一種基于人工磁導(dǎo)體的寬頻帶高增益蝶形天線的制作方法
【專利摘要】一種基于人工磁導(dǎo)體的寬頻帶高增益蝶形天線，包括設(shè)置在人工磁導(dǎo)體反射面上的蝶型天線，蝶型天線包括上、下兩層金屬層及中間介質(zhì)層；下層金屬層包括下層陣子以及用于匹配阻抗的梯形貼片，上層金屬層包括上層陣子以及多個開路枝節(jié)，下層金屬層與上層金屬層通過SMA接頭連接；中間介質(zhì)層通過介質(zhì)螺絲及介質(zhì)支柱連接人工磁導(dǎo)體反射面，人工磁導(dǎo)體反射面由下至上依次由金屬接地板、介質(zhì)基板及多個陣列排布的正方形貼片單元構(gòu)成，正方形貼片單元上開設(shè)有Jerusalem十字縫隙；在人工磁導(dǎo)體反射面外周設(shè)置有PEC接地輪廓層。本發(fā)明尺寸小、結(jié)構(gòu)簡單、成本低、易于加工，并具備剖面低、寬頻帶和高增益特性。
【專利說明】
一種基于人工磁導(dǎo)體的寬頻帶高増益蝶形天線
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于無線電通信領(lǐng)域，具體涉及一種基于人工磁導(dǎo)體的寬頻帶高增益蝶形天線。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著無線電通信技術(shù)的快速發(fā)展，天線系統(tǒng)需要滿足更高的要求。全球定位系統(tǒng)(GPS)、衛(wèi)星通信系統(tǒng)以及個人通信系統(tǒng)等領(lǐng)域需要使用寬頻帶、高增益以及結(jié)構(gòu)緊湊的天線。
[0003]在過去，為了增加帶寬，產(chǎn)生了一系列的貼片天線結(jié)構(gòu)。在這些天線中，蝶形天線由于具備寬頻帶、結(jié)構(gòu)簡單而緊湊、重量輕、易于小型化以及易于加工等優(yōu)點而成為寬帶天線的首選。為使天線制作簡單，通常采用印刷電路工藝，因此印刷形式的蝶形天線由于易于加工并方便與電路集成而被廣泛采用。然而寬頻帶蝶形天線為雙向輻射天線，當應(yīng)用于802.16無線城域網(wǎng)系統(tǒng)中時，一般增益不夠高。為獲得高增益的單向輻射蝶形天線，傳統(tǒng)天線以理想電導(dǎo)體(Perfect Electric Conductor，PEC)作為反射面。為降低天線的剖面高度，輻射天線必須盡可能的靠近PEC平面，根據(jù)PEC表面的邊界條件，電場的切向電場為零。反射波會產(chǎn)生180°的相位差，PEC平面產(chǎn)生的鏡像電流與原電流相互抵消。這就導(dǎo)致天線阻抗的實部趨向于零，而虛部則遠遠大于零。因此必須保證二者的最小間距為四分之一波長，以減小反射波與入射波之間的干擾，這一限制使得在低頻應(yīng)用中天線將變得非常厚。將PEC反射面換成磁導(dǎo)體(Perfect Magnetic Conductor，PMC)反射面能夠解決以上問題。首先，根據(jù)PMC表面的邊界條件，入射電場與反射電場的相位差為零。輻射天線與反射面之間的距離可以設(shè)計在一個很小的范圍內(nèi)C=PMC的高阻抗表面特性能夠降低天線的背瓣輻射，從而提高天線的前后比。但自然界中并不存在PMC，因而在實際運用中也不能構(gòu)造PMC邊界條件。直到 1999年美國學(xué)者D.Sievenpiper提出了一種高阻抗表面(High Impedance Surface，HIS)的EBG結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)與PMC特性相似，即對于入射波具有同相反射的特性，因此把它也稱為人工磁導(dǎo)體(AMC:Artificial Magnetic Conductors)。
[0004]近年來，隨著新型電磁材料的發(fā)展，人工磁導(dǎo)體(AMC:Artificial MagneticConductors)結(jié)構(gòu)的研究及應(yīng)用已經(jīng)成為當前微波領(lǐng)域的熱點之一 C3AMC結(jié)構(gòu)通常由介質(zhì)基板上周期性排列的金屬貼片構(gòu)成，具有理想磁壁對平面波的同相位反射特性，能夠用于提高天線及射頻部件的整體性能。根據(jù)AMC表面的工作機理，當AMC表面反射來波的相位在-90°到+90°之間時，它可被視為磁導(dǎo)體。所以，反射相位處于±90°之間的頻帶被定義為AMC表面的同相反射頻帶。利用人工磁導(dǎo)體對平面波的同相反射特性，將其應(yīng)用于印刷蝶形天線的設(shè)計中，可以有效改善天線性能、降低背瓣輻射、提高天線帶寬、提高天線增益及效率。目前雖然已有很多蝶形天線與人工磁導(dǎo)體結(jié)合的研究，但是現(xiàn)有的基于人工磁導(dǎo)體的蝶形天線還存在頻帶窄、增益低或者剖面不夠低，或者頻帶寬但剖面較高，或者剖面很低但帶寬不夠?qū)?，又或者頻帶寬但增益不夠高，此類問題制約著蝶形天線的應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)中的問題，提供一種基于人工磁導(dǎo)體的寬頻帶高增益蝶形天線，其尺寸小、結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，并且易于加工，在保證低剖面的基礎(chǔ)上能夠?qū)崿F(xiàn)寬頻帶特性，并有效提高寬頻帶蝶形天線增益。
[0006]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
[0007]包括設(shè)置在人工磁導(dǎo)體反射面上的蝶型天線，蝶型天線包括上、下兩層金屬層以及中間介質(zhì)層;所述的下層金屬層包括下層陣子以及用于匹配阻抗的梯形貼片，上層金屬層包括上層陣子以及用于展寬帶寬和匹配阻抗的多個開路枝節(jié)，所述的下層金屬層與上層金屬層通過SMA接頭連接;所述的中間介質(zhì)層通過介質(zhì)螺絲和介質(zhì)支柱連接人工磁導(dǎo)體反射面，所述的人工磁導(dǎo)體反射面由下至上依次由金屬接地板、介質(zhì)基板以及多個陣列排布的正方形貼片單元構(gòu)成，正方形貼片單元上開設(shè)有用于設(shè)定同相反射相位頻帶以及寬度的Jerusalem十字縫隙，所述的Jerusalem十字縫隙由十字縫隙以及加載在十字縫隙四周的矩形縫隙構(gòu)成。
[0008]所述的人工磁導(dǎo)體反射面外周設(shè)置有4mm高的PEC接地輪廓層。
[0009]所述的上層陣子上設(shè)置的多個開路枝節(jié)長度不等。
[0010]所述的蝶型天線的剖面高度為0.?λ，λ為中心頻點處自由空間的波長。
[0011]所述的蝶型天線采用同軸饋電結(jié)構(gòu)。
[0012]所述的中間介質(zhì)層與介質(zhì)基板均為FR4介質(zhì)板。
[0013]所述的下層陣子與上層陣子均包括漸縮型的陣子貼片以及設(shè)置在陣子貼片尾部的饋電枝節(jié)，下層陣子的陣子貼片通過其饋電枝節(jié)連接梯形貼片，上層陣子的饋電枝節(jié)上依次設(shè)置有較短的第一開路枝節(jié)以及較長的第二開路枝節(jié)。
[0014]所述SMA接頭的內(nèi)芯與上層陣子的饋電枝節(jié)相連，外皮與梯形貼片相連。
[0015]所述的正方形貼片單元為6X9的矩陣。
[0016]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果:蝶形天線上、下兩層金屬層的陣子大小能夠調(diào)節(jié)天線的工作頻帶，梯形貼片的漸變結(jié)構(gòu)作為巴倫結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)阻抗匹配，采用人工磁導(dǎo)體反射面，根據(jù)其± 90°同相反射原理，使天線放置在反射面上方較小高度時即能夠?qū)崿F(xiàn)正向最大輻射，能夠減小剖面高度，并且提高蝶形天線增益。人工磁導(dǎo)體的正方形貼片單元上開有Jerusalem十字縫隙,Jerusalem十字縫隙包括十字縫隙以及加載在十字縫隙四周的矩形縫隙，在相同尺寸相同剖面高度條件下此結(jié)構(gòu)的AMC單元能實現(xiàn)比原始寬頻帶正方形貼片更寬的帶寬。此外，本發(fā)明蝶形天線的上層金屬層的上層陣子上設(shè)有多個開路枝節(jié)，能夠?qū)崿F(xiàn)阻抗匹配以及展寬蝶形天線的帶寬。將此加載多開路枝節(jié)的蝶形天線放置在此種人工磁導(dǎo)體表面之上，在實現(xiàn)剖面高度只有0.1λ(λ為中心頻點處自由空間的波長)的基礎(chǔ)上，能夠?qū)崿F(xiàn)相對帶寬為42%的寬頻帶特性并同時提高增益。在42%寬帶寬的基礎(chǔ)上，以此發(fā)明人工磁導(dǎo)體反射面為接地面的此蝶形天線在工作頻段內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)高達7.94dBi的增益。
[0017]進一步的，本發(fā)明人工磁導(dǎo)體反射面外周設(shè)置有PEC接地輪廓層，能夠減小后向和側(cè)向輻射，有效提高了整體天線的增益，在本發(fā)明的工作頻帶內(nèi)，測試能提高平均IdB的增益。
【附圖說明】
[0018]圖1本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)的三維示意圖；
[0019]圖2本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)的俯視示意圖；
[0020]圖3本發(fā)明蝶形天線的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖4本發(fā)明人工磁導(dǎo)體反射面的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖5本發(fā)明Jerusalem十字縫隙正方形貼片單元的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖6人工磁導(dǎo)體反射面的反射相位頻率特性響應(yīng)圖；
[0024]圖7本發(fā)明天線Sll測試與仿真結(jié)果圖；
[0025]圖8本發(fā)明天線增益測試與仿真結(jié)果圖；
[0026]圖9(a)本發(fā)明2.5GHz處測試和仿真E面方向圖；
[0027]圖9(b)本發(fā)明2.5GHz處測試和仿真H面方向圖；
[0028]圖1O(a)本發(fā)明3.5GHz處測試和仿真E面方向圖；
[0029 ]圖1O (b)本發(fā)明3.5GHz處測試和仿真H面方向圖。
[0030]附圖中:11.蝶型天線；12.人工磁導(dǎo)體反射面；13.介質(zhì)支柱;31.下層陣子;32.梯形貼片；33.中間介質(zhì)層；34.上層陣子;35.第一開路枝節(jié);36.第二開路枝節(jié)；37.SMA接頭；41.正方形貼片單元;42.介質(zhì)基板;43.金屬接地板;44.PEC接地輪廓層。
【具體實施方式】
[0031 ]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步的詳細說明。
[0032]本發(fā)明在采用人工磁導(dǎo)體反射面(AMC反射面)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)蝶形天線低剖面，使得蝶形天線高度大幅度降低，在保持天線低剖面的同時，實現(xiàn)了寬頻帶和高增益，并通過在AMC反射面的周圍加上PEC外圍輪廓，使得天線整體的增益得到進一步提高，克服了現(xiàn)有技術(shù)在WiMAX(802.16無線城域網(wǎng))通信網(wǎng)絡(luò)中頻帶窄、增益低以及高剖面的不足。
[0033]參見圖1-5，本發(fā)明基于人工磁導(dǎo)體的寬頻帶高增益蝶形天線結(jié)構(gòu)上由蝶形天線11和人工磁導(dǎo)體反射面12兩部分組成，蝶形天線11和人工磁導(dǎo)體反射面12是由四個介質(zhì)螺絲及介質(zhì)支柱13相連的，該蝶形天線11由上、下兩層金屬層和中間介質(zhì)層33的三層構(gòu)成。下層金屬層由下層陣子31和梯形貼片32組成，上層金屬層由上層陣子34、第一開路枝節(jié)35和第二開路枝節(jié)36組成。上層金屬層與下層金屬層之間無通孔，由SMA接頭37連接。
[0034]本發(fā)明蝶形天線11的饋電結(jié)構(gòu)為同軸饋電，SMA接頭37的內(nèi)芯與上層陣子34的饋電枝節(jié)相連，SMA接頭37的外皮與下層金屬層的梯形貼片32相連。本發(fā)明的人工磁導(dǎo)體反射面12由6 X 9正方形貼片單元41、介質(zhì)基板42、金屬接地板43和外圍的PEC接地輪廓層44組成。人工磁導(dǎo)體反射面正方形單元為Jerusalem十字縫隙結(jié)構(gòu)，中間十字縫隙寬度為w，四周矩形縫隙長為al，寬為a2。此結(jié)構(gòu)在蝶形天線的工作頻帶內(nèi)的頻率響應(yīng)為阻帶，其±90°的反射相位對應(yīng)的頻帶包含蝶形天線的工作頻帶。
[0035]如圖3所示，蝶形天線11上兩個陣子的長度決定了天線的工作頻帶，隨陣子橫向和縱向長度的增大，頻帶往低頻移動，并且Sll增大，其中陣子的橫向長度對頻帶的位置影響較大，縱向長度影響較小。在蝶形天線上通過加載第一開路枝節(jié)35和第二開路枝節(jié)36來展寬蝶形天線11的帶寬并實現(xiàn)阻抗匹配，這通過調(diào)節(jié)兩個枝節(jié)的長度來實現(xiàn)。對于第一開路枝節(jié)35，隨其長度的增加，頻帶的左右端點均左移，Sll增大。對于第二開路枝節(jié)36，隨枝節(jié)長度的增加，頻帶的左端點基本不變，右端點左移，Sll增大。并且蝶形天線11加載兩個枝節(jié)時的帶寬比加載其中任意一個枝節(jié)或者不加載枝節(jié)時的帶寬都要寬。梯形貼片32的漸變結(jié)構(gòu)作為巴倫結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)阻抗匹配，該梯形貼片的上底為下層金屬層饋電枝節(jié)的寬度，梯形的高度和下底的長度影響天線的阻抗匹配。中間介質(zhì)層33為FR4介質(zhì)基板。通常貼片天線采用PEC作為反射面來提高增益以及減小后向輻射，由于其表面反射相位為180°，當PEC放置在天線下方1/4個波長時，能實現(xiàn)正向最大輻射，所以其剖面高度至少約為1/4個波長。而本發(fā)明采用AMC作為反射面，由于AMC具有±90°同相反射的原理，使得天線在放置于AMC上方小于1/4個波長的較小高度時，即能實現(xiàn)正向最大輻射，因此本發(fā)明的蝶形天線的剖面高度只有0.1個波長，并且提高了蝶形天線的增益。如圖4所示，人工磁導(dǎo)體反射面12由四部分構(gòu)成，周期性結(jié)構(gòu)形成了 2.46-3.67GHz (39.5 % )的±90°的反射相位帶寬，介質(zhì)基板42為FR4介質(zhì)基板，而外圍4mm高的PEC接地輪廓層44用來包圍接金屬接地板43，形成小的諧振腔，相當于在縱向增大了接地面，減少側(cè)向和后向輻射，這在AMC提高增益的基礎(chǔ)上再進一步提高增益。如圖5所示，人工磁導(dǎo)體反射面貼片單元結(jié)構(gòu)是Jerusalem十字縫隙結(jié)構(gòu)，它是通過在十字縫隙的四周加載矩形縫隙構(gòu)成的。十字縫隙單元構(gòu)成的陣列在結(jié)構(gòu)上等效于寬頻帶正方形貼片單元構(gòu)成的陣列，因此十字縫隙結(jié)構(gòu)具有寬頻帶特性。而在十字縫隙的四周加載矩形縫隙，構(gòu)成Jerusalem十字縫隙結(jié)構(gòu)，使得單元金屬貼片的等效電感減小，貼片單元之間縫隙的增大使得等效親合電容減小，從而使得同相反射頻帶的帶寬變寬，因此Jerusalem十字縫隙結(jié)構(gòu)稱為本發(fā)明的AMC單元結(jié)構(gòu)，其四周矩形縫隙枝節(jié)的長度al和寬度a2以及中間十字的縫隙寬度w決定了同相反射相位的頻帶及寬度:隨四周矩形縫隙枝節(jié)長度al的增大，頻帶向低頻移動且?guī)捵冋?而隨矩形縫隙枝節(jié)寬度a2的增大，頻帶向高頻移動且?guī)捵儗?。隨十字縫隙寬度w的增加，頻帶向高頻移動且?guī)捵儗?，十字的縫隙寬度w對同相反射相位頻帶的影響較四周矩形縫隙枝節(jié)的長al、寬a2對頻帶影響大。
[0036]本發(fā)明天線結(jié)構(gòu)簡單而緊湊，尺寸小，易于加工且成本低廉。參見圖6，從圖中能夠看出，本發(fā)明人工磁導(dǎo)體反射面的同相反射頻帶為2.46-3.67GHz，相對帶寬為39.5%。參見圖7，從測試結(jié)果能夠看出，在頻率為2.48-3.8GHz的范圍內(nèi)，SI I低于-1OdB，相對帶寬為42.04%，實現(xiàn)了寬頻帶。參見圖8，從測試結(jié)果能夠看出，本發(fā)明天線的增益高于7.ldBi，最高增益達7.94dBi，實現(xiàn)了高增益特性。參見圖9(a)，圖9(b)，圖10(a)，圖10(b)，從2.5GHz和
3.5GHz處的E面和H面方向圖能夠看出，兩個頻點處的E面和H面后瓣均小于_19dB，交叉極化小于-17dB，實現(xiàn)了抑制后瓣輻射、提高增益的特性。
[0037]本發(fā)明通過采用直接加載開路枝節(jié)的方案實現(xiàn)了蝶形天線的寬頻帶特性，并通過將Jerusalem十字縫隙結(jié)構(gòu)的AMC表面作為蝶形天線的反射面，在42%的寬頻帶的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了高達8dBi的高增益和低至0.1個波長的低剖面特性，此外，在AMC反射面的周圍加上4mm高的外部輪廓，減小了后向和側(cè)向輻射，能夠進一步提高了增益。本發(fā)明天線具有尺寸小、結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉和易于加工的優(yōu)點，并且具備低剖面、寬頻帶和高增益的特性，能普遍應(yīng)用于802.16無線城域網(wǎng)系統(tǒng)中。
【主權(quán)項】
1.一種基于人工磁導(dǎo)體的寬頻帶高增益蝶形天線，其特征在于:包括設(shè)置在人工磁導(dǎo)體反射面(12)上的蝶型天線(11)，蝶型天線(11)包括上、下兩層金屬層以及中間介質(zhì)層(33); 所述的下層金屬層包括下層陣子(31)以及用于匹配阻抗的梯形貼片(32)，上層金屬層包括上層陣子(34)以及用于展寬帶寬和匹配阻抗的多個開路枝節(jié)，所述的下層金屬層與上層金屬層通過SMA接頭(37)連接;所述的中間介質(zhì)層(33)通過介質(zhì)螺絲和介質(zhì)支柱(13)連接人工磁導(dǎo)體反射面(12)，所述的人工磁導(dǎo)體反射面(12)由下至上依次由金屬接地板(43)、介質(zhì)基板(42)以及多個陣列排布的正方形貼片單元構(gòu)成，正方形貼片單元上開設(shè)有用于設(shè)定同相反射相位頻帶以及寬度的Jerusalem十字縫隙，所述的Jerusalem十字縫隙由十字縫隙以及加載在十字縫隙四周的矩形縫隙構(gòu)成。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于人工磁導(dǎo)體的寬頻帶高增益蝶形天線，其特征在于:所述的人工磁導(dǎo)體反射面(12)外周設(shè)置有4mm高的PEC接地輪廓層(44)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于人工磁導(dǎo)體的寬頻帶高增益蝶形天線，其特征在于:所述的上層陣子(34)上設(shè)置的多個開路枝節(jié)長度不等。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于人工磁導(dǎo)體的寬頻帶高增益蝶形天線，其特征在于:所述的蝶型天線(11)的剖面高度為0.1λ，λ為中心頻點處自由空間的波長。5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的基于人工磁導(dǎo)體的寬頻帶高增益蝶形天線，其特征在于:所述的蝶型天線(11)采用同軸饋電結(jié)構(gòu)。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于人工磁導(dǎo)體的寬頻帶高增益蝶形天線，其特征在于:所述的中間介質(zhì)層(33)與介質(zhì)基板(42)均為FR4介質(zhì)板。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于人工磁導(dǎo)體的寬頻帶高增益蝶形天線，其特征在于:所述的下層陣子(31)與上層陣子(34)均包括漸縮型的陣子貼片以及設(shè)置在陣子貼片尾部的饋電枝節(jié)，下層陣子(31)的陣子貼片通過其饋電枝節(jié)連接梯形貼片(32)，上層陣子(34)的饋電枝節(jié)上依次設(shè)置有較短的第一開路枝節(jié)(35)以及較長的第二開路枝節(jié)(36)。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于人工磁導(dǎo)體的寬頻帶高增益蝶形天線，其特征在于:所述SMA接頭(37)的內(nèi)芯與上層陣子(34)的饋電枝節(jié)相連，外皮與梯形貼片(32)相連。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于人工磁導(dǎo)體的寬頻帶高增益蝶形天線，其特征在于:所述的正方形貼片單元為6 X 9的矩陣。
【文檔編號】H01Q15/14GK105914456SQ201610228148
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年4月13日
【發(fā)明人】張?zhí)忑g, 宋雪艷, 楊闖
【申請人】西安電子科技大學(xué)