專利名稱：一種2～3GHz頻段的負磁導(dǎo)率材料微帶天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種2 3GHz頻段的負磁導(dǎo)率微帶天線，這種微帶天線是通過一種在 基板雙面刻有樹枝狀結(jié)構(gòu)負磁導(dǎo)率材料來改善天線的性能，特別是改善了天線的輻射效率、 增益和方向性。
背景技術(shù)：
普通的微帶天線是由具有一定厚度的介質(zhì)板、金屬接地板及輻射貼片三部分組成。 一般情況下，采用同軸線或微帶線饋電，在輻射貼片和金屬接地板之間的縫隙激勵起電磁場， 并通過貼片與導(dǎo)體接地板之間的縫隙向外輻射電磁波能量。與其它天線相比，微帶天線有很 多優(yōu)點體積小、重量輕、剖面低、易于做成平面結(jié)構(gòu)、成本低；通過簡單饋電易于實現(xiàn)線 極化和圓極化；天線的散射接口較小；易于實現(xiàn)雙頻雙極化等等，因而被廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通 訊和便攜式電子裝置。但是微帶天線自身的結(jié)構(gòu)特點，導(dǎo)致其也存在一些缺點頻帶窄；有 導(dǎo)體和介質(zhì)損耗，因而增益較低；功率容量較?。火伨€與輻射元之間的隔離差；可能存在表 面波；性能受介質(zhì)板材料的影響很大。近幾年來，負磁導(dǎo)率超材料的提出，有望應(yīng)用于微波器件、濾波器、天線等方面。負磁 導(dǎo)率材料是一種人工復(fù)合而成的超材料，在電磁波入射情況下，這種材料的透射在一定的頻 段內(nèi)會出現(xiàn)一個禁帶，在這個禁帶所對應(yīng)的頻率范圍內(nèi)，材料的磁導(dǎo)率為負。目前，負磁導(dǎo) 率材料幾乎都是通過類似于開口諧振環(huán)這種結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)的，也有一些是通過網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)實現(xiàn)磁 導(dǎo)率為負。我們設(shè)計了一種新型的負磁導(dǎo)率材料，這種材料是通過將樹枝結(jié)構(gòu)單元周期性地 刻蝕在介質(zhì)板正反面上制備而成，當(dāng)電磁波垂直入射時，這種材料在一定頻段內(nèi)磁導(dǎo)率為負。 利用這種負磁效應(yīng)可以改善天線的性能，因此在天線上將有著廣闊的應(yīng)用前景。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于針對普通微帶天線輻射效率低，增益低，方向性差等缺點，提 供一種負磁導(dǎo)率材料為基板的微帶天線。利用負磁導(dǎo)率材料對一定頻率的電磁波有抑制作用， 從而可以抑制天線的表面波，減小天線副瓣，使天線方向性更集中，提高天線增益，改善天 線性能。本發(fā)明的負磁導(dǎo)率材料微帶天線可工作頻率2 3GH,z。本發(fā)明的負磁導(dǎo)率微帶天線包括介質(zhì)基板；輻射金屬片，刻蝕在介質(zhì)基板上；金屬接地 板，刻蝕在介質(zhì)基板的另一面上；SMA同軸接頭，其金屬探針與金屬片相連，同軸底座內(nèi)導(dǎo) 體與金屬探針相連，外導(dǎo)體與金屬接地板相連，以作為天線電波信號的輸入端；樹枝狀結(jié)構(gòu) 周期性地刻蝕在天線輻射面的金屬貼片和金屬接地板周圍。通過調(diào)整樹枝結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)對負磁導(dǎo)率材料的負磁特性區(qū)域頻段進行調(diào)節(jié)，使其覆蓋微帶天線的工作頻段。同時，本發(fā)明 中的負磁導(dǎo)率材料微帶天線，可通過電路板刻蝕技術(shù)實現(xiàn)，工藝簡單，適合大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。


圖l本發(fā)明的負磁導(dǎo)率材料微帶天線結(jié)構(gòu)2本發(fā)明的樹枝狀負磁導(dǎo)率結(jié)構(gòu)單元示意3本發(fā)明的樹枝狀負磁導(dǎo)率材料的樣品4.(a)本發(fā)明的樹枝狀負磁導(dǎo)率微帶天線的正面結(jié)構(gòu)示意4.(b)本發(fā)明的樹枝狀負磁導(dǎo)率微帶天線的反面結(jié)構(gòu)示意5本發(fā)明普的天線與通天線的回波損耗對比6本發(fā)明的天線與普通天線的E面對比7本發(fā)明的天線與普通天線的H面對比圖具體實施方式
采用電路板刻蝕技術(shù)制備樹枝狀負磁導(dǎo)率微帶天線，選用厚度為1.5mm的聚四氟乙烯材 料作為天線的介質(zhì)基板，在其一面刻蝕一定形狀的金屬輻射貼片，另一面刻蝕一個正方形的 金屬片，作為天線接地板，采用同軸饋電，SMA同軸接頭連接金屬輻射片和金屬接地板，并 作為天線的信號饋入源，負磁導(dǎo)率材料微帶天線如圖4。在輻射貼片周圍和金屬接地板的空 白介質(zhì)基板上刻蝕周期排列的金屬樹枝狀結(jié)構(gòu)單元陣列，制備成樹枝狀結(jié)構(gòu)負磁導(dǎo)率微帶天 線。樹枝從中心向外圍的各級分支長度分別為 一級分支長度a二5.5mm 8.3mm， 二級分支 長度和三級分支長度相等，即b=C=2.8mm 4.2mm，相臨各級分支間的夾角范圍為6,= e2=e3=30°~60° ， W=0.3mm~1.2mm，單元晶格常數(shù)d二24.6mm 36.9mm，樹枝結(jié)構(gòu)單元的 金屬厚度t = 0.01mm~0.08mm，圖2是樹枝狀結(jié)構(gòu)負磁導(dǎo)率材料的結(jié)構(gòu)單元圖。圖3是周期 性排列的樹枝狀負磁導(dǎo)率材料結(jié)構(gòu)圖。圖4. (a)為所制備的樹枝狀結(jié)構(gòu)負磁導(dǎo)率材料微帶天 線的正面結(jié)構(gòu)示意圖。圖4(b)為所制備的樹枝狀結(jié)構(gòu)負磁導(dǎo)率材料微帶天線的反面結(jié)構(gòu)示意 圖。通過調(diào)整樹枝狀結(jié)構(gòu)的外形尺寸參數(shù)(樹枝各級長度，夾角，線寬，晶格常數(shù)等)實現(xiàn) 對負磁導(dǎo)率材料區(qū)域波段的調(diào)控。保證負磁導(dǎo)率特性區(qū)域波段包覆天線的工作頻段。通過負 磁導(dǎo)率材料對天線表面波的抑制，減小天線副瓣，使天線方向性更集中，提高天線增益，改4善天線性能。本發(fā)明的實現(xiàn)過程和材料的性能由實施例和

實施例一采用電路板刻蝕技術(shù)，制作中心工作頻率為2.64GHz的樹枝狀負磁導(dǎo)率材料微帶天線。 負磁導(dǎo)率材料微帶天線天線如圖1所示，選用面積為200mmx200mm，厚度為1.5mm的聚四 氟乙烯材料(e =2.65)作為天線的介質(zhì)基板1，介質(zhì)基板1 一側(cè)的金屬銅輻射貼片2的大小 為42mmx33.8mm，另一側(cè)的正方形金屬銅片4的大小60mmX60mni，作為接地板4，采用同 軸饋電，SMA同軸接頭3連接金屬輻射片2和金屬接地板4，并作為天線的信號饋入源。圖 4是負磁導(dǎo)率材料微帶天線，在輻射貼片和金屬接地板的周圍都刻蝕周期排列金屬銅樹枝狀 結(jié)構(gòu)單元陣列5，對于本實施例負磁導(dǎo)率微帶天線，樹枝狀結(jié)構(gòu)的幾何尺寸為 一級分支長 度a=6.3mm， 二級分支長度和三級分支長度b=c = 3.2mm，相臨各級分支間的夾角為6,二 02=93=45°，線寬薩1.2mm，晶格常數(shù)d=28mm，金屬厚度t二0.03mm。圖4(a)為所制備的 樹枝狀結(jié)構(gòu)負磁導(dǎo)率材料微帶天線的正面結(jié)構(gòu)示意圖。圖4. (b)為所制備的樹枝狀結(jié)構(gòu)負磁導(dǎo) 率材料微帶天線的反面結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為樹枝狀負磁導(dǎo)率材料微帶天線與普通天線的回波 損耗對比圖。由圖5可見，樹枝狀負磁導(dǎo)率材料徵帶天線相比普通天線的中心頻率幾乎沒有 發(fā)生改變。圖6為樹枝狀負磁導(dǎo)率材料微帶天線與普通天線的E面對比圖。由圖6可見，樹 枝狀負磁導(dǎo)率材料微帶天線相比普通天線，E面的方向性有所改善，3dB角收縮了18。，增 益提高了2.19dB。圖7為樹枝狀負磁導(dǎo)率材料微帶天線與普通天線的H面對比圖。由圖7可 見，樹枝狀負磁導(dǎo)率材料微帶天線相比普通天線，H面的方向性有所改善，3dB角收縮了13 ° ，增益提高了 1.7dB。由此可見，樹枝狀負磁導(dǎo)率材料微帶天線的性能得到了很大的改善。，實施例二與實施例一相似，采用電路板刻蝕技術(shù)制作中心工作頻率為2.85GHz的樹枝狀結(jié)構(gòu)負磁 導(dǎo)率材料微帶天線。選用面積為180mmxl80mm，厚度為lmm的聚乙烯材料(￡=2.3)作為 天線的介質(zhì)基板，介質(zhì)基板一側(cè)的金屬銅片輻射貼片大小為38.4mmx29.8mm，另一側(cè)的正方 形金屬銅片的大小50mmX50mm，作為天線接地板，采用同軸饋電，SMA同軸接頭連接金屬 輻射片和金屬接地板，并作為天線的信號饋入源。銅表面鍍錫防止氧化。在輻射貼片和金屬 接地板的周圍都刻蝕周期排列銅鍍錫樹枝狀結(jié)構(gòu)單元陣列，對于本實施例工作頻率為 2.85GHz的負磁導(dǎo)率微帶天線，樹枝狀結(jié)構(gòu)的幾何尺寸為 一級分支長度a二5.84mm， 二級 分支長度和三級分支長度b=c = 2.96mm，相臨各級分支間的夾角為e!二e2,3-60。，線寬 w=0.8mm，晶格常數(shù)d=25.93mm，金屬厚度t=0.04mm。圖4 (a)為所制備的樹枝狀結(jié)構(gòu)負磁導(dǎo)率材料微帶天線的正面結(jié)構(gòu)示意圖。圖4. (b)為所制備的樹枝狀結(jié)構(gòu)負磁導(dǎo)率材料微帶天線的反面結(jié)構(gòu)示意圖。實施例三與實施例一和二相似，采用電路板刻蝕技術(shù)制作中心工作頻率為2.45GHz的樹枝狀結(jié)構(gòu) 負磁導(dǎo)率材料微帶天線。選用面積為側(cè)的金屬銅220mmx220mm,厚度為0.8mm的環(huán)氧玻璃 布材料(e =4.6)作為天線的介質(zhì)基板，介質(zhì)基板一輻射貼片大小為44.38mmx35.67mm，另 一側(cè)的正方形金屬銅片的大小65miiiX65mm，作為天線接地板，采用同軸饋電，SMA同軸接 頭連接金屬輻射片和金屬接地板，并作為天線的信號饋入源。銅表面鍍銀防止氧化。在輻射 貼片和金屬接地板的周圍都刻蝕周期排列金屬銅鍍銀樹枝狀結(jié)構(gòu)單元陣列。對于本實施例工 作頻率為2.45GHz的負磁導(dǎo)率微帶天線，樹枝狀結(jié)構(gòu)的幾何尺寸為 一級分支長度a二 6.78mm，， 二級分支長度和三級分支長度b=c = 3.45mm，相臨各級分支間的夾角為6,= e2=63=30。，線寬w^0.3mm，晶格常數(shù)d=30.17mm，金屬厚度t=0.03mm。圖4(a)為所制備 的樹枝狀結(jié)構(gòu)負磁導(dǎo)率材料微帶天線的正面結(jié)構(gòu)示意圖。圖4. (b)為所制備的樹枝狀結(jié)構(gòu)負磁 導(dǎo)率材料微帶天線的反面結(jié)構(gòu)示意圖。以上所述，僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，當(dāng)不能以此限定本發(fā)明實施的范圍，即大凡依本 發(fā)明權(quán)利要求及發(fā)明說明書內(nèi)容所作的簡單的等效變化與修飾，皆應(yīng)仍屬本發(fā)明專利覆蓋的 范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種2～3GHz頻段的負磁導(dǎo)率材料微帶天線，具體結(jié)構(gòu)包括介質(zhì)基板、金屬輻射貼片、金屬接地板、SMA同軸接頭，其主要特征是在普通微帶天線的介質(zhì)基板正反面刻蝕周期性排列的金屬樹枝狀結(jié)構(gòu)單元陣列，正反面的樹枝狀結(jié)構(gòu)單元嚴格對齊。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種2 3GHz頻段的負磁導(dǎo)率材料微帶天線，其特 征是用于微帶天線的樹枝狀結(jié)構(gòu)負磁導(dǎo)率材料的單元幾何參數(shù)為一級分支長度 a-5.5mm 8.3醒，二級分支長度和三級分支長度相等，即b=c=2.8mm 4.2mm,相臨各級分支間的夾角為e,二ef0f30。 ~60° ， W=0.3mm~1.2mm，單 元晶格常數(shù)d = 24.6mm 36.9mm ，樹枝結(jié)構(gòu)單元的金屬厚度t = 0.01mm 0.08mm。
3. 如權(quán)利要求l所述的一種2 3GHz頻段的負磁導(dǎo)率材料微帶天線，其特征 是在厚度為0.8mm 3mm的介質(zhì)材料雙面上刻蝕周期性排列的金屬樹枝狀結(jié)構(gòu) 單元陣列，介質(zhì)板為聚四氟乙烯，環(huán)氧玻璃布，聚乙烯材料，樹枝結(jié)構(gòu)單元所用 的金屬為銅、銅鍍錫、銅鍍銀。
4. 如權(quán)利要求l所述的一種2 3GHz頻段的負磁導(dǎo)率材料微帶天線，其特征在于制作過程包括以下幾個步驟(1)采用電路板刻蝕技術(shù)，在介質(zhì)基板兩側(cè)分別刻蝕出金屬接地板和金屬輻 射貼片，并在微帶天線的正、反面圍繞金屬輻射片、金屬接地板的空白介質(zhì)基板 上刻蝕周期排列的樹枝狀結(jié)構(gòu)單元陣列，且正反面的樹枝狀結(jié)構(gòu)單元嚴格對正。(2)選取饋電點，通過SMA接頭連接金屬地板和輻射片。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種2～3GHz頻段的負磁導(dǎo)率材料微帶天線，特別涉及一種帶有雙面樹枝結(jié)構(gòu)的負磁導(dǎo)率材料的微帶天線。本發(fā)明中的微帶天線包括介質(zhì)基板、刻蝕在介質(zhì)基板兩側(cè)的金屬輻射貼片和金屬接地板；SMA接頭連接金屬輻射貼片和金屬接地板，并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(jié)構(gòu)單元陣列。當(dāng)電磁波垂直入射時，利用雙面樹枝狀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的負磁導(dǎo)率效應(yīng)，可以改善微帶天線的發(fā)射效率和方向性，提高天線的增益。
文檔編號H01Q1/38GK101626108SQ20081015031
公開日2010年1月13日 申請日期2008年7月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月11日
發(fā)明者史亞龍, 朱忠奎, 寧 紀, 羅春榮, 趙曉鵬 申請人:西北工業(yè)大學(xué)