基于负介电传输线的X波段高增益微带天线

摘要

本发明涉及一种基于负介电传输线的X波段高增益微带天线。该天线包括矩形金属贴片、微带馈线、阻抗匹配器、介质基板和接地板。一定数量的金属化导通孔垂直穿过介质基板，两端分别与矩形金属贴片和接地板相连。本发明天线+1阶谐振模式对应的谐振频率，可以通过改变金属化导通孔的数目、几何位置及排列方式调节到X波段，而且其增益比普通微带天线提高1.56～3.37dBi。本天线的优点是在实现了高增益辐射特性的同时，又具有结构紧凑和易于制造的特点。

权利要求

1.一种基于负介电传输线的X波段高增益微带天线，该天线包括矩形金属贴片、50Ω微带馈线、λ/4阻抗匹配器、介质基板和接地板，其主要特征是在矩形金属贴片和接地板之间加载一定数量的金属化导通孔，通过改变金属化导通孔的数目、几何位置及排列方式使该天线工作于X波段。

2.根据权利要求1所述的基于负介电传输线的X波段高增益微带天线，其特征是金属化导通孔的直径为0.8mm，内壁所附的导电金属镀层厚度为0.1mm。

3.根据权利要求1所述的基于负介电传输线的X波段高增益微带天线，其特征是金属化导通孔的数目为3～4个。

4.根据权利要求1所述的基于负介电传输线的X波段高增益微带天线，其特征是馈电方式采用微带侧馈，λ/4阻抗匹配器连接在矩形金属贴片和50Ω馈线之间。

说明书

基于负介电传输线的X波段高增益微带天线

[0001] 技术领域 本发明涉及一种基于负介电传输线的X波段高增益微带天线。

[0002] 背景技术 左右手复合传输线(composite right/left-handed transmission line)是一种人工复合电磁结构，是在普通传输线的基础上同时加载分立串联电容和并联电感的新型传输线结构。由于特定频段的电磁波在左右手复合传输线中传播时呈现出如后向波辐射、零传输常数和平板聚焦等电磁学特性，这种结构已经在微波电路、通讯器件及精密仪器等领域产生了巨大影响。例如，基于左右手复合传输线结构的零阶谐振天线(zeroth order resonant antenna)不再受制于天线的谐振频率须依赖于其物理尺寸的传统规律，能够通过增大天线的物理尺寸明显提高天线的增益性能，而其谐振频率却几乎保持不变。

[0003] 同时，从左右手复合传输线中移去串联电容而保留并联电感得到另一种新型传输线结构，该结构可以在一定的频率范围内实现负值的介电常数，可称之为负介电传输线(epsilonnegative transmission line)。利用该传输线结构设计的谐振器能够在一定的频段发生0、+1、+2等多阶谐振，其中+1阶谐振模式对改善微带天线的增益起着重要作用。基于负介电传输线结构的微带天线的+1阶谐振模式对应的谐振频率与天线的谐振长度之间满足非线性关系，而普通微带贴片天线(microstrip patch antenna)的TM10基模对应的谐振频率与其谐振长度成反比例关系。并且当天线的谐振频率固定时，前者的辐射口径要大于后者，因此前者具有更高的增益值。目前研究者多采用覆层、光子晶体结构和耦合孔径等辅助方法来弥补普通微带贴片天线增益较低的不足，但改进后的天线体积庞大、结构复杂，这极大地限制了其应用范围。而基于负介电传输线的微带天线在提高增益的同时，又保持了结构紧凑和易于制造等特点，在实际中有着重要的应用价值。

[0004] 发明内容 本发明的目的是基于负介电传输线结构，提供一种工作于X波段的高增益微带天线。负介电传输线由金属化导通孔、矩形金属贴片、介质基板和接地板组成。金属化导通孔即为传输线结构中所加载的并联电感，其一端位于矩形金属贴片，另一端位于接地板，使矩形金属贴片与接地板实现电连接。一定数量的金属化导通孔和矩形金属贴片共同实现了微带天线的高增益性能。通过改变金属化导通孔的数目、几何位置及排列方式，使微带天线工作于X波段。在+1阶谐振模式对应的谐振频率处，该种天线的增益可达到8.44～9.66dBi，比采用同一介质基板设计的谐振频率几乎相等的普通微带天线的增益提高1.56～3.37dBi。

附图说明

[0005] 图1所发明天线的结构示意图，以A-1为例，其中图(a)为俯视图，(b)为侧视图。

[0006] 图2所发明天线A-1、A-2的回波损耗曲线。

[0007] 图3所发明天线A-3、A-4的回波损耗曲线。

[0008] 图4所发明天线A-1、A-2在各自谐振频率处的E、H面辐射方向图。

[0009] 图5所发明天线A-3、A-4在各自谐振频率处的E、H面辐射方向图。

[0010] 具体实施方式 采用电路板刻蚀技术，在厚度为1.5mm、相对介电常数为2.65的聚四氟乙烯介质基板1的一面刻蚀矩形金属贴片2，另一面保留为接地板3，如图1所示。介质基板1和接地板3的长、宽均取42.0mm，矩形金属贴片2的长、宽分别为L和W。矩形金属贴片2和接地板3的表面做了镀锡处理以减缓氧化，处理后的金属覆层厚度均约为0.04mm。一定数目的金属化导通孔4垂直穿过介质基板1连通矩形金属贴片2与接地板3。金属化导通孔4的直径为0.8mm，内壁所附的导电金属镀层厚度为0.1mm。天线采用微带侧馈方式，通过λ/4阻抗匹配器5连接矩形金属贴片2与50Ω微带馈线6，以实现良好的阻抗匹配。
所加载λ/4阻抗匹配器5的长度、宽度分别为lg和wg，其具体值由高频电磁仿真软件HFSS反复优化后确定。标准的SMA(3.5mm)接头7焊接在宽度为4.0mm的50Ω微带馈线6一端作为同轴馈电接口。通过改变金属化导通孔4的数目、几何位置及排列方式，得到一系列X波段高增益微带天线。

[0011] 本发明的实现过程和材料性能由实施例和附图说明：

[0012] 实施例一：

[0013] 采用电路板刻蚀技术完成所发明天线A-1的制作，其具体制备过程如实施方式所述。在xoy平面内，假设沿x方向将天线A-1的矩形金属贴片分为面积相等的四片，在每片的中心位置均设有一个金属化导通孔，其上下两端分别连接矩形金属贴片和接地板。天线2
A-1矩形金属贴片的面积为L×W＝12.0×12.0＝144.0mm。λ/4阻抗匹配器的尺寸为lg＝4.8mm，wg＝1.8mm。天线A-1的回波损耗曲线如图2所示，在微波X频段的9.52GHz处发生谐振，谐振峰强度为-34.53dB，能够很好地满足天线工作要求。由图4中天线在谐振频率处的E、H面辐射方向图可知，天线A-1的最大增益值为9.66dBi。而采用相同介质基板工作于9.48GHz处的普通微带贴片天线MPA-a的增益仅为6.29dBi，所发明天线A-1较之提高了3.37dBi。

[0014] 实施例二：

[0015] 采用电路板刻蚀技术完成所发明天线A-2的制作，其具体制备过程如实施方式所述。在xoy平面内，假设同时沿x、y方向将天线A-2的矩形金属贴片分为面积相等的四片，在每片的中心位置均设有一个金属化导通孔，其上下两端分别连接矩形金属贴片和接地2
板。天线A-2矩形金属贴片的面积为L×W＝12.6×13.2＝166.3mm。λ/4阻抗匹配器的尺寸为lg＝4.8mm，wg＝1.1mm。天线A-2的回波损耗曲线如图2所示，在微波X频段的
9.49GHz处发生谐振，谐振峰强度为-32.90dB，能够很好地满足天线工作要求。由图4中天线在谐振频率处的E、H面辐射方向图可知，天线A-2的最大增益值为9.45dBi。而采用相同介质基板工作于9.48GHz处的普通微带贴片天线MPA-a的增益仅为6.29dBi，所发明天线A-2较之提高了3.16dBi。

[0016] 实施例三：

[0017] 采用电路板刻蚀技术完成所发明天线A-3的制作，其具体制备过程如实施方式所述。在xoy平面内，假设沿x方向将天线A-3的矩形金属贴片分为面积相等的三片，在每片的中心位置均设有一个金属化导通孔，其上下两端分别连接矩形金属贴片和接地板。天线2
A-3矩形金属贴片的面积为L×W＝12.0×12.0＝144.0mm。λ/4阻抗匹配器的尺寸为lg＝5.0mm，wg＝1.5mm。天线A-3的回波损耗曲线如图3所示，在微波X频段的9.16GHz处发生谐振，谐振峰强度为-35.67dB，能够很好地满足天线工作要求。由图5中天线在谐振频率处的E、H面辐射方向图可知，天线A-3的最大增益值为8.44dBi。而采用相同介质基板工作于9.17GHz处的普通微带贴片天线MPA-b的增益仅为6.90dBi，所发明天线A-3较之提高了1.54dBi。

[0018] 实施例四：

[0019] 采用电路板刻蚀技术完成所发明天线A-4的制作，其具体制备过程如实施方式所述。在xoy平面内，假设沿x方向将天线A-3的矩形金属贴片分为面积不等的三片，在每片的中心位置均设有一个金属化导通孔，其上下两端分别连接矩形金属贴片和接地板。天线2
A-4矩形金属贴片的面积为L×W＝12.0×12.0＝144.0mm，所假设三片的长度沿x轴正向依次为3.0、4.0和5.0mm。λ/4阻抗匹配器的尺寸为lg＝5.0mm，wg＝1.7mm。天线A-4的回波损耗曲线如图3所示，在微波X频段的9.17GHz处发生谐振，谐振峰强度为-36.24dB，能够很好地满足天线工作要求。由图7中天线在谐振频率处的E、H面辐射方向图可知，天线A-4的最大增益值为9.46dBi。而采用相同介质基板工作于9.17GHz处的普通微带贴片天线MPA-b的增益仅为6.90dBi，所发明天线A-4较之提高了2.56dBi。

[0020] 综上所述，本发明中借助于负介电传输线结构设计的X波段微带天线表现出了高增益性能，既可以独立应用，又非常适合作为天线阵列的单元。