本發(fā)明涉及天線領域，具體的說，涉及一種基于特異材料的亞波長諧振腔天線。

背景技術：

待接收信號的頻段一定程度決定所需應用的天線的尺寸。以ghz波段信號的接收為例，國際和國內(nèi)現(xiàn)用于接收ghz波段信號(例如太陽射電信號、衛(wèi)星電視信號l、s、c、ku波段)的天線主要是拋物面天線，這類天線體積大、重量大、維護費用高，特別是太陽射電成像系統(tǒng)中的天線更是如此。

相對于拋物面天線，微帶貼片天線是一種平面天線，具有體積小、重量輕、剖面薄、易于加工、易與有源器件和電路集成為單一模塊等諸多優(yōu)點，在空間探測方面有諸多優(yōu)勢，已被用于星載衛(wèi)星觀測系統(tǒng)中。傳統(tǒng)的微帶貼片天線也具有一些不足，例如，可接收頻帶較窄、極化純度差、寄生饋電輻射大等。傳統(tǒng)的腔體微帶貼片天線，利用諧振腔共振原理可實現(xiàn)高方向性，由于受金屬反射面180反射相位的限制，諧振腔的厚度需要滿足：其中d為諧振腔的厚度，λ為接收信號的波長，n為任意正整數(shù)，也就是說，諧振腔的厚度最小只能做到接收信號波長的二分之一，若將這種天線用于接收ghz波段信號，視信號需要將諧振腔厚度做到較大，天線整體厚度也限制了天線體積的減小。

特異材料是一種新型的人工材料，是指具有亞波長周期性結構的材料，利用材料表面周期性晶格的設計，可使局域共振機制起主導作用。特異材料的介電常數(shù)和磁導率可以同時為負值，或者其中之一為負值，或同時小于1。常規(guī)材料的電磁特性，主要源于組成材料本身的原子分子對電磁波的相應，特異材料的電磁特性主要源于人工諧振單元對電磁波的響應，利用其電磁波特殊的調(diào)控機理，可構造等效磁導率小于零而介電常數(shù)大于零的磁單負材料，磁單負材料屬于特異材料的一種，由于磁單負材料的等效磁導率小于零，使其表面的反射相位為0，即產(chǎn)生同相反射，因此，利用磁單負材料的零反射相位特性，可以實現(xiàn)突破半波長尺度限制的諧振腔(亞波長諧振腔)，其諧振腔的厚度可以趨于零，從而可以實現(xiàn)天線系統(tǒng)的小型化。另外，磁單負材料可以用來抑制印刷天線的表面波損耗，從而改善輻射旁瓣和背散射性能。

公開號為cn101461097a的中國專利公開了一種采用amc材料的便攜式天線，包括第一層組和第二層組，第一層組和第二層組上下間隔平行設置，中間形成空腔層，其提供了一種三層結構的小型天線。但是其第一層為天線層，第二層為電路結構層，兩層之間是用于隔絕天線層和電路曾的電磁屏蔽層，也就是說，其天線特性層僅為第一層，其他兩層不具有天線的特性。雖然其也公開了貼片的結構，但貼片是經(jīng)垂直導電空與固定底線連接的，為一種傳統(tǒng)的天線設計結構。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術中，天線尺寸受接收信號波段影響，高波段信號要求接收天線體積大、重量大，以至此類天線存在不易與其他器件共形、維護困難的問題，基于磁單負特異材料特性及天線結構設計，提供一種體積小、重量輕、結構靈活的天線，接收波段信號對此類天線體積及重量的影響小。

本發(fā)明的技術方案為：基于磁單負材料的亞波長諧振腔天線，包括間隔設置的全反射板和部分反射板，部分反射板與全反射板相反的一面為表面一，朝向全反射板的一面為表面二(即與表面一相反的一面為表面二)，表面一和表面二上均設置有貼片單元陣列，任意兩個相鄰的表面一貼片單元相接，且任意一個表面一貼片單元均包括至少一個空缺部；任意兩個相鄰的表面二貼片單元之間間隔設置；部分反射板的上下兩表面上的貼片陣列起到調(diào)節(jié)部分反射板的反射特性的作用，既能調(diào)節(jié)信號的反射率，同時能調(diào)節(jié)信號的反射相位；全反射板朝向部分反射板的一面設置有輻射金屬貼片，另一面涂覆金屬層，作為全反射面，且這一面設置有饋電接頭(饋電輸出端)，饋電接頭與輻射金屬貼片相接，通過饋電接頭輸出天線信號。

優(yōu)選為：表面一貼片單元和表面二貼片單元均為規(guī)則兩側(cè)對稱形狀。

優(yōu)選為：表面一貼片單元為四邊形，且四邊形四個角部分形成四個空缺部。

優(yōu)選為：表面一貼片單元為十字形貼片，任意兩個相鄰的十字形貼片相對的一邊相接；表面二貼片單元為方形貼片。

優(yōu)選為：十字形貼片的邊長大于正方形貼片的邊長。

優(yōu)選為：部分反射板的一個表面一貼片單元與一個表面二貼片單元的中心對齊。中心互為對齊的一組表面一貼片單元和表面二貼片單元構成一個信號調(diào)理組，可實現(xiàn)更穩(wěn)定的信號調(diào)理作用。

優(yōu)選為：全反射板為固定安裝結構，部分反射板為可拆卸可調(diào)結構。

優(yōu)選為：部分反射板通過滑動部件安裝在豎向滑軌上。

優(yōu)選為：全反射板和部分反射板上設置有配合安裝孔，通過調(diào)節(jié)螺釘配合安裝。將全反射板和部分反射板之間設計為可拆卸的結構，便于調(diào)整諧振腔的厚度，也方便根據(jù)接收需求，通過更換全反射板或部分反射板的方式調(diào)整天線的接收頻率。

優(yōu)選為：全反射板和部分反射板之間的間隔為空氣層或填充有介質(zhì)材料，信號可通過即可。

優(yōu)選為：全反射板和部分反射板平行設置，實現(xiàn)更穩(wěn)定的信號傳輸和調(diào)理。

本發(fā)明的有益效果為：

(1)本發(fā)明提供了一種含單層磁單負材料的亞波長諧振腔特異材料天線是一種平面天線，本發(fā)明基于部分反射板表面一和表面二的貼片單元陣列，使部分反射板具有磁單負材料的特性，利用磁單負材料的特殊電磁特性，其整體厚度可以遠小于探測或者接收電磁波的波長的二分之一，特別是，利用磁單負材料的零反射相位特性，諧振腔厚度可以趨于零。與現(xiàn)有微帶貼片天線相比，諧振腔厚度不受接收信號波長的限制，從而可極大減小天線的尺寸。

(2)特異材料微帶天線的主體是介質(zhì)材料，部分反射板和全反射板表面的金屬層占整體重量很小，因此，含單層磁單負材料的亞波長諧振腔特異材料天線是具有體積小、重量輕、超薄、易與其他器件共形等多個優(yōu)點。這類新型的特異材料天線繼承了傳統(tǒng)微帶天線的優(yōu)點，同時克服了很多傳統(tǒng)微帶天線的缺點。

(3)與公開號為cn101461097a的專利相比，雖然本申請?zhí)峁┑奶炀€也是一種三層結構，但本申請中三層均具有天線的特性，三層配合工作，使天線的性能大大提高。

(4)天線的工作頻率受諧振腔厚度和磁單負單元個體尺寸、磁單負材料整體尺寸的影響。調(diào)整諧振腔的厚度可調(diào)整，全反射板和部分反射板的組裝結構靈活，可根據(jù)天線應用場合、待接收信號的波段特性調(diào)整二者之間的間距，從而調(diào)整諧振腔的厚度。也可以更換具有不同磁單負單元尺寸的部分反射板，調(diào)整接收天線的頻率響應特性，使天線工作在最佳的接收或發(fā)射頻率。進一步使該天線為一種變頻天線。

(5)全反射板和部分反射板的組裝結構靈活，另一方面好處為：天線組裝后，可通過微調(diào)改變諧振腔的厚度，避免了調(diào)整天線結構而重新加工，從而節(jié)省了加工成本和降低了測試調(diào)試難度。

附圖說明

圖1為天線結構示意圖；

圖2為部分反射板表面一結構示意圖；

圖3為部分反射板表面二結構示意圖；

圖4為全反射板全反射面結構示意圖；

圖5為全反射板與部分反射板相對的一面結構示意圖；

圖6為部分反射板的表面一貼片單元結構示意圖；

圖7為部分反射板的表面二貼片單元結構示意圖；

圖8為部分反射板傳統(tǒng)單元與磁單負單元的反射率對比圖；

圖9為部分反射板傳統(tǒng)單元與磁單負單元的反射相位對比圖；

圖10為工作頻率為2.8ghz的天線的s11圖；

圖11為工作頻率為2.8ghz的天線的方向增益圖。

圖12為另一種實施方式表面一貼片單元結構示意圖。

圖13為另一種實施方式表面一貼片單元結構示意圖。

圖14為另一種實施方式表面一貼片單元結構示意圖。

圖15為另一種實施方式表面二貼片單元結構示意圖。

圖16為另一種實施方式表面二貼片單元結構示意圖。

圖17為另一種實施方式表面二貼片單元結構示意圖。

其中：1-部分反射板，2-全反射板，3-諧振腔，4-表面一貼片單元，5-表面二貼片單元，6-金屬全反射面，7-饋電接頭，8-輻射金屬貼片

具體實施方式

以下將結合附圖對本發(fā)明的具體實施方式進行清楚完整地描述。顯然，具體實施方式所描述的實施例僅為本發(fā)明的一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明的保護范圍。

本發(fā)明提供了一種基于磁單負特異材料的亞波長諧振腔天線，屬于微帶貼片天線的一種，與現(xiàn)有技術中微帶貼片天線相比，基于特異材料的頻率調(diào)整特性，可使天線的諧振腔厚度大大減小，且不受接收信號頻段的限制，從而可大大減小天線的體積和重量。

實施例1

如圖1所示，為本發(fā)明提供的諧振腔天線結構示意圖?；诖艈呜撎禺惒牧系膩啿ㄩL諧振腔天線包括間隔平行設置的全反射板3和部分反射板1；全反射板2和部分反射板1之間的間隙即形成諧振腔2。根據(jù)接收信號的方向不同，全反射板3可位于部分反射板1下方，也可以為全反射板3位于部分反射板1上方。

如圖2和圖3所示，部分反射板1上下兩表面均設置有周期排布的貼片單元陣列，任意兩個相鄰的表面一貼片單元相接，且任意一個表面一貼片單元均包括至少一個空缺部，用于使信號通過部分反射板1；任意兩個相鄰的表面二貼片單元之間間隔設置；全反射板3朝向部分反射板1的一面設置有輻射金屬貼片8，另一面涂覆金屬層作為金屬全反射面6，金屬全反射面6上有饋電接頭7。饋電接頭7正極與輻射金屬貼片8相接，用于導出天線信號；饋電接頭7負極接地。

具體的說，部分反射板的表面一貼片單元包括n個，相接結合構成表面一貼片單元4陣列，表面二貼片單元包括n個，間隔排列構成表面二貼片單元5陣列。表面一貼片單元和表面二貼片單元的這種配合結構，構造部分反射板為單層磁單負材料，對接收信號產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用。其中部分反射板1主要作用有兩個，一個是使部分信號能夠透過部分反射板1，入射到諧振腔2內(nèi)，另一個作用是對未透射進諧振腔的信號起到反射作用，同時可以調(diào)節(jié)進入諧振腔內(nèi)的電磁波信號的反射相位。其進入諧振腔2內(nèi)的信號強弱與表面一貼片單元的空缺部的設置有關。

部分反射板1的表面二貼片單元陣列以及全反射板的金屬反射面6配合作用，二者的主要作用是對透射進入諧振腔2的信號進行多次反射、疊加，信號經(jīng)過多次加強后，最終使信號被饋源(包含輻射金屬貼片8和饋電輸出端)接收。

作為優(yōu)選，部分反射板1上的表面一貼片單元4和表面二貼片單元5均為規(guī)則的兩側(cè)對稱形狀，一個表面一貼片單元4和一個表面二貼片單元5的中心對齊。這種結構可增強表面一貼片單元4和表面二貼片單元5的反射特性，即可以得到合適的反射率和可調(diào)的反射相位，由于采用對稱結構，可實現(xiàn)穩(wěn)定的信號調(diào)理效果，同時可以調(diào)節(jié)進入諧振腔的電磁波信號的反射相位。

例如，部分反射板1上的表面一貼片單元4可采用四邊形，且四邊形四個角部分形成四個空缺部。也就是說，表面一貼片單元是由一個四邊形演變而成的形狀，在四邊形的四個角對稱的構成出四個空缺部，為信號傳入、傳出部分反射板1提供通道。這個空缺部可以為三角形或正方形或其他的形狀。

再給出一種具體的實施方式，部分反射板1上的表面一貼片單元4為十字形貼片，任意兩個相鄰的十字形貼片相對的一邊相接；表面二貼片單元5為正方形貼片?？梢岳斫?，十字形貼片即是一個正方形或長方形演變而形成的結構，可以想象為一個正方形或長方形對稱的摳除四個角后形成的。

作為一種更優(yōu)的實施方式，一個十字形貼片與一個正方形貼片中心對齊，十字形貼片的長度大于正方形貼片的邊長。由于十字形貼片是每個均連接，而正方形貼片需要間隔設置，這種結構才可以實現(xiàn)一個十字形貼片對應一個正方形貼片，中心對齊。

全反射板和部分反射板之間的間隔，也就是諧振腔2，可以為空氣層或填充介質(zhì)材料，其中所述的介質(zhì)材料是指天線信號可傳輸?shù)牟牧稀?/p>

除采用十字形貼片和正方形貼片外，表面一貼片單元4和表面二貼片單元5還可以采用其他的形狀。如圖12至圖17所示，給出了其他幾種表面一貼片單元4和表面二貼片單元5的實施結構示意圖。

以上，概括論述了天線的結構，以下，將以一種2.80ghz特異材料天線為具體實施方式來說明天線的結構。由于本發(fā)明提供的天線，其諧振腔2的厚度，貼片單元的尺寸都會影響天線接收信號的頻率，因此，以下具體實施方式提供的天線尺寸提供了一種工作頻率為2.80ghz的天線。該天線以太陽10.7cm波長(2.80ghz，對應f107指數(shù))的射電輻射流量計中的天線接收頻率2.80ghz為例，諧振腔以空氣為例，進行設計。

諧振腔2的兩個反射壁，分別是，下面的全反射板3，包含金屬全反射面6和金屬輻射貼片8，上面的是部分反射板1，包括表面一和表面二，分別設置不同的貼片結構。

圖4至圖7給出了這種實施方式天線結構示意圖。具體來說，該天線由三層結構組合而成。其中位于底部的全反射板3為厚度為1.6mm的介質(zhì)板，介質(zhì)的介電常數(shù)為3.6。一面覆蓋銅層作為金屬全反射面6，另一面的中央是作為激勵源的通過50ω同軸線直接饋電的輻射金屬貼片8，輻射金屬貼片8的尺寸為25mm*16.7mm；位于中間的是作為諧振腔2填充空氣的第二層結構，厚度為17.2mm；位于天線頂部的部分反射板1，厚度為5mm，它的表面一刻有周期為34*34的十字形金屬貼片(表面一貼片)4，單元金屬網(wǎng)格線條的寬度為4mm，長度為12mm。它的表面二為周期為34*34的正方形金屬貼片(表面二貼片)5，單元金屬貼片的尺寸為11.4mm，金屬片間的間距為1.2mm。

天線的工作參數(shù)為：工作頻率為2.80ghz，諧振腔2厚度僅為17.2mm，僅為工作頻率空氣波長108mm的1/6，實現(xiàn)了天線超薄特性，s11參數(shù)為-21.4db,主瓣的增益為20.2db，最大增益角度為0°，主瓣方向角為16.9°，旁瓣電平為-19.9db。該天線與傳統(tǒng)的貼片天線相比，具有更高的增益和主波束效率。與傳統(tǒng)拋物面天線相比，相同的性能下具有更小的體積和更小的厚度，可具有更輕的重量，結構更加簡單，加工更加方便。

天線結構的上層結構為部分反射板1，上層結構的非完全反射特性使得電磁波既能在諧振腔2中多次反射以使諧振頻率的電磁波信號實現(xiàn)共振增強，同時又能保證信號向前方輻射出去或者被饋源接收。

傳統(tǒng)的部分反射平板結構通常為介質(zhì)平板的一面上是周期排布金屬貼片，而另一面不具有貼片結構，此處，我們稱這種結構的天線為諧振腔體天線。與傳統(tǒng)的結構不同，新型的部分反射平板上是由亞波長磁單負諧振單元(表面一為金屬網(wǎng)格結構，表面二為周期排布的方形金屬貼片)周期性排布構成。傳統(tǒng)部分反射平板面，和由磁單負單元周期排布構成的部分反射平板面，在2.8ghz的反射率分別為0.973和0.975，滿足高反射的特性。當2.8ghz頻率的電磁波照射到傳統(tǒng)結構時會產(chǎn)生接近180度的反射相位，所以腔體的最小厚度接近工作頻率波長的一半，工作頻率的電磁波在共振腔體中才能反射疊加增強。但2.8ghz頻率的電磁波照射到含磁單負材料的結構時，電磁波的反射相位可以為0或者接近0，所以諧振腔2厚度可以小于半波長，從而實現(xiàn)亞波長諧振腔體。

圖8和圖9給出了本實施例天線與傳統(tǒng)的部分反射結構材料天線反射率和反射相位的對比圖。從圖8可見，采用磁單負特異材料的天線，其反射率較傳統(tǒng)天線的反射率有較大的不同；圖9可見，采用磁單負特異材料天線較傳統(tǒng)天線相比，反射相位可以接近0或者等于0。需要說明，由于本實施例提供的為2.8ghz的天線，可見在2.8ghz附近，天線的反射相位接近于0，而在2.8ghz正負范圍內(nèi)，由于天線特性不再適用于這種工作頻率，頻率差越大，反射相位也會逐漸增大。

圖10和圖11給出了本實施例中天線的s11圖和方向增益圖，可見天線性能良好。

該設計方法也適用于其他頻率的新型天線。適當?shù)恼{(diào)整亞波長諧振腔2的厚度，及磁單負單元結構和輻射金屬貼片的尺寸(特別說明的是，構成磁單負單元的結構不限定于十字網(wǎng)格和矩型貼片，其他形狀的組合也可以實現(xiàn)磁單負單元)，使其等效磁導率小于零甚至趨于負無窮大，從而調(diào)整磁單負材料的零反射相位(或者任意數(shù)值的反射相位)頻率，并調(diào)整天線的工作頻率。

具體的說，部分反射平板層1的部分反射特性的變化可以通過改變磁單負材料的基本單元的大小來實現(xiàn)，例如，組成貼片陣列的十字交叉金屬線的寬度調(diào)控，寬度增加時平板層1的反射率增大，寬度減小時平板層1的反射率減小。部分反射平板層1的零反射相位對應的頻率，主要由表面二貼片單元5方形金屬貼片的寬度調(diào)整，寬度增加時部分反射平板層的零反射相位頻率向低頻移動，寬度減小時部分反射平板層的零反射相位頻率向高頻移動。根據(jù)以上規(guī)律可以設計不同頻率響應的磁單負單元。

磁單負單元整體尺寸增大時，部分反射平板層1的零反射相位頻率向低頻移動。磁單負單元整體尺寸減小時，部分反射平板層1的零反射相位頻率向高頻移動。

天線的工作頻率也可通過調(diào)整亞波長諧振腔2的厚度來調(diào)整。當諧振腔體2的厚度增加時，天線工作頻率向低頻移動，當諧振腔體2的厚度減小時，天線的工作頻率向高頻移動。電磁波在共振腔體中多次反射疊加，滿足上下兩面的反射相位與波程相位之和為2π的整數(shù)倍才能實現(xiàn)疊加增強。磁單負特異材料在一定的頻率范圍內(nèi)可以實現(xiàn)接近零的反射相位，在這個頻率范圍內(nèi)腔體厚度發(fā)生變化，滿足電磁波共振增強條件的頻率也會隨之發(fā)生變化。所以通過適當調(diào)節(jié)腔體的厚度可以調(diào)整天線的工作頻率。

綜合調(diào)整各個尺寸參數(shù)可以實現(xiàn)天線的最佳輻射性能。

該天線結構利用亞波長諧振腔結構對于放置在腔體內(nèi)部的輻射源8，可以起到增強輻射方向性的作用，提高天線輻射的增益。利用磁單負材料的0反射相位特性，實現(xiàn)了諧振腔體的亞波長超薄厚度。

實施例2

本實施方式進一步提供一種諧振腔2厚度可調(diào)的天線結構。除以下不同外，其他結構同實施例1。

實施例1中已述，可通過調(diào)整諧振腔2厚度或改變磁單負陣列單元的尺寸來調(diào)整天線的工作頻率。而現(xiàn)有結構中，天線一般為固定結構，一但組裝好，很難再改變天線的結構。

本實施例中可將全反射板3和部分反射板1均設計為可拆卸可調(diào)的結構，通過調(diào)整二者的位置可調(diào)整諧振腔2的厚度，通過拆卸更換，可更換不同尺寸磁單負陣列單元的部分反射板1。另外一種方式，也可將全反射板3設計為固定安裝結構，部分反射板為可拆卸可調(diào)結構。

具體的說，部分反射板1通過滑動部件安裝在豎向滑軌上，通過在滑軌上移動，可調(diào)整諧振腔2的厚度。

另一種實施方式，全反射板3和部分反射板1上設置有配合安裝孔，通過調(diào)節(jié)螺釘配合安裝。通過配合螺釘旋轉(zhuǎn)可調(diào)整二者之間的間距。