基于单负材料超慢波波导的小型化贴片天线

摘要

本发明涉及一种基于单负材料超慢波波导的小型化贴片天线。传统的贴片天线尺寸大、辐射效率和方向性差。本发明包括负介电常数介质层，普通介质层、金属地平面层和同轴馈电探针；负介电常数介质层设置在普通介质层和金属地平面层之间，普通介质层上表面涂覆有理想电导体，金属地平面层的面积大于负介电常数介质层的底面面积；同轴馈电探针贯穿负介电常数介质层，普通介质层和金属地平面层设置，且与负介电常数介质层、普通介质层和金属地平面层都垂直。本发明天线的尺寸非常小，馈电方法简单，易于大规模加工制作，成本低。

说明书

技术领域

本发明属于通信系统的天线领域，涉及一种基于单负材料超慢波波导的小型化贴片天线。

背景技术

微带贴片天线作为一种新型天线在现代国防和民用通信领域得到了广泛的研究和应用。它具有剖面低、体积小、重量轻、成本低、易于共形化设计以及易于与有源器件和电路集成为单一模块等诸多优点。

然而，传统的贴片天线由于其谐振长度需要半个波导波长，因而其尺寸已难以满足未来军事和民用通信对于天线高度小型化的要求。流行的贴片天线小型化技术有采用高介电常数基板、加载短路针或者短路面、贴片表面开槽延长电流路径等，但是这些技术都存在或多或少的缺陷，对天线的其它性能会造成影响。例如，采用高介电常数的基板会降低天线的阻抗带宽和辐射效率，而加载短路针或者短路面、贴片表面开槽等方法则会改变原来贴片天线的方向图以及导致极化纯度下降等。最近一些学者提出了如基于复合左右手传输线结构的零阶谐振天线以及部分填充负材料构成左右并排介质的矩形贴片天线等新型结构。这些结构在理论上确实都可以把贴片天线的尺寸降到无穷小，但是如果把能否有效辐射考虑在内，却存在本质上的困难。在对贴片天线实现高度小型化的同时保持天线的高辐射效率和方向性良好仍然是目前的难点技术。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有贴片天线小型化技术中普遍存在的辐射效率不高以及方向图畸变等不足，提供一种高度小型化，同时又具有高辐射效率和良好辐射方向图的基于单负材料超慢波波导的小型化贴片天线。

本发明包括负介电常数介质层、普通介质层、金属地平面层和同轴馈电探针；负介电常数介质层设置在普通介质层和金属地平面层之间，位于负介电常数介质层顶面之上的普通介质层上表面涂覆有理想电导体，金属地平面层的面积大于负介电常数介质层的底面面积；同轴馈电探针贯穿负介电常数介质层，普通介质层和金属地平面层设置，且与负介电常数介质层、普通介质层和金属地平面层都垂直；同轴馈电探针与贴片天线的竖直方向上的中轴线的距离为f_p，λ/20≤f_p≤λ/15；λ为天线工作频率对应的真空波长。

所述的负介电常数介质层为长方体结构，长度为L_P，λ/3≤L_P≤2λ/3；宽度为W_P，λ/3≤W_P≤λ；高度为d₁，λ/40≤d₁≤λ/15。

所述的普通介质层为长方体结构，长度与宽度和负介电常数介质层相同，普通介质层的高度为d₂，λ/200≤d₂≤λ/100；

所述的负介电常数介质层在宽度与高度方向的两个侧面上均涂覆有理想电导体；

所述的负介电常数介质层的高度与普通介质层的高度比值d₁/d₂≈|ε₁/ε₂|，其中ε₁为负介电常数介质层介电常数，ε₂为普通介质层的介电常数。

本发明天线的尺寸非常小，馈电方法简单，易于大规模加工制作，成本低。在小型化的同时在辐射机理上保证了高辐射效率和高增益，同时保持了传统贴片边射方向性优良的特点，无方向图畸变。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的仿真反射系数图。

具体实施方式

如图1所示，该天线可操作于任一工作频率上，该工作频率可依据使用者需求选用。为方便说明，本实施例选用λ＝2.3GHz作为天线的工作频率加以说明。该天线的介质基板由两层构成，分别为负介电常数介质层3和普通介质层2。两者的长度L_P均为λ/7.7，宽度W_P均为λ/6.5，负介电常数介质层3的高度d₁为λ/26，普通介质层2的高度d₂为λ/144.9，介电常数ε₁＝-4.5，ε₂＝1，磁导率均为1。普通介质层2上表面涂覆有理想电导体层5。负介电常数介质层3的位于金属地平面层4之上，金属地平面层4的长度L_G和宽度W_G相等，均为λ/1.3。负介电常数介质层3在宽度与高度方向的两个侧面上均涂覆有理想电导体，形成理想电导体层5。同轴馈电探针1贯穿负介电常数介质层3，普通介质层2和金属地平面层4设置，且与它们都垂直；同轴馈电探针1与贴片天线的竖直方向上的中轴线的距离f_p为λ/17.4。在该实例中，由于采用了适当的参数选择，介电常数介质层3和普通介质层2的分界面上存在传播常数非常大的超慢波，贴片天线的尺寸远远小于真空中的半个波长。同时，又由于负介电常数介质层3两端被理想电导体边界屏蔽，因而只有普通介质层2的两端才构成两条等幅同相的等效磁流辐射源，从而天线具有很高的辐射效率。

该天线的仿真反射系数如图2所示，可见在2.3GHz频点的反射系数小于-30dB，天线得到了非常好的匹配。天线的辐射效率和实际增益分别高达98.2％(-0.0772dB)和5.188dB，同时方向图边射特性也保持得非常完好。