专利名称：采用电磁带隙结构和金属网格结构相结合的高方向性天线的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种高方向性天线设计方法，特别涉及一种采用电磁带隙结构和金属网格 结构相结合的高方向性天线。
背景技术：
近几年尺寸紧凑、并且具备单点馈电装置的高方向性天线在实际应用中有着非常高的 诱人前景，抛物面天线具有高方向性的特性，但是在一些特殊应用领域，抛物面天线尺寸 过大限制了其应用。普通的微带天线(Microstripantemia)馈电结构简单，但其方向性不高， 而且还受表面波的影响；微带单元组成的阵列天线是一种高方向性的天线，但馈电网络比 较复杂，损耗较大，限制其带宽以及辐射效率，因此，研究同时具备尺寸紧凑，馈电机制 简单的高方向性天线便自然引起了人们的极大兴趣。
新颖的人工材料如Metamaterials和电磁带隙(Electromagnetic Band-Gap， EBG)材料 的出现，为新型天线的设计指明了一条新的途径，但是如何将其应用于天线的设计之中， 还需要人们进行进一步的探索。
发明内容
本发明要解决的的技术问题是通过采用共面的电磁带隙结构以及由金属网格和泡沫
材料构成的Metamaterials (电磁特异材料)，提出了一种工作于Ku波段(12GHz 18GHz) 的具有高增益的天线的设计方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案 一种采用电磁带隙结构和金属网格结构相
结合的高方向性天线，其特征在于以下步骤
(1) 确定所设计天线的工作波段，以及其中心工作波长为义；
(2) 设计电磁带隙结构以及馈源结构；
电磁带隙结构由接地板，介质基板.，正方形金属.贴.片，金.属过孔组成；金属贴片跟接 地板之间由金属过孔连接，金属过孔周围填充介质基板；馈源结构在电磁带隙结构的中心 位置，由一块馈源贴片和馈源通孔组成；
(3) 入射源是由同轴线探针馈电，选择与馈源通孔大小相匹配的同轴线，将同轴线中 心铜线一端通过馈源通孔连接到馈源贴片上，另一端从馈源通孔下方伸出，同轴线外皮焊 接到金属过孔壁上；(4) 设计与电磁带隙结构大小一致的双层周期性金属网格结构，并在两层金属网格的 间隔中填充泡沫材料；
(5) 将双层周期性金属网格结构放置在电磁带隙结构上方距离^为；i/4 ;i/2处，并
将金属网络结构的边缘与电磁带隙结构的边缘一起焊接在金属铝板上； 一种采用电磁带隙 结构和金属网格结构相结合的高方向性天线设计完成。
所述步骤(1)中天线的工作波段为Ku波段，频率为12GHz 18GHz，其中心工作频率 14.6GHz。
所述步骤(2)中电磁带隙结构是采用厚度为；i/20 ;i/io双面覆铜的印制电路版材料， 通过印制电路版技术制作而成。
所述步骤(2)中的电磁带隙结构的金属贴片为通过HFSS优化设计去掉中央一定行数
和一定列数的金属贴片后，所剩余的金属贴片。
所述步骤(2)中电磁带隙结构中的正方形金属贴片的宽度为0.U 0.15;i，相邻正方形
金属贴片之间的间隔为O.OU 0.03/1。
所述步骤(2)中电磁带隙结构中的金属过孔的半径为0.4ww 0.8附m。 所述步骤(2)中电磁带隙结构中的金属贴片的个数可以为二十个到二千个。 所述步骤(2)中电磁带隙结构中的馈源通孔大小为0.8mm lmm;馈源贴片的大小为
义/4~々3 。
所述步骤(4)中的金属网格材料可以为金、银、铜、铝。
所述步骤(4)中的金属网格结构的厚度7可以为10/^ 300戶，金属网格外口径尸可 以为义/5~义/3，内口径Z可以为；i/6-々4，两层金属网格之间间隔/ 可以为A/5~A/3。 所述步骤(4)中的泡沫材料的介电常数要比金属网格材料的介电常数小。 本发明与现有技术相比所具有的优点是本发明所设计的天线通过在馈源周围增加电 磁带隙结构，极大的提高了天线的增益；同时在电磁带隙结构表面施加网格结构，可以进 一步提高天线的方向性；而且本发明设计所得的天线结构紧凑，尺寸小，馈电机制简单， 损耗小，可以满足很多特殊领域的需要。
图1是本发明实施例中电磁带隙结构正面示意图； 图2是本发明实施例中电磁带隙结构正面放大示意图 图3为本发明实施例中电磁带隙结构背面图形； 图4是本发明实施例中电磁带隙结构剖面示意图； 图5是本发明实施树中双层金属网格结构示意图；图6是本发明实施例中所设计的天线整体结构剖面示意屈,;.
图中l为介质材料，2为金属贴片，3为金属过孔，4为接地金属板材料，5为同轴线 探针，6为馈源贴片，7为金属网格结构，8为泡沫结构，w为金属贴片的宽度，g为相邻
金属贴片之间的间距，户为金属网格外孔径的大小，丄为金属网格内孔径的大小，/J为两层 金属网格之间的间隔，d为金属网格结构跟电磁带隙结构之间的间隔。
具体实施例方式
下面结合具体实施方式
及附图对本发明进行详细说明，但本发明的保护范围并不仅限 于下列实施例，应包括权利要求书中的全部内容。
本发明实施例具体步骤加下
(1) 确定所设计微带天线工作频率为14.6GHz，经计算其工作波长为20.5523mm;
(2) 对电磁带隙结构以及馈源结构进行设计，电磁带隙结构由接地板，介质基板，正 方形金属贴片，金属过孔组成；金属贴片跟接地板之间由金属过孔连接，金属过孔周围填 充介质基板；馈源结构在电磁带隙结构的中心位置，由一块馈源贴片和馈源通孔组成；首 先采用ROGERS公司的RT/duroid 5880作为原材料，其厚度为1.575mm，该材料上下表面 均为17um的覆铜板，通过印制版技术加工制作所需要的电磁带隙结构，根据工作波的波长， 可以取正方形金属贴片的宽度w为2.3mm，相邻金属贴片单元之间的间距g为0.5mm，根
据需要截取金属贴片共15行15歹l」，然后采用HFSS优化设计可知去掉中央7行7列的金属 贴片，可使馈源信号出射效果最佳，然后对剩余的金属贴片打孔并且浇灌金属铜制作金属 过孔，取金属过孔的半径为0.5mm;馈源结构在电磁带隙结构的中心位置；取馈源通孔的 大小为0.9mm，馈源贴片大小为6.1mmx6.1mm;图1为该电磁带隙结构正面图，图2为该 结构正面图部分放大图形，图3为该电磁带隙结构背面图形，图4为该电磁带隙结构剖面 (3) 选择与馈源通孔大小相匹配的同轴线来对入射源进行馈电,同轴线外层铜皮焊接 到馈源通孔壁上，中心铜丝一端焊接到馈源贴片上，另一端从馈源通孔下方伸出，使用时 将入射源与同轴线伸出端连接即可；
(4) 对金属网格结构进行设计；选择金属铜作为金属网格的材料，金属网格为双层周 期性结构，其大小与电磁带隙结构大小相一致，经过FDTD软件优化处理后，可以取金属 网格的厚度r为0.2mm，金属网格外孔径大小P为5.8mm，金属网格内孔径大小丄为 4.95mm，两层金属网格之间的间隔A为6.4mm，通过采用现有模具冲压技术可完成金属网
格结构的制作，然后在两层金属网格中间填充比金属铜的介电常数低的 EMERSON&CUMING的pp-8型号的泡沫材料；如图5所示，图中黑色线条即表示金属线条结构；
(5)将金属网格结构放置在电磁带隙结构上方距离c/为8.3mm，并将金属网格的边缘 和电磁带隙结构的边缘一起焊接在金属铝板上， 一种采用电磁带隙结构和金属网格结构相 结合的高方向性天线设计完成，其剖面图如图6所示。
权利要求
1、一种采用电磁带隙结构和金属网格结构相结合的高方向性天线，其特征在于以下步骤(1)确定所设计天线的工作波段，以及其中心工作波长为λ；(2)设计电磁带隙结构以及馈源结构；电磁带隙结构由接地板，介质基板，正方形金属贴片，金属过孔组成；金属贴片跟接地板之间由金属过孔连接，金属过孔周围填充介质基板；馈源结构在电磁带隙结构的中心位置，由一块馈源贴片和馈源通孔组成；(3)入射源是由同轴线探针馈电，选择与馈源通孔大小相匹配的同轴线，将同轴线中心铜线一端通过馈源通孔连接到馈源贴片上，另一端从馈源通孔下方伸出，同轴线外皮焊接到金属过孔壁上；(4)设计与电磁带隙结构大小一致的双层周期性金属网格结构，并在两层金属网格的间隔中填充泡沫材料；(5)将双层周期性金属网格结构放置在电磁带隙结构上方距离d为λ/4～λ/2处，并将金属网络结构的边缘与电磁带隙结构的边缘一起焊接在金属铝板上；一种采用电磁带隙结构和金属网格结构相结合的高方向性天线设计完成。
2、 根据权利要求1所述的一种采用电磁带隙结构和金属网格结构相结合的高方向性天 线，其特征在于步骤(1)中天线的工作波段为Ku波段，频率为12GHz 18GHz,其中心 工作频率M.6GHz。
3、 根据权利要求l所述的一种采用电磁带隙结构和金属网格结构相结合的高方向性天 线，其特征在于步骤(2)中电磁带隙结构是采用厚度为A/20 A/10双面覆铜的印制电 路版材料，通过印制电路版技术制作而成。
4、 根据权利要求1所述的一种采用电磁带隙结构和金属网格结构相结合的高方向性天 线，其特征在于步骤(2)中的电磁带隙结构的金属贴片指的是通过HFSS优化设计去掉 中央一定行数和一定列数的金属贴片后，所剩余的金属贴片。
5、 根据权利要求I所述的一种采用电磁带隙结构和金属网格结构相结合的高方向性天 线，其特征在于步骤(2)中电磁带隙结构中的正方形金属贴片的宽度为O.U-0.15;L，相 邻正方形金属贴片之间的间隔为O.OU ~ 0.032 。
6、 根据权利要求1所述的一种采用电磁带隙结构和金属网格结构相结合的高方向性天 线，其特征在于步骤(2)中电磁带隙结构中的金属过孔的半径为0.4wM 0.8ww。
7、 根据权利要求1所述的一种采用电磁带隙结构和金属网格结构相结合的高方向性天 线，其特征在于步骤(2)中电磁带隙结构中的金属贴片的个数可以为二十个到二千个。
8、 根据权利要求l所述的一种采用电磁带隙结构和金属网格结构相结合的高方向性天 线，其特征在于步骤(2)中电磁带隙结构中的馈源通孔大小为0.8mm lmm;馈源贴片的大小为；i/4 ;i/3。
9、 根据权利要求1所述的一种采用电磁带隙结构和金属网格结构相结合的高方向性天 线，其特征在于步骤(4)中的金属网格材料可以为金、银、铜、铝。
10、 根据权利要求1所述的一种采用电磁带隙结构和金属网格结构相结合的高方向性 天线，其特征在于步骤(4)中的金属网格结构的厚度r可以为10， 300戶，金属网格 外口径尸可以为义/5~/1/3，内口径￡可以为义/6~;1/4，两层金属网格之间间隔/i可以为 A/5~;i/3。
11、 根据权利要求1所述的一种采用电磁带隙结构和金属网格结构相结合的高方向性 天线，其特征在于步骤(4)中的泡沫材料的介电常数要比金属网格材料的介电常数小。
全文摘要
采用电磁带隙结构和金属网格结构相结合的高方向性天线，其特征在于首先确定天线的工作波段及其中心波长λ；设计电磁带隙结构，由接地板，介质基板，金属贴片，金属过孔组成，金属贴片跟接地板间由金属过孔连接，金属过孔周围填充介质基板；馈源结构在电磁带隙结构中心位置，由馈源贴片和馈源通孔组成；在馈源通孔内焊接同轴线，一端与馈源贴片相连，另一端从馈源通孔下方伸出；设计双层金属网格结构，并在两层网格间隔中填充泡沫材料；在电磁带隙结构上方距离为d处放置金属网格结构，并将边缘一起焊接在铝板上；采用电磁带隙结构和金属网格结构相结合的高方向性天线设计完成；本发明设计所得天线是一种尺寸小，结构紧凑；并具有高增益、高方向性的天线。
文档编号H01Q19/10GK101320845SQ20071030394
公开日2008年12月10日 申请日期2007年12月24日 优先权日2007年12月24日
发明者徐慧梁, 杜春雷, 罗先刚, 赵泽宇 申请人:中国科学院光电技术研究所