专利名称：宽带高增益平板维瓦尔第天线的制作方法
技术领域：
本实用新型是一种用于微波频段宽带高增益的天线，属于天线和新型人工电磁材料领域。
背景技术：
本实用新型中的新型人工电磁材料(Metamaterials)是一种可以人工设计、满足特定等效介电常数和磁导率要求的电磁材料。经过十多年的发展，新型人工电磁材料得到了长足的发展，在隐身、天线工程等方面都有广泛的应用。维瓦尔第天线是一种开口按照指数渐变分布的槽线天线。由于其制造简单、体积小，同时带宽很宽，所以在实际工程中有很广的应用。但是，这种天线的定向性较差。对其定向性的改善以前的做法是组成天线阵列、 采用PBG基板等，但这些方式都比较复杂而且代价较高。渐变各向异性零折射率材料由于其具有奇特的性质和比较宽的工作频带，可以和维瓦尔第天线有机地结合，在很宽的频带内很好地提高维瓦尔第天线的定向性和增益。所以本发明具有很高的应用价值。
发明内容技术问题本实用新型的目的是提供一种基于渐变各向异性零折射率材料的宽带高增益平板维瓦尔第天线。这种渐变各向异性零折射率材料可以在较宽频带内很好地提高维瓦尔第天线的性能。在维瓦尔第天线开口处放置沿开口方向电极化的渐变新型人工电磁材料，使其在该方向多个频点上产生等效的零介电常数，从而在宽带内使天线具有高定向性和增益。同时，该天线和新型人工材料具有很好的融合性，制作方便、使用简单、占用空间小，因此具有很高的实用价值。技术方案本实用新型的宽带高增益平板维瓦尔第天线以介质基板为载体，在介质基板的一平面覆有开口呈喇叭状的铜箔，在喇叭状开口处设有一系列不同臂长(my)弯曲线人工单元构成的渐变各向异性材料。所述的渐变各向异性材料沿着垂直于天线平面方向两侧放置多个，构成多层的渐变各向异性材料。所述的弯曲线人工单元的臂长(my)在小范围内改变，可构建介电常数接近于零的渐变各向异性零折射率材料。以此来提高维瓦尔第天线的性能。所述的渐变各向异性材料，在所设计的较宽的频带内沿开口方向(X方向)的等效介电常数为零或接近于零，即此方向的折射率为零或接近于零。有益效果与现有技术相比，本实用新型的优势1.本实用新型制作简单，加工方便。单层的零折射率材料可以和维瓦尔第天线一起加工，多层的也只是在此基础上多加几层。以前的技术(如组成天线阵列、PBG基板等方式)操作繁琐，并且价格昂贵。2.本实用新型具有宽带特性。渐变零折射率可以有效地提高这种零折射率材料的工作带宽，进而和维瓦尔第天线本身的超宽带属性很好地结合起来，有效地提高天线性能。[0011]3.本实用新型同时具备便携、重量轻、容易集成等优点。渐变各向异性零折射率材料和维瓦尔第天线都具有这些优势，两者结合很好地保持了这些优点。
图1是基于单层渐变各向异性零折射率材料的维瓦尔第天线结构示意图。渐变的零折射率材料和原始的维瓦尔第天线放在了同一块基板上。开口处放置沿着开口方向(X 方向)渐变的不同弯曲线单元构成的零折射率材料。图2是基于多层渐变各向异性零折射率材料的维瓦尔第天线结构示意图。在图1 的基础上，沿着垂直于天线平面两侧放置多个和渐变各向异性材料3类似的这种零折射材料。图3是本实用新型中使用的弯曲线结构单元。渐变各向异性材料3就是由许多这种不同臂长 构成的。图4是本发明弯曲线基本单元的等效介电常数，其中ε 方向上的等效介电常数。当 my = 2. 7mm, 2. 4mm 和 2. Imm 时，ε x 分别在 10GHz，10. 8GHz 禾Π 11. 85GHz 等于零。 ε χ绝对值小于0. 2时，可得到9. 5GHz——12. 5GHz的工作带宽。图5 图9是原始维瓦尔第天线、基于单层渐变零折射率材料和多层渐变零折射率材料的维瓦尔第天线的E面方向性图。图5、图6、图7、图8、图9分别对应是9. 5GHz， IOGHz, 10. 5GHz, 11. 85GHz和12. 5GHz时方向图的改善情况。图中有铜箔1、介质基板2、渐变各向异性材料3、弯曲线人工单元4。
具体实施方式
沿着χ开口方向，渐变各向异性零折射率材料具有多频点等效的零介电常数，在y 方向上的等效介电常数为1。通过一定的设计，这种各向异性材料可以在χ传播方向上保持阻抗匹配，同时在多频点上使等效介电常数和折射率为零。这种方式既增强了波束的定向性和增益，又减小了损耗。原始的维瓦尔第天线具有容易制造、集成、宽频带、便携等优点。 将这两者结合起来，具有很强的实际应用价值。(3)中的单元臂长 沿1方向是逐渐变化的，以此来有效地提高工作带宽。本实用新型由原始的维瓦尔第天线和渐变各向异性材料组成。根据天线需要的工作频段，设计渐变的弯曲线单元，使其在这个频段都具有比较小的等效介电常数。结合维瓦尔第天线，除了保持原有天线的制造简单、便携等优势外，天线的定向性、增益等指标都有很大提高，且多层的效果比单层的要好很多。同时，渐变特性很大地提高了天线的工作带
觅ο该天线以介质基板2为载体，在介质基板2的一平面覆有开口呈喇叭状的铜箔1， 在喇叭状开口处设有一系列不同臂长m/弯曲线人工单元4构成的渐变各向异性材料3。所述的渐变各向异性材料3沿着垂直于天线平面方向两侧放置多个，构成多层的渐变各向异性材料。实验结果显示，在9. 5GHz至12. 5GHz范围内基于渐变各向异性零折射率材料的维
瓦尔第天线都有很好性能，其定向性和增益均有显著提高。具体指标如下表所示。天线类型9. 5GHzIOGHz10. 5GHz11.85GHz12.5GHz原始的维瓦尔第9.9006dB9. 9183dB10.1339dB8.1108dB7.9840dB单层的情况12.1338dB12.9883dB12.8662dB10.6977dB9. 2657dB多层的情况12.9238dB13.7635dB13.9625dB12.7683dB11. 7303dB表1测试的天线增益
天线类型9.5GHzIOGHz10. 5GHz11. 85GHz12.5GHz原始的维瓦尔第40. 5°48. 4°48. 7°55. 8°54. 6°单层的情况24°27°36°26. 6°29. 2°多层的情况24°23. 2°26°18°17. 6° 表2测试的天线半功率带宽
权利要求1.一种宽带高增益平板维瓦尔第天线，其特征在于该天线以介质基板(2)为载体，在介质基板O)的一平面覆有开口呈喇叭状的铜箔(1)，在喇叭状开口处设有一系列不同臂长(Hiy)弯曲线人工单元⑷构成的渐变各向异性材料(3)。
2.根据权利要求1所述的基于渐变各向异性零折射率材料的宽带高增益平板维瓦尔第天线，其特征在于所述的渐变各向异性材料(3)沿着垂直于天线平面方向两侧放置多个，构成多层的渐变各向异性材料。
3.根据权利要求1所述的基于渐变各向异性零折射率材料的宽带高增益平板维瓦尔第天线，其特征在于所述的弯曲线人工单元的臂长(my)在小范围内改变，可构建介电常数接近于零的渐变各向异性零折射率材料。
专利摘要宽带高增益平板维瓦尔第天线以介质基板(2)为载体，在介质基板(2)的一平面覆有开口呈喇叭状的铜箔(1)，在喇叭状开口处设有一系列不同臂长(my)弯曲线人工单元(4)构成的渐变各向异性材料(3)。所述的渐变各向异性材料(3)沿着垂直于天线平面方向两侧放置多个，构成多层的渐变各向异性材料。本实用新型可有效地提高原始维瓦尔第天线的E面定向性和增益，多层的效果非常明显，而且制造简单、操作方便，和以前的改进方式相比具有绝对优势，在实际中具有很高的应用前景。
文档编号H01Q19/08GK202121070SQ201120058499
公开日2012年1月18日 申请日期2011年3月8日 优先权日2011年3月8日
发明者周斌, 崔铁军, 李惠, 邹夏英 申请人:东南大学