C波段新型負磁導率材料微帶天線的製作方法

2023-07-12 19:23:21

專利名稱：C波段新型負磁導率材料微帶天線的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種微帶天線，具體來說，涉及一種C波段(4GHz 8GHz)的利用帶有 雙面樹枝狀結構負磁導率材料提高天線增益的新型天線。
背景技術：
Matematerials作為一類人工複合材料的通稱，其目前研究的熱點集中於EBG和 LHM技術。這些材料都是人工合成材料，在電磁領域都表現出一些在自然界中不存在的現象， 像頻率禁帶、負折射率等。當把它們應用於微波和毫米波工程領域中時，可顯著改善一些設 備及器件的性能，如提高天線增益、減小陣元間耦合、製造高Q諧振腔、實現完美透鏡等。 可以說，這些人工材料的出現，為克服當前在天線、通信等領域遇到的一些技術上的限制提 供了可能的解決方案。
常用的微帶天線是在一個薄介質基片上， 一面附上金屬薄層作為接地板，另一面用光刻 腐蝕等方法做出一定形狀的金屬輻射貼片，利用微帶線或同軸探針對貼片饋電，這就構成了 微帶天線。微帶天線具有體積小，重量輕，低剖面，能與載體(如飛行器)共形，電性能多 樣化等優點，因而有十分廣闊的應用前景，如將微帶天線用於衛星通訊、雷達、遙感、飛彈、 飛行器高度表等。其中C波段的微帶天線應用非常廣泛，中心頻率為4.3GHz的微帶天線可 用於飛機高度表上，中心頻率為5.45GHz的微帶天線可用於雷達上，中心頻率為5GHz的共 形微帶相控陣可用於飛機蒙皮上，這些天線均屬於C波段的微帶天線。但是微帶天線的工作 頻帶窄，增益低，交叉極化強，單個天線的功率容量較小，損耗較大，效率較低，介質基片 對天線的性能影響大，這些缺點影響了它在需要更高性能和靈敏度的儀器和設備中的應用。
介電常數和磁導率是描述均勻媒質中電磁場性質的兩個基本物理量。自然界中絕大多數 材料的介電常數和磁導率都為正。當微波垂直入射時，在基板上雙面刻蝕的樹枝狀結構在一 定的頻段內可以出現負的磁導率，形成禁帶。將這種負磁導率材料用於微帶天線上，可以顯 著提高天線的性能，這種微帶天線在微電子線路元件、濾波器、無線電通信等領域有很好的 應用前景
發明內容
本發明的目的是針對微帶天線增益較低的缺點，提供一種C波段帶有雙面樹枝狀 結構的負磁導率材料微帶天線。它具有寬頻帶、高增益、低剖面、結構簡單等優點。當電磁
3波垂直於這種材料入射時，它在一定的頻段下有負磁導率，出現一個透射禁帶，這個特性可 以有效地抑制微帶天線工作時激發的表面波和饋電網絡的寄生輻射，從而提高天線的輻射效 率，改善微帶天線性能。所加載的雙面樹枝狀結構和微帶天線同樣採用電路板刻蝕技術加工 製作，與微帶天線一體成型，製備簡單，成本低廉。
本發明提出的負磁導率材料微帶天線包括介質基板；金屬輻射貼片，在介質基板的一 側；金屬接地板，在介質基板的另一側，尺寸較金屬輻射貼片略大；SMA同軸接頭，其金屬 探針與金屬貼片相連，同軸底座內導體與金屬探針相連，外導體與金屬接地板相連，並作為 天線電波信號的饋入接口。周期性排列的雙面樹枝狀結構單元陣列刻蝕在輻射貼片和金屬接 地板周圍的空白處，兩面的樹枝狀結構嚴格對齊。當微波垂直入射時，利用雙面樹枝狀結構 產生的禁帶效應，改善微帶天線的信號接收能力和發射能力，提高天線的增益。


圖1 本發明中所用雙面樹枝狀結構的尺寸示意圖
圖2 本發明中帶有雙面樹枝狀結構的微帶天線的示意圖
圖3 本發明中微帶天線正面陽刻周期性排列的樹枝狀結構示意圖
圖4 本發明中微帶天線背面陽刻周期性排列的樹枝狀結構示意圖
圖5 本發明中負磁導率材料微帶天線與普通天線的回波損耗曲線
圖6本發明中負磁導率材料微帶天線與普通天線的E面方向圖
圖7 本發明中負磁導率材料微帶天線與普通天線的H面方向圖
具體實施方式
採用電路板刻蝕技術製備帶有雙面樹枝狀結構負磁導率材料的微帶天線。用 厚度為0.8mm 2mm的聚四氟乙烯材料(s=2.65)或環氧玻璃布材料(s=4.6)作為天線的介 質基板，金屬輻射貼片和金屬接地板分別刻蝕於介質基板的正反面，用SMA同軸接頭連接 輻射貼片和金屬接地板，並作為天線的電波信號饋入源。在輻射金屬片和金屬接地板周圍的 空白介質板上雙面刻蝕出周期性排列的金屬樹枝狀結構，兩面的樹枝狀結構嚴格對齊，如圖 1所示。樹枝狀結構單元的幾何尺寸根據微帶天線的工作頻率調整。本發明的微帶天線工作 於C波段(4GHz 8GHz)，則設計的樹枝狀結構從中心向外圍的各級分支長度分別為 一級 分支長度a=2mm~5mm， 二級分支長度b=lmm~3mm，三級分支長度c=lmm~3mm，晶格常 數d二8mm 20mm，相鄰兩個一級分支間夾角為e,二45。，相鄰兩個二級分支間夾角為92 = 45°，相鄰兩個三級分支間夾角為63=45。，線寬為w^.3mm lmm，金屬厚度為t=0.01mm~0.05mm。
本發明的實現過程和材料的性能由實施例和

實施例一
採用電路板刻蝕技術，製作中心工作頻率在5.28GHz處的帶有雙面樹枝狀結構的微帶天 線，如圖2所示。圖3和圖4分別是天線的正面圖和背面圖。選用面積為120mmX120mm， 厚度為1.5隱的聚四氟乙烯材料(e=2.65)作為天線的介質基板1，介質基板一側的金屬銅 輻射貼片2的大小為20.6mmX 16.3mm，另一面刻蝕金屬接地板3，接地板比輻射貼片略大， 為30mmX30ram。在輻射貼片和接地板周圍的空白處雙面刻蝕樹枝狀結構4，兩個面的樹枝狀 結構嚴格對齊。對於本實施例的微帶天線，樹枝狀結構的幾何尺寸為 一級分支長度a二 3.3mm， 二級分支長度b= 1.7mm，三級分支長度c= 1.7mm，相鄰兩個一級分支間夾角為e, =45°,相鄰兩個二級分支間夾角為e2 = 45°，相鄰兩個三級分支間夾角為03 = 45。，線寬 w=0.8mm，樹枝狀結構單元之間的晶格常數d=15.99mm，如圖1所示。在輻射金屬貼片軸線 上距對稱中心3.6mm處選取直徑為1.3mm的饋電點，用SMA接頭5將金屬輻射貼片2和金 屬接地板3連接起來，完成天線的製作。圖5是本發明中天線和採用相同介質基板工作在同 一頻率的普通微帶天線的回波損耗圖，兩種天線都在5.28GHz處發生諧振，本發明中天線的 諧振強度為-29.85dB，比普通天線諧振增強了 7.1dB。由圖6和圖7中天線在諧振頻率處的E、 H面方向圖可知，本發明中的負磁導率材料天線的最大增益值為7.52dBi，普通天線的增益僅 為6.08dBi，所發明天線較之普通天線增益提高了 1.44dB。
實施例二
與實施例一相似，採用電路板刻蝕技術，製作中心工作頻率在6.53GHz處的帶有雙面樹 枝狀結構的微帶天線，選用面積為90mmX90腿，厚度為lmm的聚四氟乙烯材料(e=2.65) 作為天線的介質基板，介質基板一側的金屬銅輻射貼片的大小為16.8mmX12.9mm，另一面 刻蝕金屬接地板，接地板比輻射貼片略大，為25mmX25mm。在輻射貼片和接地板之間的空 白處雙面刻蝕樹枝狀結構，兩個面的樹枝狀結構嚴格對齊。對於本實施例的微帶天線，樹枝 狀結構的幾何尺寸為 一級分支長度a=2.7mm， 二級分支長度b= 1.3mm，三級分支長度c =1.3mm，相鄰兩個一級分支間夾角為6!二45。，相鄰兩個二級分支間夾角為62 = 45。，相鄰 兩個三級分支間夾角為e3 = 45°，線寬w=0.6mm，樹枝狀結構單元之間的晶格常數d=13mm。 在金屬輻射貼片軸線上距對稱中心2.9mm處選取直徑為1.3mm的饋電點，用SMA接頭將金
5屬輻射貼片和金屬接地板連接起來，完成天線的製作。 實施例三
與實施例一相似，採用電路板刻蝕技術，製作中心工作頻率在7.12GHz處的帶有雙面樹 枝狀結構的微帶天線，選用面積為85mmX85mm，厚度為lmm的環氧玻璃布材料(s =4.6)作 為天線的介質基板，介質基板一側的金屬銅輻射貼片的大小為U.7mmX8.7mm，另一面刻蝕 金屬接地板，接地板比輻射貼片略大，為18mmX18mm。在輻射貼片和接地板之間的空白處 雙面刻蝕樹枝狀結構，兩個面的樹枝狀結構嚴格對齊。對於本實施例的微帶天線，樹枝狀結 構的幾何尺寸為 一級分支長度a二2.9mm， 二級分支長度b=1.5mm，三級分支長度c = 1.5mm，相鄰兩個一級分支間夾角為0i二45。，相鄰兩個二級分支間夾角為92 = 45°，相鄰兩 個三級分支間夾角為e3=45。，線寬w=0.5mm，樹枝狀結構單元之間的晶格常數d=14mm。 在金屬輻射貼片軸線上距對稱中心1.8mm處選取直徑為1.3mm的饋電點，用SMA接頭將金 屬輻射貼片和金屬接地板連接起來，完成天線的製作。
以上所述，僅為本發明的優選實施例，不能以此限定本發明實施的範圍，即大凡依本發 明權利要求及發明說明書內容所作的簡單等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利覆蓋的範圍 內。
權利要求
1.一種C波段新型負磁導率材料微帶天線，組成包括介質基板、金屬輻射貼片、金屬接地板、SMA同軸接頭，其主要特徵是在普通微帶天線的貼片和接地板周圍雙面刻蝕周期性排列的金屬樹枝狀結構單元陣列，兩面的樹枝狀結構嚴格對齊。
2..如權利要求l所述的C波段新型負磁導率材料微帶天線，其特徵是用於微帶天線的金屬 樹枝狀結構單元的幾何參數為 一級分支長度a=2.7mm 3.3mm， 二級分支長度b=1.3mm L7mm，三級分支長度c=1.3mm~1.7mm，晶格常數d=13mm~15.99mm，相鄰各級分支 間夾角為e!二02二e3二45。，線寬為w=0.5mm 0.8mm，金屬厚度t=0.01mm~0.03mm。
3. 如權利要求1所述的C波段新型負磁導率材料微帶天線，其特徵是所用介質基板為厚度 為0.8mm 1.5mm的聚四氟乙烯材料或環氧玻璃布材料；所用金屬材料為銅。
4. 如權利要求1所述的C波段新型負磁導率材料微帶天線，其特徵在於製作過程包括(1) 採用電路板刻蝕技術，在介質基板兩側分別刻蝕出金屬接地板和金屬輻射貼片，並且 在金屬輻射貼片和金屬接地板周圍的空白處雙面刻蝕周期性排列的金屬樹枝狀結構 單元陣列，兩面的樹枝狀結構嚴格對齊。(2) 選取饋點，並在饋點處用SMA同軸接頭連接金屬輻射貼片和金屬接地板。
全文摘要
本發明涉及一種C波段(4GHz～8GHz)新型負磁導率材料微帶天線，特別涉及一種帶有雙面樹枝狀結構的負磁導率材料的新型天線。本發明中的微帶天線包括介質基板，金屬輻射貼片，金屬接地板，SMA接頭連接金屬輻射貼片和金屬接地板，並作為天線電波信號的饋入接口。在金屬輻射貼片和金屬接地板周圍的空白處雙面刻蝕周期性排列的樹枝狀結構單元陣列。當微波垂直入射時，利用雙面樹枝狀結構產生的負磁導率效應，可以改善微帶天線的信號接收能力和發射能力，提高天線的增益。
文檔編號H01Q1/38GK101626110SQ20081015031
公開日2010年1月13日 申請日期2008年7月11日 優先權日2008年7月11日
發明者劉亞紅, 史亞龍, 朱忠奎, 寧 紀, 趙曉鵬 申請人:西北工業大學