一种超材料反射围栏结构及双层辐射天线装置的制作方法

本发明涉及射频微波技术领域，具体涉及一种加载超材料反射围栏结构及双层辐射天线装置。

背景技术：

天线是无线电设备的重要单元，作为无线通信的进出口，影响着无线通信系统的性能。现有技术中天线的种类多样，微带天线作为微波频段天线的典型代表，凭借其体积小、易集成等优点在各个领域得到了广泛应用。然而，微带天线的带宽窄，低方向性、高损耗的缺点也制约了它的使用。随着各类器件对天线性能要求的不断提高，设计高增益高方向性微带天线成为了研究的重点。

1968年，前苏联理论物理学家菲斯拉格发现，介电常数和磁导率都为负值物质的电磁学性质，与常规材料不同，在理论上预测了上述“反常”现象。超材料的概念由此产生：具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。传统的优化方法无法突破物理尺寸、带宽、增益等方面相互制约的瓶颈，因此，自2001年制作出超材料后，采用超材料对天线进行性能改进被广泛关注并得到了深入的研究。

基于超材料的频率选择性表面(fss)的是一种由位于介质层上或者夹在介质层中间的周期性的导电贴片单元或者孔径单元构成的单层或多层的准平面结构。它对电磁波具有一定的频率选择特性,其本质特征是能够对不同频率,不同入射角和不同激化状态的电磁波呈现滤波特性,在通信系统和雷达系统中得到了广泛应用。然而，现有使用超材料提高天线性能的方法基本为给天线增加覆层，天线基板加载超材料单元等，在其他新方式实现天线性能大幅度提高仍然是待探索和解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于，针对现有技术的不同，提供一种可提高天线增益及方向性的加载超材料反射围栏结构的双层辐射天线装置。

本发明采用的技术方案为：一种超材料单元，包括基板，以及附着于基板上的微结构，所述微结构为圆环，圆环的外径为2.80～3.16mm，圆环的宽度为0.45～0.49mm；所述微结构采用金属材料制成。

本发明还提供了一种超材料反射围栏结构，包括围栏基板，以及多个如上所述的微结构，多个微结构均匀间隔附着于围栏基板上，相邻两个微结构之间的距离为6.5～6.7mm。

本发明还提供了一种加载超材料围栏的双层辐射天线装置，包括基础天线结构和如上所述的围栏结构，所述围栏结构有四组，分别安装于基础天线结构的周围。

按上述方案，基础天线结构包括第一介质基板层、第二介质基板层、馈电层和金属探针，所述第一介质基板层、第二介质基板层和馈电层依次自上而下布置，第一介质基板层上印制有上辐射贴片，第二介质基板层上印制有下辐射贴片，上辐射贴片位于下辐射贴片的上方，且两辐射贴片的中心上下正对；第二介质基板层与馈电层之间设金属接地板；馈电层的底部设馈电线；所述上辐射贴片、下辐射贴片及馈电线均与金属探针相连；所述金属探针竖直布置且其上端面与第一介质基板层的上表面平齐，金属探针的下端面与馈电层的下表面平齐。

本发明的有益效果为：本发明所述围栏结构采用圆环状的微结构，使超材料具有各向同性的性质，包括角度稳定性，对13.5ghz到16.5ghz不同角度的电磁波具有强反射作用，尤其对于15ghz电磁波具有近全反射作用；本发明提出的反射围栏结构，可以改变天线背腔，提高了天线的方向性和法向增益，半功率宽度收缩，大大提高了天线装置的性能；本发明采用背馈式长探针馈电，金属探针从微带馈线一直连通到最上层辐射贴片，可有效地减小寄生辐射；本发明设计合理，可行性好，稳定性高。

附图说明

图1为本发明中超材料单元的结构示意图。

图2为本发明中超材料的结构侧视图。

图3为本发明中反射围栏结构的示意图。

图4为本发明中加载超材料围栏双层辐射天线装置的示意图。

图5为本发明中基础天线结构的俯视图。

图6为本发明中基础天线结构的侧视图。

图7为本发明中超材料单元的s传输曲线图。

图8为本发明中反射围栏结构不同入射角时的传输曲线。

图9为本发明中反射围栏结构不同入射角时的反射曲线。

图10为现有天线的辐射方向示意图。

图11为本发明所述辐射天线装置的辐射方向示意图。

图12为现有天线及本发明所述辐射天线装置的s曲线对比图。

图13为现有天线及本发明所述辐射天线装置的增益曲线对比图。

图14为探究反射围栏与基础天线之间距离对天线性能影响的结构示意图。

图15为围栏基板(围栏基板上未设微结构)与基础天线结构的示意图。

图16为围栏基板上设三个微结构与基础天线结构的示意图。

图17为不带反射围栏结构、带反射围栏结构且基板上设两个微结构、带反射围栏结构且基板上设三个微结构、带无微结构围栏基板这四种情况下不同天线装置增益随围栏距离变化曲线。

其中：1、基板；2、微结构；3、围栏结构；4、围栏基板；5、第一介质基板层；6、第二介质基板层；7、馈电层；8、金属探针；9、上辐射贴片；10、下辐射贴片；11、馈电线；12、金属接地板。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地描述。

如图1和图2所示的一种超材料单元，包括基板1，以及附着于基板1上的微结构2，所述微结构2为使超材料具有各向同性性质的圆环，圆环的外径为2.80～3.16mm，圆环的宽度为0.45～0.49mm；所述微结构2采用金属材料制成。

如图3所示的一种超材料反射围栏结构，包括围栏基板1，以及多个如上所述的微结构2，多个微结构2均匀间隔附着于围栏基板1上，相邻两个微结构2之间的距离为6.5～6.7mm。

如图4所示的一种基于超材料的双层辐射天线装置，包括基础天线结构和如上所述的围栏结构3，所述围栏结构3有四组，分别安装于基础天线结构的周围；如图5和图6所示，基础天线结构包括第一介质基板层5、第二介质基板层6、馈电层7和金属探针8，所述第一介质基板层5、第二介质基板层6和馈电层7依次自上而下布置，第一介质基板层5上印制有上辐射贴片9，第二介质基板层6上印制有下辐射贴片10，上辐射贴片9位于下辐射贴片10的上方，且两辐射贴片的中心上下正对；第二介质基板层6与馈电层7之间设金属接地板12；馈电层7的底部设馈电线11；所述上辐射贴片9、下辐射贴片10及馈电线11均与金属探针8相连；所述金属探针8竖直布置且其上端面与第一介质基板层5的上表面平齐，金属探针8的下端面与馈电层7的下表面平齐。

实施例

超材料单元：如图1和图2所示，基板1采用"rogersrt/duroid5880(tm)"，其尺寸为6mm(长度)×6mm(宽度)×1mm(厚度)；微结构2采用厚度为0.035mm的纯铜附着印制，金属铜的导电率为58.0ms/m；圆环外径为2.80～3.16mm，圆环的宽度为0.45～0.49mm。超材料单元a的特性仿真结果如图7～9所示，当电磁波垂直入射超材料单元的圆环面时，从图7可知，14ghz到1614ghz的绝大部分能量都被反射，尤其在15ghz时，s21达到～43db,s11接近于0，即表明电磁波几乎发生全反射。为探究此超材料对不同入射角度的稳定性，对不同入射角的电磁波进行测试，结果如图8～9，得出此超材料围栏的反射作用具有角度稳定性。超材料反射围栏结构3：围栏基板1采用"rogersrt/duroid5880(tm)"，厚度为1mm；每个围栏基板1上间隔设两个微结构2，两个微结构2之间的距离为6.5～6.7mm；每个围栏基板1上以6.5～6.7mm的间隔设三个微结构2。

双层辐射天线装置各组件：

1、介质基板1层包括第一介质基板层55、第二介质基板层66及馈电层77，第一介质基板层55、第二介质基板层66及馈电层77均采用"rogersrt/duroid5880(tm)"，三者从上到下厚度依次为0.787mm，0.787mm，0.381mm，大体遵循2:2:1，对于基础天线结构：ll＝6.1mm，wl＝3.7mm，l2＝5.5mm，w2＝7mm，wf＝1mm，lf＝7mm。介质基板1层均为矩形结构，厚度为1.957mm(0.787mm+0.787mm+0.383mm)。

2、上下辐射贴片10：适当优化两个贴片的大小尺寸，进而产生两个不同谐振点且两个谐振点频率相差不大，这可以有效地增大单元天线的阻抗带宽。

3、金属探针8：采用背馈式长探针馈电，金属探针8从微带馈线一直连通到最上层辐射贴片，这样可有效地减小寄生辐射；两层不同的金属贴片可产生不同的谐振频率。

超材料的特殊性质取决于它们结构设计，并非其依托的基板材料。微结构2精密的几何形状、尺寸、方向和排布方式使它们具有能够控制特定频率电磁波的奇异特性如反射波、吸波、汇聚波或改变波的传播方向，从而实现超越传统材料的优势。

本实施例中，所述超材料单元对13.5ghz到16.5ghz不同角度的电磁波具有强反射作用，尤其对于15ghz电磁波具有近全反射作用(调整圆环的大小尺寸和环宽等，使者微结构2在不同频率范围内具有近全反射特性)，将其运用至宽带双层微带天线装置上之后，经仿真分析计算：由图10～13可以看出，天线的性能得到了明显改善：e和h面的半功率宽度分别从76°到35°、从82°到45°，均收缩约50％，天线的辐射方向性得到极大的提升；在13ghz到17ghz频段内，天线的增益有不同程度的提高，14ghz到16ghz更为显著，其中15ghz处的增益达到9.5dbi提高了39.7％。天线带宽(s11<10db)相比加载之前稍变窄了一点,但相对带宽仍然接近20％，属于带宽天线。

为了探索反射围栏和天线之间距离对天线增益的影响，调整距离进行仿真实验，如图14。为了防止电介质板本身对天线性能结果的干扰，设置对照组：采用未刻蚀微结构2的围栏基板1置于天线四周，如图15。当围栏基板1和天线的距离逐渐增加到11.2mm时，可加长围栏基板1上并在其内部再刻蚀一个微结构2(3个微结构2)，考虑规模，实验中探究的最大距离设为13.3mm。将天线在四种情况下15ghz时峰值增益提取出来，绘制如图17的增益距离曲线，从中得出：单纯的围栏基板1对天线增益增强中几乎不起作用；围栏基板1上刻蚀两个微结构2到天线的最佳距离约为12mm，峰值增益为9.3dbi；围栏基板1上的微结构2数量对天线辐射的反射作用不成正比，微结构2数量增多时，天线的增益也可能下降。

最后应说明的是，调整围栏中圆环的大小尺寸和环宽等，可使超材料围栏在不同频率范围内具有近全反射特性，从而可应用于不同中心频率的微带天线。因此，以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但是凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。