专利名称：一种双频超薄高定向谐振腔天线的制作方法
技术领域：
一种双频超薄高定向谐振腔天线，涉及一种双频谐振腔天线。具体是指可以 实现双频的高定向辐射，厚度比常规的法布里珀罗谐振腔要薄，结构紧凑，制作 简单的双频谐振腔天线结构。
背景技术：
高定向天线由于通讯距离远，抗干扰能力强，因此在微波通讯领域有广泛的 应用。谐振腔天线的辐射方向图具有高定向性，所以能作为一种高定向天线。在 现有的谐振腔天线中，法布里珀罗谐振腔有着广泛的应用。该谐振腔由两块反射 表面和微波馈源构成， 一块反射表面是理想反射表面，另一块反射表面可以容许 有少量的透波，微波馈源一般可以是偶极子天线，或者单极子天线。在这种结构 里，由于法布里珀罗谐振模式是干涉效应跟该谐振腔厚度有关，g卩，在谐振频率 上，该法布里珀罗谐振腔可以实现高定向，高增益，高效率的定向辐射，但是要 形成法布里珀罗干涉，必须要求两块反射板中间的光程是半波长的整数倍。这就 要求这种谐振腔天线的厚度最小是;i/2。一个工作在lGHz的法布里珀罗谐振腔， 其厚度最少是15cm。这大大限制了其应用范围。
最近美国物理快报上刊出由人工特异材料组成的谐振腔天线，该谐振腔天线 由高阻抗表面和金属栅状网格组成。高阻抗表面是一种人造电磁表面，在微波波 段，可以由双层印刷电路板腐蚀而成。制作好的高阻抗表面的下表面是铜箔，上 表面是正方形状的铜箔组成的整列。每个正方形铜箔通过金属化孔与下表面(铜 箔)相连。由于这种表面存在磁谐振，平面波入射到该表面后，对于不同频率， 反射波与入射波的相位差随频率由180变化到-180度，在谐振频率的位相差为0 度。这不同于普通的法布里珀罗谐振腔的180度。利用它的这个特性，可以把谐 振腔的厚度縮小一个数量级。但是这种谐振腔有个缺点，就是只能是单频工作。 对于垂直和水平两个极化的电磁波，响应完全相同，这在日趋发展的多通道的微 波通讯领域应用有很大的限制。
发明内容
本发明的目的在于公开一种可以实现双频工作，高定向电磁辐射，超薄的谐 振腔天线。这种谐振腔天线成本低廉，可以方便设计成垂直和水平两个极化的工 作频率，实现双频工作。同时，作为腔体天线，辐射方向图还具有高定向性，高 增益性。
为了达到上述目的，本发明对由两块反射表面(一块反射表面是理想反射表 面，另一块反射表面可以容许有少量的透波)和微波馈源(可以是偶极子天线， 或者单极子电线)构成的法布里珀罗谐振腔的结构特点的长期研究，以及对由高 阻抗表面和金属栅状网格组成的谐振腔天线的结构特点的研究分析发现将两者 选择组合和进行改进，尤其是将高阻抗表面设计成各向异性的高阻抗表面，可以 优势互补，从而产生意想不到的效果，做成了本发明的谐振腔天线，能实现双频 工作，高定向电磁辐射，高增益，超薄。
本发明的具体结构是包括高阻抗表面，金属网格层，以及以及两者之间的 微波馈源，金属网格层可以由市售的单面印刷电路板自行制作而成，微波馈源为 普通的市售的偶极子天线或单极子天线或其他常用的微波馈源，其特征是高阻 抗表面为各向异性高阻抗表面，各向异性高阻抗表面由下表面的金属层，中间的 介质层和上表面的各向异性的谐振单元阵列组成；或由下表面的金属层，中间的 介质层和上表面的各向项异性的谐振单元阵列以及连接谐振单元并与下表面的 金属层连接的金属化孔组成。该各向异性的谐振单元可以是长方形结构，工字分 型结构，希尔伯特分型曲线结构等等具有结构上各向异性的满足设计要求数量的 金属箔，且金属箔之间按常规的距离隔开构成。该金属箔对垂直和水平两个极化 的电磁波相应不一样，从而达到双频工作。
本发明具有如下的效果和优点
1，由于本发明是由高阻抗表面和金属网格组成的谐振腔，且该高阻抗表面 是各向异性的结构，谐振频率由谐振单元的形状，大小来调节，工作频率的波长， 远远小于其尺寸，因此本发明的谐振腔天线的厚度很小， 一般可以小于义/10， 比普通谐振腔的l/5还小。
2，由于本发明用的谐振单元是由各向异性的结构组成，对于水平和垂直极 化的电磁波工作频率不一样。因此方便的实现了不同偏振的电磁波的工作频率不
同，从而实现双频工作。
3，由于本发明也属于谐振腔天线。因此它也继承了普通谐振腔的天线的高 定向性，高增益性的优点。
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的长方形蘑菇结构的各向异性的谐振单元示意图。 图3为本发明的金属网格层的结构示意图。 图4为本发明的正方向的增益频谱图。
图5为本发明以长方形蘑菇结构的谐振腔天线在8. lGHz的辐射方向图。 图6为本发明以长方形蘑菇结构的谐振腔天线在9. 06GHz的辐射方向图。 图中
l一金属层；2—介质层；3—各向异性的谐振单元；4—金属网格层；5_微
波馈源；6—金属化孔。
具体实施例方式
实施例1
请参阅附图l，附图2。
本发明包括高阻抗表面，金属网格层4以及两者之间的微波馈源5，金属网 格层4是自行制作的普通市售的单面印刷电路板，它的介质层2厚度为0. 8毫米。 在该市售的单面印刷电路板表面自行制作出周期比工作频率小的金属网格，其作 用是一个通常的反射板，但此反射板容许有少量的电磁波透射。微波馈源5为市 售的偶极子天线或单极子天线或其他常用的微波馈源。高阻抗表面为各向异性高 阻抗表面，各向异性高阻抗表面由下表面的金属层l，中间的介质层2和上表面 的各向异性的谐振单元3阵列组成以及连接谐振单元3并与下表面的金属层1 连接的金属化孔6组成，上表面周期排列的各向异性结构谐振单元3是axb长方 形金属箔，上表面的长方形金属箔的长(a)和宽(b)分别是7和9毫米，金属 箔和金属箔的距离为1毫米。高阻抗表面的介质层2的厚度是1. 5毫米，金属化 孔6的孔径为0. 4毫米。整个样品大小是200X200平方毫米。本发明的微波馈源 5采用在10GHz左右工作的偶极子天线。偶极子天线放在高阻抗表面和金属网格
层4的中间。分别对偶极子天线平行于长方形的长边和偶极子平行于短边进行本 发明谐振腔天线的增益频谱，以及方向图的测量。测量的正向辐射的增益频谱见 图4，在偶极子天线分别平行于长边和短边的情况下，我们得到了 8.1GHz和 9. 06GHz的增益值最大值，分别对应着水平和垂直极化的两个不同工作频率。分 别对这两个频率做方向图的测量，结果见图5，图6:在E面和H面的3dB角宽 度分别是18度和26度，方向性系数达到200以上。 实施例2
制作大小为200X200平方毫米的本发明，除了各向异性高阻抗表面均由下表 面的金属层l，上表面的各向异性的谐振单元3是工字形结构阵列组成，微波馈 源5采用工作在lOGHz左右的单极子天线外，其余结构与实施例1相同。
分别对偶极子天线的振子平行于工字形分型和垂直于工字分型进行天线的 增益谱和方向图的测量。测量的正向辐射的增益频谱为在天线分别平行于工字和 垂直于工字的情况下，我们得到了 4. 5GHz和6. lGHz的增益值最大值。分别对应 着平行和垂直极化的两个不同工作频率。分别对这两个频率做方向图的测量，结 果为在E面和H面的3dB角宽度分别是14度和24度，方向性系数达到200以上。
权利要求
1.一种双频超薄高定向谐振腔天线，包括高阻抗表面，金属网格层(4)以及两者之间的微波馈源(5)，金属网格层(4)是自行制作的单面印刷电路板，微波馈源(5)为偶极子天线或单极子天线或其他常用的微波馈源，其特征在于高阻抗表面为各向异性高阻抗表面，各向异性高阻抗表面由下表面的金属层(1)，中间的介质层(2)和上表面的各向异性的谐振单元(3)阵列组成。
2. 根据权利要求1所述的一种双频超薄高定向谐振腔天线，其特征在于: 所述的各向异性高阻抗表面由下表面的金属层(1)，中间的介质层(2)和上表 面的各向项异性的谐振单元(3)阵列以及连接谐振单元(3)与下表面的金属层(1)的金属化孔(6)组成。
3. 根据权利要求1所述的一种双频超薄高定向谐振腔天线，其特征在于: 所述的各向异性的谐振单元(3)由满足设计要求数量的具有结构上各向异性的 长方形结构、工字分型结构或希尔伯特分型曲线结构的金属箔，且金属箔之间设 有常规的间隔构成。
全文摘要
一种双频超薄高定向谐振腔天线，涉及一种双频谐振腔天线。包括高阻抗表面，金属网格层(4)以及两者之间的微波馈源(5)，金属网格层(4)是自行制作的单面印刷电路板，微波馈源(5)为偶极子天线或单极子天线或其他微波馈源，其特征是高阻抗表面是各向异性高阻抗表面，它是由下表面的金属层(1)，中间的介质层(2)和上表面的各向异性的谐振单元(3)阵列组成；或在上述阵列中用金属化孔(6)连接谐振单元(3)与金属层(1)。各向异性的谐振单元(3)由设计数量的具有各向异性的长方形结构、工字分型结构或希尔伯特分型曲线结构的金属箔，且金属箔之间设有间隔。本发明具有厚度小于λ/10，双频工作，高定向辐射，高增益性的优点。
文档编号H01Q19/10GK101188329SQ20071017172
公开日2008年5月28日 申请日期2007年12月4日 优先权日2007年12月4日
发明者李宏强, 超 武, 魏泽勇, 魏雯婕 申请人:同济大学