專(zhuān)利名稱(chēng)：一種低折射率異向介質(zhì)材料雙頻雙極化微帶貼片天線(xiàn)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微帶貼片天線(xiàn)，特別涉及一種雙頻雙極化定向微帶貼片天線(xiàn)。
背景技術(shù)：
雙頻雙極化定向微帶貼片天線(xiàn)作為微帶天線(xiàn)的重要組成部分，繼承了微帶天線(xiàn)的饋電方 式和極化制式的多樣化以及饋電網(wǎng)絡(luò)、有源電路集成一體化等優(yōu)點(diǎn)而成為當(dāng)前微帶天線(xiàn)的主 角。按照以往雙頻雙極化天線(xiàn)的設(shè)計(jì)一般需要兩個(gè)分離的天線(xiàn)子系統(tǒng)，重量和所占空間都比 單一子系統(tǒng)增大了很多。目前常采用的方法為，將兩個(gè)分離的極化系統(tǒng)集成在同一天線(xiàn)單元 中，利用微帶天線(xiàn)組陣的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)高增益定向功能，在兩個(gè)極化方向上利用微帶饋線(xiàn)分別 對(duì)各個(gè)陣元進(jìn)行饋電；但是整個(gè)天線(xiàn)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)也比較復(fù)雜。
近年來(lái)，異向介質(zhì)材料的出現(xiàn)開(kāi)創(chuàng)了一個(gè)全新的領(lǐng)域，其獨(dú)特的電磁特性引起了 許多科學(xué)研究者的興趣，并為這種高性能新型天線(xiàn)的設(shè)計(jì)帶來(lái)了曙光。它是具有天然材料 所不具備的超常物理性質(zhì)的人工復(fù)合結(jié)構(gòu)，通常是由兩種或者兩種以上的自然物質(zhì)(通常是 金屬和介質(zhì))按照特定的周期性規(guī)則組合而成。異向介質(zhì)材料的電磁輻射特性與自由電子氣 體的等離子振蕩有關(guān)，在微波波段，材料的等效介電常數(shù)與等離子體頻率可以用下式表達(dá)
&( ) = 1-4;其中6^為等離子頻率，co為電磁波的頻率。當(dāng)電磁波的頻率大于等離子頻率 " 必' "
時(shí)，材料的等效介電常數(shù)小于l，并接近于0，這就意味著它的等效折射率是小于1的，于是 單極子輻射出的能量將被束縛在法線(xiàn)附近，呈現(xiàn)聚焦效應(yīng)，這樣利用異向介質(zhì)材料對(duì)電磁 波的低折射率效應(yīng)制作的天線(xiàn),可以實(shí)現(xiàn)對(duì)天線(xiàn)輻射電磁波波束的匯聚，減小天線(xiàn)的 半波瓣寬度,提高天線(xiàn)的方向性。2002年，S.Enoch設(shè)計(jì)出一種由六層周期性金屬網(wǎng)格構(gòu) 成的近零折射率材料，它的等離子體頻率在14.5GHz，然后將一單極子天線(xiàn)插入在該材料中， 可以獲得很高的高方向性，其方向性在14.6GHz時(shí)高達(dá)372。但是加了異向介質(zhì)后，單極子 天線(xiàn)回波損耗很差，仍然不能滿(mǎn)足很多場(chǎng)合的需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足；提出一種利用金屬矩形網(wǎng)格型低折 射率異向介質(zhì)材料作為微帶貼片天線(xiàn)的覆層分別在兩個(gè)極化方向的不同頻段內(nèi)提高貼片天線(xiàn)
的方向性，同時(shí)也壓縮了貼片天線(xiàn)的半功率波束角。
本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是 一種低折射率異向介質(zhì)材料雙頻雙極化微 帶貼片天線(xiàn)，其特征在于包括以下步驟
(1)確定微帶貼片天線(xiàn)分別在兩個(gè)極化方向上的工作頻率為fl和f2，對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)分別
(2) 選取一個(gè)尺寸為L(zhǎng)xW的傳統(tǒng)矩形微帶貼片天線(xiàn)，L表示微帶貼片天線(xiàn)的長(zhǎng)，W表 示微帶貼片天線(xiàn)的寬，并用微帶線(xiàn)進(jìn)行饋電；
(3) 制作一個(gè)由周期性雙層金屬矩形網(wǎng)格構(gòu)成的低折射率異向介質(zhì)材料，其基本參數(shù)包 括矩形網(wǎng)格在x極化方向上的周期Pl和y極化方向上的周期P2，空氣孔的尺寸axxay，以及 兩層金屬網(wǎng)格之間的距離h;
(4) 將金屬矩形網(wǎng)格型低折射率材料放在距離微帶貼片天線(xiàn)d高度處，四周用尼龍螺釘 固定支撐， 一種低折射率異向介質(zhì)材料雙頻雙極化微帶貼片天線(xiàn)設(shè)計(jì)完成；
(5) 利用現(xiàn)有加工技術(shù)對(duì)所設(shè)計(jì)的低折射率異向介質(zhì)材料雙頻雙極化微帶貼片天線(xiàn)進(jìn)行制作。
所述步驟(2)中的矩形微帶貼片天線(xiàn)，其長(zhǎng)度￡<^/2，滿(mǎn)足在x極化方向，工作頻率
fl處諧振；其寬度『<^/2，滿(mǎn)足在y極化方向，工作頻率f2處諧振。
所述步驟(2)中的矩形微帶貼片天線(xiàn)在x和y極化方向上都采用微帶線(xiàn)饋電機(jī)制。 所述步驟(3)中的低折射率異向介質(zhì)材料為矩形網(wǎng)格周期結(jié)構(gòu)，其制作方法為首先在 單面覆銅的PCB板材上采用傳統(tǒng)光刻工藝在金屬層上旋涂光刻膠、烘干固化、曝光、顯影、
烘千堅(jiān)膜、濕法腐蝕金屬層等步驟制作出單層的周期性的金屬網(wǎng)格結(jié)構(gòu)；然后選擇兩層上述 制作的單層金屬網(wǎng)格結(jié)構(gòu)上下對(duì)齊并用尼龍螺釘固定。
所述步驟(3)中金屬矩形網(wǎng)格尺寸如下x極化方向上的周期為Pl—般為A/5 4/2， 空氣孔的尺寸ay—般為4/5 4/3， y極化方向上的周期為P2—般為^/5 ~，空氣孔的
尺寸ax —般為4/5 ~ 4/3以及金屬網(wǎng)格層與層之間的距離h小于min(^/2， ^/2)。
所述步驟(4)中的金屬矩形網(wǎng)格型低折射率覆層材料與微帶貼片天線(xiàn)的接地面之間的距 離d小于min(;i！/2, ^/2)。
所述步驟(4)中的金屬矩形網(wǎng)格型低折射率覆層材料與微帶貼片天線(xiàn)的接地面的固定是 在兩個(gè)物體的四周用尼龍螺釘或其它方式進(jìn)行定位并固定，使得金屬矩形網(wǎng)格型低折射率覆
層材料與微帶貼片天線(xiàn)的接地面平行。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)的相比所具有的優(yōu)點(diǎn)在于
1、 本發(fā)明通過(guò)將金屬矩形網(wǎng)格型低折射率異向介質(zhì)材料作為覆層應(yīng)用到微帶貼片天線(xiàn) 中，可以實(shí)現(xiàn)在兩個(gè)極化方向上的不同的頻段內(nèi)將貼片天線(xiàn)輻射出的電磁波聚焦在傳播的法 線(xiàn)附近，從而實(shí)現(xiàn)了高方向性，提高了微帶貼片天線(xiàn)的增益，并且半功率波束寬度也得到了 減小。
2、 傳統(tǒng)實(shí)現(xiàn)雙頻雙極化定向微帶貼片天線(xiàn)通常需要采用陣列天線(xiàn)實(shí)現(xiàn)，其中饋電網(wǎng)絡(luò)的 設(shè)計(jì)相當(dāng)復(fù)雜，并且也會(huì)帶來(lái)一定的損耗；本發(fā)明僅采用一個(gè)微帶貼片天線(xiàn)就實(shí)現(xiàn)了高方向 性。


圖1為金屬矩形網(wǎng)格型低折射率覆層材料示意圖； 圖2為微帶貼片天線(xiàn)示意圖3為低折射率異向介質(zhì)材料雙頻雙極化微帶貼片天線(xiàn)側(cè)視圖 圖中l(wèi)為金屬網(wǎng)格型低折射率材料的單元格，2為微帶貼片天線(xiàn)。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅限于 下面實(shí)施例，應(yīng)包括權(quán)利要求書(shū)中的全部?jī)?nèi)容。而且本領(lǐng)域技術(shù)人員從以下的一個(gè)實(shí)施例即 可實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求中的全部?jī)?nèi)容。
本發(fā)明實(shí)施例的具體過(guò)程如下-
(1) 選擇矩形微帶貼片天線(xiàn)在x極化方向上的工作頻率為14.2GHz,可以得其波長(zhǎng)A為 21.13mm，在y極化方向上的工作頻率為15.6GHz，可以得其波長(zhǎng)^為19.2mm。
(2) 選擇傳統(tǒng)的矩形微帶貼片天線(xiàn)，其長(zhǎng)度為1:=5.65111111諧振于14.20112， W=5.1mm 諧振于15.6GHz;微帶貼片天線(xiàn)示意圖如圖2所示；
(3) 該微帶貼片天線(xiàn)采用微帶線(xiàn)對(duì)其饋電，微帶貼片天線(xiàn)和微帶線(xiàn)采用傳統(tǒng)光刻工藝刻 蝕在介電常數(shù)為2.2，厚度為1.575mm的介質(zhì)基底(型號(hào)Rogers5880)上；
(4) 制作一個(gè)由周期性雙層金屬矩形網(wǎng)格構(gòu)成的低折射率材料；其具體制作過(guò)程如下 首先利用傳統(tǒng)光刻工藝，在介電常數(shù)2.2，厚度為1.575mm的單面覆銅的微波PCB板(型號(hào) Rogers5880)正面金屬層上旋涂光刻膠、烘干固化、曝光、顯影、烘干堅(jiān)膜、濕法腐蝕金屬層 等步驟，在單面覆銅的微波PCB板上制作出周期個(gè)數(shù)為11x11的金屬矩形網(wǎng)格周期陣列，這
里金屬網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的參數(shù)的選取直接決定了所設(shè)計(jì)材料的等離子頻率和等效折射率的取值，由
于該材料為各向異性材料，這里主要關(guān)心該異向介質(zhì)材料在x和y極化方向上天線(xiàn)工作頻率 處的等效折射率，不斷優(yōu)化金屬矩形網(wǎng)格參數(shù)使其在fl和f2處遠(yuǎn)小于l，并接近于0;本實(shí) 施例取其參數(shù)尺寸如下x極化方向上的周期為Pl=5.7mm，空氣孔的尺寸ay=4.6mm， y 極化方向上的周期為P2 = 7.5mm，空氣孔的尺寸ax=4.9mm;然后選擇兩層上述制作的金屬 網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，并上下對(duì)齊周邊采用尼龍螺釘固定，金屬網(wǎng)格層與層之間的距離h要小于 min(A/2, A/2),這里取h=3mm;所制作的金屬矩形網(wǎng)格型低折射率覆層材料示意圖如圖
l所示；
(5) 將設(shè)計(jì)好的金屬矩形網(wǎng)格型低折射率材料作為微帶貼片天線(xiàn)的覆層放在貼片天線(xiàn)上 面，該材料與貼片天線(xiàn)接地面四周用尼龍螺釘固定，金屬矩形網(wǎng)格型低折射率材料與接地面 之間的距離d小于min(^/2， A/2)，可以在整個(gè)天線(xiàn)系統(tǒng)仿真計(jì)算時(shí)，對(duì)d再進(jìn)行優(yōu)化處
理，獲得最佳輻射性能的天線(xiàn)；這里選取d=7.25mm; —種低折射率異向介質(zhì)材料雙頻雙極 化微帶貼片天線(xiàn)設(shè)計(jì)完成；
(6) 利用現(xiàn)有加工技術(shù)對(duì)所設(shè)計(jì)的低折射率異向介質(zhì)材料雙頻雙極化微帶貼片天線(xiàn)進(jìn)行 制作，所制作的天線(xiàn)的側(cè)視圖如圖3所示。
利用本發(fā)明的低折射率異向介質(zhì)材料雙頻雙極化微帶貼片天線(xiàn)，通過(guò)時(shí)域有限差分法 (FDTD)仿真結(jié)果表明低折射率異向介質(zhì)材料雙頻雙極化微帶貼片天線(xiàn)的增益在x極化方向 上，頻率為14.2GHz時(shí)提高了 8.5dB，同時(shí)在在y極化方向上，頻率為15.6GHz時(shí)提高了 lldB， 并且相應(yīng)的半功率波束寬度明顯壓縮，于是可以得出金屬矩形網(wǎng)格型低折射率材料可以在兩 個(gè)極化方向上的相應(yīng)頻段內(nèi)有效提高微帶貼片天線(xiàn)的輻射性能。
權(quán)利要求
1、一種低折射率異向介質(zhì)材料雙頻雙極化微帶貼片天線(xiàn)，其特征在于包括以下步驟(1)確定微帶貼片天線(xiàn)分別在兩個(gè)極化方向上的工作頻率為f1和f2，對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)分別為λ1和λ2；(2)選取一個(gè)尺寸為L(zhǎng)×W的傳統(tǒng)矩形微帶貼片天線(xiàn)，L表示微帶貼片天線(xiàn)的長(zhǎng)，W表示微帶貼片天線(xiàn)的寬，并用微帶線(xiàn)進(jìn)行饋電；(3)制作一個(gè)由周期性雙層金屬矩形網(wǎng)格構(gòu)成的低折射率異向介質(zhì)材料，其基本參數(shù)包括矩形網(wǎng)格在x極化方向上的周期P1和y極化方向上的周期P2，空氣孔的尺寸ax×ay，以及兩層金屬網(wǎng)格之間的距離h；(4)將金屬矩形網(wǎng)格型低折射率材料放在距離微帶貼片天線(xiàn)d高度處，四周用尼龍螺釘固定支撐，一種低折射率異向介質(zhì)材料雙頻雙極化微帶貼片天線(xiàn)設(shè)計(jì)完成；(5)利用現(xiàn)有加工技術(shù)對(duì)所設(shè)計(jì)的低折射率異向介質(zhì)材料雙頻雙極化微帶貼片天線(xiàn)進(jìn)行制作。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低折射率異向介質(zhì)材料雙頻雙極化^[帶貼片天線(xiàn)，其特征 在于所述步驟(2)中的矩形微帶貼片天線(xiàn)，其長(zhǎng)度丄〈A/2，滿(mǎn)足在x極化方向，工作頻率fl處諧振；其寬度『〈A/2，滿(mǎn)足在y極化方向，工作頻率f2處諧振。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低折射率異向介質(zhì)材料雙頻雙極化微帶貼片天線(xiàn)，其特征 在于所述步驟(2)中的矩形微帶貼片天線(xiàn)在x和y極化方向上都采用微帶線(xiàn)饋電機(jī)制。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低折射率異向介質(zhì)材料雙頻雙極化微帶貼片天線(xiàn)，其特征 在于所述步驟(3)中的低折射率異向介質(zhì)材料為矩形網(wǎng)格周期結(jié)構(gòu)，其制作方法為首先 在單面覆銅的PCB板材上采用傳統(tǒng)光刻工藝在金屬層上旋涂光刻膠、烘干固化、曝光、顯影、 烘干堅(jiān)膜、濕法腐蝕金屬層等步驟制作出單層的周期性的金屬網(wǎng)格結(jié)構(gòu)；然后選擇兩層上述制作的單層金屬網(wǎng)格結(jié)構(gòu)上下對(duì)齊并用尼龍螺釘固定。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低折射率異向介質(zhì)材料雙頻雙極化微帶貼片天線(xiàn)，其特征 在于所述步驟(3)中金屬矩形網(wǎng)格尺寸如下X極化方向上的周期為P1 —般為A/5 4/2，空氣孔的尺寸ay—般為A/5 4/3， y極化方向上的周期為P2—般為^/5 ~ ^/2 ，空氣孔的尺寸ax—般為^/5 A/3以及金屬網(wǎng)格層與層之間的距奮h'小于'min(V2， 4/2)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低折射率異向介質(zhì)材料雙頻雙極化微帶貼片天線(xiàn)，其特征 在于所述步驟(4)中的金屬矩形網(wǎng)格型低折射率覆層材料與微帶貼片天線(xiàn)的接地面之間的 距離d小于min(^/2， ^/2)。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低折射率異向介質(zhì)材料雙頻雙極化微帶貼片天線(xiàn)，其特征 在于所述步驟(4)中的金屬矩形網(wǎng)格型低折射率覆層材料與微帶貼片天線(xiàn)的接地面的固定 是在兩個(gè)物體的四周用尼龍螺釘或其它方式進(jìn)行定位并固定，使得金屬矩形網(wǎng)格型低折射率 覆層材料與微帶貼片天線(xiàn)的接地面平行。
全文摘要
一種低折射率異向介質(zhì)材料雙頻雙極化微帶貼片天線(xiàn)，包括以下步驟(1)確定微帶貼片天線(xiàn)分別在兩個(gè)極化方向上的工作頻率為f1和f2；(2)選取一個(gè)尺寸為L(zhǎng)×W的傳統(tǒng)矩形微帶貼片天線(xiàn)，并用微帶線(xiàn)進(jìn)行饋電；(3)制作一個(gè)由周期性雙層金屬矩形網(wǎng)格構(gòu)成的低折射率材料，并設(shè)置相關(guān)參數(shù)；(4)將金屬矩形網(wǎng)格型低折射率材料放在距離微帶貼片天線(xiàn)d高度處，四周用尼龍螺釘固定支撐在接地面上，一種低折射率異向介質(zhì)材料雙頻雙極化微帶貼片天線(xiàn)制作完成；本發(fā)明利用金屬矩形網(wǎng)格型低折射率材料作為微帶貼片天線(xiàn)的覆層分別在兩個(gè)極化方向的不同頻段內(nèi)提高貼片天線(xiàn)的方向性，提高了天線(xiàn)的增益，同時(shí)也壓縮了貼片天線(xiàn)的半功率波束角。
文檔編號(hào)H01Q13/08GK101383450SQ20081022469
公開(kāi)日2009年3月11日 申請(qǐng)日期2008年10月23日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月23日
發(fā)明者崔建華, 羅先剛, 趙澤宇, 成 黃 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所