CN207098066U - 基于新型超材料单元结构的透镜天线 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于新型超材料单元结构的透镜天线，其中超材料单元结构包括介质基板和排布在介质基板上的人造微结构。并以若干尺寸相同的超材料单元组成了超材料片层透镜。超材料单元的人造微结构横截面为对口谐振环与短金属线的组合，通过改变谐振环的尺寸以及短金属线的长度，来调整超材料的谐振频率及负折射能力。本实用新型通过在FR4环氧玻璃布基板上附着特定形状的人造微结构，当电磁波入射到超材料单元上时，得到所需的电磁谐振，使得超材料在工作频率附近得到等效的负折射特性。本实用新型通过将超材料片层放置在参考贴片天线上方作为透镜，使天线的增益得到了显著提高，且介质透镜天线的阻抗带宽与增益带宽也大大提高了，实现了宽频带特性。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种基于新型超材料单元结构的透镜天线，特别涉及一种负折射率超材料构成的透镜天线，属于电工与电磁新材料技术领域。
背景技术
物质的折射率与该物质的磁导率和介电常数存在一定关系，即n2=ε(ω)μ(ω)，显然地，当磁导率和介电常数同时为负值时，折射率n<0。基于该想法，俄罗斯科学家VictorVeselago将一种具有负折射率的物质称为超材料，又称超介质。根据应用领域的不同，超材料又可以分为介电常数和磁导率均为负值的双负超材料、磁导率为负值的磁单负超材料以及介电常数为负值的电负超材料。由于人造微结构的存在，每个超材料单元具有不同于基板本身的电磁特性，因此所有的超材料单元构成的超材料对电场和磁场呈现出特殊的响应特性。通过对人造微结构设计不同的具体结构和形状，可以改变整个超材料的响应特性。
以对称环结构、Ω型结构、双S型结构、对称镜框型、工字型结构、双Z型结构等左手材料单元为代表，通过在结构单元内部产生电谐振、磁谐振，使整个结构形成电等离子体和磁等离子体，从而产生负介电常数与负磁导率。尽管各种新型结构不断改进，但是实现超材料特性的原理并没有改变，由结构本身具有的等离子效应或电谐振效应实现负介电常数效应，由磁谐振效应实现负磁导率，新型结构仍需在介质基板的双侧蚀刻结构单元，不便于在更高的频段应用。
对于一般微带贴片天线，其特点是效率高、体积小但是阻抗频带较窄，方向性较弱，功率无法聚集在主要辐射方向上。在较高频段，贴片天线的劣势则更加突出，不利于实际应用。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是提供一种基于新型超材料单元结构的透镜天线，是一种单侧蚀刻的双负超材料单元，及根据其组成片层的透镜天线，以解决高频段贴片天线的方向性差技术问题。
本实用新型为解决上述技术问题采用以下技术方案：
本实用新型提供一种基于新型超材料单元结构的透镜天线，包括平行放置的超材料片层和方形贴片天线，所述超材料片层位于方形贴片天线的上方，且超材料片层和方形贴片天线之间存在空气间隙，二者的金属敷层面相对；
所述超材料片层由阵列排布的若干个超材料单元结构组成，每个所述超材料单元结构包括介质基板和介质基板表面的人造金属微结构，所述人造金属微结构包括对口谐振环以及两条金属线，所述对口谐振环由两个相同的开口矩形环构成，且两个开口矩形环的开口相对；每个开口矩形环中与开口相对的边上连接有一条金属线；相邻超材料单元结构的基板、金属线均相连，构成天线透镜；
所述方形贴片天线包括介质基板，介质基板的上表面设置有两个方形贴片以及连接两个方形贴片的金属条带，下表面全部涂覆金属层作为接地板，构成贴片天线。
作为本实用新型的进一步优化方案，所述开口矩形环的开口为0.6mm。
作为本实用新型的进一步优化方案，所述金属线的长度为0.6mm，宽度为0.1mm。
作为本实用新型的进一步优化方案，所述介质基板为环氧树脂介质基板。
作为本实用新型的进一步优化方案，所述金属线为铜线。
作为本实用新型的进一步优化方案，超材料透镜和方形贴片天线通过四个尼龙通柱孔固定连接。
作为本实用新型的进一步优化方案，该透镜天线包括至少一个所述超材料片层，每个超材料片层平行放置。
作为本实用新型的进一步优化方案，通过平行放置多个超材料片层，可以进一步提高透镜天线的方向性等辐射性能，但是回波损耗也会大大增加，可视具体情况决定放置的超材料片层个数。
本实用新型采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本实用新型中的超材料单元结构将经典谐振环与金属线的双面组合整合到介质基板的同一面，简化了加工；单元结构横截面为对口谐振环与短金属线的组合，通过改变谐振环的尺寸以及短金属线的长度，来调整超材料的谐振频率及负折射能力；本发明通过在FR4环氧玻璃布基板上附着特定形状的单元结构，当电磁波入射到超材料单元上时，得到所需的电磁谐振，使得超材料在工作频率附近得到等效的负折射特性；本发明通过将超材料片层放置在参考贴片天线上方作为透镜，使天线的增益得到了显著提高，且介质透镜天线的阻抗带宽与增益带宽也大大提高了，实现了宽频带特性。
附图说明
图1是本发明的三维结构图。
图2是超材料透镜周期单元结构示意图。
图3是超材料透镜俯视图。
图4是方形贴片天线的三维结构图。
图5是方形贴片天线俯视图。
图6是透镜天线的S参数仿真与实测图。
图7是透镜天线的增益随频率仿真与实测图。
图8是透镜天线在16.4GHz的E面仿真方向图与实测图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的技术方案做进一步的详细说明：
本发明提供一种负折射率超材料透镜，实物为一个超材料片层，片层包括多个呈阵列式排列的超材料单元。每个超材料单元包括单侧人造金属微结构和介质基板，进一步实现了单元结构一体化，简化加工。
通过新型超材料单元结构的设计，超材料透镜在方形贴片天线工作频段的反射相位随频率呈正斜率，满足了透镜天线谐振条件，提高了天线的增益带宽。
当电磁波入射到双负超材料透镜上时，每个超材料单元中对口谐振环与短金属线产生电磁响应，使得电磁波的反射和透射具有一定规律，对外宏观上展现出在透镜天线的工作频率内具有等效的负折射效应，从而聚拢了贴片天线球面波前，显著提高了天线增益与方向性。
进一步地，金属线为铜线，选用铜线可以采用PCB板印刷技术加工该超材料，有利于将超材料产业化。
进一步地，介质基板为环氧树脂（FR4）介质基板，环氧树脂介质基板易于成型、质量轻、强度高、模量大、耐腐蚀性好、电性能优异，能够降低超材料的制作成本。
如图1所示，本发明提供的双负超材料透镜天线的结构示意图，该双负超材料透镜由超材料单元9×9排列，每个单元包含了厚度为1.575mm的环氧树脂介质基板，介电常数4.3，以及单侧人造微结构。该人造微结构由对口谐振环与短金属线构成，其中对口谐振环内径宽2.2mm，高0.4mm，开口0.6mm，短金属线的长度为0.6mm，且人造微结构的金属线宽度均为0.1mm。超材料透镜周期结构的尺寸决定了天线能够提高增益的工作频段。金属层各项尺寸以及形状的选择也关系到能否满足宽频带天线对于相位的要求。
对口谐振环结构具有磁谐振特性，短金属线具有电谐振特性，将两种结构组合得到超材料单元如图2所示周期单元结构图。当入射波为平面波，且磁场极化方向垂直于对口谐振环，则会产生环形电流。谐振环开口处可以等效为电容，对开口之间则可等效为互感电路，所产生的谐振效应使对口谐振环产生了等效负磁导率效应。当该单元周期排列时，对口谐振环上下的短金属线结构可以近似于金属棒阵列，从而由电等离子效应实现介电常数为负。通过控制对口谐振环的大小、开口大小、开口距离、金属线宽度以及短金属线长度、间距等参数，实现双负性质同时在16.3GHz-17GHz频率范围内产生时，超材料体现出双负特性，包括负折射率效应，后向波，逆多普勒效应等。负折射率超材料可以通过负折射效应，达到聚拢电磁波的效果，能够显著将贴片天线的球面波前改善为接近平面波前，从而提高天线的方向性与增益。
本发明提供的双负超材料透镜的具体实施方式，人造微结构中的金属线为铜线，介质基板为FR4环氧树脂介质基板，铜线单侧敷在介质基板的表面。如图2所示人造微结构铜线厚度为0.07mm，铜线宽度为0.1mm，FR4介质基板的介电常数为4.3，损耗角的正切值为0.025，FR4介质基板厚度为0.4mm，超材料单元的边长为2.5mm。如图3所示超材料透镜尺寸为22.5mm×22.5mm，且四角处的超材料单元由于对整体透镜影响不大，改为固定超材料透镜的尼龙通柱孔，尼龙柱另一侧用胶水与天线基板粘合固定。如图4所示方形贴片天线由Rogers RT5880介质基板与表面金属敷层组成。Rogers RT5880介质基板的介电常数为2.2，损耗角的正切值为0.0009，Rogers RT5880介质基板的厚度为1.575mm，长24.12mm，宽20.3mm。底层介质基板表面全部敷金属层，作为接地板。如图5所示，方形贴片金属长7.21mm，宽5.03mm，边馈线长3.417mm，宽1.885mm，馈线长6.128mm，宽4.852mm，由焊接的同轴线SMA接头进行馈电。
利用三维电磁仿真软件仿真该天线（工作频率16.3-17GHz），如图6所示。天线的回波损耗在工作频段内达到了-10dB以下，且相对带宽得到了大大提高。天线在工作频段3dB增益带宽如图7所示，通过该设计得到了明显提高。说明了此设计具有良好的宽带性能。从图8中可以看出，透镜天线在16.4GHz的E面半功率辐射宽度远小于简单方形贴片天线，天线的方向性得到了显著提高。
本实用新型将双负超材料技术与透镜天线技术相结合，利用新型超材料单元人造微结构的设计拓宽了天线的带宽，提高了方向性与增益。其中超材料单元结构包括介质基板和排布在介质基板上的人造微结构。并以若干尺寸相同的超材料单元组成了超材料片层透镜。超材料单元的人造微结构横截面为对口谐振环与短金属线的组合，通过改变谐振环的尺寸以及短金属线的长度，来调整超材料的谐振频率及负折射能力。本发明通过在FR4环氧玻璃布基板上附着特定形状的人造微结构，当电磁波入射到超材料单元上时，得到所需的电磁谐振，使得超材料在工作频率附近得到等效的负折射特性。本发明通过将超材料片层放置在参考贴片天线上方作为透镜，使天线的增益得到了显著提高，且介质透镜天线的阻抗带宽与增益带宽也大大提高了，实现了宽频带特性。本发明是天线整体结构并不复杂，易于加工实现，具有一定的应用前景。
以上所述，仅为本实用新型中的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本实用新型所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本实用新型的包含范围之内，因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (7)
1.基于新型超材料单元结构的透镜天线，其特征在于，包括平行放置的超材料片层和方形贴片天线，所述超材料片层位于方形贴片天线的上方，且超材料片层和方形贴片天线之间存在空气间隙，二者的金属敷层面相对；
所述超材料片层由阵列排布的若干个超材料单元结构组成，每个所述超材料单元结构包括介质基板和介质基板表面的人造金属微结构，所述人造金属微结构包括对口谐振环以及两条金属线，所述对口谐振环由两个相同的开口矩形环构成，且两个开口矩形环的开口相对；每个开口矩形环中与开口相对的边上连接有一条金属线；相邻超材料单元结构的基板、金属线均相连，构成天线透镜；
所述方形贴片天线包括介质基板，介质基板的上表面设置有两个方形贴片以及连接两个方形贴片的金属条带，下表面全部涂覆金属层作为接地板，构成贴片天线。
2.根据权利要求1所述的基于新型超材料单元结构的透镜天线，其特征在于，所述开口矩形环的开口为0.6mm。
3.根据权利要求1所述的基于新型超材料单元结构的透镜天线，其特征在于，所述金属线的长度为0.6mm，宽度为0.1mm。
4.根据权利要求1所述的基于新型超材料单元结构的透镜天线，其特征在于，所述介质基板为环氧树脂介质基板。
5.根据权利要求1所述的基于新型超材料单元结构的透镜天线，其特征在于，所述金属线为铜线。
6.根据权利要求1所述的基于新型超材料单元结构的透镜天线，其特征在于，超材料透镜和方形贴片天线通过四个尼龙通柱孔固定连接。
7.根据权利要求1所述的基于新型超材料单元结构的透镜天线，其特征在于，该透镜天线包括至少一个所述超材料片层，每个超材料片层平行放置。
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20180313 |
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