[发明专利]宽带宽高增益的超材料天线

说明书

技术领域

     本发明涉及通讯天线领域，具体涉及一种宽带宽高增益的超材料天线，其采用较小的体积，实现较宽的带宽和较高的增益。 

背景技术

超材料（Metamaterial MTM）的人工制造结构显示出特别的波传播特性，其应用到天线设计中一直是一个热门方向，吸引了很多学者和工程师的注意，但是超材料的构造是用电磁谐振，所以带宽很窄，损耗也会增加。 

Le-Wei Li等在Proc. of 2010 European Conference on Antennas and Propagation中公开了一种宽带宽高增益超材料天线（Broadband and High-Gain Metamaterial Microstrip Anetnna Arrays），其包括基板、安装在基板上表面的左手超材料天线单元和位于基板下表面的金属反射层；所述金属反射层被刻蚀出十字型带状间隙，其中馈电区域未被刻蚀，天线区域采用四个超材料天线单元并联，并通过馈线与馈源连接。与传统四元天线相比，其带宽大大提高，带宽内同样实现了高增益。虽然并联馈阵有更宽的带宽并且提高了增益，但是并联馈电由于功分器的尺寸、数量与其连接的微带线的长度与数量是设计好的，并联馈电的天线体积或面积很难被进一步缩小。随着电子产品日益小型化，对天线的性能要求不断提高的前提下，对其所占面积也提出了小型化要求。 

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种宽带宽高增益的超材料天线阵，其采用偏离中心的馈线将超材料天线串联连接，在减小天线尺寸的同时，拓宽了天线带宽、增加了天线增益。 

为解决上述技术问题，本发明采取的技术方案如下： 

一种宽带宽高增益的超材料天线，结构中包括基板、刻蚀在基板上表面的超材料制成的天线阵和覆在基板下表面的金属反射层，所述金属反射层上刻蚀有阵列的十字型间隙；所述天线阵由第一阵元和第二阵元串联组成。

所述第一阵元和第二阵元借助偏离中心的第一馈线连接，第二阵元与馈源之间借助偏离中心的第二馈线连接，所述第二馈线与第一馈线与中心偏离的方向是相反的。 

采用上技术方案产生的有益效果在于： 

1）本发明采用二元超材料阵元串联馈电，不需要预留功分器的面积，所需馈线的数量也减少为2根，而且阵元所占的面积也减少一半，因此天线的体积（或面积）较四元阵元并联馈电的体积（或面积）要小很多，适于电子产品对小型化趋势；

2）本发明采用体积较小的串联的二元阵元工作带宽为3.9GHz~7.7GHz，相对带宽达到68%，而单个阵元的相对带宽是46%；除了3.9GHz~4.65GHz，带宽内峰值增益都高于3.9dB。

附图说明

图1是本发明天线的主视结构示意图； 

图2是本发明天线的后视结构示意图；

图3是本发明天线的S₁₁图；

图4是本发明天线的增益图；

图5是本发明天线的仿真3D方向图；

图6是测量的本发明天线7GHz的2D共面极化与交叉极化的结果；

图7是测量的本发明天线7.6GHz 的2D共面极化与交叉极化的结果；

附图中，1、第一阵元，2、第二阵元，3、金属反射层，4、基板，5、第一馈线，6、第二馈线，7、十字型间隙。

具体实施方式

 参看图1和图2，本发明结构中包括基板4、刻蚀在基板4上表面的超材料制成的天线阵和覆在基板2下表面的金属反射层3，所述金属反射层3上刻蚀有阵列的十字型间隙7，在第二馈线6所在的馈电区域所对应的金属反射层上未刻蚀十字型间隙，刻画的超材料参见背景技术中Le-Wei Li所公开的超材料。本发明中所述天线阵由第一阵元1和第二阵元2串联组成。 

所述第一阵元1和第二阵元2借助偏离中心的第一馈线5连接，第二阵元2与馈源之间借助偏离中心的第二馈线6连接，所述第二馈线6与第一馈线5与中心偏离的方向是相反的。 

第一阵元1与第二阵元2之间的距离为介质中的中心波长的0.5~1倍。第一馈线5的特征阻抗与第一阵元1的输入阻抗匹配。 

设计传统天线时的假设（每个天线的阻抗是纯实数）在超材料概念天线阵设计中很难被保证。虽然为了增益最好的叠加，两个阵元之间的距离仍然是一个波长（天线排阵的一个要求，为了保证两个天线相位相同），但是馈线和阵元各自的长度不再像传统天线一样是半波长。