[发明专利]一种基于周期性超材料结构的可调谐微带天线及其设计方法

说明书

一种基于超材料结构的可调谐微带天线及其设计方法。所述天线是在普通微带天线的上方加载两层周期性开口谐振环结构作为天线的覆盖层，在微带天线的辐射贴片和介质板之间添加BST薄膜材料而制成。该设计包括：(1)首先设计一款普通的微带天线；(2)将双层周期性开口谐振环结构作为天线的覆盖层，加载于普通微带天线上方，每层谐振环数量均为5*5。(3)在不改变天线自身结构的情况下，在微带天线的辐射贴片和介质板之间添加BST薄膜材料，通过电压控制BST薄膜材料的介电常数，从而改变天线的谐振频率。

技术领域

本发明属于无线电领域，具体涉及一种基于周期性超材料结构的可调谐微带天线设计。

背景技术

射频识别技术是一种通过无线通讯方式进行数据通信，从而实现目标识别的技术，其中天线发挥着十分重要的作用。天线作为RFID系统发射和接收的重要部分，其性能直接影响到系统的通信质量，如今传统的天线已经难以满足现代通信的需求。超材料作为当前研究的热点，将其应用于天线可以提高天线的性能，有助于天线的优化。

超材料是一种自然界中不存在的人工周期结构，其具有特殊的电磁特性。超材料一般指的是介电常数为负或者磁导率为负或者这两者都为负的材料，超材料天线比一般天线的性能要好，一般天线加载超材料之后可以大大提高天线性能，使天线得到更好的优化。

可调谐天线可以在不改变天线结构和尺寸的情况下得到不同的谐振频率，这种方式多用于多功能系统，可以降低系统的成本，减轻重量，并有利于系统的电磁兼容。由于近年来对铁电薄膜材料的研究有较大进步，将铁电薄膜材料应用于天线，利用其压电特性，改变其介电常数，以此来控制天线的谐振频率，从而实现天线谐振频率的可调。

发明内容

本发明目的是解决现有技术中微带天线本身的增益低，带宽窄，频率不可调等问题，提出一种基于周期性超材料结构的可调谐微带天线设计方法，该天线具有增益高、方向性好、可调谐等优点。

本发明所述的一款基于超材料结构的可调谐微带天线，包括一个普通的微带天线，所述普通的微带天线的中心频率为2.45GHz，馈电方式采用同轴馈电，天线尺寸56mm*74mm，厚度1.6mm，介质板材料采用FR4_epoxy，辐射贴片大小为37mm*28mm；在所述的普通微带天线的上方加载两层周期性开口谐振环阵列结构的覆盖层，每层开口谐振环数量均为5*5；在微带天线的辐射贴片和介质板之间添加BST薄膜材料。

所述的超材料覆盖层与普通微带天线之间，以及两层覆盖层之间的距离均为5mm。

本发明所述的基于超材料结构的可调谐微带天线的设计过程包括：

(1)使用HFSS仿真软件来设计一款普通的微带天线，中心频率为2.45GHz，馈电方式采用同轴馈电，天线尺寸56mm*74mm，厚度1.6mm，介质板材料采用FR4_epoxy,辐射贴片大小为37mm*28mm。

(2)在微带天线上方5mm处添加单层周期性谐振环结构，谐振环数量为5*5，仿真观察天线的回波损耗、方向图。

(3)改变周期性谐振环结构层数，即在微带天线上方5mm和10mm处分别添加一层周期性谐振环结构，每层谐振环数量均为5*5，对照观察天线的回波损耗、方向图。

(4)在(3)的基础上，调整双层周期性谐振环与微带天线之间的距离，对照观察天线的回波损耗、方向图。

(5)在不改变普通微带天线自身结构的情况下，在普通微带天线的辐射贴片和介质板之间添加BST薄膜材料，通过电压控制BST薄膜材料的介电常数，改变普通微带天线的谐振频率。

由以上结构的可调谐微带天线仿真结果和之前未加载超材料结构的天线作对比，通过对比三者的回波损耗、方向图和增益，取性能最好的参数。通过调整微带天线与超材料结构之间的距离，或改变超材料层数，实现对加载超材料的天线进行优化。