一种基于人工电磁材料的单极天线的制作方法

本发明涉及微带天线领域，特别是涉及一种基于人工电磁材料的单极天线。

背景技术：

随着通信系统及集成电路技术的发展，对微带天线的性能及尺寸要求越来越严格。由于单极子天线结构简单，被广泛应用于移动通信和电子战中。为了达到天线增益的目的，传统微带天线的金属地板与辐射贴片之间的距离至少有四分之一波长，天线与金属地板之间距离相对较远，导致天线整体剖面较高，很难与天线载体共形。因此在保证天线辐射性能的前提下，设计具有低剖面、高增益的单极子天线，对于移动通信及电子战中的机载平台系统具有重要意义。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于人工电磁材料的单极天线，在保证天线辐射性能的前提下，具有低剖面、高增益的特点。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于人工电磁材料的单极天线，其特征在于，包括：辐射贴片、共面波导馈电结构、上层介质板、周期性结构贴片层、下层介质板和金属地板；所述辐射贴片和所述共面波导馈电结构均位于所述上层介质板的上表面；所述下层介质板与所述上层介质板正对；所述下层介质板与所述上层介质板之间设置有空气层；所述下层介质板的上表面印制有所述周期性结构贴片层；所述周期性结构贴片层制成人工电磁材料；所述金属地板位于所述下层介质板的下表面。

可选的，所述辐射贴片为圆形金属板；所述辐射贴片连接有微带线。

可选的，所述的共面波导馈电结构包括：第一矩形金属板和第二矩形金属板；所述辐射贴片和所述共面波导馈电结构之间通过同轴连接器进行馈电。

可选的，所述上层介质板和所述下层介质板均为聚四氟乙烯基板。

可选的，所述周期性结构贴片层由m行n列贴片单元均匀排列构成。

可选的，所述贴片单元由正方形单元及开口环结构组成；所述正方形单元位于所述开口环结构内部；所述开口环结构是由四个直角单元组成的旋转对称结构；所述正方形单元的中心与所述开口环结构的旋转中心重合。

可选的，所述金属地板为正方形；所述上层介质板、所述下层介质板与所述金属地板的形状、大小均相同。

可选的，所述单极天线采用印刷电路板加工技术制成。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明公开了一种基于人工电磁材料的单极天线，通过在所述单极天线的下层介质板的上表面设置由周期性结构制成的人工电磁材料，在保障天线高增益的同时，减小了辐射贴片与金属地板之间的距离，使本发明单极天线仅有十分之一波长的剖面高度。与传统的天线相比，本发明单极天线的周期性结构贴片层的结构设计简单，很容易通过改变结构的尺寸来适应天线不同的工作频点，并且能够有效提高天线的增益，展宽天线的带宽。

此外，本发明的单极天线加工采用印刷电路板加工技术，设计简单，加工方便，能够实现单极天线的高效率批量生产。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的基于人工电磁材料的单极天线的整体结构示意图；

图2为本发明实施例提供的基于人工电磁材料的单极天线的剖面结构示意图；

图3为本发明实施例提供的基于人工电磁材料的单极天线的周期性结构贴片层的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的基于人工电磁材料的单极天线的周期性结构贴片单元的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的基于人工电磁材料的单极天线的s参数曲线图；

图6为本发明实施例提供的基于人工电磁材料的单极天线的增益图；

图7为本发明实施例提供的基于人工电磁材料的单极天线的xoz面和yoz面的增益方向图；其中图7(a)为5ghz的xoz面和yoz面的辐射方向图；图7(b)为6ghz的xoz面和yoz面的辐射方向图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种基于人工电磁材料的单极天线，在保证天线辐射性能的前提下，具有低剖面、高增益的特点。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例提供的基于人工电磁材料的单极天线的整体结构示意图。如图1所示，本发明提供的基于人工电磁材料的单极天线包括：辐射贴片5、共面波导馈电结构、上层介质板6、周期性结构贴片层4、下层介质板7和金属地板8。所述辐射贴片5和所述共面波导馈电结构均位于所述上层介质板6的上表面。所述下层介质板7与所述上层介质板6正对。所述下层介质板7与所述上层介质板6之间设置有空气层。所述下层介质板7的上表面印制有所述周期性结构贴片层4。所述周期性结构贴片层4制成人工电磁材料。所述金属地板8位于所述下层介质板7的下表面。

所述辐射贴片5为圆形金属板。所述辐射贴片5连接有微带线3。

所述的共面波导馈电结构包括：第一矩形金属板1和第二矩形金属板2。所述辐射贴片5和所述共面波导馈电结构之间通过同轴连接器进行馈电。

图2为本发明实施例提供的基于人工电磁材料的单极天线的剖面结构示意图。如图1、2所示，所述上层介质板6和所述下层介质板7均为聚四氟乙烯基板，其中，上层介质板6是介电常数为2.65，厚度为h1，长和宽均为w的长方体聚四氟乙烯基板。所述辐射贴片5位于上层介质板6的上表面上。所述下介质板7是介电常数为4.4，厚度为h2，长和宽均为w的长方体聚四氟乙烯基板。所述周期性结构贴片层4位于下层介质板7的上表面上，所述金属地板8位于下层介质板7的下表面。所述上层介质板6与所述下层介质板7中间具有厚度为h0的空气层。所述辐射贴片5至所述金属地板8之间的距离为6mm，为中心频率波长的十分之一左右。

图3为本发明实施例提供的基于人工电磁材料的单极天线的周期性结构贴片层的结构示意图。如图3所示，所述周期性结构贴片层4由m×n个贴片单元均匀排列构成，这里m＝6，n＝6(本发明实施例采用但不限于m＝6，n＝6)。所述周期性结构贴片层4的宽度为w长度为l。

图4为本发明实施例提供的基于人工电磁材料的单极天线的贴片单元的结构示意图。如图3、4所示，所述贴片单元由正方形单元及开口环结构组成。所述正方形单元位于所述开口环结构内部。所述开口环结构是由四个直角单元组成的旋转对称结构；所述正方形单元的中心与所述开口环结构的旋转中心重合。每个所述贴片单元之间的间距为0.5mm，其中所述正方形单元的边长为l1，具有开口的所述开口环结构的参数分别为w1，l2和w2。其中所述开口环结构的外接正方形的边长为w1，所述直角单元的任意一边边长为l2，宽度为w2。本实例中采用但不限于，h0＝2mm，h1＝1mm，h2＝3mm，l＝30mm，w＝30mm，l1＝2mm，l2＝0.75mm，w1＝4.5mm，w2＝0.25mm。

所述金属地板8为正方形；所述上层介质板6、所述下层介质板7与所述金属地板8的形状、大小均相同。

所述单极天线采用印刷电路板加工技术制成。

图5为本发明实施例提供的基于人工电磁材料的单极天线的s参数曲线图。参照图5所示，对本发明实施例的s参数在4-10ghz范围内进行仿真计算。从图5可以看出，本发明单极天线(加周期性结构天线)使得原始单极天线(原贴片天线)的带宽展宽至5.5-9.3ghz(原始天线带宽为6.1-8.6ghz)，在该频段内本发明单机天线的回波损耗s11小于-10db。

图6为本发明实施例提供的基于人工电磁材料的单极天线的增益图。参照

图6所示，对本发明实施例单极天线的各个频点的增益进行了仿真计算。从图6可以看出，本发明单极天线使得增益(gain)得到了较大提升。

图7为本发明实施例提供的基于人工电磁材料的单极天线xoz面和yoz面的增益方向图。参照图7所示，对本发明实施例单极天线在5ghz、6ghz的辐射方向图进行仿真计算，结果如图7所示。从图7可见，本发明单极天线的最大辐射方向始终保持在法线方向，工作在5ghz，6ghz时，最大辐射方向的增益分别为6.5db，6.3db。本发明单极天线的剖面高度为6mm，仅为中心频率波长的十分之一，在保证天线性能的同时实现了高增益、低剖面的特性。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。