本實(shí)用新型天線技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于褶皺金屬周期結(jié)構(gòu)的小型化寬帶的超表面天線，其采用較小的體積，實(shí)現(xiàn)較寬的帶寬和較高的增益。

背景技術(shù)：

超表面通常是指那些通過人工制作的金屬結(jié)構(gòu)單元和相同或相近的單元結(jié)構(gòu)周期或者非周期排布的電磁材料，其具有自然界中材料所不具備的性質(zhì)。超表面可以等效為二維超材料，對(duì)電磁波具有很強(qiáng)的調(diào)控能力，可以實(shí)現(xiàn)改變天線的波束指向，產(chǎn)生相位偏移等功能。不僅如此，超表面和微帶天線的結(jié)合可以提高傳統(tǒng)天線在工作帶寬、尺寸、增益、輻射效率等多個(gè)方面的性能。此外，Chung，K.等人于2011年提出將超表面結(jié)構(gòu)應(yīng)用到微帶貼片天線上，阻抗帶寬和天線效率等方面性能都得到很大改善。

傳統(tǒng)微帶天線具有質(zhì)量輕、成本低、容易制造并且可以直接和射頻微波電路集成等特點(diǎn)，因此在移動(dòng)通信、航天航空、電子對(duì)抗及雷達(dá)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。但當(dāng)傳統(tǒng)微帶天線工作在較低頻段時(shí)，由于其面積大從而不能適應(yīng)無線通信系統(tǒng)向小型化、集成化方向發(fā)展，從而限制了微帶天線在無線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用,也限制了無限通信系統(tǒng)的發(fā)展。

因此急需研究通過超表面的引入來實(shí)現(xiàn)天線基板的電磁參數(shù)數(shù)值的提高，小型化因子得到增大，從而實(shí)現(xiàn)天線尺寸小型化。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡單，增益高、頻帶寬、尺寸小的基于褶皺金屬周期結(jié)構(gòu)的小型化天線。

本實(shí)用新型的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的，包括依次順序重疊設(shè)置的天線輻射體、第一介質(zhì)基板、第一金屬底片、褶皺金屬周期結(jié)構(gòu)、第二介質(zhì)基板和第二金屬底片，所述天線輻射體為采用微帶金屬貼片制作形成的中心饋電微帶天線，所述第一金屬底片為π型結(jié)構(gòu)，所述褶皺金屬周期結(jié)構(gòu)由多個(gè)周期性褶皺金屬貼片單元按照3×4陣列排列構(gòu)成，所述周期性褶皺金屬貼片單元的褶皺深度為1~3mm，褶皺縫寬度為0.1~0.5mm。

本實(shí)用新型利用褶皺金屬周期結(jié)構(gòu)在微波頻段的等效介電常數(shù)為負(fù)的特征，以及在負(fù)介電常數(shù)材料與正介電常數(shù)材料分界面上將形成表面波的基本原理，將等效為負(fù)介電常數(shù)材料的周期性褶皺金屬貼片單元按照3×4陣列排列構(gòu)成褶皺金屬周期結(jié)構(gòu)附著于第二介質(zhì)基板上，構(gòu)成超表面結(jié)構(gòu)，并通過微帶側(cè)饋的天線輻射體激發(fā)超表面結(jié)構(gòu)，形成諧振；由π型結(jié)構(gòu)構(gòu)成的第一金屬底片和第二金屬底片主要起接地作用；上述結(jié)構(gòu)共同形成了一種尺寸小、頻帶寬和增益高的微帶天線。

本實(shí)用新型中的褶皺金屬周期結(jié)構(gòu)和第二介質(zhì)基板形成了超表面結(jié)構(gòu)，天線輻射體與π型結(jié)構(gòu)的第一金屬底片共同構(gòu)成帶有接地板的共面波導(dǎo)，然后將該超表面結(jié)構(gòu)直接設(shè)置在共面波導(dǎo)饋電的矩形微帶天線下方，并通過微帶傳輸線進(jìn)行激發(fā)形成諧振，實(shí)現(xiàn)交指電容器效果的低剖面定向天線，使得形成的天線具有寬頻帶、體積小、增益高、結(jié)構(gòu)簡單和制作成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本實(shí)用新型中天線輻射體的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本實(shí)用新型中第一金屬底片的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本實(shí)用新型中褶皺金屬周期結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本實(shí)用新型中周期性褶皺金屬貼片單元的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為使用本實(shí)用新型提供的天線進(jìn)行回波損耗特性仿真的仿真曲線；

圖7為使用本實(shí)用新型提供的天線進(jìn)行增益特性仿真的仿真曲線；

圖8為使用本實(shí)用新型提供的天線進(jìn)行仿真的歸一化方向圖；

圖中：1-天線輻射體、2-第一介質(zhì)基板、3-第一金屬底片、4-褶皺金屬周期結(jié)構(gòu)、5-第二介質(zhì)基板、6-第二金屬底片。

具體實(shí)施方式

如圖1-圖5所示，本實(shí)用新型提供的基于褶皺金屬周期結(jié)構(gòu)的小型化天線，包括依次順序重疊設(shè)置的天線輻射體1、第一介質(zhì)基板2、第一金屬底片3、褶皺金屬周期結(jié)構(gòu)4、第二介質(zhì)基板5和第二金屬底片6，所述天線輻射體1為采用微帶金屬貼片制作形成的中心饋電微帶天線，所述第一金屬底片3為π型結(jié)構(gòu)，所述褶皺金屬周期結(jié)構(gòu)4由多個(gè)周期性褶皺金屬貼片單元按照3×4陣列排列構(gòu)成，所述周期性褶皺金屬貼片單元的褶皺深度為1~3mm，褶皺縫寬度為0.1~0.5mm。

所述第一金屬底片3與褶皺金屬周期結(jié)構(gòu)4之間的距離為電磁波波長的0.005~0.01倍。

其特征在于所述第一金屬底片3與褶皺金屬周期結(jié)構(gòu)4之間的距離為0.5mm。

所述第一介質(zhì)基板2采用玻璃環(huán)氧樹膠制作，第二介質(zhì)基板5采用羅杰斯3003制作。

所述的褶皺金屬周期結(jié)構(gòu)4和第二介質(zhì)基板5形成了超表面結(jié)構(gòu)，天線輻射體1與π型結(jié)構(gòu)的第一金屬底片3共同構(gòu)成帶有接地板的共面波導(dǎo)，然后將該超表面結(jié)構(gòu)直接設(shè)置在共面波導(dǎo)饋電的矩形微帶天線下方，并通過微帶傳輸線進(jìn)行激發(fā)形成諧振，實(shí)現(xiàn)交指電容器效果的低剖面定向天線，使得形成的天線具有寬頻帶、體積小、增益高、結(jié)構(gòu)簡單和制作成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。

實(shí)施例1

采用厚度為0.018mm的微帶金屬貼片制作天線輻射體1，其中天線輻射體的相關(guān)參數(shù)為：I1=11mm、I2=2mm、I3=8mm、I4=1mm、w1=2mm、w2=5mm和w3=7mm；第一介質(zhì)基板2選用材料玻璃環(huán)氧樹膠制作，其長度為25mm、寬度為16mm、厚度為1.6mm，其介電常數(shù)為4.4；π型結(jié)構(gòu)的第一金屬底片3采用厚度為0.018mm，長度m1=25mm和寬度f1=4mm的矩形金屬貼片與兩個(gè)邊長f2=2mm的正方形金屬貼片合并而成，兩個(gè)正方形對(duì)稱設(shè)置于矩形邊位置的m2=3mm處；褶皺金屬周期結(jié)構(gòu)4采用多個(gè)相同的周期性褶皺金屬貼片單元按照3×4陣列排列構(gòu)成，其中每個(gè)周期性褶皺金屬貼片單元的厚度為0.018mm，長度s2=10mm，寬度u2=11mm，褶皺深度u1=1.8mm，褶皺寬度s1=0.2mm；第二介質(zhì)基板5選用材料羅杰斯3003制作，其長度為41.6mm、寬度為33mm、厚度為2.5mm，其介電常數(shù)為3；第二金屬底片的長度為41.6mm、寬度為33mm、厚度為0.018mm；其中π型結(jié)構(gòu)第一金屬底片3與褶皺金屬周期結(jié)構(gòu)4之間的距離為0.5mm。

采用實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)制作形成了工作在中心頻率為4.9GHz的寬帶天線，采用全波三維電磁仿真軟件 Ansoft HFSS 對(duì)該天線進(jìn)行仿真，可得到如圖6所示的天線的回波損耗（S11參數(shù)）特性圖，從圖上可知在天線的工作帶寬4.42～5.4GHz范圍內(nèi)，回波損耗均在-10dB以下；該天線所占用的最大尺寸為33mm*41.6mm，其面積只有0.366，其中為中心頻率所對(duì)應(yīng)的波長（這里為61.2mm）。如圖7所示，本實(shí)用新型提供的天線的增益仿真曲線在通帶內(nèi)的平均增益為7.2dBi，其中最大增益為7.43dBi。如圖8所示，本實(shí)用新型提供的天線的中心頻率4.9GHz的歸一化方向圖，最大輻射方向在輻射體的正上方，通帶內(nèi)其他頻率的方向圖與4.9GHz的方向圖類似，整個(gè)通帶內(nèi)方向圖比較穩(wěn)定。

上面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的實(shí)施方式進(jìn)行了描述，但是本實(shí)用新型并不局限于上述的具體實(shí)施方式，上述的具體實(shí)施方式僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本實(shí)用新型的啟示下，在不脫離本實(shí)用新型宗旨和權(quán)利要求所保護(hù)的范圍情況下，還可以做出許多形式，這均屬于本實(shí)用新型的保護(hù)之內(nèi)。