一种带有不完整带隙结构的贴片天线

摘要

一种带有不完整带隙结构的贴片天线，在天线辐射贴片所在的金属面上，制出若干不馈电的正方形小贴片称为周期单元，组成不完整的n×n的正方形块阵，所谓不完整块阵指n×n的正方形块阵的中心部分并不放置周期单元，空出来的位置被有馈电的辐射帖片所代替；此外，当围绕辐射贴片的不完整带隙周期单元数较多时，同时将接地板边缘去掉某个宽度的方形环，形成不完整地板结构。本发明可有效地提高传统贴片天线的低仰角增益性能。

说明书

技术领域

本发明涉及一种贴片天线，特别是一种带有不完整带隙结构的贴片天线。

背景技术

微带天线通常由介质板材经过光刻或蚀刻工艺制成。介质板材通常由三部分组成：中间为一层较厚的介质基板(通常由聚四氟乙烯玻璃纤维或陶瓷粉等制成)，外层为两面的金属皮(通常为铜)。在一面金属皮上刻出一个正方形(或长方形、圆形)，其余金属部分被去掉(即露出介质材料)，则留下来的正方形金属片即为微带天线中的辐射贴片，而另一面金属皮即是微带天线的接地板。采用完整正方形贴片设计的微带天线通常为线极化天线，但若将辐射贴片表面开槽或切掉两个角，则此时的微带天线也可作为圆极化天线来使用。微带天线的馈电方式有很多种，最常用的四种分别是微带线、同轴探针、口面耦合、近耦合。在微带天线的某些应用中，如机载卫星导航天线系统，要求在方位角360度、仰角5度到90度范围内保持很好的覆盖。这对天线的低仰角增益性能提出了很高的要求，而常规的微带天线并不能很好的解决这个问题。

电磁带隙结构是一种介质材料在另一种介质材料中周期分布所组成的周期结构。这样可以抑制由辐射元激励而在基底中传播的表面波，增加天线耦合到空间的电磁波辐射功率。对表面波的抑制不仅可以提高天线的效率，而且可以削弱由表面波在天线基底周围绕射而产生的旁瓣电平。但传统电磁带隙结构对天线低仰角性能的改善效果却并不能让人满意。同时，传统的电磁带隙结构需要在介质材料中掺杂其他材料或打孔(称为基底打孔型)，制作与分析都比较复杂(参见：朱方明，林青春.新型电磁(光子)晶体贴片天线的研究进展.电波科学学报，2002年4月，第17卷第2期)。尽管在1998年，一种针对微带线的新型电磁带隙结构被提出(参见：Yasushi Horri，Makoto Tsutsumi.Harmonic control by photonic band-gap onmicrostrip patch antenna.IEEE Microwave and Guided wave Letters，1999，9(1)；13～15)，它不需要在介质基板上打孔，只需在接地金属板上蚀刻出周期结构(称为高阻抗表面型)，就可实现光子晶体的性能，这大大降低了工作的难度，但此种电磁带隙对天线低仰角性能的改善也是远远不够的。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种可以提高天线低仰角性能的带有不完整带隙结构的贴片天线。

本发明的技术方案：一种带有不完整带隙结构的贴片天线，中间为一层介质基板，外层为两面的金属皮，一面为天线辐射贴面，另一面为接地板，其特点在于：在所述的天线辐射贴片所在的金属面上，制出若干不馈电的正方形小贴片称为周期单元，组成不完整的n×n的正方形块阵，所谓不完整块阵指n×n的正方形块阵的中心部分并不放置周期单元，空出来的位置被有馈电的辐射帖片所代替。

当围绕辐射贴片的不完整带隙周期单元数m≥5时，同时将接地板边缘去掉某个宽度的方形环。

本发明原理：本发明中的不完整带隙结构，既不同于传统的基底打孔型，也不同于高阻抗表面型。它是在天线辐射贴片所在的金属面上，用与制备辐射贴片相同的方法，制出若干不馈电的正方形小贴片称为周期单元，组成不完整的一个n×n的正方形块阵。所谓不完整块阵指的是这个n×n的正方形块阵的中心部分并不放置周期单元，空出来的位置被有馈电的辐射帖片所代替。这样，当电磁波被馈电系统(例如微带线馈电、同轴电缆馈电)注入到辐射贴片中时，在辐射贴片将其谐振产生的一部分电磁波辐射到自由空间(天线系统上方的空气)中时，另一部分电磁波经由介质板传递到辐射贴片周围的正方形周期单元中。因此，尽管周期单元不被馈电，但仍有电磁波经由它们辐射到自由空间中。由于微带天线系统的低仰角增益就是介质板上方且靠近介质板位置的增益，所以正是由周期单元辐射出去的这部分电磁波改善了天线系统的低仰角增益性能。

本发明与现有相比的优点在于：由于本发明在传统贴片天线基础上，在辐射贴片所在平面上附加与辐射贴片共面且材质相同的周期性正方形贴片单元(不对其进行馈电，数目可根据具体应用条件而增减)，提高了传统贴片天线的低仰角增益性能；同时当围绕辐射贴片的周期单元数较多时(天线工作在X频段时，m值为5)，可将接地板边缘蚀刻掉某个宽度的方形环，形成不完整地板结构。这样，介质板的两面金属皮都有覆盖不住的介质板部分。这部分裸露的介质板与介质天线的工作原理类似，同样产生辐射，因此可以进一步提高天线系统的低仰角增益。

附图说明

图1为本发明带有不完整带隙结构的微带天线的正面图(同轴线馈电)；

图2为本发明带有不完整带隙结构的微带天线的背面图(同轴线馈电)；

图3为本发明带有不完整带隙结构的微带天线的侧面图(同轴线馈电)；

图4为当本发明采取不完整接地板结构，即将贴片天线的金属接地板边缘去掉某个宽度的方形环时的天线背面图；

图5为本发明对于围绕辐射贴片的不完整带隙周期单元为5圈(即m＝5)时的正面示意图；

图6为φ＝0°平面内，传统天线与单纯加入不完整带隙结构天线的右旋增益情况(频率为X频段某值)示意图；

图7为φ＝0°平面内，传统天线与本发明天线的右旋增益情况(频率为X频段某值)示意图。

具体实施方式

如图1、2、3所示，本发明的结构包括：中间为介质基板，外层为两面的金属皮，一面为采用与制备传统辐射贴片相同的方法制出若干不馈电的正方形小贴片称为周期单元，组成不完整的n×n的正方形块阵，所谓不完整块阵指n×n的正方形块阵的中心部分并不放置周期单元，空出来的位置被有馈电的辐射帖片所代替。n通常大于1。

如图4、5、6所示，同时本发明在周期结构较多，即m值较大，如m≥5时时，将贴片天线的金属接地板边缘去掉某个宽度的方形环，形成不完整地板结构。m值的一般确定方法为：在具体的工程要求下，通过仿真软件(如Ansoft HFSS)考察其性能，决定是否需要附加不完整地板结构。

如图6、7所示，本发明的仿真结果表明，在L频段和X频段，对贴片天线的低仰角性能有明显的改善。例如在X频段，附加5圈不完整带隙结构的天线的70度低仰角增益要比传统贴片天线平均高出2dB左右；而进一步采用不完整接地板结构的天线又比单纯采用附加周期辐射单元的天线在相同条件下的增益平均提高1dB左右。