寬帶高增益平板維瓦爾第天線的製作方法
2023-05-02 14:51:26 2
專利名稱：寬帶高增益平板維瓦爾第天線的製作方法
技術領域：
本發明是一種用於微波頻段寬帶高增益的天線，屬於天線和新型人工電磁材料領域。
背景技術：
本發明中的新型人工電磁材料(Metamaterials)是一種可以人工設計、滿足特定等效介電常數和磁導率要求的電磁材料。經過十多年的發展，新型人工電磁材料得到了長足的發展，在隱身、天線工程等方面都有廣泛的應用。維瓦爾第天線是一種開口按照指數漸變分布的槽線天線。由於其製造簡單、體積小，同時帶寬很寬，所以在實際工程中有很廣的應用。但是，這種天線的定向性較差。對其定向性的改善以前的做法是組成天線陣列、採用 PBG基板等，但這些方式都比較複雜而且代價較高。漸變各向異性零折射率材料由於其具有奇特的性質和比較寬的工作頻帶，可以和維瓦爾第天線有機地結合，在很寬的頻帶內很好地提高維瓦爾第天線的定向性和增益。所以本發明具有很高的應用價值。
發明內容
技術問題本發明的目的是提供一種基於漸變各向異性零折射率材料的寬帶高增益平板維瓦爾第天線。這種漸變各向異性零折射率材料可以在較寬頻帶內很好地提高維瓦爾第天線的性能。在維瓦爾第天線開口處放置沿開口方向電極化的漸變新型人工電磁材料，使其在該方向多個頻點上產生等效的零介電常數，從而在寬帶內使天線具有高定向性和增益。同時，該天線和新型人工材料具有很好的融合性，製作方便、使用簡單、佔用空間小，因此具有很高的實用價值。技術方案本發明的寬帶高增益平板維瓦爾第天線以介質基板為載體，在介質基板的一平面覆有開口呈喇叭狀的銅箔，在喇叭狀開口處設有一系列不同臂長彎曲線人工單元構成的漸變各向異性人工電磁材料。所述的漸變各向異性人工電磁材料沿著垂直於天線平面方向兩側放置多個，構成多層的漸變各向異性材料。所述的彎曲線人工單元的臂長在小範圍內改變，可構建介電常數接近於零的漸變各向異性零折射率材料，以此來提高維瓦爾第天線的性能。所述的各向異性零折射率材料，在所設計的較寬的頻帶內沿開口方向Cr方向)的等效介電常數為零或接近於零，即此方向的折射率為零或接近於零。有益效果與現有技術相比，本發明的優勢
1.本發明製作簡單，加工方便。單層的零折射率材料可以和維瓦爾第天線一起加工，多層的也只是在此基礎上多加幾層。以前的技術(如組成天線陣列、PBG基板等方式)操作繁瑣，並且價格昂貴。2.本發明具有寬帶特性。漸變零折射率可以有效地提高這種零折射率材料的工作帶寬，進而和維瓦爾第天線本身的超寬帶屬性很好地結合起來，有效地提高天線性能。3.本發明同時具備便攜、重量輕、容易集成等優點。漸變各向異性零折射率材料和維瓦爾第天線都具有這些優勢，兩者結合很好地保持了這些優點。
圖1是基於單層漸變各向異性零折射率材料的維瓦爾第天線結構示意圖。漸變的零折射率材料和原始的維瓦爾第天線放在了同一塊基板上。開口處放置沿著開口方向Cr 方向)漸變的不同彎曲線單元構成的零折射率材料。圖2是基於多層漸變各向異性零折射率材料的維瓦爾第天線結構示意圖。在圖1 的基礎上，沿著垂直於天線平面兩側放置多個和漸變各向異性材料3類似的這種零折射材料。圖3是本發明中使用的彎曲線結構單元。漸變各向異性材料3就是由許多這種不同臂長1~構成的。圖4是本發明彎曲線基本單元的等效介電常數，其中為^方向上的等效介電常
數。當my =2. 7讓，2. 4讓和2. 1讓時，εχ分別在10GHz，10. 8GHz和11. 85GHz等於零。ε—τ絕對值小於0. 2時，可得到9. 5GHz——12. 5GHz的工作帶寬。圖5 圖9是原始維瓦爾第天線、基於單層漸變零折射率材料和多層漸變零折射率材料的維瓦爾第天線的E面方向性圖。圖5、圖6、圖7、圖8、圖9分別對應是9. 5GHz， IOGHz, 10. 5GHz, 11. 85GHz和12. 5GHz時方向圖的改善情況。圖中有銅箔1、介質基板2、各向異性材料3、彎曲線人工單元4。
具體實施例方式沿著ζ開口方向，漸變各向異性零折射率材料具有多頻點等效的零介電常數，在方向上的等效介電常數為1。通過一定的設計，這種各向異性材料可以在χ傳播方向上保持阻抗匹配，同時在多頻點上使等效介電常數和折射率為零。這種方式既增強了波束的定向性和增益，又減小了損耗。原始的維瓦爾第天線具有容易製造、集成、寬頻帶、便攜等優點。
將這兩者結合起來，具有很強的實際應用價值。(3)中的單元臂長m_v沿ζ方向是逐漸變化
的，以此來有效地提高工作帶寬。本發明由原始的維瓦爾第天線和漸變各向異性零折射率材料組成。根據天線需要的工作頻段，設計漸變的彎曲線單元，使其在這個頻段都具有比較小的等效介電常數。結合維瓦爾第天線，除了保持原有天線的製造簡單、便攜等優勢外，天線的定向性、增益等指標都有很大提高，且多層的效果比單層的要好很多。同時，漸變特性很大地提高了天線的工作帶寬。該天線以介質基板2為載體，在介質基板2的一平面覆有開口呈喇叭狀的銅箔1，在喇叭狀開口處設有一系列不同臂長 彎曲線人工單元4構成的漸變各向異性零折射率材料3。所述的漸變各向異性零折射率材料3沿著垂直於天線平面方向兩側放置多個，構成多層的漸變各向異性材料。 實驗結果顯示，在9. 5GHz至12. 5GHz範圍內基於漸變各向異性零折射率材料的維瓦爾第天線都有很好性能，其定向性和增益均有顯著提高。具體指標如下表所示。
權利要求
1.一種寬帶高增益平板維瓦爾第天線，其特徵在於該天線以介質基板(2)為載體，在介質基板(2)的一平面覆有開口呈喇叭狀的銅箔(1)，在喇叭狀開口處設有一系列不同臂長(mv)彎曲線人工單元(4)構成的漸變各向異性人工零折射率材料(3)。
2.根據權利要求1所述的基於漸變各向異性零折射率材料的寬帶高增益平板維瓦爾第天線，其特徵在於所述的漸變各向異性零折射率材料(3)沿著垂直於天線平面方向兩側放置多個，構成多層的漸變各向異性材料。
3.根據權利要求1所述的基於漸變各向異性零折射率材料的寬帶高增益平板維瓦爾第天線，其特徵在於所述的彎曲線人工單元(4)的臂長Cmy)在小範圍內改變，可構建介電常數接近於零的漸變各向異性零折射率材料，以此來提高維瓦爾第天線的性能。
全文摘要
寬帶高增益平板維瓦爾第天線以介質基板(2)為載體，在介質基板(2)的一平面覆有開口呈喇叭狀的銅箔(1)，在喇叭狀開口處設有一系列不同臂長彎曲線人工單元(4)構成的漸變各向異性零折射率材料(3)。所述的漸變各向異性零折射率材料(3)沿著垂直於天線平面方向兩側放置多個，構成多層的漸變各向異性材料。本發明可有效地提高原始維瓦爾第天線的E面定向性和增益，多層的效果非常明顯，而且製造簡單、操作方便，和以前的改進方式相比具有絕對優勢，在實際中具有很高的應用前景。
文檔編號H01Q19/08GK102157797SQ20111005486
公開日2011年8月17日 申請日期2011年3月8日 優先權日2011年3月8日
發明者周斌, 崔鐵軍, 李惠, 鄒夏英 申請人:東南大學