一种开口谐振环等效左手媒质贴片天线

摘要

本发明涉及一种开口谐振环等效左手媒质贴片天线，该贴片天线包括两个介质基板、金属接地板，两个方环形金属辐射片和金属馈线，金属接地板固定在第二介质基板的反面，方环形金属辐射片固定在第一介质基板的正面，金属馈线连接金属接地板和金属辐射片；在第一介质基板正面，方环形金属辐射片内部刻有一个四层开口谐振环，在第二介质基板正面，方环形金属辐射片内部也刻有一个四层开口谐振环。本发明在贴片的介质基板上加入了左手媒质组合形成贴片天线，对电磁能量的局域化程度有了明显的提高，导致其拥有较高增益，并表现为较低的回波损耗，较好地改善了天线的性能，使得该贴片天线在移动通信、卫星通信以及航空航天等众多领域能更好地得到应用。

说明书

技术领域

本发明属于通信技术领域，具体涉及左手媒质贴片天线。

背景技术

左手媒质(Left Handed Material，LHM)是一种介电常数和磁导率同时为负的人工电磁媒质，近年来受到国内外研究工作者的广泛关注。由于电磁波在该种媒质中传播时，电场、磁场和波矢量构成左手螺旋定则，故而得名“左手媒质”。左手媒质具有很多有异于普通自然材料的反常特性，如负折射特性、逆多普勒效应、完美棱境等，利用这些特性，可以制作基于左手媒质的高性能天线。它作为一种新型的人工电磁材料，近年来引起了人们极大的研究兴趣，早在1968年，V.G.Veselageo就从理论上研究了LHM中的反常电磁现象，2000年，smith等人在实验室首次制造出了微波段的负折射率介质LHM的反常电磁特性展现了它在光与电磁波领域潜在的重要应用价值。

通过对普通的贴片天线的组合形成新的谐振环左手媒质体系后，不难发现，其特性表现为较低的回波损耗和较大的天线增益，从理论的角度分析其原因也是容易理解为：在贴片天线的基底介质上加入了左手媒质结构之后，就会形成电磁(光子)禁带，在禁带频率范围内的电磁波将受到束缚不能向任意方向传播，利用光子晶体的禁带效应，可抑制沿基底底板介质传播的表面波，由此，将减少天线基底对电磁波的吸收，增加电磁波向自由空间的反射能量，从而减少了天线的回波损耗、增加了增益。

发明内容

本发明主要提供一种开口谐振环(SRR)型的等效左手媒质微带天线，能大幅度的反射介质基板中的能量，能有效地实现更小的回波损耗和较高的增益特性。

本发明的技术方案是：一种开口谐振环(SRR)型的等效左手媒质微带天线，包括两个介质基板、两个辐射金属片、一个金属板接地板和两个方环形辐射金属片。两个方环形辐射金属片一个固定在第一介质基板上的正面，另外一个印制在第二介质基板的正面侧，金属板接地板印制在第二介质基板的反面，尺寸和介质基板一样大，一条金属馈线，连接金属辐射片和金属接地板，作为天线电波信号的馈入接口、一组左手材料单元，四层开口谐振环，刻蚀在第一介质基板方环形的辐射片中间，在第二介质基板正面方环形的辐射片中间，也刻有一个四层开口谐振环。

通过改变谐振环的长度和宽度，对左手材料特性区域的波段进行调节，使其可以覆盖微带天线的工作频段(5.8GHZ-9.8GHZ)。在天线辐射或接收的电磁波激励下，放大对天线接收信号中的倏逝波成分，降低天线的回波损耗，提高天线的增益，改善天线的方向性，提高天线对信号的接收和发射能力。同时，本发明中的左手材料微带天线是经过电路板刻蚀技术实现的，制作工艺简单，材料价格便宜，易于大规模的工业化生产。

本发明与现有的技术相比，具有如下优点：本发明在贴片的介质基板上加入了左手媒质组合形成贴片天线，左手媒质具有很多有异于普通自然材料的反常特性，如负折射特性、逆多普勒效应、完美棱境等。利用这些特性在7.79644GHz频率处产生的电磁波共振态，出现介电常数和磁导率的实部同时为负值，其折射率也是-1的效应大大加强了电磁波共振强度，它使得如此的结构对电磁能量的局域化程度有了明显的提高，导致其拥有较高增益，并表现为较低的回波损耗，较好地改善了天线的性能，使得该贴片天线在移动通信、卫星通信以及航空航天等众多领域能更好地得到应用。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明左手媒质贴片天线正面结构示意图；11，12-介质基板，2-金属接地板，31，32-方环形辐射金属片，4-金属馈线，51，52-开口谐振环；

图2是本发明是左手媒质贴片侧面图；

图3是本发明左手媒质贴片天线方环形金属辐射片和四层开口谐振环正面图；

图4是本发明是实例中的回波损耗随频率变化分布的示意图；

图5是本发明实例中的增益随角度变化分布的示意图；

图6是本发明实例中的驻波比随频率变化分布的示意图。

具体实施方式：

采用电路板刻蚀技术，如图1所示的微带天线结构中，在介质基板11上分别刻蚀出辐射金属片31和金属馈线4，在介质基板12上刻蚀出辐射金属片32和金属接地板2。金属馈线4作为天线的电波信号馈入源，连接金属接地板2和辐射金属片31，在介质基板11上，金属辐射片31中间的基板上，刻蚀出一个四层开口谐振环。

图2是本发明左手媒质贴片侧面图，可以看出有两层介质基板11，12，在介质基板12上，金属辐射片32的中间，刻蚀出一个和介质基板11上一样的四层开口谐振环。

本发明的微带天线可工作于微波频段(5.8GHZ-9.8GHZ)。介质基板11的厚度可以相应的调整为1.5mm-2.5mm，介质基板12的厚度可以相应的调整为2.5mm-3.5mm，金属接地板2的厚度可以相应的调整0.05mm-0.07mm，金属辐射片31，32的厚度也可以相应的调整0.05mm-0.07mm。方环形金属辐射片31，32和四层开口谐振环51，52的尺寸也可以相应的调整(图3)。长度L1＝58mm-62mm，L2＝48mm-52mm，L3＝38mm-42mm，L4＝28mm-32mm，L5＝18mm-22mm，宽度D1＝5.5mm-6.5mm，D2＝D3＝D4＝D5＝2.5mm-3.5mm。

通过调整开口谐振环的尺寸参数实现对左手材料特性区域的控制，可以使得左手特性区域波段包覆天线的工作频段。通过调整尺寸大小，放大对天线接收信号中的倏逝波成分，降低天线的回波损耗，提高天线的增益，改善天线的方向性，提高天线对信号的接收和发射能力。

将上述微带贴片天线用XFDTD仿真软件做测试，XFDTD是由美国REMCOM公司开发的一款基于电磁数值计算方法FDTD(时域有限差分法)的全波三维电磁仿真软件。

XFDTD的主要特点：

1)建立模型和输入FDTD计算参数通过下拉菜单弹出的选项卡，系统自动生成Geometry文件和Project文件。

2)输出的结果可通过XFDTD的界面显示。它可以绘制各类参数曲线，并可以通过快照方式显示系列时间步长的电磁场变化。本专利主要观察回波损耗图、电压驻波比图还有增益图。

3)XFDTD中激励源的设置分为近场源和平面波源两种激励。在大多数天线及微波环路问题中经常使用近场源激励，它包括高斯激励，正弦激励及用户自定义等各种激励源。本专利采用高斯激励求得回波损耗和电压驻波比，用正弦激励求得增益。

4)边界处理可选择PEC，PMC和吸收边界条件，吸收边界条件包括LIAO氏边界条件和完全匹配PML边界。本专利采用完全匹配PML边界以达到最好的效果。

经过仿真得到如图4所示，得到回波损耗s11特性，在频率7.79644GHz处最小回波损耗s11为-23.0855dB，说明了谐振环左手媒质结构能进一步减少回波损耗；

如图5所示，得到增益gain特性，在频率7.79644GHz处最大增益为8.67182dB，说明谐振环左手媒质结构可以较大提高贴片天线的增益；

如图6所示，得到电压驻波比VSWR特性，在频率7.79644GHz处最小电压驻波比为1.15077。

本发明采用电路板刻蚀技术制作天线，天线的中心频率为7.79644GHz。在尺寸为80mm×80mm×2mm的多孔SILK基板11(介电常数是2.2)上刻蚀出尺寸为长60mm，宽6mm的方环形金属辐射片31。在尺寸为80mm×80mm×3mm的TaconicCER-10基板12(介电常数是10)上，刻蚀出长60mm，宽6mm的方环形金属辐射片32和尺寸为80mm×80mm的金属接地板2。在金属辐射片31中间的多孔SiLK基板11上，刻出一个四层开口谐振环51。在Taconic CER-10基板12上，金属辐射片32中间也刻出一个四层开口谐振环52。方环形金属辐射片L1＝60mm，宽D1＝6mm，四层开口谐振环长依次为L2＝50mm，L3＝40mm，L4＝30mm，L5＝20mm宽D2＝D3＝D4＝D5＝3mm。在辐射金属片下边，刻出长7mm，宽2mm的金属线作为馈线4给辐射金属片31馈电，完成天线的制作。