基于左手材料的X波段双频介质谐振器天线

摘要

本发明涉及一种基于左手材料的X波段双频介质谐振器天线，包括金属地板、介质谐振器、微带贴片、探针和左手材料层。介质谐振器通过探针和微带贴片馈电，固定于微带贴片，和金属地板间有一层空气层。左手材料层通过电路板刻蚀技术周期印制金属条阵列制成，每一层都采取双面对称印制，覆盖于介质谐振器天线正上方。谐振器和地板之间空气层的存在可以降低天线的Q值，增加天线的带宽。利用左手材料层的平板聚焦，可以提高天线的方向性，利用左手材料层对倏逝波的放大特性，放大较弱的电磁信号，从而提高天线的增益。

说明书

技术领域

本发明涉及一种介质谐振器天线，特别是涉及一种具有地板空气层和双左手 通带结构左手材料层的双频介质谐振器天线，这种结构可以改善天线的带宽， 方向性和增益。

背景技术

介质谐振器自从作为辐射器用作天线以来，介质谐振器天线由于其体积小， 重量轻，成本低，易集成，以及没有表面波损耗和金属损耗，辐射效率高，馈 电方式灵活多变等优点在现代无线通信中得到了越来越广泛的应用。X波段的 天线在空间应用方面有空间研究、广播卫星、固定通讯业务卫星、地球探测卫 星、气象卫星等用途。但是介质谐振器由于其Q值较高，带宽相对较窄，目前 主要研究是针对介质谐振器天线单元进行的，单个天线的增益也比较有限，并 且其方向性也有待提高，这大大影响了天线在实际中的应用，所以还需要相应 的技术改进天线的性能。

左手材料是一种介电常数和磁导率同时为负值的人工复合结构电磁材料， 因此它具有负折射效应、逆切伦科夫辐射、逆多普勒效应、平板聚焦等奇异的 光学和电磁学现象。左手材料的提出，有望应用于探测器、隐身材料、微波器 件、天线等方面。利用左手材料的平板聚焦，可以提高天线的方向性，利用左 手材料对倏逝波的放大特性，放大较弱的电磁信号，从而提高天线的增益。

发明内容

本发明的目的在于克服传统介质谐振器天线带宽窄，方向性差，增益低的 缺点，提供一种基于左手材料的X波段双频介质谐振器天线，该天线工作于X 波段，结构简单，尺寸小，成本低，便于批量生产，在无线通信与空间卫星应 用方面拥有良好的前景。

本发明的构思是：通过引入介质谐振器和地板之间空气层的可以降低天线 的Q值，增加天线的带宽，利用左手材料层的平板聚焦，可以提高天线的方向 性，利用左手材料层对倏逝波的放大特性，放大较弱的电磁信号，从而提高天 线的增益，微带贴片可以改善和调节馈电探针和介质谐振器之间的耦合。

本发明的基于左手材料的X波段双频介质谐振器天线，包括金属地板、介 质谐振器、微带贴片、探针和左手材料层，其特征在于所述介质谐振器通过探 针和微带贴片馈电，固定于微带贴片，和金属地板间有一层空气层，左手材料 层通过电路板刻蚀技术周期印制金属条阵列制成，每一层都采取双面对称印制， 覆盖于介质谐振器正上方，金属地板和左手材料层之间通过螺钉固定连接。

所述金属地板为矩形板，其尺寸为W×L，W＝L＝40mm±10mm。

所述介质谐振器为半个标准圆柱体，其尺寸为半径a＝5mm±1mm，长b＝ 17mm±2mm，横置于金属地板之上，两者之间隔了一层空气层，空气层高度为 g＝2mm±1mm。

所述微带贴片为矩形微带贴片，其尺寸为c×d，c＝4mm±1mm，d＝5mm ±1mm。

所述探针位于金属地板之上，下端接同轴接口，上端与微带贴片相连，两 者耦合后共同为介质谐振器馈电，探针长度为2mm±0.2mm。

所述左手材料层可以为单层或者双层，每个周期的金属条阵列单元由相邻 两部分构成，每部分都由外侧两条长金属条和内侧两条短金属条构成，共4条 长金属条和4条短金属条，4条长金属条尺寸一致，4条短金属条根据频率分为 两组尺寸，可以分为三种排列组合任意分布，长金属条长度L1＝19mm±0.5mm， 宽度W1＝1.5mm±0.2mm，两组短金属条分别为长度L2＝8mm±2mm，宽度 W2＝0.8mm±0.4mm，长度L3＝8mm±2mm，宽度W3＝0.8mm±0.4mm，金属 条间的中心距离t＝1.8mm±0.4mm，金属条刻蚀厚度均为0.02～0.04mm。

本发明的有益技术效果体现在几个方面：

1.结构简单，体积小，重量轻。本发明的基于左手材料的X波段双频介质 谐振器天线主要由金属地板、介质谐振器、微带贴片、探针和左手材料层组成， 体积小，结构简单，易于加工，其中左手材料层采用电路板蚀刻技术印制金属 条阵列，便于批量生产。

2.较大的带宽。本发明的基于左手材料的X波段双频介质谐振器天线在介 质谐振器和天线之间引入了一层空气层，可以降低天线的Q值，增大天线的工 作带宽。

3.良好的方向性和较高的增益。本发明的基于左手材料的X波段双频介质 谐振器天线加入了左手材料层，利用左手材料层的平板聚焦，可以提高天线的 方向性，利用左手材料层对倏逝波的放大特性，放大较弱的电磁信号，从而提 高天线的增益。

4.辐射效率高。由于介质谐振器没有表面波损耗和金属损耗，所以本发明 的基于左手材料的X波段双频介质谐振器天线具有很高的辐射效率。

附图说明

图1(a)是本发明实施例1的结构示意图，(b)为结构参数图。

图2是本发明实施例1左手材料层的单元阵列平面俯视示意图。

图3是本发明实施例1左手材料层的周期平面俯视示意图。

图4是本发明实施例2的左手材料层的单元阵列平面示意图。

图5是本发明实施例3的左手材料层的单元阵列平面示意图。

图6是本发明实施例1的反射系数测量结果。

图7是本发明实施例1在8.6GHz的辐射方向图，其中左：H平面方向图， 右：E平面方向图。

图8是本发明实施例1在11.3GHz的辐射方向图，其中左：H平面方向图， 右：E平面方向图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的基于左手材料的X波段双频介质谐振器天线，包括 金属地板4、介质谐振器1、微带贴片2、探针3和左手材料层5，其特征在于 所述介质谐振器1通过探针3和微带贴片2馈电，固定于微带贴片2，和金属地 板4间有一层空气层，左手材料层5通过电路板刻蚀技术周期印制金属条阵列 制成，每一层都采取双面对称印制，覆盖于介质谐振器1正上方，金属地板4 和左手材料层5之间通过螺钉固定连接。

本发明所提出的是工作在X波段的双频天线，所以要先通过计算机模拟和 实验确定X波段内天线的各项参数，特别是实现对左手材料层区域波段的调控， 保证左手特性区域波段匹配天线的工作频段。

本发明的优选实施例(结合附图)详述如下：

实施例1：结合图1、图2、图3，通过实验和参数优化，在X波段内，设 计了一种介质谐振器天线的中心频率在8.6GHz和11.3GHz的双频天线，为了和 天线的工作频段匹配，制作左手材料层的中心频率也为8.6GHz和11.3GHz。其 中：金属地板尺寸为W×L，W＝L＝50mm；介质谐振器材料的介电常数为10.2， 半径a＝5.4mm，长b＝17.4mm；金属地板空气层高度为g＝3mm；微带贴片尺 寸为c×d，c＝4mm，d＝5mm；探针长度为1.8mm；本实施例采用双层结构的 左手材料层，左手材料层选用介电常数为4.5，厚度为0.5mm的介质基板，长度 为45mm，宽度为35mm，长金属条长度L1＝19mm，宽度W1＝1.5mm，两组 短金属条分别为长度L2＝8.9mm，宽度W2＝0.8mm，长度L3＝6.2mm，宽度 W3＝0.8mm，相邻长短金属条间的中心距离t1＝1.8mm，相邻长金属条间的中 心距离t2＝2.1mm。

实施例2：本实施例与实施例1相同，也工作在8.6GHz和11.3GHz频段， 特别之处是如图2所示，实施例1中的金属条单元是两组不同尺寸的短金属条 交叉放置在两个相邻的部分中，而本实施例如图4所示，每组短金属条都分别 放在同一端中，其他参数都不变。

实施例3：本实施例与实施例1相同，也工作在8.6GHz和11.3GHz频段， 特别之处是如图2所示，实施例1中的金属条单元是两组不同尺寸的短金属条 交叉放置在两个相邻的部分中，而本实施例如图5所示，每组短金属条都分别 放在同一部分中。为了使左手材料层的中心频率在8.6GHz和11.3GHz，要调整 短金属条的尺寸，长度L2＝9mm，宽度W2＝0.8mm，长度L3＝6.2mm，宽度 W3＝0.8mm，其他参数都不变。

上述三个实施例列举了左手材料层根据长短金属条不同放置的三种排列组 合，都可以很好的实现左手材料层和天线的频段匹配。如图6是实施例1的反 射系数测量结果，基本符合了在X波段的双频工作频段，且两个频段都具有较 大的带宽。图7、图8分别是本发明实施例1在8.6GHz和11.3GHz的辐射方向 图，其中左为H平面方向图，右为E平面方向图，具有良好的方向性。经测试，

实施例2和实施例3的反射系数测量结果和实施例1近似相同。

本发明的主要参数范围为W＝L＝40mm±10mm，a＝5mm±1mm，b＝17mm ±2mm，g＝2mm±1mm，c＝4mm±1mm，d＝5mm±1mm，L1＝19mm±0.5mm， W1＝1.5mm±0.2mm，L2＝8mm±2mm，W2＝0.8mm±0.4mm，L3＝8mm± 2mm，W3＝0.8mm±0.4mm，t1＝1.8mm±0.4mm，t2＝1.8mm±0.4mm，探针长 度2mm±0.2mm。与上述实施例相似，在所述范围经过参数的优化组合都可以 制作出符合本发明的基于左手材料的X波段双频介质谐振器天线。