專利名稱：一種基于左手材料效應(yīng)的復(fù)合型螺旋線矩形框貼片天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于左手材料效應(yīng)的復(fù)合貼片天線。
背景技術(shù)：
左手材料(LHM)是一種新型周期結(jié)構(gòu)的人工電磁媒質(zhì)，其介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時為負(fù)，因此，當(dāng)電磁波在這種雙負(fù)介質(zhì)材料中傳播時，波傳播的電矢量、磁矢量和波矢量三者滿足左手定則，所以被稱為左手材料(或稱負(fù)折射材料)。早在1968年，V. G. Veselageo就從理論上研究了 LHM中的反常電磁現(xiàn)象。2000年，Smith等人在微波波段首次發(fā)現(xiàn)用特殊微結(jié)構(gòu)周期排列的復(fù)合介質(zhì)可以同時得到負(fù)的介電常量和負(fù)的磁導(dǎo)率，從而從實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了這種材料可以通過人工方法制得。左手材料具有很多奇特的光學(xué)與電磁學(xué)性質(zhì)，如逆Doppler效應(yīng)、逆Cherenkov福射、反常折射現(xiàn)象等。這些特性展現(xiàn)了左手材料在光與電磁波領(lǐng)域具有潛在的重要應(yīng)用價值。本發(fā)明通過對復(fù)合型螺旋線矩形框天線體系的研究，發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)能夠較好地降低天線的回波損耗，增大天線的增益。從理論上分析，我們可以解釋為在特定頻率范圍內(nèi)，產(chǎn)生電磁波共振態(tài)，出現(xiàn)介電常數(shù)和磁導(dǎo)率的實(shí)部同時為負(fù)值，其折射率也是為負(fù)值，形成電磁波的“隧道”效應(yīng)和倏逝波的放大作用，由此，大大加強(qiáng)了電磁波共振強(qiáng)度，使得該結(jié)構(gòu)復(fù)合型螺旋線結(jié)構(gòu)對電磁能量的局域化程度有了明顯的提高，導(dǎo)致天線增益明顯增大，并表現(xiàn)為較低的回波損耗，由此，增加了天線耦合到空間的電磁波輻射功率，從而提高了貼片天線增益和信噪比。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明主要提供一種基于左手材料效應(yīng)的復(fù)合貼片天線，在某頻率范圍內(nèi)，加強(qiáng)
了電磁波共振強(qiáng)度，提高了電磁能量的局域化程度，從而降低天線的回波損耗，增大了增.、/■
Mo實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案一種基于左手材料效應(yīng)的復(fù)合型螺旋線矩形框貼片天線，包括介質(zhì)基板I、金屬接地板2、復(fù)合貼片天線5、螺旋金屬線6和金屬條7，復(fù)合貼片天線5由矩形框金屬貼片天線3和微帶饋線4組成，復(fù)合貼片天線5固定在介質(zhì)基板I的正面，在介質(zhì)基板的正面設(shè)有周期性排列的螺旋金屬線6和金屬條7，介質(zhì)基板I的反面貼有金屬接地板2，微帶饋線4用于對矩形框金屬貼片天線3饋電。介質(zhì)基板I正面采用電路板刻蝕技術(shù)，分別刻蝕矩形框金屬貼片天線3、微帶饋線
4、螺旋金屬線6、金屬條7，螺旋金屬線6周期排列在矩形框金屬貼片天線3內(nèi)，在矩形框金屬貼片天線3內(nèi)平均排布6X6個螺旋金屬線6，并在螺旋金屬線6間每隔兩列嵌入一根金屬條7，一共嵌入4根金屬條7，微帶饋線4與矩形框金屬貼片天線3相連，用于作為矩形框
金屬貼片天線3的電波信號饋入源。介質(zhì)基板I的大小為長為360mm,寬為360mm,高為8mm,即Hl (360mm) XLl (360mm) XDl (8mm),介質(zhì)基板的相對介電常數(shù)為10,在介質(zhì)基板正面固定有寬度D2=4_的矩形框金屬貼片天線3，矩形框金屬貼片天線3外框邊長L2=304mm，內(nèi)框邊長L3=296mm,外框距介質(zhì)板邊緣D6=28mm,矩形框金屬貼片天線3內(nèi)嵌入的6X6周期性排列的螺旋金屬線(6)的線寬D7=l. 9mm,相鄰線間隔D8=l. 9mm,最小內(nèi)徑Rl=L 9mm,最大外徑R2=19mm,R3=17. 1mm，相鄰螺旋金屬線中心的間距D4=D5=44. 8mm，所述的螺旋金屬線6間嵌入的金屬條7，金屬條7長H4=260mm ,寬L4=3mm,金屬條I的間距D3=86. 6mm,在基板的反面貼有金屬接地板，尺寸為長為360mm，寬為360mm，即Hl (360mm) X LI (360mm)，微帶饋線4的長為28mm,寬為L5=4. 7mm。外加激勵源通過金屬導(dǎo)線一端與微帶饋線4相連,另一端與接地板2相連，激勵源采用Gaussian離散源，通過微帶饋線4給矩形框金屬貼片天線3饋電。為了驗(yàn)證本發(fā)明的有效性，將上述基于左手材料效應(yīng)的復(fù)合型螺旋線矩形框貼片天線結(jié)構(gòu)利用仿真軟件XFDTD進(jìn)行測試，該軟件是美國REMCOM公司開發(fā)的基于電磁數(shù)值計算方法FDTD (時域有限差分法)的全波三維電磁仿真軟件，該軟件仿真結(jié)果可靠性高。通過該軟件的仿真測試，可以得到天線性能對應(yīng)的性能參數(shù)值，如回波損耗(sll，也稱為反射·系數(shù))、傳輸系數(shù)(s21)、電壓駐波比(VSWR)和增益(Gain)等。通過分析這些數(shù)值，可以比較出天線性能的優(yōu)劣。本發(fā)明是在普通貼片天線的基礎(chǔ)上加入了左手材料組合形成復(fù)合型貼片天線。利用左手材料的特性，在4. 18GHZ頻率處產(chǎn)生的電磁波共振態(tài)，出現(xiàn)介電常數(shù)和磁導(dǎo)率的實(shí)部同時為負(fù)值，其折射率也為負(fù)值，此效應(yīng)大大加強(qiáng)了電磁波共振強(qiáng)度，它使得如此的結(jié)構(gòu)對電磁能量的局域化程度有了明顯的提高，并擁有較高增益，表現(xiàn)為較低的回波損耗，能很好地改善天線的性能，使得該貼片天線在移動通信、衛(wèi)星通信以及航空航天等眾多領(lǐng)域能更好地得到應(yīng)用。


下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明
圖I是本發(fā)明基于左手材料效應(yīng)的復(fù)合貼片天線正面結(jié)構(gòu)示意 I-介質(zhì)基板；2-金屬接地板；3_矩形框金屬貼片天線；4_微帶饋線；5_復(fù)合貼片天線；6-螺旋金屬線；7_金屬條。圖2是本發(fā)明基于左手材料效應(yīng)的復(fù)合貼片天線螺旋線正面結(jié)構(gòu)示意 圖3是本發(fā)明基于左手材料效應(yīng)的復(fù)合貼片天線回波損耗示意 圖4是本發(fā)明基于左手材料效應(yīng)的復(fù)合貼片天線增益示意 圖5是本發(fā)明基于左手材料效應(yīng)的復(fù)合貼片天線駐波比示意 圖6是本發(fā)明基于左手材料效應(yīng)的復(fù)合貼片天線有效介電常數(shù)和有效磁導(dǎo)率。
具體實(shí)施方案采用電路板刻蝕技術(shù)，如圖I所示的基于左手材料效應(yīng)的復(fù)合型螺旋線矩形框貼片天線結(jié)構(gòu)中，在介質(zhì)基板I正面分別刻蝕矩形框金屬貼片天線3、微帶饋線4，在介質(zhì)基板I反面貼有金屬接地板2。微帶饋線4作為矩形框金屬貼片天線3的電波信號饋入源，連接著矩形框金屬貼片天線3，矩形框金屬貼片天線3中間的介質(zhì)基板上刻蝕出6X6的螺旋金屬線6和4根金屬條7。
本發(fā)明是一種基于左手材料效應(yīng)的復(fù)合貼片天線，如圖I所示。這種基于左手材料效應(yīng)的復(fù)合型螺旋線矩形框貼片天線的介質(zhì)基板I的大小為Hl (360mm) XLl (360mm) XDl (8mm),介質(zhì)基板I的相對介電常數(shù)為10,在介質(zhì)基板I正面固定有寬度D2=4_的矩形框金屬貼片天線3,矩形框金屬貼片天線3外框邊長L2=304mm,內(nèi)框邊長L3=296mm,外框距介質(zhì)基板I邊緣D6=28mm。矩形框金屬貼片天線3內(nèi)嵌入6X6周期性排列螺旋金屬線6，螺旋金屬線6 (圖2)線寬D7=l. 9mm，相鄰線間隔D8=l. 9mm，最小內(nèi)徑Rl=L 9mm,最大外徑R2=19mm, R3=17. 1mm,相鄰螺旋金屬線中心的間距D4=D5=44. 8mm。螺旋金屬線6間嵌入4根金屬條7,金屬條7長H4=260mm ,寬L4=3mm,金屬條7的間距D3=86. 6mm，在介質(zhì)基板I的反面貼有金屬接地板2，尺寸為Hl (360mm) XLl (360mm)。矩形框金屬貼片天線3與長為28mm,寬為L5=4. 7mm的微帶饋線4相連構(gòu)成復(fù)合貼片天線5。激勵源采用Gaussian離散源，通過微帶饋線4給矩形框金屬貼片天線3饋電。用XFDTD電磁仿真軟件對這種復(fù)合型螺旋線矩形框貼片天線進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)得到如圖3所示的回波損耗sll特性，在頻率4. 18GHZ處最小回波損耗sll約為-31. 3dB,說明復(fù)合型結(jié)構(gòu)能進(jìn)一步減少回波損耗。如圖4所示，得到增益特性，加入螺旋金屬線6貼片和金屬條7后，這種基于左手材料效應(yīng)的復(fù)合型螺旋線矩形框貼片天線正向增益最大約為11. 33dB，說明在復(fù)合貼片天線5中加入螺旋金屬線6和金屬條7的復(fù)合型結(jié)構(gòu)可以較大提高貼片天線的增益。如圖5所示，得到電壓駐波比VSWR特性，在頻率4. 18GHZ處最小電壓駐波比為
I.056，已經(jīng)很靠近理想值I。同一結(jié)構(gòu)同時出現(xiàn)負(fù)介電常數(shù)和負(fù)磁導(dǎo)率的前提是其在某一頻率范圍內(nèi)應(yīng)同時出現(xiàn)磁諧振和電諧振。本發(fā)明中的這種基于左手材料效應(yīng)的復(fù)合型螺旋線矩形框貼片天線，在介質(zhì)基板I上表面貼有金屬條7，提高了體系的電容值，產(chǎn)生較強(qiáng)的電諧振；另外，在介質(zhì)基板I上表面覆蓋周期性排列螺旋金屬線6，提高體系的電感值，從而構(gòu)成較強(qiáng)的磁諧振。由于諧振負(fù)區(qū)的重合而形成雙負(fù)區(qū)域。為驗(yàn)證所設(shè)計結(jié)構(gòu)的正確性，由仿真得到了這種復(fù)合型螺旋線矩形框貼片天線的散射參數(shù)，即對該復(fù)合型螺旋線矩形框貼片天線仿真得到的s21和sll數(shù)據(jù)，通過NRW傳輸/反射法得出該復(fù)合型結(jié)構(gòu)的有效介電常數(shù)和有效磁導(dǎo)率電磁參數(shù)，圖6給出了根據(jù)仿真得到的參數(shù)所提取的有效磁導(dǎo)率、有效介電常數(shù)，以及折射率η。仿真結(jié)果由圖6直觀的說明在天線諧振點(diǎn)附近f=4. 18GHz頻率處，出現(xiàn)有效磁導(dǎo)率和有效介電常數(shù)都為負(fù)值，分別為=-3. 4和=-9. 6，表明通過對普通矩形框貼片天線和螺旋金屬線、金屬條組合，可以形成新的復(fù)合型矩形框天線體系，該體系能使磁導(dǎo)率和介電常數(shù)都為負(fù)值，折射率也為負(fù)值，具有左手材料性質(zhì)。本發(fā)明采用電路板刻蝕技術(shù)制作天線。本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)尺寸為天線的介質(zhì)基板I材料為Taconic CER-10材料(相對介電常數(shù)為10)。介質(zhì)基板I的大小為360mmX 360mmX 8mm,在介質(zhì)基板I正面固定有寬度為4mm的矩形框金屬貼片天線3,矩形框外框邊長L2=304mm，內(nèi)框邊長L3=296mm，外框距介質(zhì)基板I邊緣28mm。矩形框金屬貼片天·線3內(nèi)嵌入6X6周期性排列金屬螺旋線6,尺寸為R1=D7=D8=1. 9mm, R2=19mm, R3=17. lmm,間距D4=D5=44. 8mm。金屬螺旋線6間嵌入4根金屬條7,金屬條7長H4=260mm,寬L4=3mm,金屬條7之間間距D3=86. 6mm,在介質(zhì)基板I的反面貼有360mmX 360mm的金屬接地板2。矩形框金屬貼片天線3與長為28mm,寬為L5=4. 7mm的微帶饋線4相連構(gòu)成復(fù)合貼片天線5。通過微帶饋線給矩形框金屬貼片天線3饋電，這種基于左手材料效應(yīng)的復(fù)合型螺旋線矩形框貼片天線的中心頻率約為4. 18GHZ，至此完成該基于左手材料效應(yīng)的復(fù)合型螺旋線矩形框貼片天線的制作?！?br> 權(quán)利要求
1.一種基于左手材料效應(yīng)的復(fù)合型螺旋線矩形框貼片天線，其特征在于包括介質(zhì)基板(I)、金屬接地板(2)、復(fù)合貼片天線(5)、螺旋金屬線(6)、金屬條(7)，復(fù)合貼片天線(5)由矩形框金屬貼片天線(3)和微帶饋線(4)組成，復(fù)合貼片天線(5)固定在介質(zhì)基板(I)的正面，在介質(zhì)基板的正面設(shè)有周期性排列的螺旋金屬線(6)和金屬條(7)，介質(zhì)基板(I)的反面貼有金屬接地板(2)，微帶饋線(4)用于對矩形框金屬貼片天線(3)饋電。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于左手材料效應(yīng)的復(fù)合型螺旋線矩形框貼片天線，其特征在于，介質(zhì)基板(I)正面采用電路板刻蝕技術(shù)，分別刻蝕矩形框金屬貼片天線(3)、微帶饋線(4)、螺旋金屬線(6)、金屬條(7)，螺旋金屬線(6)周期排列在矩形框金屬貼片天線(3)內(nèi)，在矩形框金屬貼片天線(3)內(nèi)平均排布6X6個螺旋金屬線(6)，并在螺旋金屬線(6)間每隔兩列嵌入一根金屬條(7)，一共嵌入4根金屬條(7)，微帶饋線(4)與矩形框金屬貼片天線(3 )相連，用于作為矩形框金屬貼片天線(3 )的電波信號饋入源。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于左手材料效應(yīng)的復(fù)合型螺旋線矩形框貼片天線，其特征在于介質(zhì)基板(I)的大小為長為360mm,寬為360mm,高為8mm,即Hl (360mm) XLl (360mm) XDl (8mm),介質(zhì)基板的相對介電常數(shù)為10,在介質(zhì)基板正面固定有寬度D2=4mm的矩形框金屬貼片天線(3),矩形框金屬貼片天線(3)外框邊長L2=304mm,內(nèi)框邊長L3=296mm,外框距介質(zhì)基板(I)邊緣D6=28mm,矩形框金屬貼片天線(3)內(nèi)嵌入的6X6周期性排列的螺旋金屬線(6)的線寬D7=l. 9mm，相鄰線間隔D8=l. 9mm，最小內(nèi)徑Rl=L 9mm,最大外徑R2=19mm, R3=17. Imm,相鄰螺旋金屬線中心間距D4=D5=44. 8mm,所述的螺旋金屬線(6)間嵌入的金屬條(7),金屬條(7)長H4=260mm ,寬L4=3mm,金屬條(7)的間距D3=86. 6mm，在基板的反面貼有金屬接地板，尺寸為長為360mm，寬為360mm，即Hl (360mm) XLl (360mm),微帶饋線(4)的長為28mm,寬為L5=4. 7mm,外加激勵源通過金屬導(dǎo)線一端與微帶饋線(4)相連，一端與接地板(2)相連，激勵源采用Gaussian離散源，通過微帶饋線(4)給矩形框金屬貼片天線(3)饋電。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于左手材料效應(yīng)的復(fù)合型螺旋線矩形框貼片天線，該復(fù)合貼片天線包括介質(zhì)基板、金屬接地板、矩形框金屬貼片天線、微帶饋電線、螺旋金屬線和金屬條。矩形框天線固定在介質(zhì)基板的正面，基板的介電常數(shù)為10，用微帶饋電線對天線饋電，在矩形框天線內(nèi)周期性排列6×6個螺旋金屬線，并在螺旋線間嵌入四根金屬條。介質(zhì)基板的反面貼有金屬接地板。本發(fā)明在某一頻率附近，該復(fù)合型螺旋線結(jié)構(gòu)對電磁能量的局域化程度有了明顯的提高，導(dǎo)致天線增益明顯增大，并表現(xiàn)為較低的回波損耗,較好地改善了天線的性能,因此該復(fù)合型螺旋線貼片天線可應(yīng)用于移動通信、衛(wèi)星通信以及航空航天等領(lǐng)域。
文檔編號H01Q13/08GK102938500SQ20121048473
公開日2013年2月20日 申請日期2012年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月26日
發(fā)明者王紀(jì)俊, 朱志盼, 周際東, 曹靜, 沈廷根 申請人:江蘇大學(xué)