專利名稱：一種多層復(fù)合異質(zhì)結(jié)構(gòu)左手材料網(wǎng)格狀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，具體涉及一種多層復(fù)合異質(zhì)結(jié)構(gòu)左手材料網(wǎng)格狀貼片天線。
背景技術(shù)：
大自然中，所有材料的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率都為正，這類材料亦被稱作符合右手定則材料(RHM)，原因是通過該材料電磁場的電場矢量、磁場矢量、波矢量成右手定則。但是，負(fù)介電常數(shù)和負(fù)磁導(dǎo)率材料可以通過人工制作而成，人們稱之為左手媒質(zhì)或左手材料(LHM)0它作為一種新型的人工電磁材料，近年來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)用價值。E.Yablonovitch和S.John于1987年提出光子晶體的概念，光子晶體是指折射率在空間呈周期性分布的結(jié)構(gòu)，電磁波在該晶體內(nèi)部傳輸?shù)奶匦灶愃朴陔娮釉诎雽?dǎo)體晶體中的運(yùn)動特性，故又稱為光子晶體或電磁晶體，當(dāng)電磁波入射電磁(光子)晶體時，在某一頻率范圍可以禁止電磁波傳播，該頻率范圍稱為頻率禁帶，簡稱為禁帶。1989年Yablonovitch與Gmitte率先制作了由九層苯乙烯板構(gòu)成的具有8000個“原子”的光子晶體，并在6.5GHz的微波頻段上觀察到了一個超過2GHz的禁帶，這一特性使得電磁(光子)晶體已應(yīng)用到微波電路、天線等許多方面。異質(zhì)結(jié)由兩塊不同的二維光子晶體組成，其界面處的畸變性可產(chǎn)生局域電磁模和相應(yīng)的傳導(dǎo)模，并將此特性應(yīng)用到普通貼片天線組合形成新的多層復(fù)合異質(zhì)結(jié)構(gòu)左手媒質(zhì)體系，可以較好改善天線的性能。

本發(fā)明通過對一種多層復(fù)合異質(zhì)結(jié)構(gòu)左手材料網(wǎng)格狀貼片天線體系的研究，得到對應(yīng)的性能參數(shù)，運(yùn)用NRW方法算出這種多層復(fù)合異質(zhì)結(jié)構(gòu)左手材料網(wǎng)格狀貼片天線等效折射率。研究結(jié)構(gòu)表明，這種多層復(fù)合異質(zhì)結(jié)構(gòu)左手材料網(wǎng)格狀貼片天線在某一頻率附近，電磁能量的局域化程度有了明顯的提高，對比普通的貼片天線，增益明顯增大，并表現(xiàn)為較低的回波損耗。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明主要提供一種多層復(fù)合異質(zhì)結(jié)構(gòu)左手材料網(wǎng)格狀貼片天線，在某頻率范圍內(nèi)，加強(qiáng)了電磁波共振強(qiáng)度，提高了電磁能量的局域化程度，從而降低天線的回波損耗，增大了增益。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案:一種多層復(fù)合異質(zhì)結(jié)構(gòu)左手材料網(wǎng)格狀貼片天線，包括第一層介質(zhì)基板(I)、第二層介質(zhì)基板(2)、第三層介質(zhì)基板(3)、第四層介質(zhì)基板(4)、復(fù)合貼片天線(7)、螺旋金屬線(8)、方形金屬諧振環(huán)(9)、寬金屬條(10)、“工”形金屬諧振環(huán)
(11)、細(xì)金屬條(12)、金屬接地框(13)、金屬條(14)、激勵源，第一層介質(zhì)基板(I)、第二層介質(zhì)基板(2)、第三層介質(zhì)基板(3)、第四層介質(zhì)基板(4)依次疊加，復(fù)合貼片天線(7)由網(wǎng)格狀金屬輻射片(5)和微帶饋線(6)連接組成，復(fù)合貼片天線(7)固定在第一層介質(zhì)基板
(I)的正面，螺旋金屬線(8)與方形金屬諧振環(huán)(9)周期性交叉排列在網(wǎng)格狀金屬輻射片
(5)的網(wǎng)格內(nèi)，兩根寬金屬條(10)固定在第一層介質(zhì)基板(I)的邊緣，第二層介質(zhì)基板(2)與第四層介質(zhì)基板(4)結(jié)構(gòu)相同，正面都固定有細(xì)金屬條(12)和周期性交叉排列的方形金屬諧振環(huán)(9)與“工”形金屬諧振環(huán)(11)，細(xì)金屬條(12)嵌在方形金屬諧振環(huán)(9)與“工”形金屬諧振環(huán)(11)間，第三層介質(zhì)基板(3)正面固定有螺旋金屬線(8)、方形金屬諧振環(huán)(9)，其排布與第一層介質(zhì)基板(I)的螺旋金屬線(8)和方形金屬諧振環(huán)(9)的排布相同，細(xì)金屬條(12)嵌在螺旋金屬線(8)和方形金屬諧振環(huán)(9)間，第四層介質(zhì)基板(4)的反面固定有金屬接地框(13)，金屬接地框(13)的矩形框內(nèi)嵌入金屬條(14)，激勵源通過金屬導(dǎo)線一端與微帶饋線(6)相連，一端與金屬接地框(13)相連，激勵源通過微帶饋線(6)給網(wǎng)格狀金屬輻射片(5)饋電。第一層介質(zhì)基板(I)、第二層介質(zhì)基板(2)、第三層介質(zhì)基板(3)、第四層介質(zhì)基板
(4)正面都采用電路板刻蝕技術(shù)，在第一層介質(zhì)基板(I)上刻蝕出網(wǎng)格狀金屬輻射片(5)、微帶饋線(6)、螺旋金屬線(8)、方形金屬諧振環(huán)(9)和寬金屬條(10)，螺旋金屬線(8)和方形金屬諧振環(huán)(9)周期性交叉排列在網(wǎng)格狀金屬輻射片(5)的網(wǎng)格內(nèi)，形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)。2根寬金屬條(10)固定在第一層介質(zhì)基板(I)邊緣。第二層介質(zhì)基板(2)與第四層介質(zhì)基板
(4)正面刻蝕出周期性交叉排列方形金屬諧振環(huán)(9)和“工”形金屬諧振環(huán)(11)，形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)。8根細(xì)金屬條(12)嵌在交叉排列的方形金屬諧振環(huán)(9)和“工”形金屬諧振環(huán)(11)之間。第三層介質(zhì)基板(3)正面刻蝕螺旋金屬線(8)和方形金屬諧振環(huán)(9)，其排布和第一層介質(zhì)基板(I)的螺旋金屬線(8)和方形金屬諧振環(huán)(9)的結(jié)構(gòu)相同，并在螺旋金屬線
(8)和方形金屬諧振環(huán)(9)間嵌入8根細(xì)金屬條(12)。第四層介質(zhì)基板(4)反面固定有矩形框金屬接地框(13)， 框內(nèi)固定有5根周期性排列的金屬條(14)。微帶饋線(6)與網(wǎng)格狀金屬輻射片(5)相連，用于作為網(wǎng)格狀金屬輻射片(5)的電波信號饋入源。一種多層復(fù)合異質(zhì)結(jié)構(gòu)左手材料網(wǎng)格狀貼片天線，其中四層介質(zhì)基板依次疊加后的尺寸為H1(SeOmm) X L1 (360mm) XD1(IOmm),第一層介質(zhì)基板(I)、第二層介質(zhì)基板(2)、第三層介質(zhì)基板(3)、第四層介質(zhì)基板(4)長和寬都為360mm，第一層介質(zhì)基板(I)和第三層介質(zhì)基板(3)的相對介電常數(shù)均為2.0，厚度均為3mm ;第二層介質(zhì)基板(2)和第四層介質(zhì)基板(4)的相對介電常數(shù)均為10，厚度均為2_，第一層介質(zhì)基板(I)正面固定有網(wǎng)格狀金屬輻射片(5)，網(wǎng)格狀金屬輻射片(5)外框外邊長1^2=340!11111，寬02=4111111，外框距第一層介質(zhì)基板⑴邊緣D9=IOmm,網(wǎng)格線寬1^=1^4=2臟，網(wǎng)格狀金屬輻射片(5)的網(wǎng)格內(nèi)周期性交叉排列10X10的螺旋金屬線(8)和方形金屬諧振環(huán)(9),形成異質(zhì)結(jié)構(gòu),2根長H1為360mm,寬L5SemnuRiSH1GeOmm) XL5(6mm)的寬金屬條(10)固定在第一層介質(zhì)基板(I)邊緣,螺旋金屬線⑶線寬D1(l=2.5mm,相鄰線間隔Dn=2.5mm,最小內(nèi)徑R1=Z.5mm,第一外徑R2=IOmm,第二外徑&=12.5mm ;方形金屬諧振環(huán)(9)的外環(huán)邊長L7=20mm,內(nèi)環(huán)邊長L8=IOmm,環(huán)的線寬D12=2mm,線間距D13=3mm,環(huán)開口 D14=D15=3mm,相鄰的螺旋金屬線⑶和方形金屬諧振環(huán)(9)間距D7=D8=31mm,微帶饋線(6)的長為IOmm,寬為L6=4.7mm,第二層介質(zhì)基板⑵與第四層介質(zhì)基板(4)結(jié)構(gòu)相同，正面固定有IOX 10周期性交叉排列的方形金屬諧振環(huán)(9)和“工”形金屬諧振環(huán)(11)，形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)，8根尺寸為320mmX 5mm的細(xì)金屬條(12)嵌在交叉排列的方形金屬諧振環(huán)(9)和“工”形金屬諧振環(huán)(11)之間，相鄰的方形金屬諧振環(huán)(9)和“工”形金屬諧振環(huán)(11)間距D18=D19=31mm,“工”形金屬諧振環(huán)(11)邊長D2(l=20mm,線寬D21=2mm,開口 D22=3mm,臂長L9=8.5mm,臂寬H9=6mm,第三層介質(zhì)基板(3)正面固定有螺旋金屬線(8)和方形金屬諧振環(huán)(9)，其排布和第一層介質(zhì)基板(I)的螺旋金屬線(8)和方形金屬諧振環(huán)的排布相同，8根尺寸為320mmX5mm的細(xì)金屬條(12)嵌在交叉排列的螺旋金屬線(8)和方形金屬諧振環(huán)(9)之間，第四層介質(zhì)基板(4)反面固定有金屬接地框(13)，金屬接地框
(13)是矩形框狀結(jié)構(gòu)，金屬接地框(13)的外框邊緣與第四層介質(zhì)基板(4)邊緣相重合，寬度為D28=40mm，金屬接地框(13)的矩形框內(nèi)固定有5根周期性排列的金屬條(14)，金屬條
(14)長L1(l=260mm,寬 H1(l=40mm,間距 D27=15mm,激勵源采用 Gaussian 離散源。為了驗(yàn)證本發(fā)明的有效性，將上述這種多層復(fù)合異質(zhì)結(jié)構(gòu)左手材料網(wǎng)格狀貼片天線結(jié)構(gòu)利用仿真軟件XFDTD進(jìn)行測試，該軟件是美國REMCOM公司開發(fā)的基于電磁數(shù)值計(jì)算方法FDTD (時域有限差分法)的全波三維電磁仿真軟件，該軟件仿真結(jié)果可靠性高。通過該軟件的仿真測試，可以得到天線性能對應(yīng)的性能參數(shù)值，如回波損耗(sll，也稱為反射系數(shù))、傳輸系數(shù)(s21)、電壓駐波比(VSWR)和增益(Gain)等。通過分析這些數(shù)值，可以比較出天線性能的優(yōu)劣。本發(fā)明是通過對普通貼片天線加入了異質(zhì)結(jié)構(gòu)左手材料結(jié)構(gòu)組合形成一種多層復(fù)合異質(zhì)結(jié)構(gòu)左手材料網(wǎng)格狀貼片天線，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?yàn)?一方面，在諧振頻率處產(chǎn)生的電磁波共振態(tài)，使得每一層復(fù)合結(jié)構(gòu)的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率均為負(fù)值，其折射率也是均為負(fù)值，形成電磁波的“隧道”效應(yīng)和倏逝波的放大作用，由此，大大加強(qiáng)了電磁波共振強(qiáng)度，對電磁能量的局域化程度有了明顯的提高，導(dǎo)致天線增益明顯增大，并表現(xiàn)為較低的回波損耗；另一方面，異質(zhì)結(jié)構(gòu)嵌入天線后，導(dǎo)致異質(zhì)界面處發(fā)生畸變，使得電磁波局域模的高度局域化，從而得到電磁波能量在某一頻率附近出現(xiàn)較高的增益。多層復(fù)合異質(zhì)結(jié)構(gòu)構(gòu)成光子晶體結(jié)構(gòu)，形成電磁(光子)禁帶，抑制沿基底底板介質(zhì)傳播的表面波，從而增加電磁波向自由空間的反射能量，從而提高了貼片天線增益和信噪比，較好地改善了天線的性能。


下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明:圖1是本發(fā)明一種多層復(fù)合異質(zhì)結(jié)構(gòu)左手材料網(wǎng)格狀貼片天線正面結(jié)構(gòu)示意圖；1-第一層介質(zhì)基板；2_第二層介質(zhì)基板；3_第三層介質(zhì)基板；4_第四層介質(zhì)基板；5_網(wǎng)格狀金屬輻射片；6_微帶饋線；7_復(fù)合貼片天線；8_螺旋金屬線；9_方形金屬諧振環(huán)；10-寬金屬條。圖2是本發(fā)明一種多層復(fù)合異質(zhì)結(jié)構(gòu)左手材料網(wǎng)格狀貼片天線螺旋金屬線結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明一種多層復(fù)合異質(zhì)結(jié)構(gòu)左手材料網(wǎng)格狀貼片天線方形金屬諧振環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明一種多層復(fù)合左手材料矩形框貼片天線的第二層介質(zhì)基板、四層介質(zhì)基板正面結(jié)構(gòu)示意圖(第二、四層介質(zhì)基板結(jié)構(gòu)相同)；

2(4)-第二(第四)層介質(zhì)基板；9_方形金屬諧振環(huán)；11_“工”形金屬諧振環(huán)；12_細(xì)金屬條。圖5是本發(fā)明一種多層復(fù)合異質(zhì)結(jié)構(gòu)左手材料網(wǎng)格狀貼片天線“工”形金屬諧振環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是本發(fā)明一種多層復(fù)合異質(zhì)結(jié)構(gòu)左手材料網(wǎng)格狀貼片天線的第三層介質(zhì)基板正面結(jié)構(gòu)示意圖；3-第三層介質(zhì)基板；8_螺旋金屬線；9_方形金屬諧振環(huán)；12_細(xì)金屬條。圖7是本發(fā)明一種多層復(fù)合異質(zhì)結(jié)構(gòu)左手材料網(wǎng)格狀貼片天線第四層介質(zhì)基板反面的金屬接地框及金屬條結(jié)構(gòu)示意圖；13-金屬接地框；14_金屬條。圖8是本發(fā)明一種多層復(fù)合異質(zhì)結(jié)構(gòu)左手材料網(wǎng)格狀貼片天線各層結(jié)構(gòu)組合示意圖；圖9是本發(fā)明一種多層復(fù)合異質(zhì)結(jié)構(gòu)左手材料網(wǎng)格狀貼片天線第一層含左手材料的介質(zhì)的介電常數(shù)ε P磁導(dǎo)率μ r和折射率η ；圖10是本發(fā)明一種多層復(fù)合異質(zhì)結(jié)構(gòu)左手材料網(wǎng)格狀貼片天線第二、四層含左手材料的介質(zhì)的介電常數(shù)ε P磁導(dǎo)率μ r和折射率η ；圖11是本發(fā)明一種多層復(fù)合異質(zhì)結(jié)構(gòu)左手材料網(wǎng)格狀貼片天線第三層含左手材料的介質(zhì)的介電常數(shù)ε P磁導(dǎo)率和折射率η。圖12是本發(fā)明一種多層復(fù)合異質(zhì)結(jié)構(gòu)左手材料網(wǎng)格狀貼片天線回波損耗示意圖；圖13是本發(fā)明一種多層復(fù)合異質(zhì)結(jié)構(gòu)左手材料網(wǎng)格狀貼片天線增益示意圖；圖14是本發(fā)明一種多層復(fù)合異質(zhì)結(jié)構(gòu)左手材料網(wǎng)格狀貼片天線電壓駐波比示意具體實(shí)施例方式采用電路板刻蝕技術(shù)，如圖1所示的這種多層復(fù)合異質(zhì)結(jié)構(gòu)左手材料網(wǎng)格狀貼片天線結(jié)構(gòu)中，在第一層介質(zhì)基板(I)正面分別刻蝕網(wǎng)格狀金屬輻射片(5)、微帶饋線(6)、螺旋金屬線(8)、方形金屬諧振環(huán)(9)、寬金屬條(10)。第二層介質(zhì)基板(2)和第四層介質(zhì)基板(4)正面刻蝕方形金屬諧振環(huán)(9)、“工”形金屬諧振環(huán)(11)、細(xì)金屬條(12)。第三層介質(zhì)基板(3)刻蝕金屬螺旋線(8)、方形金屬諧振環(huán)(9)和細(xì)金屬條(12)。第四層介質(zhì)基板
(4)反面固定有金屬接地框(13)和金屬條(14)。微帶饋線(6)連接著網(wǎng)格狀金屬輻射片
(5)，作為網(wǎng)格狀金屬輻射片(5)的電波信號饋入源。本發(fā)明是一種多層復(fù)合異質(zhì)結(jié)構(gòu)左手材料網(wǎng)格狀貼片天線，如圖1所示，這種多層復(fù)合異質(zhì)結(jié)構(gòu)左手材料網(wǎng)格狀貼片天線的四層介質(zhì)基板疊加后的尺寸為H1GeOmm) X L1 (360mm) XD1(IOmm),第一層介質(zhì)基板(I)、第二層介質(zhì)基板(2)、第三層介質(zhì)基板(3)、第四層介質(zhì)基板(4)長和寬都為360mm，第一層介質(zhì)基板(I)和第三層介質(zhì)基板
(3)的相對介電常數(shù)均為2.0，厚度均為3mm ;第二層介質(zhì)基板(2)和第四層介質(zhì)基板(4)的相對介電常數(shù)均為1 0，厚度均為2mm，第一層介質(zhì)基板(I)正面固定有網(wǎng)格狀金屬輻射片(5)，網(wǎng)格狀金屬輻射片(5)外框外邊長1^2=340!11111，寬02=4111111，外框距第一層介質(zhì)基板(I)邊緣D9=IOmm,網(wǎng)格線寬L3=L4=2mm,縱向上網(wǎng)格間距為:除邊緣的兩列網(wǎng)格間距為D3=42mm,其他間距為D5=29mm，橫向上的網(wǎng)格間距為:除邊緣的兩行網(wǎng)格間距為D4=42mm，其他間距為D6=29mm,網(wǎng)格狀金屬輻射片(5)的網(wǎng)格內(nèi)周期性交叉排列IOX 10的螺旋金屬線⑶和方形金屬諧振環(huán)(9),形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)，2根長H1為360mm,寬L5為6mm,尺寸為H1 (360mm) X L5 (6mm)的寬金屬條(10)固定在第一層介質(zhì)基板(I)邊緣，螺旋金屬線(8)線寬D1(l=2.5mm,相鄰線間隔Dn=2.5mm,最小內(nèi)徑1^=2.5mm,第一外徑R2=IOmm,第二外徑R3=12.5mm ;方形金屬諧振環(huán)(9)的外環(huán)邊長L7=20mm,內(nèi)環(huán)邊長L8=IOmm,環(huán)的線寬D12=2mm,線間距D13=3mm,環(huán)開口D14=D15=3mm,相鄰的螺旋金屬線⑶和方形金屬諧振環(huán)(9)間距D7=D8=31mm,微帶饋線(6)的長為IOmm,寬為L6=4.7mm,第二層介質(zhì)基板(2)與第四層介質(zhì)基板(4)結(jié)構(gòu)相同，正面固定有IOX 10周期性交叉排列的方形金屬諧振環(huán)(9)和“工”形金屬諧振環(huán)(11)，形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)，除中間兩列，每列交叉排列的方形金屬諧振環(huán)(9)和“工”形金屬諧振環(huán)(11)間嵌入一根細(xì)金屬條(12)，第二層介質(zhì)基板(2)與第四層介質(zhì)基板(4)上各嵌入8根細(xì)金屬條(12)，細(xì)金屬條(12)的尺寸為320mmX5mm,除中間兩根相鄰細(xì)金屬條(12)間距D17=57mm,其余相鄰細(xì)金屬條(12)間距D16=26mm，相鄰的方形金屬諧振環(huán)(9)和“工”形金屬諧振環(huán)(11)間距D18=D19=31mm, “工”形金屬諧振環(huán)(11)邊長D2(l=20mm,線寬D21=2mm,開口 D22=3mm,臂長L9=8.5mm,臂寬H9=6mm,第三層介質(zhì)基板(3)正面固定有螺旋金屬線(8)和方形金屬諧振環(huán)
(9)，其排布和第一層介質(zhì)基板(I)的螺旋金屬線(8)和方形金屬諧振環(huán)(9)的排布相同，除中間兩列，每列交叉排列的螺旋金屬線(8)和方形金屬諧振環(huán)(9)間嵌入一根細(xì)金屬條
(12)，第三層介質(zhì)基板(3)上嵌入8根細(xì)金屬條(12)，細(xì)金屬條(12)的尺寸為320mmX 5mm，除中間兩根相鄰細(xì)金屬條(12)間距D24=57mm，其余相鄰細(xì)金屬條(12)間距D23=26mm，第四層介質(zhì)基板(4)反面固定有金屬接地框(13)，金屬接地框(13)是矩形框狀結(jié)構(gòu)，金屬接地框(13)外框邊緣與第四層介質(zhì)基板(4)邊緣相重合，寬度D28=40mm，金屬接地框(13)的矩形框內(nèi)固定有5根周期性排列的金屬條(14),金屬條(14)長L1(l=260mm,寬H1(l=40mm,間距D27=15mm,激勵源采用Gaussian離散源。為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)是否為左手材料，用XFDTD電磁仿真軟件對這種一種多層復(fù)合異質(zhì)結(jié)構(gòu)左手材料網(wǎng)格狀貼片天線進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，得到了每層復(fù)合結(jié)構(gòu)的散射參數(shù)，即反射系數(shù)(sll)和傳輸系數(shù)(s21)，通過NRW傳輸/反射算法提取出了該多層復(fù)合左手材料結(jié)構(gòu)每層的有效介電常數(shù)和有效磁導(dǎo)率電磁參數(shù)，圖8、圖9、圖10分別給出了由仿真得到的參數(shù)所提取的每層復(fù)合結(jié)構(gòu)的有效磁導(dǎo)率有效介電常數(shù)^和折射率η。在天線諧振點(diǎn)附近f=4.52GHz頻率處,每層復(fù)合結(jié)構(gòu)的有效磁導(dǎo)率Pr和有效介電常數(shù)Sr都為負(fù)值，通過L和μ P能夠計(jì)算出每層折射率分別為H1 (第一層折射率)=-3.9，η2 (第二層折射率)=H4 (第四層折射率)=-1.1，H3 (第三層折射率)=-3.9。表明:通過普通貼片天線、螺旋金屬線、方形金屬諧振環(huán)、“工”形金屬諧振環(huán)和金屬條的組合，形成的一種多層復(fù)合異質(zhì)結(jié)構(gòu)左手材料網(wǎng)格狀貼片天線體系，該體系能使每一層復(fù)合結(jié)構(gòu)磁導(dǎo)率和介電常數(shù)都為負(fù)值，折射率也為負(fù)值，是一種左手材料。用XFDTD仿真得到的天線性能參數(shù)來分析這種多層復(fù)合異質(zhì)結(jié)構(gòu)左手材料網(wǎng)格狀貼片天線的性能。如圖12所示為這種多層復(fù)合異質(zhì)結(jié)構(gòu)左手材料網(wǎng)格狀貼片天線的回波損耗sll特性圖，在頻率4.52GHz處最小回波損耗sll=_32.60dB，說明該復(fù)合型結(jié)構(gòu)能進(jìn)一步減少回波損耗。帶寬較窄是微帶 天線的一個主要缺點(diǎn)，由圖12易知，這種基于光子晶體結(jié)構(gòu)的多層復(fù)合左手媒質(zhì)天線在f=4.52GHz帶寬為1.06GHz，帶寬較寬，這大大提高了微帶天線的性倉泛。圖13所示為增益特性圖，加入異質(zhì)結(jié)構(gòu)左手材料后，這種多層復(fù)合異質(zhì)結(jié)構(gòu)左手材料網(wǎng)格狀貼片天線正向增益最大約為9.444dB，說明在普通矩形框貼片天線中加入異質(zhì)結(jié)構(gòu)左手材料可以較大提高貼片天線的增益。圖14所示為電壓駐波比VSWR特性圖，在頻率4.52GHz處最小電壓駐波比為
1.048，已經(jīng)很靠近理想值I。通過對這種多層復(fù)合異質(zhì)結(jié)構(gòu)左手材料網(wǎng)格狀貼片天線的研究，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，一方面，已經(jīng)驗(yàn)證對種多層復(fù)合異質(zhì)結(jié)構(gòu)左手材料網(wǎng)格狀貼片天線體系在諧振頻率附近每一層復(fù)合結(jié)構(gòu)磁導(dǎo)率和介電常數(shù)都為負(fù)值，折射率也為負(fù)值，具有左手材料性質(zhì)，可以減少了天線的回波損耗、增加了增益；另一方面，異質(zhì)結(jié)構(gòu)嵌入天線后，導(dǎo)致異質(zhì)界面處發(fā)生畸變，使得電磁波局域模的高度局域化，從而得到電磁波能量在某一頻率附近出現(xiàn)較高的增益。多層復(fù)合異質(zhì)結(jié)構(gòu)構(gòu)成光子晶體結(jié)構(gòu)，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，從而增加電磁波向自由空間的反射能量。因此，這種多層復(fù)合異質(zhì)結(jié)構(gòu)左手材料網(wǎng)格狀貼片天線明顯增大了天線增益，并表現(xiàn)為較低的回波損耗，很好地改善天線的性能。本發(fā)明采用電路板刻蝕技術(shù)制作天線，具體結(jié)構(gòu)尺寸為:這種多層復(fù)合異質(zhì)結(jié)構(gòu)左手材料網(wǎng)格狀貼片天線的四層介質(zhì)基板疊加后的尺寸為H1GeOmm) X L1 (360mm) XD1(IOmm),第一層介質(zhì)基板(I)、第二層介質(zhì)基板(2)、第三層介質(zhì)基板(3)、第四層介質(zhì)基板(4)長和寬都為360mm，第一層介質(zhì)基板(I)和第三層介質(zhì)基板
(3)的相對介電常數(shù)均為2.0，厚度均為3mm ;第二層介質(zhì)基板(2)和第四層介質(zhì)基板(4)的相對介電常數(shù)均為10，厚度均為2mm，第一層介質(zhì)基板(I)正面固定有網(wǎng)格狀金屬輻射片(5)，網(wǎng)格狀金屬輻射片 (5)外框外邊長1^2=340!11111，寬02=4111111，外框距第一層介質(zhì)基板(I)邊緣D9=IOmm,網(wǎng)格線寬L3=L4=2mm,縱向上網(wǎng)格間距為:除邊緣的兩列網(wǎng)格間距為D3=42mm,其他間距為D5=29mm，橫向上的網(wǎng)格間距為:除邊緣的兩行網(wǎng)格間距為D4=42mm，其他間距為D6=29mm,網(wǎng)格狀金屬輻射片(5)的網(wǎng)格內(nèi)周期性交叉排列IOX 10的螺旋金屬線⑶和方形金屬諧振環(huán)(9),形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)，2根長H1為360mm,寬L5為6mm,尺寸為H1 (360mm) X L5 (6mm)的寬金屬條(10)固定在第一層介質(zhì)基板(I)邊緣，螺旋金屬線(8)線寬D1(l=2.5mm,相鄰線間隔Dn=2.5mm,最小內(nèi)徑1^=2.5mm,第一外徑R2=IOmm,第二外徑R3=12.5mm ;方形金屬諧振環(huán)(9)的外環(huán)邊長L7=20mm,內(nèi)環(huán)邊長L8=IOmm,環(huán)的線寬D12=2mm,線間距D13=3mm,環(huán)開口D14=D15=3mm,相鄰的螺旋金屬線⑶和方形金屬諧振環(huán)(9)間距D7=D8=31mm,微帶饋線(6)的長為IOmm,寬為L6=4.7mm,第二層介質(zhì)基板(2)與第四層介質(zhì)基板(4)結(jié)構(gòu)相同，正面固定有IOX 10周期性交叉排列的方形金屬諧振環(huán)(9)和“工”形金屬諧振環(huán)(11)，形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)，除了中間兩列，每列交叉排列的方形金屬諧振環(huán)(9)和“工”形金屬諧振環(huán)(11)間嵌入一根細(xì)金屬條(12)，第二層介質(zhì)基板(2)與第四層介質(zhì)基板(4)上各嵌入8根細(xì)金屬條
(12)，細(xì)金屬條(12)的尺寸為320mmX 5mm，除中間兩根相鄰細(xì)金屬條(12)間距D17=57mm，其余相鄰細(xì)金屬條(12)間距D16=26mm，相鄰的方形金屬諧振環(huán)(9)和“工”形金屬諧振環(huán)
(11)間距 D18=D19=31mm, “工”形金屬諧振環(huán)(11)邊長 D2(l=20mm,線寬 D21=2mm,開口 D22=3mm,臂長L9=8.5mm,臂寬H9=6mm,第三層介質(zhì)基板(3)正面固定有螺旋金屬線(8)和方形金屬諧振環(huán)(9)，其排布和第一層介質(zhì)基板(I)的螺旋金屬線(8)和方形金屬諧振環(huán)(9)的排布相同，除了中間兩列，每列交叉排列的螺旋金屬線(8)和方形金屬諧振環(huán)(9)間嵌入一根細(xì)金屬條(12)，第三層介質(zhì)基板(3)上嵌入8根細(xì)金屬條(12)，細(xì)金屬條(12)的尺寸為320mmX5mm,除中間兩根相鄰細(xì)金屬條(12)間距D24=57mm,其余相鄰細(xì)金屬條(12)間距D23=26mm，第四層介質(zhì)基板(4)反面固定有金屬接地框(13)，金屬接地框(13)是矩形框狀結(jié)構(gòu)，其外框邊緣與第四層介質(zhì)基板(4)邊緣相重合，寬度D28=40mm，金屬接地框(13)的矩形框內(nèi)固定有5根周期性排列的金屬條(14),金屬條(14)長L1(l=260mm,寬H1(l=40mm,間距D27=15_=15mm,激勵 源采用Gaussian離散源。通過微帶饋線(6)給網(wǎng)格狀金屬福射片(5)饋電。這種多層復(fù)合異質(zhì)結(jié)構(gòu)左手材料網(wǎng)格狀貼片天線的諧振頻率約為4.52GHz，至此完成這種多層復(fù)合異質(zhì)結(jié)構(gòu)左手材料網(wǎng)格狀貼片天線的制作。
權(quán)利要求
1.一種多層復(fù)合異質(zhì)結(jié)構(gòu)左手材料網(wǎng)格狀貼片天線，其特征在于:包括第一層介質(zhì)基板(I)、第二層介質(zhì)基板(2)、第三層介質(zhì)基板(3)、第四層介質(zhì)基板(4)、復(fù)合貼片天線(7)、螺旋金屬線(8)、方形金屬諧振環(huán)(9)、寬金屬條(10)、“工”形金屬諧振環(huán)(11)、細(xì)金屬條(12)、金屬接地框(13)、金屬條(14)、激勵源，第一層介質(zhì)基板(I)、第二層介質(zhì)基板(2)、第三層介質(zhì)基板(3)、第四層介質(zhì)基板(4)依次疊加，復(fù)合貼片天線(7)由網(wǎng)格狀金屬輻射片(5)和微帶饋線(6)連接組成，復(fù)合貼片天線(7)固定在第一層介質(zhì)基板(I)的正面，螺旋金屬線(8)與方形金屬諧振環(huán)(9)周期性交叉排列在網(wǎng)格狀金屬輻射片(5)的網(wǎng)格內(nèi)，兩根寬金屬條(10)固定在第一層介質(zhì)基板(I)的邊緣，第二層介質(zhì)基板(2)與第四層介質(zhì)基板(4)結(jié)構(gòu)相同，正面都固定有細(xì)金屬條(12)和周期性交叉排列的方形金屬諧振環(huán)(9)與“工”形金屬諧振環(huán)(11)，細(xì)金屬條(12)嵌在方形金屬諧振環(huán)(9)與“工”形金屬諧振環(huán)(11)間，第三層介質(zhì)基板(3)正面固定有螺旋金屬線(8)、方形金屬諧振環(huán)(9)，其排布與第一層介質(zhì)基板(I)的螺旋金屬線(8)和方形金屬諧振環(huán)(9)的排布相同，細(xì)金屬條(12)嵌在螺旋金屬線(8)和方形金屬諧振環(huán)(9)間，第四層介質(zhì)基板(4)的反面固定有金屬接地框(13)，金屬接地框(13)的框內(nèi)嵌入金屬條(14)，激勵源通過金屬導(dǎo)線一端與微帶饋線(6)相連，一端與金屬接地框(13)相連，激勵源通過微帶饋線(6)給網(wǎng)格狀金屬輻射片(5)饋電。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多層復(fù)合異質(zhì)結(jié)構(gòu)左手材料網(wǎng)格狀貼片天線，其特征在于:第一層介質(zhì)基板(I)、第二層介質(zhì)基板(2)、第三層介質(zhì)基板(3)、第四層介質(zhì)基板(4)正面都采用電路板刻蝕技術(shù)刻蝕出復(fù)合貼片天線(7)、螺旋金屬線(8)、方形金屬諧振環(huán)(9)、寬金屬條(10)、“工”形金屬諧振環(huán)(11)、細(xì)金屬條(12)，第四層介質(zhì)基板(4)反面采用電路板刻蝕技術(shù)刻蝕出金屬接地框(13)和金屬條(14)。`
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種多層復(fù)合左異質(zhì)結(jié)構(gòu)左手材料網(wǎng)格狀貼片天線，其特征在于:一種多層復(fù)合異質(zhì)結(jié)構(gòu)左手材料網(wǎng)格狀貼片天線，四層介質(zhì)基板疊加后的尺寸為H1 (360 mm) X L1 (360 mm) X D1 (10 mm),第一層介質(zhì)基板(I)、第二層介質(zhì)基板(2)、第三層介質(zhì)基板(3)、第四層介質(zhì)基板(4)長和寬都為360mm，第一層介質(zhì)基板(I)和第三層介質(zhì)基板(3)的相對介電常數(shù)均為2.0，厚度均為3mm ;第二層介質(zhì)基板(2)和第四層介質(zhì)基板(4)的相對介電常數(shù)均為10，厚度均為2_，第一層介質(zhì)基板(I)正面固定有網(wǎng)格狀金屬福射片(5),網(wǎng)格狀金屬福射片(5)外框外邊長L2=340mm,寬D2=4mm,外框距第一層介質(zhì)基板⑴邊緣D9=IOmm,網(wǎng)格線寬L3= L4=2mm，網(wǎng)格狀金屬輻射片(5)的網(wǎng)格內(nèi)周期性交叉排列10X10的螺旋金屬線(8)和方形金屬諧振環(huán)(9)，形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)，2根長H1為360mm ,寬L5為6mm ,尺寸為H1 (360mm) XL5(6mm)的寬金屬條(10)固定在第一層介質(zhì)基板⑴邊緣，螺旋金屬線⑶線寬D1(l=2.5mm,相鄰線間隔Dn=2.5mm,最小內(nèi)徑札=2.5mm,第一外徑R2=IOmm,第二外徑R3=12.5mm ;方形金屬諧振環(huán)(9)的外環(huán)邊長L7=20mm,內(nèi)環(huán)邊長L8=IOmm,環(huán)的線寬D12=2mm,線間距D13=3mm,環(huán)開口 D14=D15=3mm,相鄰的螺旋金屬線⑶和方形金屬諧振環(huán)(9)間距D7=D8=31mm,微帶饋線(6)的長為IOmm,寬為L6=4.7mm,第二層介質(zhì)基板(2)與第四層介質(zhì)基板(4)結(jié)構(gòu)相同，正面固定有IOX 10周期性交叉排列的方形金屬諧振環(huán)(9)和“工”形金屬諧振環(huán)(11)，形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)，8根尺寸為320mmX 5mm的細(xì)金屬條(12)嵌在交叉排列的方形金屬諧振環(huán)(9)和“工”形金屬諧振環(huán)(11)之間，相鄰的方形金屬諧振環(huán)(9)和“工”形金屬諧振環(huán)(11)間距D18=D19=31mm，“工”形金屬諧振環(huán)(11)邊長D20=20mm,線寬D21=2mm,開口 D22=3mm,臂長L9=8.5mm,臂寬H9=6mm,第三層介質(zhì)基板⑶正面固定有螺旋金屬線(8)和方形金屬諧振環(huán)(9)，其排布和第一層介質(zhì)基板(I)的螺旋金屬線(8)和方形金屬諧振環(huán)(9)的排布相同,8根尺寸為320mmX 5mm的細(xì)金屬條(12)嵌在交叉排列的螺旋金屬線(8)和方形金屬諧振環(huán)(9)之間，第四層介質(zhì)基板(4)反面固定有金屬接地框(13)，金屬接地框(13)是矩形框狀結(jié)構(gòu)，其外框邊緣與第四層介質(zhì)基板(4)邊緣相重合，寬度D28=40mm,金屬接地框(13)的矩形框內(nèi)固定有5根周期性排列的金屬條(14),金屬條(14)長L1(l=260mm,寬H1(l=40mm,間距D27=15mm,激勵源采用Gaussian離散源。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種多層復(fù)合左異質(zhì)結(jié)構(gòu)左手材料網(wǎng)格狀貼片天線，其特征在于:第一層介質(zhì)基板(I)正面固定有網(wǎng)格狀金屬輻射片(5)，縱向上網(wǎng)格間距為:除邊緣的兩列網(wǎng)格間距為D3 =42mm,其他間距為D5 =29mm，橫向上的網(wǎng)格間距為:除邊緣的兩行網(wǎng)格間距為D4 =42mm,其他間距為D6=29mm，網(wǎng)格狀金屬輻射片(5)的網(wǎng)格內(nèi)周期性交叉排列10X10的螺旋金屬線(8)和方形金屬諧振環(huán)(9)，形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)，第二層介質(zhì)基板(2)上除了中間兩列，每列交叉排列的方形金屬諧振環(huán)(9)和“工”形金屬諧振環(huán)(11)間嵌入一根細(xì)金屬條(12)，第二層介質(zhì)基板(2)上嵌入8根細(xì)金屬條(12)，除中間兩根相鄰細(xì)金屬條(12)間距D17=57mm，其余相鄰細(xì)金屬條(12)間距D16=26mm，相鄰的方形金屬諧振環(huán)(9)和“工”形金屬諧振環(huán)(11)間距D18=D19=31mm，第四層介質(zhì)基板(4)正面的方形金屬諧振環(huán)(9)、“工”形金屬諧振環(huán)(11)和細(xì)金屬條(12)的排布、尺寸和間距與第二層介質(zhì)基板(2)相同；第三層介質(zhì)基板(3)正面固定有螺旋金屬線(8)和方形金屬諧振環(huán)(9)，其排布和第一層介質(zhì)基板(I)的螺旋金屬線(8)和方形金屬諧振環(huán)(9)的排布相同，除了中間兩列，每列交叉排列的螺旋金屬線(8)和方形金屬諧振環(huán)(9)間嵌入一根細(xì)金屬條(12)，第三層介質(zhì)基板(3)上嵌入8根細(xì)金屬條(12)，除中間兩根相鄰細(xì)金屬條(12)間距D24=57mm，其余相鄰細(xì)金屬條(12)間距D23=26mm，第四層介質(zhì)基板(4)反面固定有金屬接地框(13)，通過微帶饋線(6)給網(wǎng)格狀金屬輻射片(5)饋電，這種多層復(fù)合異質(zhì)結(jié)構(gòu)左手材料網(wǎng)格狀貼片天線的諧振頻率為4.52GHz.
全文摘要
本發(fā)明涉及一種多層復(fù)合異質(zhì)結(jié)構(gòu)左手材料網(wǎng)格狀貼片天線，該復(fù)合貼片天線包括四層介質(zhì)基板、金屬接地框、金屬條、網(wǎng)格狀金屬輻射片、微帶饋線、螺旋金屬線、方形金屬諧振環(huán)和“工”形金屬諧振環(huán)。本發(fā)明在某一頻率附近，這種多層復(fù)合異質(zhì)結(jié)構(gòu)左手材料網(wǎng)格狀貼片天線對電磁能量的局域化程度有了明顯的提高，導(dǎo)致天線增益明顯增大，并表現(xiàn)為較低的回波損耗,較好地改善了天線的性能,可廣泛應(yīng)用于移動通信、衛(wèi)星通信以及航空航天等領(lǐng)域。
文檔編號H01Q1/38GK103236581SQ20131012244
公開日2013年8月7日 申請日期2013年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月9日
發(fā)明者王紀(jì)俊, 朱志盼, 貢磊磊, 張艷榮, 沈廷根 申請人:江蘇大學(xué)