本發(fā)明涉及天線技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種加載電磁超材料的小型化雙頻帶圓極化天線。

背景技術(shù)：

隨著電子科技的進(jìn)步和電子通訊的高速發(fā)展，通信電子設(shè)備也朝著種類多樣化、功能全面化的方向發(fā)展。天線作為通信電子設(shè)備中最基本的部件之一，需要同時(shí)滿足多種嚴(yán)格的指標(biāo)要求，如多頻段、小型化、高增益等。但是傳統(tǒng)的天線設(shè)計(jì)方法已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代通訊發(fā)展的需求。

隨著近年來電磁超材料技術(shù)的成熟，超材料與天線的結(jié)合也受了越來越廣泛的關(guān)注。在實(shí)際工程應(yīng)用中，合理的設(shè)計(jì)電磁超材料單元結(jié)構(gòu)，使其在工作頻帶內(nèi)具有特殊的電磁特性，然后加載在天線上，實(shí)現(xiàn)天線輻射性能(多頻化、小型化、高增益)的改善。電磁超材料與天線的結(jié)合，突破了人們對傳統(tǒng)天線設(shè)計(jì)方法的認(rèn)知，為天線的研究與設(shè)計(jì)開創(chuàng)了一條嶄新的道路。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是現(xiàn)有天線無法同時(shí)兼顧小型化、多頻化和高增益的問題，提供一種加載電磁超材料的小型化雙頻帶圓極化天線，以減小天線的尺寸，滿足系統(tǒng)對目標(biāo)的探測要求。

為解決上述問題，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種加載電磁超材料的小型化雙頻帶圓極化天線，主要由金屬背腔和天線輻射板組成；金屬背腔為上頂面開口的中空正方體，天線輻射板覆蓋在金屬背腔的上頂面；

天線輻射板由輻射層、電磁超材料層、地板層和饋電點(diǎn)組成；其中位于上層的輻射層、位于中層的電磁超材料層和位于下層的地板層自上而下相貼，且輻射層、電磁超材料層和地板層均為大小一致的方形；饋電點(diǎn)位于天線輻射板的中前部，即輻射層、電磁超材料層和地板層對應(yīng)處均設(shè)有饋電點(diǎn)；

上述輻射層包括平面狀的輻射絕緣介質(zhì)基板和印制于輻射絕緣介質(zhì)基板上表面的輻射金屬貼片；輻射金屬貼片為方形開槽結(jié)構(gòu)；即輻射金屬貼片由方形的金屬輻射片、以及開設(shè)在該方形的金屬輻射片上的2個(gè)凸字形槽、2個(gè)u形槽和2個(gè)方形槽組成；2個(gè)凸字形槽對稱地開設(shè)在方形的金屬輻射片的前后2條對邊的邊緣處，且這2個(gè)凸字形槽位于輻射金屬貼片的縱向中線上；2個(gè)u形槽相對地開設(shè)在方形的金屬輻射片的左右2條對邊的邊緣處，且這2個(gè)u形槽分別位于輻射金屬貼片的橫向中線的兩側(cè)；2個(gè)方形槽對稱地開設(shè)在方形的金屬輻射片的左右兩側(cè)，且這2個(gè)方形槽位于輻射金屬貼片的橫向中線上；

上述電磁超材料層包括平面狀的電磁超材料絕緣介質(zhì)基板、印制于電磁超材料絕緣介質(zhì)基板上表面的上電磁超材料金屬貼片和印制于電磁超材料絕緣介質(zhì)基板下表面的下電磁超材料金屬貼片；上電磁超材料金屬貼片和下電磁超材料金屬貼片關(guān)于電磁超材料絕緣介質(zhì)基板鏡像對稱設(shè)置，兩者均為星形放射結(jié)構(gòu)；即上電磁超材料金屬貼片和下電磁超材料金屬貼片均由4條以上的長條狀的金屬臂組成，且上電磁超材料金屬貼片的金屬臂和下電磁超材料金屬貼片的金屬臂的數(shù)量相同；這些金屬臂關(guān)于上電磁超材料金屬貼片和下電磁超材料金屬貼片的中心呈放射狀設(shè)置；每條金屬臂上均設(shè)有金屬過孔，上電磁超材料金屬貼片上和下電磁超材料金屬貼片上的2條鏡像相對的金屬臂通過該條金屬過孔相互連通；

上述地板層包括平面狀的地板絕緣介質(zhì)基板和印制于地板絕緣介質(zhì)基板下表面的地板金屬貼片；地板金屬貼片為方形開縫結(jié)構(gòu)；即地板金屬貼片由方形的金屬地板片、以及開設(shè)在方形的金屬地板片的中心處的2條交叉成十字形的縫隙組成；2條縫隙的延伸方向沿該方形的金屬地板片的對角線方向。

上述方案中，金屬背腔的下底面為平面或弧面。

上述方案中，輻射金屬貼片的2個(gè)凸字形槽的對稱中心線與輻射金屬貼片的縱向中線重合；輻射金屬貼片的2個(gè)方形槽的對稱中心線與輻射金屬貼片的橫向中線重合。

上述方案中，輻射金屬貼片的金屬片的其中2個(gè)對角設(shè)有切角。

上述方案中，上電磁超材料金屬貼片的所有金屬臂的長度相等，下電磁超材料金屬貼片上的所有金屬臂的長度相等。

上述方案中，上電磁超材料金屬貼片和下電磁超材料金屬貼片上的每2條金屬臂之間的夾角均相等。

上述方案中，上電磁超材料金屬貼片和下電磁超材料金屬貼片上的每條金屬臂上設(shè)有讓該條金屬臂從長度方向上斷開的間隙。

上述方案中，地板金屬貼片上的2條縫隙的中心相交。

上述方案中，饋電點(diǎn)位于天線輻射板的縱向中線上，且位于天線輻射板的橫向中線的前側(cè)。

上述方案中，輻射層、電磁超材料層和地板層通過絕緣螺釘固定在一起。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明由第一層輻射層、第二層電磁超材料層、第三層地板層共同構(gòu)成天線的輻射板；其中第二層的電磁超材料層改變了該層的相對介電常數(shù)和相對磁導(dǎo)率，使得輻射電磁波在該超材料介質(zhì)中的波長減小，有利于減小天線尺寸，改變了阻抗特性，有利于拓展帶寬；此外，五面金屬背腔的加入可以有效屏蔽后向輻射和外界干擾，增強(qiáng)天線定向輻射方向性的要求；天線整體沒有外加匹配網(wǎng)絡(luò)，天線的尺寸僅為60mm，相對帶寬為11.7％；本發(fā)明具有雙頻帶、高增益、小型化、良好的定向輻射、饋電方式簡單等特點(diǎn)，能滿足彈載天線的探測要求，同時(shí)也滿足便攜式設(shè)計(jì)要求，還可以應(yīng)用到其他的領(lǐng)域，并不僅限于導(dǎo)彈飛行器上。

附圖說明

圖1為一種加載電磁超材料的小型化雙頻帶圓極化天線的整體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為一種加載電磁超材料的小型化雙頻帶圓極化天線的第一層結(jié)上表面構(gòu)示意圖。

圖3為一種加載電磁超材料的小型化雙頻帶圓極化天線的第二層結(jié)構(gòu)上表面示意圖。

圖4為一種加載電磁超材料的小型化雙頻帶圓極化天線的第二層結(jié)構(gòu)下表面示意圖。

圖5為一種加載電磁超材料的小型化雙頻帶圓極化天線的第三層結(jié)構(gòu)下表面示意圖。

圖6為本發(fā)明天線的vswr測試曲線圖。

圖7為本發(fā)明天線的gain測試曲線圖。

圖8為本發(fā)明天線的ar測試曲線圖。

圖中標(biāo)號：1、金屬背腔；2、天線輻射板；

2-1、輻射層；2-1-1、輻射絕緣介質(zhì)基板；2-1-2、輻射金屬貼片；2-1-2-1、金屬輻射片；2-1-2-2、凸字形槽；2-1-2-3、u形槽；2-1-2-4、方形槽；

2-2、電磁超材料層；2-2-1、電磁超材料絕緣介質(zhì)基板；2-2-2、上電磁超材料金屬貼片；2-2-3、下電磁超材料金屬貼片；2-2-2-1、金屬臂；2-2-2-2、間隙；2-2-2-3、金屬過孔；

2-3、地板層；2-3-1、地板絕緣介質(zhì)基板；2-3-2、地板金屬貼片；2-3-2-1、金屬地板片；2-3-2-2、縫隙；

2-4、饋電點(diǎn)；

2-5、絕緣螺釘。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)例，并參照附圖，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。需要說明的是，實(shí)例中提到的方向用語，例如“上”、“下”、“中”、“左”“右”、“前”、“后”等，僅是參考附圖的方向。因此，使用的方向僅是用來說明并非用來限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。

一種加載電磁超材料的小型化雙頻帶圓極化天線，如圖1所示，主要由金屬背腔1和天線輻射板2組成。

金屬背腔1為上頂面開口的中空正方體，即金屬背腔1由左側(cè)面、右側(cè)面、前側(cè)面、后側(cè)面和下底面所構(gòu)成的腔體。金屬背腔1的上頂面留有開口供天線輻射板2覆蓋。在本實(shí)施例中，天線輻射板2與金屬背腔1通過絕緣螺釘2-5固定連接。金屬背腔1與天線輻射板2形成一個(gè)密閉的正方形中空腔體。金屬背腔1的下底面為平面或弧面。金屬背腔1可以有效屏蔽后向輻射和外界干擾，并增強(qiáng)天線輻射方向性，同時(shí)作為天線輻射板2的載體，起到了很好的固定作用。在本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中，整個(gè)天線安裝在彈體內(nèi)部，內(nèi)部工作環(huán)境復(fù)雜。為了減小外部對天線輻射性能的影響，用了四面封閉的金屬背腔1結(jié)構(gòu)。金屬背腔1是由厚度約1.5mm的鋁合金彎折制成，制備非常簡便，極大地節(jié)約了成本。為了讓整個(gè)天線的剖面高度盡量低，減小與其他設(shè)備之間的干擾，金屬背腔1的高度為天線工作中心頻率對應(yīng)自由空間波長的1/67左右。在本實(shí)施例中，金屬背腔1的高度為10mm。金屬背腔1的下底面的中部留有固定饋電位置的孔位。

天線輻射板2由輻射層2-1、電磁超材料層2-2、地板層2-3和饋電點(diǎn)2-4組成。輻射層2-1、電磁超材料層2-2和地板層2-3均為大小一致的方形，其中位于上層的輻射層2-1、位于中層的電磁超材料層2-2和位于下層的地板層2-3自上而下相貼，這樣的層疊結(jié)構(gòu)有利于實(shí)現(xiàn)天線的小型化，實(shí)現(xiàn)低剖面。輻射層2-1、電磁超材料層2-2和地板層2-3既可以通過工藝壓制在一起，也可以通過絕緣螺釘2-5固定在一起。為了能夠更好的將輻射層2-1、電磁超材料層2-2和地板層2-3固定在一起，本實(shí)施例采用絕緣螺釘2-5實(shí)現(xiàn)三者的固定。饋電點(diǎn)2-4位于天線輻射板2的中前部，輻射層2-1、電磁超材料層2-2和地板層2-3的對應(yīng)處均設(shè)有饋電點(diǎn)2-4，輻射層2-1、電磁超材料層2-2和地板層2-3通過饋電點(diǎn)2-4實(shí)現(xiàn)同軸饋電。在本發(fā)明中，饋電點(diǎn)2-4位于天線輻射板2的縱向中線上，且位于天線輻射板2的橫向中線的前側(cè)。具體來說，饋電點(diǎn)2-4位于天線輻射板2中心點(diǎn)的下前方8mm，左邊0.5mm處。

參見圖2，上述輻射層2-1包括平面狀的輻射絕緣介質(zhì)基板2-1-1和印制于輻射絕緣介質(zhì)基板2-1-1上表面的輻射金屬貼片2-1-2。輻射金屬貼片2-1-2為方形開槽結(jié)構(gòu)。即輻射金屬貼片2-1-2由方形的金屬輻射片2-1-2-1、以及開設(shè)在該方形的金屬輻射片2-1-2-1上的2個(gè)凸字形槽2-1-2-2、2個(gè)u形槽2-1-2-3和2個(gè)方形槽2-1-2-4組成。凸字形槽2-1-2-2、u形槽2-1-2-3和方形槽2-1-2-4的作用是用來增加天線的電流路徑，減小天線的尺寸。輻射金屬貼片2-1-2的金屬片的其中2個(gè)對角設(shè)有切角，該切角的位置設(shè)置在向右傾斜的對角線所對應(yīng)的2個(gè)對角上，以實(shí)現(xiàn)圓極化。2個(gè)凸字形槽2-1-2-2對稱地開設(shè)在方形的金屬輻射片2-1-2-1的前后2條對邊的邊緣處，且這2個(gè)凸字形槽2-1-2-2位于輻射金屬貼片2-1-2的縱向中線上，即這2個(gè)凸字形槽2-1-2-2位于前后2條對邊的中部。在本實(shí)施例中，2個(gè)凸字形槽2-1-2-2的形狀和大小完全一致，且這2個(gè)凸字形槽2-1-2-2的對稱中心線與輻射金屬貼片2-1-2的縱向中線重合。2個(gè)u形槽2-1-2-3相對地開設(shè)在方形的金屬輻射片2-1-2-1的左右2條對邊的邊緣處，且這2個(gè)u形槽2-1-2-3分別位于輻射金屬貼片2-1-2的橫向中線的兩側(cè)，即其中1個(gè)u形槽2-1-2-3位于左對邊的下部，另外1個(gè)u形槽2-1-2-3位于左對邊的上部；2個(gè)方形槽2-1-2-4對稱地開設(shè)在方形的金屬片的左右兩側(cè)。在本實(shí)施例中，2個(gè)u形槽2-1-2-3的形狀和大小完全一致。2個(gè)方形槽2-1-2-4對稱地開設(shè)在方形金屬輻射片2-1-2-1的左右兩側(cè)，且這2個(gè)方形槽2-1-2-4位于輻射金屬貼片2-1-2的橫向中線上，即這2個(gè)方形槽2-1-2-4位于左右兩側(cè)的前后方向的中部。在本實(shí)施例中，2個(gè)方形槽2-1-2-4的形狀和大小完全一致，且這2個(gè)方形槽2-1-2-4的對稱中心線與輻射金屬貼片2-1-2的橫向中線重合。

參見圖2和圖3，上述電磁超材料層2-2包括平面狀的電磁超材料絕緣介質(zhì)基板2-2-1、印制于電磁超材料絕緣介質(zhì)基板2-2-1上表面的上電磁超材料金屬貼片2-2-2和印制于電磁超材料絕緣介質(zhì)基板2-2-1下表面的下電磁超材料金屬貼片2-2-3。上電磁超材料金屬貼片2-2-2和下電磁超材料金屬貼片2-2-3關(guān)于電磁超材料絕緣介質(zhì)基板2-2-1鏡像對稱設(shè)置，兩者均為星形放射結(jié)構(gòu)。即上電磁超材料金屬貼片2-2-2和下電磁超材料金屬貼片2-2-3均由4條以上的長條狀的金屬臂2-2-2-1組成，且上電磁超材料金屬貼片2-2-2的金屬臂2-2-2-1和下電磁超材料金屬貼片2-2-3的金屬臂2-2-2-1的數(shù)量相同。這些金屬臂2-2-2-1關(guān)于上電磁超材料金屬貼片2-2-2和下電磁超材料金屬貼片2-2-3的中心呈放射狀設(shè)置。在本實(shí)施例中，上電磁超材料金屬貼片2-2-2和下電磁超材料金屬貼片2-2-3均由12條金屬臂2-2-2-1按照相隔一定的角度排布成的星狀結(jié)構(gòu)。在實(shí)際的工程應(yīng)用中，各個(gè)金屬臂2-2-2-1相隔角度α可以隨意選擇，即星狀結(jié)構(gòu)可以由周期結(jié)構(gòu)排布而成，也可以由非周期結(jié)構(gòu)排布而成。在本實(shí)施例中，上電磁超材料金屬貼片2-2-2和下電磁超材料金屬貼片2-2-3上的每2條金屬臂2-2-2-1之間的夾角均相等，即金屬臂2-2-2-1采用的是周期排布，金屬臂2-2-2-1之間相隔的角度α是一樣的，都是30°。上電磁超材料金屬貼片2-2-2和下電磁超材料金屬貼片2-2-3的各個(gè)金屬臂2-2-2-1的長度可以根據(jù)天線的具體工作頻段進(jìn)行選擇。上電磁超材料金屬貼片2-2-2的所有金屬臂2-2-2-1的長度相等，下電磁超材料金屬貼片2-2-3上的所有金屬臂2-2-2-1的長度相等。在本實(shí)例中，上電磁超材料金屬貼片2-2-2的金屬臂2-2-2-1長是一樣的，都為24.5mm，下電磁超材料金屬貼片2-2-3的金屬臂2-2-2-1長是一樣的，均為27.5mm。上電磁超材料金屬貼片2-2-2和下電磁超材料金屬貼片2-2-3的各個(gè)金屬臂2-2-2-1的寬度根據(jù)實(shí)際應(yīng)用條件決定。在本實(shí)施列中，上電磁超材料金屬貼片2-2-2和下電磁超材料金屬貼片2-2-3的所有金屬臂2-2-2-1的寬度一致的，均為2.5mm。另外，上電磁超材料金屬貼片2-2-2和下電磁超材料金屬貼片2-2-3上的每條金屬臂2-2-2-1上還可以進(jìn)一步增設(shè)有讓該條金屬臂2-2-2-1從長度方向上斷開的間隙2-2-2-2，這樣使得電磁超材料srr結(jié)構(gòu)單元的諧振環(huán)可以等效為一個(gè)lc諧振電路。各個(gè)金屬臂2-2-2-1斷開的間隙2-2-2-2寬度可以相等，也可以不相等，間隙2-2-2-2的寬度可根據(jù)工作頻段的不同進(jìn)行調(diào)節(jié)。在本實(shí)施例中，上電磁超材料金屬貼片2-2-2的金屬臂2-2-2-1斷開的間隙2-2-2-2是一樣的，均為2.5mm，下電磁超材料金屬貼片2-2-3的金屬臂2-2-2-1的間隙2-2-2-2是一樣的，均為1.5mm。上電磁超材料金屬貼片2-2-2和下電磁超材料金屬貼片2-2-3上的每條金屬臂2-2-2-1上均設(shè)有金屬過孔2-2-2-3，金屬過孔2-2-2-3貫通電磁超材料絕緣介質(zhì)基板2-2-1的上下表面，這樣上電磁超材料金屬貼片2-2-2上和下電磁超材料金屬貼片2-2-3上的2條鏡像相對的金屬臂2-2-2-1通過該條金屬過孔2-2-2-3相互連通。在本實(shí)施例中，金屬過孔2-2-2-3的直徑為1.5mm。在本實(shí)施例中，由于上電磁超材料金屬貼片2-2-2和下電磁超材料金屬貼片2-2-3均有一條金屬臂2-2-2-1通過饋電點(diǎn)2-4，因此這2條金屬臂2-2-2-1上的金屬過孔2-2-2-3與饋電點(diǎn)2-4的通孔共用，即上下表面的超材料結(jié)構(gòu)單元用11個(gè)金屬過孔2-2-2-3貫通起來，其中一組沒有用金屬過孔2-2-2-3貫通的是饋電經(jīng)過的位置。上電磁超材料金屬貼片2-2-2和下電磁超材料金屬貼片2-2-3形成電磁超材料結(jié)構(gòu)，該電磁超材料結(jié)構(gòu)能夠在工作頻段內(nèi)產(chǎn)生高磁導(dǎo)率特性，實(shí)現(xiàn)電磁波介質(zhì)波長的減小，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)天線的小型化。

參見圖4，上述地板層2-3包括平面狀的地板絕緣介質(zhì)基板2-3-1和印制于地板絕緣介質(zhì)基板2-3-1下表面的地板金屬貼片2-3-2。地板金屬貼片2-3-2為方形開縫結(jié)構(gòu)。即地板金屬貼片2-3-2由方形的金屬地板片2-3-2-1、以及開設(shè)在方形的金屬地板片2-3-2-1的中心處的2條交叉成十字形的縫隙2-3-2-2組成。2條縫隙2-3-2-2的延伸方向沿該方形的金屬地板片2-3-2-1的對角線方向。地板金屬貼片2-3-2的2條縫隙2-3-2-2的中心相交。2條縫隙2-3-2-2的寬度和長度影響著天線的諧振頻率和圓極化。地板金屬貼片2-3-2的2條縫隙2-3-2-2的長度比例可以根據(jù)具體工作頻段調(diào)節(jié)，長度比例影響著天線的圓極化和雙頻比范圍。在本實(shí)施例中，2條縫隙2-3-2-2的長度不相等，寬度相等且均為1mm。在本發(fā)明實(shí)例中，十字縫隙2-3-2-2的雙頻比是1.05。地板層2-3的作用是實(shí)現(xiàn)天線的圓極化，減小天線的尺寸。

輻射絕緣介質(zhì)基板2-1-1、電磁超材料絕緣介質(zhì)基板2-2-1和地板絕緣介質(zhì)基板2-3-1均由絕緣介質(zhì)材料制成。上述絕緣介質(zhì)基板一方面作為金屬貼片的載體，另一方面也影響金屬貼片的尺寸，即當(dāng)絕緣介質(zhì)基板的厚度或介電常數(shù)發(fā)生變化時(shí)，絕緣介質(zhì)基板表面的金屬貼片的尺寸需要進(jìn)行微調(diào)。在本實(shí)例中，絕緣介質(zhì)基板的材料為介電常數(shù)為10.2的羅杰斯介質(zhì)板，厚度為0.635mm。輻射金屬貼片2-1-2、上電磁超材料金屬貼片2-2-2、下電磁超材料金屬貼片2-2-3和地板金屬貼片2-3-2的材料可以為金、銀、錫等金屬材料，但綜合考慮性能與成本，上述貼片均采用銅材料制備。

本天線未進(jìn)行任何有耗加載，增益較高，能滿足系統(tǒng)對探測距離和精度的要求。圖6為本發(fā)明實(shí)施例天線的駐波測試曲線圖。如圖6所示，在雙頻諧振的頻帶范圍內(nèi)，420mhz-430mhz以及460mhz-470mhz均滿足s11≤-10dbi，天線的相對帶寬達(dá)到11.7％。圖7是天線的增益測試曲線圖，如圖所示，在工作頻帶內(nèi)，天線的增益均大于-12dbi，滿足工程應(yīng)用的需要。圖8是天線的軸比測試結(jié)果，天線具有很好的圓極化性能。

綜上所述，本發(fā)明是一種加載電磁超材料的小型化雙頻段圓極化天線。具有雙頻帶、高增益、小型化、良好的定向輻射、饋電方式簡單等特點(diǎn)，能滿足彈載天線的探測要求，同時(shí)也滿足便攜式設(shè)計(jì)要求。

需要說明的是，盡管以上本發(fā)明所述的實(shí)施例是說明性的，但這并非是對本發(fā)明的限制，因此本發(fā)明并不局限于上述具體實(shí)施方式中。在不脫離本發(fā)明原理的情況下，凡是本領(lǐng)域技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下獲得的其它實(shí)施方式，均視為在本發(fā)明的保護(hù)之內(nèi)。