[发明专利]一种复合左右手传输线的宽带二元阵天线

说明书

技术领域

本发明涉及一种天线，尤其是基于复合左右手传输线技术的一种宽带的高增益的毫米波二元阵天线。

背景技术

左手材料(left-handed metamaterials)是近年来材料学和物理学领域研究的热点之一。在经典的电动力学理论中，介电材料的电磁特性可由介电常数ε和磁导率μ两个宏观参数来描述。在自然界中，介质的介电常数ε和磁导率μ都是正数，当电磁波照射这些介质材料时，描述电磁波传播特性的电场强度E、磁场强度H和电磁波的传播方向K满足右手螺旋关系，这是物理学中经典的“右手定则”关系。满足“右手定则”关系的介质材料即为右手材料。而通过一定的周期性结构设计，能够获得介电常数ε和磁导率μ都是负数的人造左手材料。当电磁波照射左手材料时，描述电磁波传播特性的电场强度E、磁场强度H和电磁波的传播方向K满足“左手螺旋”关系。此外，电磁波在左手材料中传播时还存在逆snell折射等特殊的电磁特性。基于传输线理论分析可知，采用串联电容和并联电感设计的传输线具有左手材料的特性，由于此时传输线上还寄生有右手效应，这时的传输线就构成了复合左右手传输线。

Itoh等人在文献和相关文献介绍了基于复合左右手传输线技术设计天线的方法。在2002年Itoh等人在文章“Application of the transmission line theory of left-handed(LH)materials to the realization of a microstrip LH line”和2007年Lee等人在文章“Epsilon negative zeroth-order resonator antenna”都叙述了利用左右手传输线设计的天线，美中不足的时，上述基于左手传输线结构实现的天线虽然尺寸较小，却存在着辐射效率低，带宽窄以及增益小的问题。这样的天线很难满足实际应用的需要。究其原因，主要是因为采用复合左右手传输线的零阶谐振模式时，在此工作状态下，传输线的传输常数β为零，波长为无穷大，天线贴片下电场分布没有倒相的过程，从而导致天线辐射效率低、增益差的问题。

发明内容

为了克服现有技术带宽窄(通常小于1％)、低增益的不足，本发明提供一种二元阵天线，基于复合左右手传输线技术，改进构成天线的左手特性的串联电容和并联电感的分布，合理设置由复合左右手传输线组成的天线阵单元结构，从而实现小尺寸、宽带和高增益的二元阵天线，能够满足多种天线场合的实际需求。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于左右手传输线技术的宽带二元阵天线，包括一涂覆铜箔的微波介质基板和通过刻蚀铜箔在微波介质基板上的上、下表面分别形成的上表面元件和下表面元件，所述的上表面元件包括两个结构相同的天线阵单元，天线阵单元之间通过弓形连接线相连接；弓形连接线中间的某处连接微带线的一端，连接点到弓形连接线的两个端口的距离之间相差λ/2，λ为天线阵单元的工作波长，微带线的另一端和馈源相连接，所述的下表面元件为接地板。每个天线阵单元由N个依次排列的方形辐射片构成，N可以取为2～10个。每个辐射片通过短路针穿过微波介质基板与接地板导通；天线阵单元最外边(以远离弓形连接线一侧为外边)的辐射片上刻蚀有方形槽，改善最外边辐射片上的电磁流分布；每两个辐射片之间刻蚀有方齿形刻蚀线，构成一个或多个方齿形交指，以构成交指电容，增强辐射片之间的电磁耦合，从而可以在辐射片之间形成构成左右手传输线所需要的分布电容；所述的弓形连接线和辐射片之间刻蚀有缝隙，加强弓形连接线与辐射片之间的电磁耦合，缝隙的间距可以为0.1mm～0.3mm。

所述微波介质基板由特氟龙材料构成，该种微波介质材料具有价格低廉和优越的抗老化性能，微波介质基板也可由FR4环氧玻璃布或者发泡聚苯乙烯等其他微波介质材料构成。

所述的弓形连接线为形状弯曲类似于弓形的微带线。

所述的方齿形刻蚀线构成的交指电容宽度小于辐射片宽度。

本发明的有益效果是：通过将复合左右手传输线技术中起到左手效应的电容部分改用了交指电容的方式，增强了辐射片之间的电磁耦合，改善了天线的阻抗分布情况，提高了天线的带宽；利用弓形连接线和一端连接馈源的微带线之间的连接点位置的优化设置，来调整两个的天线阵单元之间的相位差，从而改善整个二元阵天线的电磁流分布，进一步提高天线阵的辐射带宽和增益，获得高增益、宽带的子波二元阵毫米波天线。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

附图说明

图1为本发明实施实例1宽带二元阵天线的整体结构示意图。