基于支节加载人工磁导体的高增益微带天线的制作方法
【专利摘要】本发明提出了一种基于支节加载人工磁导体的高增益微带天线。与基于普通人工磁导体的微带天线相比，该结构采用非周期加载支节的人工磁导体反射面，通过适当地调节加载支节的长度分布，可以有效地改善天线表面的电场强度分布，使得天线的工作频带、辐射增益和辐射效率都有很大的提高，尤其是辐射增益提高了1.73dB。此外，该天线仍然保留了人工磁导体的低剖面特性，整体结构只有0.05λ的厚度。该天线采用双层微波介质板，结构简单，加工容易，成本和重量都相对较小，因而可以大规模生产。
【专利说明】基于支节加载人工磁导体的高增益微带天线
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种微带天线，特别是一种基于支节加载人工磁导体的高增益微带天 线。
【背景技术】
[0002] 近几年来，人工磁导体是微波毫米波领域研究的热点之一。利用其具有独特的 表面波带隙特性以及对平面波同相反射特性，可以有效地改善天线的性能。F. Yang与 Y. Rahmat-Samii等人将人工磁导体结构应用于微带天线周围，用以抑制表面波的传播，提 高天线的增益，降低背瓣。同时，将其作为偶极子天线和螺旋线圈天线的反射面，可以使天 线紧贴人工磁导体结构表面，实现低剖面天线。此外，A. Foroozesh等人将人工磁导体结构 应用到贴片天线上，带宽及辐射增益都得到了很大的改善。
[0003] 但是，当若干个相同的人工磁导体单元组成反射板位于天线下方时，由于每个单 元与天线的距离不同，每个单元表面的电流强度分布也不一致，因此不能最大程度地增强 天线的辐射增益。
【发明内容】
[0004] 本发明所解决的技术问题在于提供一种基于支节加载人工磁导体的高增益微带 天线，它能在较宽的频带内实现高增益辐射特性。
[0005] 实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于支节加载人工磁导体的高增益微带 天线，包括矩形贴片天线、介质基板I、同轴馈电探针和加载支节的人工磁导体反射板，矩形 贴片天线印制在介质基板I的上表面中心，介质基板I下方设置加载支节的人工磁导体反 射板，同轴馈电探针从底部依次插入加载支节的人工磁导体反射板和介质基板I，同轴馈电 探针上端与矩形贴片天线相连接。
[0006] 加载支节的人工磁导体反射板包括36个呈正方形排列的人工磁导体单元，其中 从左往右的第一列六个人工磁导体单元均包括正方形金属贴片、介质基板II、金属地板、条 状金属支节，条状金属支节位于正方形金属贴片的右侧并与正方形金属贴片相连；
[0007] 从左往右的第二列至第五列的结构相同，均包括正方形金属贴片、介质基板II、金 属地板、条状金属支节，条状金属支节位于正方形金属贴片的右侧并与正方形金属贴片相 连，正方形金属贴片的另一侧开有凹槽，所述凹槽的形状与相邻的条状金属支节相对应；
[0008] 从左往右的第六列的六个人工磁导体单元均包括正方形金属贴片、介质基板II、 金属地板，正方形金属贴片的左侧开有凹槽，所述凹槽的形状与相邻的条状金属支节相对 应；
[0009] 上述所有人工磁导体单元的正方形金属贴片和条状金属支节均印制在介质基板 II的上表面，介质基板II下方设置金属地板，每个条状金属支节均位于相邻正方形金属贴 片的凹槽内，相邻两个人工磁导体单元的正方形金属贴片之间存在窄型缝隙。
[0010] 介质基板I和介质基板II的介电常数L均为2. 2?10. 2,厚度Η均为0.01 λ? 0. 1 λ，其中λ为自由空间波长。
[0011] 矩形贴片天线的长a为0· 15λ8?〇·75λ8，宽b为0·3λ8?〇·5λ8，其中入 8为 介质基板I的介质有效波长。
[0012] 正方形金属贴片的边长W为0.05 λ?0.25 λ，条状金属支节的长度L为0? 0. 4W，窄型缝隙的宽度G为0. 001 λ?〇. 015 λ。
[0013] 加载支节的人工磁导体反射板中每个人工磁导体单元的条状金属支节的长度L 不完全相同，沿着y轴排布的每排单元的L是一致的，沿着X轴排布的每排单元的L是不一 致的，沿着1轴排布的每排单元的1^从上至下依次为171、172、173、174、175、176,其中171 =ly6, ly2 = ly5, ly3 = ly4 ;其中从上到下为X轴的正方向，从左到右为y轴正方向。
[0014] 本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明提出的基于支节加载人工磁导 体的高增益微带天线，与基于普通人工磁导体的微带天线相比，该结构采用非周期加载支 节的人工磁导体反射面，通过适当地调节加载支节的长度分布，可以有效地改善天线表面 的电场强度分布，使得天线的工作频带、辐射增益和辐射效率都有很大的提高，尤其是辐射 增益提高了 1.73dB。2)本发明提出的基于支节加载人工磁导体的高增益微带天线，仍然保 留了人工磁导体的低剖面特性，整体结构只有0. 05 λ的厚度。3)本发明提出的基于支节加 载人工磁导体的高增益微带天线，采用双层微波介质板，结构简单，加工容易，成本和重量 都相对较小，因而可以大规模生产。
[0015] 下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。
【专利附图】
【附图说明】
[0016] 图1为本发明基于支节加载人工磁导体的高增益微带天线的三维图、俯视图和侧 视图，其中图（a)为三维拆分图，图（b)为俯视图，图（c)为侧视图。
[0017] 图2为本发明加载支节的人工磁导体单元的三维图和俯视图，其中图（a)为三维 图，图（b)为俯视图。
[0018] 图3为本发明加载支节的人工磁导体反射板的各单元的条状金属支节的长度L分 布图。
[0019] 图4为本发明加载支节的人工磁导体单元在不同的条状金属支节长度L下反射相 位和表面电流密度的对比图，其中图（a)为反射相位，图（b)为表面电流密度。
[0020] 图5为本发明基于支节加载人工磁导体的高增益微带天线在条状金属支节的长 度L不同分布下的法向最大增益的对比图。
[0021] 图6为本发明基于支节加载人工磁导体的高增益微带天线在条状金属支节的长 度分布为lyl = 〇, ly2 = 1mm，ly3 = 2. 5mm时的反射系数、增益和效率与基于普通人工磁 导体的微带天线的对比图。
[0022] 图7为本发明基于支节加载人工磁导体的高增益微带天线在条状金属支节的长 度分布为lyl = 〇，ly2 = 1mm, ly3 = 2. 5mm时的最大增益点处的福射方向图与基于普通 人工磁导体的微带天线的对比图，其中图（a)为基于支节加载人工磁导体的高增益微带天 线，图（b)为基于普通人工磁导体的微带天线。
[0023] 图8为本发明基于支节加载人工磁导体的高增益微带天线在条状金属支节的长 度分布为lyl = 〇, ly2 = 1mm，ly3 = 2. 5mm时的最大增益点处的近场电场强度分布与基于 普通人工磁导体的微带天线的对比图，其中图（a)为基于支节加载人工磁导体的高增益微 带天线，图（b)为基于普通人工磁导体的微带天线。
【具体实施方式】
[0024] 结合图1，本发明一种基于支节加载人工磁导体的高增益微带天线，包括矩形贴片 天线1、介质基板12、同轴馈电探针3和加载支节的人工磁导体反射板4,矩形贴片天线1印 制在介质基板12的上表面中心，介质基板I [2]下方设置加载支节的人工磁导体反射板4， 同轴馈电探针3从底部依次插入加载支节的人工磁导体反射板4和介质基板I [2]，同轴馈 电探针3上端与矩形贴片天线1相连接。
[0025] 结合图1和图2,所述加载支节的人工磁导体反射板4包括36个呈正方形排列的 人工磁导体单元5,其中从左往右的第一列六个人工磁导体单元5均包括正方形金属贴片 6、介质基板II [7]、金属地板8、条状金属支节9,条状金属支节9位于正方形金属贴片6的 右侧并与正方形金属贴片6相连；从左往右的第二列至第五列的结构相同，均包括正方形 金属贴片6、介质基板II [7]、金属地板8、条状金属支节9,条状金属支节9位于正方形金属 贴片6的右侧并与正方形金属贴片6相连，正方形金属贴片6的另一侧开有凹槽，所述凹槽 的形状与相邻的条状金属支节9相对应；从左往右的第六列的六个人工磁导体单元5均包 括正方形金属贴片6、介质基板II [7]、金属地板8,正方形金属贴片6的左侧开有凹槽，所述 凹槽的形状与相邻的条状金属支节9相对应；上述所有人工磁导体单元5的正方形金属贴 片6和条状金属支节9均印制在介质基板II [7]的上表面，介质基板II [7]下方设置金属 地板8,每个条状金属支节9均位于相邻正方形金属贴片6的凹槽内，相邻两个人工磁导体 单元5的正方形金属贴片6之间存在窄型缝隙10。
[0026] 所述介质基板I [2]和介质基板II [7]的介电常数、均为2. 2?10. 2,厚度Η均 为0.01 λ?0.1 λ，其中λ为自由空间波长。
[0027] 所述的矩形贴片天线1的长a为0· 15 λ g?〇· 75 λ g，宽b为0· 3 λ g?〇· 5 λ g，其 中Ag为介质基板I [2]的介质有效波长。
[0028] 所述正方形金属贴片6的边长W为0. 05 λ?〇. 25 λ，条状金属支节9的长度L为 0?0· 4W，窄型缝隙10的宽度G为0· 001 λ?〇· 015 λ。
[0029] 结合图3,所述加载支节的人工磁导体反射板4中每个人工磁导体单元5的条状金 属支节9的长度L不完全相同，沿着y轴排布的每排单元的L是一致的，沿着X轴排布的每 排单元的L是不一致的，沿着X轴排布的每排单元的L从上至下依次为Iyl、ly2、ly3、ly4、 Iy5、ly6,其中lyl = Iy6,ly2 = Iy5,ly3 = ly4 ;其中从上到下为X轴的正方向，从左到右 为y轴正方向。
[0030] 下面结合实施例对本发明的具体装置的细节及工作情况进行细化说明。
[0031] 实施例1
[0032] 结合图1和图2,该微带天线包括矩形贴片天线1、介质基板I [2]、同轴馈电探针 3和加载支节的人工磁导体反射板4。加载支节的人工磁导体反射板4由36个呈正方形 排列的人工磁导体单元5组成，每个人工磁导体单元5包括四个部分，分别为正方形金属 贴片6、介质基板7、金属地板8、条状金属支节9。其中，矩形贴片天线1的长a为5. 25_， 宽b为10. 5mm ;正方形金属贴片6的边长W为7. 8_，条状金属支节9的长度为L，在0到 2. 5mm范围内，窄型缝隙10的宽度G为0.4mm;介质基板I [2]和介质基板II [7]的材料均 为Rogers RT/Duroid5880,介电常数、为2. 2,介质损耗角为0. 0009,厚度Η均为1mm，约 为0.025 λ。（其中λ。为7. 7GHz处的自由空间波长）。
[0033] 结合图3,所述加载支节的人工磁导体反射板4中每个人工磁导体单元5的条状金 属支节9的长度L不完全相同，沿着y轴排布的每排单元的L是一致的，沿着X轴排布的每 排单元的L是不一致的，沿着X轴排布的每排单元的L从上至下依次为Iyl、ly2、ly3、ly4、 Iy5、ly6,其中lyl = Iy6,ly2 = Iy5,ly3 = ly4 ;其中从上到下为X轴的正方向，从左到右 为y轴正方向。
[0034] 结合图4,当平面波垂直入射到加载支节的人工磁导体反射板4时，反射波的反射 相位会随着频率变化而连续变化，相位变化范围为180°?-180°，这与普通的人工磁导 体的反射相位特性是一致的；随着条状金属支节9的长度L从0增加到3mm，零反射相位点 逐渐向低频移动。另外，当条状金属支节9的长度L小于1mm时，人工磁导体表面电流分布 与普通人工磁导体一致；当条状金属支节9的长度L大于1_时，人工磁导体表面电流分布 发生变化，支节上的电流被激励。
[0035] 结合图5,该人工磁导体反射板的条状金属支节长度L分布对该微带天线的法向 最大增益有很大的影响。从不同的曲线符号可以发现，lyl越小，该微带天线的法向最大 增益越大，此处lyl = 1mm，增益最大；当lyl = 1mm时，从不同的线型可以发现，ly2对天 线的增益影响很小；此外，从X轴的数值可以发现，ly3越大，天线的增益越大，此处ly3 = 2. 5_，增益最大。所以，减小lyl和增大ly3可以有效地提高该微带天线的辐射增益。
[0036] 根据图5总结的规律，为获得较大的辐射增益，此处条状金属支节的长度分布为 lyl = 0，ly2 = 1謹，ly3 = 2. 5謹。结合图6,与基于普通人工磁导体的微带天线相比， 基于支节加载人工磁导体的微带天线有更宽的工作带宽，反射系数低于-10dB的工作频 带为7GHz?8. 3GHz，相对带宽为17% ;辐射增益也有1. 73dB的增强，最大增益可以达到 12. 43dBi ;此外，辐射效率也随之增加，由55. 7%增加到83%。
[0037] 结合图7和图8,比较两种天线的最大增益点处的辐射方向图可以发现，基于支节 加载人工磁导体的微带天线的主瓣波束宽度更窄，且E面有副瓣出现，从天线近场的电场 强度分布来看，加载支节的人工磁导体使得天线的近场电场强度分布更加一致。由于该天 线的辐射口径约为1. 3 λ 1. 3 λ ^，相对一致的电场强度分布使得天线的辐射方向图出现 了较窄的主瓣和较高的副瓣，这也是天线增益提高的主要原因。
[0038] 由上可知，本发明的基于支节加载人工磁导体的高增益微带天线能在较宽的频带 内实现高增益辐射特性。
【权利要求】
1. 一种基于支节加载人工磁导体的高增益微带天线，其特征在于，包括矩形贴片天线 [1]、介质基板I [2]、同轴馈电探针[3]和加载支节的人工磁导体反射板[4]，矩形贴片天线 [1]印制在介质基板I [2]的上表面中心，介质基板I [2]下方设置加载支节的人工磁导体反 射板[4]，同轴馈电探针[3]从底部依次插入加载支节的人工磁导体反射板[4]和介质基板 I [2]，同轴馈电探针[3]上端与矩形贴片天线[1]相连接。
2. 根据权利要求1所述的基于支节加载人工磁导体的高增益微带天线，其特征在于， 加载支节的人工磁导体反射板[4]包括36个呈正方形排列的人工磁导体单元[5]，其中从 左往右的第一列六个人工磁导体单元[5]均包括正方形金属贴片[6]、介质基板II [7]、金 属地板[8]、条状金属支节[9]，条状金属支节[9]位于正方形金属贴片[6]的右侧并与正 方形金属贴片[6]相连； 从左往右的第二列至第五列的结构相同，均包括正方形金属贴片[6]、介质基板 II [7]、金属地板[8]、条状金属支节[9]，条状金属支节[9]位于正方形金属贴片[6]的右 侧并与正方形金属贴片[6]相连，正方形金属贴片[6]的另一侧开有凹槽，所述凹槽的形状 与相邻的条状金属支节[9]相对应； 从左往右的第六列的六个人工磁导体单元[5]均包括正方形金属贴片[6]、介质基板 II [7]、金属地板[8]，正方形金属贴片[6]的左侧开有凹槽，所述凹槽的形状与相邻的条状 金属支节[9]相对应； 上述所有人工磁导体单元[5]的正方形金属贴片[6]和条状金属支节[9]均印制在介 质基板II [7]的上表面，介质基板II [7]下方设置金属地板[8]，每个条状金属支节[9]均 位于相邻正方形金属贴片[6]的凹槽内，相邻两个人工磁导体单元[5]的正方形金属贴片 [6]之间存在窄型缝隙[10]。
3. 根据权利要求1和2所述的基于支节加载人工磁导体的高增益微带天线，其特征在 于，介质基板I [2]和介质基板II [7]的介电常数、均为2. 2?10. 2,厚度Η均为0.01 λ? 0. 1 λ，其中λ为自由空间波长。
4. 根据权利要求1和2所述的基于支节加载人工磁导体的高增益微带天线，其特征在 于，矩形贴片天线[1]的长&为0.15入 8?0.75入8，宽13为0.3入8?0.5入8，其中入 8为介 质基板I [2]的介质有效波长。
5. 根据权利要求1和2所述的基于支节加载人工磁导体的高增益微带天线，其特征在 于，正方形金属贴片[6]的边长W为0. 05 λ?〇. 25 λ，条状金属支节[9]的长度L为0? 0· 4W，窄型缝隙[10]的宽度G为0· 001 λ?〇· 015 λ。
6. 根据权利要求1和2所述的基于支节加载人工磁导体的高增益微带天线，其特征在 于，加载支节的人工磁导体反射板[4]中每个人工磁导体单元[5]的条状金属支节[9]的 长度L不完全相同，沿着y轴排布的每排单元的L是一致的，沿着X轴排布的每排单元的L 是不一致的，沿着X轴排布的每排单元的L从上至下依次为lyl、ly2、ly3、ly4、ly5、ly6, 其中lyl = Iy6,ly2 = Iy5,ly3 = ly4 ;其中从上到下为x轴的正方向，从左到右为y轴正 方向。
【文档编号】H01Q1/38GK104124523SQ201410357238
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年7月24日 优先权日:2014年7月24日
【发明者】车文荃, 杨琬琛, 王昊 申请人:南京理工大学