四缝隙交指耦合调谐型微带天线

摘要

四缝隙交指耦合调谐型微带天线，涉及微带天线。设有接地金属板、介质基板、同轴线和辐射金属层；金属层上刻蚀有交指耦合型缝隙左手结构，金属层的几何中心和介质基板相互重合，介质基板的背面接地，在接地金属板上刻蚀有4×4的正方形孔，形成EBG结构，正方形孔按照等间距分布在介质基板的几何中心位置，所述接地金属板的几何中心位置向下设有一圆孔，辐射缝隙是刻蚀的左右一对交指耦合型缝隙左手结构，左右一对交指耦合型缝隙左手结构上均设有2臂，金属层呈反镜像对称。实现天线的小型化，通过调节交指耦合型缝隙左手结构的耦合度，能够灵活调整所需频点，利用EBG结构，提高天线的增益；可作为2.4GHz的小型化WLAN天线。

说明书

技术领域

本发明涉及微带天线，尤其是涉及一种四缝隙交指耦合调谐型微带天线。

背景技术

电磁材料的特性一般由磁导率和介电常数这两个参数来表征，左手材料的这两个参数均 为负数，其电场、磁场、波矢量成左手螺旋关系，因此被称为左手材料。随着科技的不断进 步，左手材料独特的电磁特性被广泛应用于电磁学、光学等领域。特别是在移动通信发展速 度越来越快的今天，传统理论思路设计的天线已经不能满足无线通信高集成化、多频兼容等 需求，以左手材料结构为改进思路^[1]的系列天线研究成为天线设计的热点，通过加载左手材 料等方式大幅度提高了天线各项性能。

左手材料能够在对传统天线适当加载情况下改变天线的性能，其中最重要的性能就是左 手材料加载后能够使得传统天线小型化，并实现多频工作。

AndreaAlu^[2]通过对左手材料天线的研究，提出了矩形左手材料和圆环形左手材料的加 载，并加以简单的研究讨论，提出了可以改变几何图形进行加载的想法。

SylvainPotent等人^[3]提出了一种Omega形结构的左手材料,运用双面相同结构重复周 期性排列，实现了10.9GHz时的双负特性，但不足之处在于，该材料的双负区间频率范围较 小，且需要双面同时刻蚀，无法实现单面左手材料。

2015年Bin等人^[4]提出了以新型网格状疏密相间EBG结构加载单极子天线的地板结构， 在工作频段上实现了单极子天线带宽的展宽，为后续运用类似结构设计超宽带天线提供了新 的思路。

现存微带天线设计中，存在工作频点连续可调的困难，大大限制了天线的使用范围，许 多学者通过具有加载MEMS开关、可调电感、可调电容等手段实现了天线工作频率可调节,但 却存在着天线尺寸过大、实现困难等缺点^[5]。

参考文献：

[1]BurokurSN,LatrachM,ToutainS.TheoreticalInvestigationofaCircularPatch AntennainthePresenceofaLeft-handedMedium.IEEEAntennasandWireless PropagationLetters.2005,4:183-186P

[2]AluA.,NaderE.Physicalinsightintothe"growing"evanescentfieldsof double-negativemetamateriallensesusingtheircircuitequivalence[J].IEEE TransactionsonAntennasandPropagation,2006,54(1):268-272.

[3]ZhangF,PotetS,CarbonellJ,etal.Negative-zero-positiverefractiveindex inaprism-likeomega-typemetamaterial[J].MicrowaveTheoryandTechniques,IEEE Transactionson,2008,56(11):2566-2573.

[4]BinLiang,Sanz-Izquierdo,Batchelor,J.C[J].Afrequencyandpolarization reconfigurablecircularlypolarizedantennausingactiveEBGstructureforsatellite navigation.IEEETrans.AntennasandPropagation,2015,63(1):33-40.

[5]KimJ,YeongkiL,JaehoonC.TunablemultibandantennausingENG ZORs[J].AntennasandPropagation(Eu-CAP),2010ProceedingsoftheFourthEuropean Conferenceon,2010:1-4.

发明内容

本发明的目的在于提供一种四缝隙交指耦合调谐型微带天线。

本发明设有接地金属板、介质基板、同轴线和辐射金属层；

所述辐射金属层上刻蚀有交指耦合型缝隙左手结构，辐射金属层的几何中心和介质基板 相互重合，介质基板的背面接地，在接地金属板上刻蚀有4×4的正方形孔，形成EBG结构， 正方形孔按照等间距分布在介质基板的几何中心位置，所述接地金属板的几何中心位置向下 设有一圆孔，圆孔用于提供第三极化方向的馈电端口；辐射缝隙是刻蚀的左右一对交指耦合 型缝隙左手结构，左右一对交指耦合型缝隙左手结构结构相同，左右一对交指耦合型缝隙左 手结构上均设有2臂，交错等间距耦合，辐射金属层呈反镜像对称。

所述介质基板可选用高性能介质基板，相对介电常数为2～6，优选4.4，长度L0为60～ 80mm，优选69.80±0.01mm，宽度W0为40～50mm，优选44.03±0.01mm，厚度为1.2～2.5mm， 优选1.60±0.01mm。

所述接地金属板上刻蚀的EBG结构，其每个正方形孔的边长d1为5.0～6.5mm，优选 6.00±0.01mm,每个正方形孔的间距均相同，孔之间的间距d2为3.5～4.5mm，优选4±0.01mm。

所述接地金属板上的圆孔作为提供第三极化方向的馈电端口，其半径为0.59±0.01mm， 其位于介质基板几何中心位置向下2.50±0.01mm处。

所述介质基板的主辐射面上覆有辐射金属层，辐射金属层为矩形结构，其长L1为25～ 37mm，优选34.90±0.01mm，宽W1为18～28mm，优选23.35±0.01mm。

在辐射金属层上刻蚀有左右一对交指耦合型缝隙左手结构，左右一对交指耦合型缝隙左 手结构的缝隙宽度处处相等，宽度t为1.00±0.01mm，交指耦合型缝隙左手结构的长a为 12.00±0.01mm，左右一对交指耦合型缝隙左手结构的间距a2为12.00±0.01mm，臂长a1为 6.88±0.01mm，两臂之间的间距s为1.00±0.01mm，臂距离边界位置a3为4.5±0.01mm,交 指耦合型缝隙左手结构距离辐射金属层的下边距离a4为7.58±0.01mm。

在辐射金属层上刻蚀有呈反镜像对称的平行四缝隙交指结构，所述结构两侧平行的两对 缝隙构成四辐射缝隙，两对辐射缝各向内伸出两条耦合缝，形成交指耦合型缝隙左手结构。

本发明采用带有交指耦合型缝隙左手结构的四缝隙辐射，并配合EBG结构加载接地板。 介质基板的上表面覆有金属层作为主辐射面,在金属层上刻蚀有呈反镜像对称的平行四缝隙 交指结构，通过调整缝隙结构的交指耦合度能够灵活调整所需频点及增益，在一定范围内， 频点和增益不受天线边界尺寸的限制。介质下表面为接地面，采用4×4矩形孔构成的EBG矩 阵结构。通过控制背向辐射提高天线的增益，实现了小型化WLAN高增益调谐天线。

将交指耦合型缝隙左手结构应用到微带天线的设计中，实现天线频点及增益的控制，也 有利于小型化。

本发明具有以下突出特点：将交指耦合型缝隙左手结构应用到天线的设计中，实现天线 的小型化，通过调节交指耦合型缝隙左手结构的耦合度，能够灵活调整所需频点，利用EBG 结构，提高天线的增益；本发明可作为2.4GHz的小型化WLAN天线。

附图说明

图1为本发明实施例的整体结构图。

图2为介质基板上表面的俯视图。

图3为介质基板下表面的俯视图。

图4为天线S11的仿真值。

图5为天线E面方向图。

图6为天线H面方向图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行进一步详细说明。

图1是本发明实施例提供的四缝隙交指耦合调谐型微带天线的整体结构图。

本发明设有接地金属板1、介质基板5、同轴线6和辐射金属层4；所述辐射金属层4上 刻蚀有交指耦合型缝隙左手结构，辐射金属层4的几何中心和介质基板5相互重合，介质基 板5的背面接地，在接地金属板1上刻蚀有4×4的正方形孔，形成EBG结构2，正方形孔按 照等间距分布在介质基板5的几何中心位置，所述接地金属板1的几何中心位置向下设有一 圆孔6，圆孔6用于提供第三极化方向的馈电端口；辐射缝隙是刻蚀的左右一对交指耦合型 缝隙左手结构3和7，左右一对交指耦合型缝隙左手结构3和7结构相同，左右一对交指耦 合型缝隙左手结构3和7上均设有2臂31和71，2臂31和71是交错等间距耦合，辐射金属 层呈反镜像对称。

所述介质基板5选用高性能介质基板，相对介电常数为4.4，长度L0为69.80±0.01mm、 宽度W0为44.03±0.01mm、厚度为1.60±0.01mm。

参见图2，所述接地金属板1上刻蚀的EBG结构2，其每个正方形孔的边长d1为 6.00±0.01mm,每个正方形孔的间距均相同，其间距d2为4±0.01mm。

参见图2，所述接地金属板1上的圆孔6作为提供第三极化方向的馈电端口，其半径为 0.59±0.01mm，其位于介质基板几何中心位置向下2.50±0.01mm处。

参见图3，为所述介质基板的主辐射面，覆有辐射金属层4，辐射金属层4为矩形结构， 其长L1为34.90±0.01mm、宽W1为23.35±0.01mm；在辐射金属层4上刻蚀有交指耦合型缝 隙左手结构。

参见图3,在辐射金属层4上刻蚀的左右一对交指耦合型缝隙左手结构3和7，左右一对 交指耦合型缝隙左手结构的缝隙宽度处处相等，宽度t为1.00±0.01mm，交指耦合型缝隙左 手结构的长a为12.00±0.01mm，左右一对交指耦合型缝隙左手结构3和7的间距a2为 12.00±0.01mm，臂长a1为6.88±0.01mm，两臂之间的间距s为1.00±0.01mm，臂距离边界 位置a3为4.5±0.01mm,交指耦合型缝隙左手结构距离辐射金属层4的下边距离a4为 7.58±0.01mm。

参见图4，天线S11频率曲线的仿真值图。从图4中可以看出，本发明天线的-10dB带宽 为2.392～2.487GHz，中心频率为2.45GHZ,在这个工作频段内，最大回波损耗为33.685dB。 表明本天线在这个工作频段的回波损耗性能很好的达到WLAN的频段要求。

参见图5和6，其中图5和6为2.45GHz频点的E面和H面方向图。