激勵下，高介電常數(shù)的鐵電介質(zhì)諧振器可發(fā)生Mie諧振形 成透射禁帶。相關(guān)諧振頻率取決于介質(zhì)顆粒的尺寸、介電常數(shù)等因素。通過采用厚度遠(yuǎn)小 于底面尺寸的薄片介質(zhì)諧振器，實(shí)現(xiàn)其對側(cè)向、垂直入射電磁波的諧振頻率的分離，即在某 一頻段內(nèi)側(cè)向入射電磁波受介質(zhì)諧振器的抑制作用無法通過而沿垂直方向入射的電磁波 卻可全波透射；將所述的鐵電介質(zhì)諧振器覆層置于微帶天線上方，調(diào)節(jié)介質(zhì)諧振器外形、尺 寸和介電常數(shù)使其對側(cè)向入射電磁波諧振頻段恰好覆蓋微帶天線有效工作區(qū)域而對垂直 入射的電磁波響應(yīng)頻率則遠(yuǎn)離微帶天線的工作波段，實(shí)現(xiàn)對微帶天線側(cè)向輻射的抑制；鐵 電介質(zhì)諧振器的底面為正方形或圓形，滿足在側(cè)平面內(nèi)對不同輻射方向的電磁波的抑制需 求，進(jìn)而大幅提高天線的增益。本發(fā)明中所述的微帶天線加工首先選用覆銅板2作為天線基板。利用電路板印刷 技術(shù)直接將金屬地板1、輻射金屬片3、微帶饋線4、波長阻抗轉(zhuǎn)換線5蝕刻于覆銅板2上，其 中金屬地板1位于覆銅板2的一面，輻射金屬片3、微帶饋線4、阻抗轉(zhuǎn)換線5位于覆銅板2 的另一面。鐵電介質(zhì)諧振器6由高介電常數(shù)的鈦酸鍶鋇(BaSrTiO3)陶瓷顆粒組成，外形為厚 度小于底面尺寸的長方體或圓柱體，其對側(cè)向輻射和垂直輻射電磁波的響應(yīng)頻率不同。鐵 電介質(zhì)諧振器的底面為正方形或圓形，滿足在側(cè)平面內(nèi)對不同輻射方向的電磁波的抑制需 求。鐵電介質(zhì)諧振器的介電常數(shù)、尺寸和晶格常數(shù)根據(jù)天線工作頻率不同可進(jìn)行調(diào)整，以保 證天線工作頻段位于介質(zhì)諧振器在側(cè)向輻射激勵下形成的禁帶區(qū)域內(nèi)。如對于工作在8 12GHz的微帶天線，鐵電介質(zhì)諧振器介電常數(shù)為100 600，厚度為h = 0. 30 1. 00mm，橫 截面為邊長1 = 1. 20 3. OOmm的正方形或半徑為R = 0. 60 1. 75mm圓形。在聚四氟乙烯板7機(jī)加工出周期為3. 00 5. OOmm的正方形排布的孔陣列。將介 質(zhì)諧振器6嵌入聚四氟乙烯板7孔陣列中，制得具有對側(cè)向輻射響應(yīng)的含鐵電介質(zhì)諧振器 的天線覆層。采用透波性能較好聚氯乙烯樹脂(PVC)制成連接棒8，將聚四氟乙烯板7和覆 銅板2連為一體，從而制得含有鐵電介質(zhì)諧振器覆層的微帶天線。應(yīng)用實(shí)施例1 利用電路板印刷技術(shù)在厚度為1. 50mm的覆銅板2 ( ε r = 2. 65)上 兩個面上分別刻蝕出金屬地板1、輻射金屬片3、微帶饋線4和阻抗轉(zhuǎn)換線5，其中金屬地 板1位于覆銅板2的一面，輻射金屬片3、微帶饋線4和阻抗轉(zhuǎn)換線5位于覆銅板2的另 一面，輻射金屬片3、微帶饋線4分別與阻抗轉(zhuǎn)換線5的兩端相連。輻射金屬片3的尺寸為 7. 90X7. 90mm2，微帶天線中心工作頻率為10. IGHz0選用介電常數(shù)為ε , = 194的鈦酸鍶 鋇(BaSrTiO3)鐵電陶瓷塊材，利用數(shù)控機(jī)床加工為底面為2. 20X2. 20mm2，厚度h = 1. OOmm 的長方形塊體，獲得鐵電介質(zhì)諧振器6。在厚度為2. OOmm的聚四氟乙烯板7(、= 2. 1)上 機(jī)加工與鐵電介質(zhì)諧振器底面尺寸相同的方孔陣列，方孔以晶格常數(shù)為4. OOmm呈正方形 排布，將鐵電介質(zhì)諧振器6嵌入聚四氟乙烯板7中，得到含有鐵電介質(zhì)諧振器的天線覆層。 聚四氟乙烯板7與覆銅板2的間距為15. 00mm，通過聚氯乙烯樹脂(PVC)圓棒8連接聚四氟 乙烯板7和覆銅板2，完成基于鐵電介質(zhì)諧振器覆層的微帶天線的制作。該覆層的透射率隨電磁波入射角度變化規(guī)律如圖4所示。圖中入射角度θ是以 覆層表面法線方向?yàn)榛鶞?zhǔn)，即θ =0°表示電磁波垂直入射天線覆層上?？梢钥闯?，鐵電介 質(zhì)諧振器對垂直入射電磁無響應(yīng)且插入損耗極小。隨著入射角度的增大，即電磁波由垂直
5入射逐漸轉(zhuǎn)向側(cè)向輻射時，在10. IGHz出現(xiàn)了透射禁帶，且禁帶強(qiáng)度隨入射角度的增大而 逐漸增大，表明鐵電介質(zhì)諧振器在該頻點(diǎn)處發(fā)生了強(qiáng)諧振，可有效抑制天線的側(cè)向電磁波輻射。由圖5通過和未加置本發(fā)明所述的天線覆層的傳統(tǒng)微帶天線對比可以發(fā)現(xiàn)本發(fā) 明中基于鐵電介質(zhì)諧振器覆層的微帶天線遠(yuǎn)場輻射方向圖41得到了明顯改善，而且天線 增益由傳統(tǒng)微帶天線的7. 62dB提高為12. 42dB，提高了 4. 8dB。應(yīng)用實(shí)施例2 利用電路板印刷技術(shù)在厚度為1. 50mm的覆銅板2 ( ε , = 2. 65)上 兩個面上分別刻蝕出金屬地板1、輻射金屬片3、微帶饋線4和阻抗轉(zhuǎn)換線5，其中金屬地 板1位于覆銅板2的一面，輻射金屬片3、微帶饋線4和阻抗轉(zhuǎn)換線5位于覆銅板2的另 一面，輻射金屬片3、微帶饋線4分別與阻抗轉(zhuǎn)換線5的兩端相連。天線輻射金屬片3尺 寸為7. 60X7. 60mm2,中心工作頻率為10. 50GHz。采用介電常數(shù)為ε ^ = 300的鈦酸鍶鋇 (BaSrTiO3)鐵電陶瓷塊材，利用數(shù)控機(jī)床加工為底面半徑為R=I. 15mm，厚度h = 0. 55mm 的圓柱體，獲得鐵電介質(zhì)諧振器6。鐵電介質(zhì)諧振器6在側(cè)向入射電磁波的激勵下諧振頻 率位于10. 50GHz。在厚度為2. OOmm的聚四氟乙烯板7( ε r = 2. 1)機(jī)加工和鐵電介質(zhì)諧振 器6底面半徑相同的圓孔陣列且以晶格常數(shù)4. OOmm周期排布。將鐵電介質(zhì)諧振器6嵌入 聚四氟乙烯板7中，得到含鐵電介質(zhì)諧振器的天線覆層。聚四氟乙烯板7與覆銅板2的間 距為10. 00mm，通過聚氯乙烯樹脂(PVC)圓棒8連接，完成微帶天線的制作。
權(quán)利要求
1.一種基于鐵電介質(zhì)諧振器覆層的微帶天線，包括覆銅板(2)、輻射金屬片(3)，其特 征在于還包括金屬地板(1)、微帶饋線、阻抗轉(zhuǎn)換線(5)、介質(zhì)諧振器(6)、聚四氟乙烯板 (7)和連接棒(8)，所述的覆銅板( 一面為金屬地板(1)，另一面刻蝕有輻射金屬片(3)、 微帶饋線(4)和阻抗轉(zhuǎn)換線(5)，輻射金屬片(3)與微帶饋線(4)和阻抗轉(zhuǎn)換線(5)兩端 分別連接；所述的聚四氟乙烯板(7)含周期排列的孔陣列，孔與介質(zhì)諧振器(6)外形相同且 等大，介質(zhì)諧振器(6)填充入孔內(nèi)形成含鐵電介質(zhì)諧振器的天線覆層；將聚四氟乙烯板(7) 置于覆銅板( 含輻射金屬片面的上方并通過連接棒(8)與覆銅板( 連為一體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于鐵電介質(zhì)諧振器覆層的微帶天線，其特征在于所述介 質(zhì)諧振器(6)的材料是鈦酸鍶鋇，相對介電常數(shù)為100 600。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于鐵電介質(zhì)諧振器覆層的微帶天線，其特征在于所 述介質(zhì)諧振器(6)的厚度小于底面長方體或圓柱體的尺寸。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于鐵電介質(zhì)諧振器覆層的微帶天線，其特征在于所 述介質(zhì)諧振器(6)是長方體時，邊長1 = 1. 20 3. 00mm，厚度h = 0. 30 1. 00mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于鐵電介質(zhì)諧振器覆層的微帶天線，其特征在于所述介 質(zhì)諧振器(6)是圓柱體時，底面半徑R = 0. 60 1. 75mm，厚度h = 0. 30 1. 00mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于鐵電介質(zhì)諧振器覆層的微帶天線，其特征在于所述的 連接棒(8)為聚氯乙烯樹脂圓棒。
全文摘要
本發(fā)明公開一種基于鐵電介質(zhì)諧振器覆層的微帶天線，用于解決現(xiàn)有的微帶天線增益低的技術(shù)問題。技術(shù)方案是采用厚度小于底面尺寸的介質(zhì)諧振器實(shí)現(xiàn)對垂直入射和側(cè)向輻射電磁波響應(yīng)頻率的分離，將其置于天線覆層內(nèi)實(shí)現(xiàn)對天線側(cè)向輻射的抑制，特別是介質(zhì)諧振器的底面為正方形或圓形，具有高度的結(jié)構(gòu)對稱性，對側(cè)向輻射波進(jìn)行全面抑制進(jìn)而大幅改善天線的方向性，天線的增益最大程度提高了4.8dB。
文檔編號H01P7/10GK102074801SQ201110005179
公開日2011年5月25日 申請日期2011年1月6日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月6日
發(fā)明者張衛(wèi)紅, 張富利 申請人:西北工業(yè)大學(xué)