基于非周期人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的高效率微帶天線的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種微帶天線，特別是一種基于非周期人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的高效率微帶 天線。
【背景技術(shù)】
[0002] 近幾年來，人工磁導(dǎo)體是微波毫米波領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。利用其具有獨(dú)特的 表面波帶隙特性以及對平面波同相反射特性，可以有效地改善天線的性能。F. Yang與 Y. Rahmat-Samii等人將人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)應(yīng)用于微帶天線周圍，用以抑制表面波的傳播，提 高天線的增益，降低背瓣。同時，將其作為偶極子天線和螺旋線圈天線的反射面，可以使天 線緊貼人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)表面，實(shí)現(xiàn)低剖面天線。此外，A. Foroozesh等人將人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu) 應(yīng)用到貼片天線上，帶寬及輻射增益都得到了很大的改善。
[0003] 但是，當(dāng)若干個相同的人工磁導(dǎo)體單元組成反射板位于天線下方時，由于每個單 元與天線的距離不同，每個單元表面的電流強(qiáng)度分布也不一致，因此不能最大程度地增 強(qiáng)天線的福射增益。W. Yang等人提出支節(jié)加載人工磁導(dǎo)體（Stub-loaded artificial magnetic conductor，SLAMC)結(jié)構(gòu)，并將其作為探針饋電貼片天線的地板，使得天線的工作 頻帶、輻射增益和輻射效率都有很大的提高。但輻射效率僅有83%，且交叉極化抑制效果較 差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于非周期人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的高效率微帶天線，能實(shí) 現(xiàn)高效率的輻射特性和較好的交叉極化抑制。
[0005] -種基于非周期人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的高效率微帶天線，采用雙層疊放的介質(zhì)基板組 成，包括貼片天線、金屬地板、人工磁導(dǎo)體反射板、同軸饋電探針。貼片天線印制于上層介質(zhì) 基板上表面，金屬地板印制于下層介質(zhì)基板下表面，人工磁導(dǎo)體反射板印制于下層介質(zhì)基 板上表面，同軸饋電探針從下層介質(zhì)基板下表面插入人工磁導(dǎo)體反射板和上層介質(zhì)基板， 所述兩個同軸饋電探針與貼片天線連接。所述人工磁導(dǎo)體反射板被分割為多個獨(dú)立的呈矩 陣式排列的人工磁導(dǎo)體單元，每個人工磁導(dǎo)體單元為矩形金屬貼片；所述矩陣式排列的人 工磁導(dǎo)體單元關(guān)于最中間兩行之間的軸對稱設(shè)置，且每一行人工磁導(dǎo)體單元尺寸相同，不 同行之間的人工磁導(dǎo)體單元尺寸不能完全相同。
[0006] 作為本發(fā)明的一種改進(jìn)，所述相鄰的兩個人工磁導(dǎo)體單元之間設(shè)有窄型縫隙。
[0007] 作為本發(fā)明的一種改進(jìn)，同軸饋電探針采用差分同軸饋電方式為貼片天線供電。
[0008] 采用上述的微帶天線，人工磁導(dǎo)體單元的長和寬為[0. 05 λ，0. 26 λ ]，窄型縫隙的 寬度為[0.001 λ, 0.015 λ]。
[0009] 采用上述的微帶天線，上層介質(zhì)基板和下層介質(zhì)基板的介電常數(shù)￡li勾為 [2.2, 10. 2]，厚度均為[0.01 λ，0· 1λ]，其中λ為自由空間波長。
[0010] 采用上述的微帶天線，貼片天線為矩形，印制于上層介質(zhì)基板上表面中心，其長為
[0. 1 λ g，ο. 75 λ g]，寬為[ο. 2 λ g，ο. 5 λ g]，其中λ g為上層介質(zhì)基板的介質(zhì)有效波長。
[0011] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1)本發(fā)明提出的基于非周期人工磁導(dǎo) 體結(jié)構(gòu)的高效率微帶天線，該結(jié)構(gòu)采用寄生貼片的設(shè)計(jì)思路，將尺寸和排布均為非周期形 式的人工磁導(dǎo)體作為天線的反射面，通過適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)其尺寸來控制矩形金屬貼片的長度分 布，最終可以有效地改善天線表面的電場強(qiáng)度分布，與基于支節(jié)加載人工磁導(dǎo)體的微帶天 線相比，輻射效率由83. 3%可以提高到99. 05% ; (2)本發(fā)明提出的基于非周期人工磁導(dǎo)體 結(jié)構(gòu)的高效率微帶天線，采用差分饋電方式，使得交叉極化抑制效果改善，與基于支節(jié)加載 人工磁導(dǎo)體的微帶天線相比，交叉極化電平抑制從15dB提高到40dB，甚至50dB ;(3)本發(fā) 明提出的基于非周期人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的高效率微帶天線，仍然保留了基于支節(jié)加載人工磁 導(dǎo)體的低剖面特性，整體結(jié)構(gòu)只有0. 05 λ的厚度；(4)本發(fā)明提出的基于非周期人工磁導(dǎo) 體結(jié)構(gòu)的高效率微帶天線，采用雙層微波介質(zhì)板，結(jié)構(gòu)簡單，加工容易，成本和重量都相對 較小，因而可以大規(guī)模生產(chǎn)。
[0012] 下面結(jié)合說明書附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步描述。
【附圖說明】
[0013] 圖1為本發(fā)明基于非周期人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的高效率微帶天線的三維圖、俯視圖和 側(cè)視圖，其中圖（a)為三維圖，圖（b)為俯視圖，圖（C)為側(cè)視圖。
[0014] 圖2為本發(fā)明非周期人工磁導(dǎo)體單元的三維圖和俯視圖，其中圖（a)為三維圖，圖 (b)為俯視圖。
[0015] 圖3為本發(fā)明30個獨(dú)立的人工磁導(dǎo)體單元的矩形金屬貼片的長Ly和寬Lx分布 圖。
[0016] 圖4為基于圖3在人工磁導(dǎo)體單元不同長度Lx下的反射相位圖。
[0017] 圖5為基于圖3在矩形金屬貼片的長度分布為Lxl = 8. 3mm，Lx2 = 7. 8mm，Lx3 = 6. 8mm，Lyl = 7, Ly2 = 8. 8mm，Ly3 = 9. 2mm時的反射系數(shù)、增益和口徑效率曲線，其中（a) 為反射系數(shù)和增益的曲線，（b)為口徑效率曲線。
[0018] 圖6為基于圖3在矩形金屬貼片的長度分布為Lxl = 8. 3mm，Lx2 = 7. 8mm，Lx3 = 6. 8mm，Lyl = 7, Ly2 = 8. 8mm，Ly3 = 9. 2mm時的最大增益點(diǎn)處的福射方向圖。
[0019] 圖7為本發(fā)明12個獨(dú)立的人工磁導(dǎo)體單元的矩形金屬貼片的長Ly和寬Lx分布 圖。
[0020] 圖8為基于圖7在人工磁導(dǎo)體單元不同長度Lx下的反射相位圖。
[0021] 圖9為基于圖7在矩形金屬貼片的長度分布為Lxl = 6mm，Lx2 = 7mm，Lyl = 9. 2mm，Ly2 = 9. Imm時的反射系數(shù)、增益和口徑效率的曲線，其中（a)為反射系數(shù)和增益的 曲線，（b)為口徑效率曲線。
[0022] 圖10為基于圖7在矩形金屬貼片的長度分布為Lxl = 6mm，Lx2 = 7mm，Lyl = 9. 2mm，Ly2 = 9. Imm時的最大增益點(diǎn)處的福射方向圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023] 結(jié)合圖1，一種基于非周期人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的高效率微帶天線，采用雙層疊放的介 質(zhì)基板組成，包括貼片天線1、金屬地板、人工磁導(dǎo)體反射板4、同軸饋電探針3。貼片天線1 印制于上層介質(zhì)基板2上表面，金屬地板8印制于下層介質(zhì)基板7下表面，人工磁導(dǎo)體反射 板4印制于下層介質(zhì)基板7上表面，同軸饋電探針3從下層介質(zhì)基板7下表面插入人工磁 導(dǎo)體反射板4和上層介質(zhì)基板2,所述兩個同軸饋電探針3與貼片天線1連接，采用差分同 軸饋電方式為貼片天線1供電。所述人工磁導(dǎo)體反射板4被分割為多個獨(dú)立的呈矩陣式排 列的人工磁導(dǎo)體單元5,每個人工磁導(dǎo)體單元為矩形金屬貼片；所述矩陣式排列的人工磁 導(dǎo)體單元5關(guān)于最中間兩行之間的軸對稱設(shè)置，且每一行人工磁導(dǎo)體單元5尺寸相同，不同 行之間的人工磁導(dǎo)體單元5尺寸不能完全相同。
[0024] 結(jié)合圖2,所述相鄰的兩個人工磁導(dǎo)體單元5之間設(shè)有窄型縫隙9。
[0025] 所述上層介質(zhì)基板2和下層介質(zhì)基板7的介電常數(shù)ε 1^均為2. 2~10. 2,厚度H 均為0.01 λ~〇. 1 λ，其中λ為自由空間波長。
[0026] 所述的矩形貼片天線1的長a為0· 1 λ g~〇· 75 λ g，寬b為0· 2 λ g~〇· 5 λ g，其中 λ ,為上層介質(zhì)基板2的介質(zhì)有效波長。
[0027] 所述矩形金屬貼片的長Ly和寬Lx均為0. 05 λ~〇. 26 λ，窄型縫隙9的寬度G為 0· 001 λ ~〇· 015 λ 0
[0028] 實(shí)施例一
[0029] 結(jié)合圖3,所述非周期人工磁導(dǎo)體反射板4被分割為30個獨(dú)立的人工磁導(dǎo)體單元 5,且每個人工磁導(dǎo)體單元5的長Ly和寬Lx不完全相同，每一行中五個人工磁導(dǎo)體單元的 長Ly和寬Lx分別一致，而不同行之間的人工磁導(dǎo)體單元的長寬均不一致。其中，各行人 工磁導(dǎo)體單元的長Ly從上至下依次為lyl、ly2、ly3、ly4、ly5、ly6,寬Lx從上至下依次為 1x1、1x2、1x3、1x4、1x5、1x6,其中 Iyl = ly6，ly2 = ly5，ly3 = ly4，Ixl = 1x6，1x2 = 1x5, 1x3 = 1x4。
[0030] 人工磁導(dǎo)體單元5的長和寬為[0. 05 λ，o. 26 λ ]，窄型縫隙9的寬度為 [0. 001 λ，0. 015 λ ];上層介質(zhì)基板2和下層介質(zhì)基板7的介電常數(shù)ε 1^均為[2. 2, 10. 2]， 厚度H均為[0. 01 λ，0. 1 λ ]，其中λ為自由空間波長；貼片天線1為矩形，印制于上層介 質(zhì)基板2上表面中心，其長為[0.1 Xg, 0.75 Ag]，寬為[0.2 Xg, 0.5 λ』，其中AgS上層介 質(zhì)基板2的介質(zhì)有效波長。
[0031] 實(shí)驗(yàn)中，取矩形貼片天線1的長a為6mm，寬b為12. 7mm ;矩形金屬貼片6的長Ly 和寬Lx在6到IOmm范圍內(nèi)，窄型縫隙9的寬度G為0. 4mm ;上層介質(zhì)基板2和下層介質(zhì)基 板7的材料均為Rogers RT/Duroid 5880,介電常數(shù)^為2. 2,介質(zhì)損耗角為0.0009,厚度 H均為1mm，約為0.025 λ。（其中λ。為7. 7GHz處的自由空間波長）。
[0032] 結(jié)合圖4,當(dāng)平面波垂直入射到非周期人工磁導(dǎo)體反射板4時，反射波的反射相位 會隨著頻率變化而連續(xù)變化，相位變化范圍為180°~-180°，這與普通的人工磁導(dǎo)體的 反射相位特性是一致的；隨著矩形金屬貼片6的長度Lx從7mm增加到9mm，零反射相位點(diǎn) 逐漸向低頻移動。
[0033] 結(jié)合圖5,由基于非周期人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的高效率微帶天線的反射系數(shù)與增益圖 可以得到，反射系數(shù)低于-IOdB的工作頻帶為6. 95GHz~8. 35GHz，相對帶寬為18. 4%，最 大增益可以達(dá)到13. 9dBi ;而通過口徑效率圖可以發(fā)現(xiàn)，在其工作頻帶內(nèi)，輻射效率可高達(dá) 99. 05% 〇
[0034] 結(jié)合圖6,由基于非周期人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的高效率微帶天線的最大增益點(diǎn)處的輻 射方向圖可以發(fā)現(xiàn)，基于非周期人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的高效率微帶天線交叉極化抑制效果更 好，可達(dá)到40dB左右。
[0035]