[发明专利]基于零折射率材料的紧凑型高定向性平板天线

说明书

技术领域

本发明属于透镜天线领域，涉及一种基于零折射率材料的紧凑型高定向性平板天线。

背景技术

微带天线是印制天线的一种，在带有导体接地板的介质基片上贴加导体薄片而形成，由于它剖面薄，体积小，生产成本低，在工程领域得到广泛应用。但传统的微带天线电场分布较为平均，定向性差增益低。虽然一些传统天线也能实现高定向性和高增益，比如反射阵天线等，但其复杂的馈电系统增加了天线设计的成本。新型人工电磁材料由尺寸远小于波长的谐振单元按一定规律排列而成，基于等效媒质理论，其电磁参数可以通过改变单元结构的形状和尺寸来灵活地调控。基于新型人工电磁材料的透镜天线多以喇叭天线为馈源，效果显著但体积和重量较大。

发明内容

技术问题：本发明提供一种紧凑型高定向、体积小、重量轻、易于加工的基于零折射率材料的紧凑型高定向性平板天线。

技术方案：本发明的基于零折射率材料的紧凑型高定向性平板天线，包括贴片天线和零折射率透镜，所述贴片天线由辐射金属贴片和接地贴片通过同轴探针馈电连接组成，两者同轴设置，接地贴片、辐射金属贴片、零折射率透镜依次排列设置，所述辐射金属贴片敷设在零折射率透镜的表面，所述接地贴片宽度大于辐射金属贴片的宽度。

进一步的，本发明的平板天线中，所述辐射金属贴片和接地贴片之间设置有由空气层与聚四氟乙烯基板组成的介质层，馈电点在辐射金属贴片的边缘，工作频率在6GHz。

进一步的，本发明的平板天线中，所述辐射金属贴片与接地贴片均由介质板和设置在所述介质板上的金属层构成，所述金属层面向零折射率透镜设置。

进一步的，本发明的平板天线中，所述接地贴片与辐射金属贴片均为圆形，接地贴片与辐射金属贴片的直径比为3:2。

进一步的，本发明的平板天线中，所述零折射率透镜由两块介质基板平行间隔设置而成，每个介质基板的背向贴片天线的一侧均设置有阵列排布的刻蚀金属谐振单元。

进一步的，本发明的平板天线中，所述刻蚀金属谐振单元为开口谐振环结构

本发明主要利用新型人工电磁材料实现零折射率透镜，将其放置在圆形贴片天线表面，提高其定向性。各向异性零折射率材料即某一方向的介电常数或磁导率为零的材料。当TE模式的电磁波经过纵向磁导率为零的材料后，只有横向的电场和磁场，TE波H面的定向性得以提高，进而提高天线增益。

本发明为了提高微带天线的定向性和增益，设计了一种基于新型人工电磁材料的平板透镜覆盖在圆形贴片天线表面，以圆形贴片天线为馈源，设计简单，结构紧凑，重量轻，成本低，灵活性高，在定向天线和无线通信领域有很高的实用价值。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

本发明样品的加工由印刷电路板加工技术实现，设计简单，加工方便。

本发明的新型透镜天线与传统微带天线相比，定向性好，传统微带天线辐射电磁波类似半球面波，远场方向图的波束宽度较宽，增加透镜后，电磁波穿过透镜相位分布得到修正，到达表面时相位差减小，辐射电磁波接近平面波，定向性较球面波好。

与微带天线阵相比，结构简单灵活，有良好的通用性，通过改变结构的尺寸便可设计在不同工作频点，微带天线阵的馈电网络给系统带来较大的馈电损耗，增加结构复杂度的同时还会降低增益。

本发明首次将新型人工电磁材料应用于圆形贴片天线，与已有的以喇叭为馈源的零折射率透镜天线相比，具有体积小、重量轻等显著优势。

本发明的新型透镜天线是一种紧凑型平板天线，整个透镜天线为平面结构，相比其他透镜天线，易集成，容易做成共形天线。

附图说明

图1是本发明一实施例中基于零折射率材料的紧凑型高定向性平板天线的示意图；

图2是本发明图1中圆形贴片天线的示意图，图2(a)为正视图，图2(b)为后视图，图2(c)为侧视图；

图3是本发明图1中构成透镜的开口谐振环结构单元示意图，图3(a)为正视图，图3(b)为侧视图；

图4是本发明图3中开口谐振环结构的等效磁导率相对频率的变化曲线；

图5是本发明图3中开口谐振环单元在透镜表面的排列示意图；

图6是本发明在6GHz下仿真结果，图6(a)为图2中圆形贴片天线H面电场分布，图6(b)为图1中透镜天线H面电场分布；

图7是本发明在6GHz下的仿真结果，图7(a)为H面远场方向图，图7(b)为E面远场方向图；

图8是本发明在6GHz下实验结果，图8(a)为H面远场测试图，图8(b)为E面远场测试图。