專利名稱：一種基于左手材料的高增益縫隙陣列天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于左手材料的高增益縫隙陣列天線，屬于無線電設(shè)備中天線領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在無線通信、遙感遙測等諸多領(lǐng)域需要高增益定向天線，為此人們研制了大量的高增 益定向天線，如拋物面天線、角反射天線、微帶陣列天線等。人們還在不斷地研制新類型 的定向天線，希望在實(shí)現(xiàn)高增益同時(shí)，降低天線尺寸、加工難度和造價(jià)，提升天線工作頻 帶寬度和輻射效率等性能指標(biāo)，以便滿足大量工程應(yīng)用中對高性能高增益定向天線的需 求。
左手材料是近年來國際物理學(xué)和電磁學(xué)的一個(gè)研究熱點(diǎn)，是一個(gè)全新的研究領(lǐng)域。所 謂左手材料是指等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率同時(shí)為負(fù)值的介質(zhì)，又稱雙負(fù)介質(zhì)。左手材料 具有許多奇異的電磁特性，比如相速與能流的方向相反、逆Sne11效應(yīng)(負(fù)折射)、逆Doppler 效應(yīng)和逆Cerenkov輻射等等。
左手材料的出現(xiàn)為高增益天線的設(shè)計(jì)提供了新的設(shè)計(jì)思路，國內(nèi)外進(jìn)行了大量研究。 迄今為止，采用的手段都是將天線置于左手材料中，或采用左手材料制作為平面透鏡，將 平面透鏡置于天線前端，利用左手材料的負(fù)折射率對電磁波進(jìn)行匯聚從而提高天線的增顯。
《Progress In Electromagnetics Research,PIER》2005年51期上論文(Experimental Study of ;/4 Monopole Antennas in A Left-Handed Meta-Material》中將四分之一波長單極子天線置 于左手材料中從而將原本不具有定向性的輻射波束匯聚成定向輻射波束?！禔ntennas and propagation Society International Symposium,2005正EE》2005年7月刊上論文《Left-Handed Medium effect on the characteristics of a circular patch antenna》中把金屬開口諧振環(huán)和金屬矩 形條構(gòu)成的左手透鏡覆蓋在圓形微帶貼片天線上，使得天線增益提高了2.8db?！禤rogressln Electromagnetics Research,PIER》2006年65期上論文《A STUDY OF USING THE DOUBLE NEGATIVE STRUCTURE TO ENHANCE THE GAIN OF RECTANGULAR WAVEGUIDE
ANTENNA ARRAYS》中將左手材料制作的平面透鏡置于矩形波導(dǎo)天線前端，將其增益提
3高了5dB。但在上述天線中，左手材料是被制作為獨(dú)立結(jié)構(gòu)附加于天線結(jié)構(gòu)中，造成天線
的厚度、重量和尺寸的增加。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供一種基于左手材料的高增益縫隙陣列天 線，其特點(diǎn)是將左手材料制作為天線的輻射縫隙。
本發(fā)明目的由以下技術(shù)措施實(shí)現(xiàn) 基于左手材料的高增益縫隙陣列天線
基于左手材料的高增益縫隙陣列天線為多層結(jié)構(gòu)，由縫隙輻射層、饋電層和反射層組 成，三個(gè)金屬層之間形成的二個(gè)空氣層，使用同軸接頭饋電；縫隙輻射層是在金屬板上蝕 刻開口諧振環(huán)縫隙和矩形窄條縫隙，這些縫隙組成周期性陣列作為該天線輻射單元，其中 開口諧振環(huán)縫隙陣列實(shí)現(xiàn)負(fù)等效磁導(dǎo)率，矩形窄條縫隙陣列實(shí)現(xiàn)負(fù)介電常數(shù)，從而獲得左
手材料特性；饋電層包括一個(gè)T形功分系統(tǒng)和若干條金屬導(dǎo)帶，T形功分系統(tǒng)的輸入端口 在饋電點(diǎn)處與同軸接頭的內(nèi)導(dǎo)體連接，T形功分系統(tǒng)的每一個(gè)輸出端口分別與每一條金屬 導(dǎo)帶連接，T形功分系統(tǒng)將饋入的電磁能量等幅同相地傳輸?shù)浇饘賹?dǎo)帶,金屬導(dǎo)帶位于每列 開口諧振環(huán)的正下方；縫隙輻射層和反射層充當(dāng)金屬地，金屬地同金屬導(dǎo)帶一起構(gòu)成帶狀 線傳輸線(Stripline transmission line),該帶狀線傳輸線原理上允許電磁能量在金屬導(dǎo)帶和金 屬地之間無輻射地傳輸；開口諧振環(huán)縫隙和矩形窄條縫隙破壞了帶狀線傳輸線對電磁能量 無輻射傳輸?shù)臈l件，將電磁能量耦合到隙縫中并輻射，多個(gè)隙縫輻射的電磁能量在空間中 疊加，形成高增益的定向輻射特性；金屬反射層不但為帶狀線傳輸線提供金屬地，并且作 為金屬反射面反射電磁波，加強(qiáng)其定向輻射增益；由開口諧振環(huán)縫隙和矩形窄條縫隙所形 成左手材料所具備的對電磁波聚焦效應(yīng)，進(jìn)一步提高了該天線的定向輻射增益。
蝕刻在縫隙輻射層的開口諧振環(huán)縫隙和矩形窄條縫隙數(shù)量為1個(gè)或多個(gè)，數(shù)量越多， 該天線的定向增益越大。
縫隙輻射層、饋電層和反射層為金屬平板或印刷電路板(PrintedCircuitBoard,PCB) 制作。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)
1. 基于左手材料的高增益縫隙陣列天線為多層平面結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單、加工容易，適 宜于大批量生產(chǎn)。
2. 基于左手材料的高增益縫隙陣列天線采用左手材料縫隙作為輻射單元，實(shí)現(xiàn)高增益 定向輻射。3.基于左手材料的高增益縫隙陣列天線直接由同軸線饋電，不需要額外的巴倫和阻 抗變換網(wǎng)絡(luò)，簡化了天線設(shè)計(jì)、制作和調(diào)試。


圖1天線結(jié)構(gòu)側(cè)視圖
圖2天線縫隙輻射層正視圖
圖3天線饋電層正視圖
圖4天線三維輻射方向圖
1.輻射層，2.饋電層，3.反射層，4.同軸接頭，5.矩形窄條縫隙6.開口諧振 環(huán)縫隙，7.同軸饋電點(diǎn)，8.T形功分系統(tǒng)，9.金屬導(dǎo)帶
具體實(shí)施例方式
下面通過實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行具體的描述，有必要在此指出的是本實(shí)施例只用于對發(fā) 明進(jìn)行進(jìn)一步說明，不能理解為對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制。該領(lǐng)域的技術(shù)熟練人員可以根 據(jù)上述本發(fā)明的內(nèi)容作出 一些非本質(zhì)的改進(jìn)和調(diào)整。
實(shí)施例
基于左手材料的高增益縫隙陣列天線的結(jié)構(gòu)如圖1 3所示，該天線由縫隙輻射層1，
饋電層2和反射層3組成，使用同軸接頭4饋電，如圖1所示。
縫隙輻射層1是在金屬板或印刷電路板上蝕刻開口諧振環(huán)縫隙陣列6和矩形窄條縫隙 陣列5,如圖2所示。
開口諧振環(huán)陣列和窄矩形條陣列都是由4X4共16個(gè)單元組成，這些縫隙組成周期性 陣列作為天線輻射單元。饋電層2包括一個(gè)T形功分系統(tǒng)8和若干條金屬導(dǎo)帶9， T形功 分系統(tǒng)的輸入端口在饋電點(diǎn)7與同軸接頭4的內(nèi)導(dǎo)體連接，T形功分系統(tǒng)的每個(gè)輸出端口 分別與每一條金屬導(dǎo)帶9連接，金屬導(dǎo)帶位于每列開口諧振環(huán)的正下方，如圖3所示。由 于開口諧振環(huán)縫隙陣列和矩形窄條縫隙陣列的特征阻抗約90Q，而天線饋電端口阻抗為 50Q,該T形功分系統(tǒng)同時(shí)完成了天線饋電的阻抗匹配。縫隙輻射層1和金屬反射層3充 當(dāng)金屬地，金屬地同金屬導(dǎo)帶9一起構(gòu)成帶狀線傳輸線。
經(jīng)數(shù)值仿真計(jì)算，并加工制作了天線模型進(jìn)行了實(shí)際測試，采用左手材料的新型帶狀 線縫隙天線的工作頻段從5.65GHz延伸到5.95GHz，其輻射增益為19.29dBi，結(jié)果表明該 天線實(shí)現(xiàn)了高增益輻射，輻射方向圖如圖4所示。
權(quán)利要求
1. 一種基于左手材料的高增益縫隙陣列天線，其特征在于該天線為多層結(jié)構(gòu)，包括縫隙輻射層(1)，饋電層(2)和反射層(3)組成的三個(gè)金屬層，三個(gè)金屬層之間形成二個(gè)空氣層，使用同軸接頭(4)饋電；縫隙輻射層(1)是在金屬層上蝕刻開口諧振環(huán)縫隙(6)和矩形窄條縫隙(5)，這些縫隙組成周期性陣列作為天線輻射單元；饋電層(2)包括一個(gè)T形功分系統(tǒng)(8)和若干條金屬導(dǎo)帶(9)，T形功分系統(tǒng)的輸入端口在同軸饋電點(diǎn)(7)與同軸接頭(4)的內(nèi)導(dǎo)體連接，T形功分系統(tǒng)的每一個(gè)輸出端口分別與每一條金屬導(dǎo)帶(9)連接，金屬導(dǎo)帶位于每列開口諧振環(huán)的正下方；縫隙輻射層(1)和反射層(3)充當(dāng)金屬地，金屬地同金屬導(dǎo)帶(9)一起構(gòu)成帶狀線傳輸線。
2. 如權(quán)利要求1所述的基于左手材料的高增益縫隙陣列天線，其特征在于縫隙輻射層 (1)的開口諧振環(huán)縫隙和矩形窄條縫隙的數(shù)量為1個(gè)或多個(gè)。
3. 如權(quán)利要求1所述的基于左手材料的高增益縫隙陣列天線，其特征在于縫隙輻射層 (1)、饋電層(2)和反射層(3)為金屬平板或印刷電路板。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于左手材料的高增益縫隙陣列天線，其特點(diǎn)是該天線為多層結(jié)構(gòu)，包括縫隙輻射層(1)，饋電層(2)和反射層(3)組成的三個(gè)金屬層，三個(gè)金屬層之間形成二個(gè)空氣層，使用同軸接頭(4)饋電；縫隙輻射層(1)是在金屬層上蝕刻開口諧振環(huán)縫隙(6)和矩形窄條縫隙(5)，這些縫隙組成周期性陣列作為天線輻射單元；饋電層(2)包括一個(gè)T形功分系統(tǒng)(8)和若干條金屬導(dǎo)帶(9)，T形功分系統(tǒng)的輸入端口在同軸饋電點(diǎn)(7)與同軸接頭(4)的內(nèi)導(dǎo)體連接，T形功分系統(tǒng)的每一個(gè)輸出端口分別與每一條金屬導(dǎo)帶(9)連接，金屬導(dǎo)帶位于每列開口諧振環(huán)的正下方；縫隙輻射層(1)和反射層(3)充當(dāng)金屬地，金屬地同金屬導(dǎo)帶(9)一起構(gòu)成帶狀線傳輸線。它具有高增益、制作簡便和成本低的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01Q13/10GK101505004SQ20091005850
公開日2009年8月12日 申請日期2009年3月5日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月5日
發(fā)明者劉長軍, 偉 華, 楊曉慶, 翔 趙, 郭慶功, 閆麗萍, 星 陳, 黃卡瑪 申請人:四川大學(xué)