一种基于超材料结构的微带阵列天线的制作方法
【专利摘要】本实用新型实施例公开了一种基于超材料结构的微带阵列天线，包括通过绝缘支撑柱平行设置在第二介质基板上的第一介质基板；所述第一介质基板的上表面设有超材料阵列覆层；所述第二介质基板的上表面设有微带阵列天线层，所述微带阵列天线层包括馈电网络和多个微带天线单元，所述馈电网络与所述微带天线单元相连接。本实施在传统微带天线基础上，进行阵元的组合及优化，设计出较优良的微带阵列天线层，与单个微带天线相比，本实施的微带阵列天线可提高天线的方向性和增益；同时，设计与所述微带阵列天线层在相同频段上能够达到双负性质的超材料阵列覆层，可以提高天线的聚焦能力，进而最终能使天线具有良好的方向性、增益系数以及传输效率。
【专利说明】
一种基于超材料结构的微带阵列天线
技术领域
[0001] 本实用新型涉及天线及其无线电力传输技术领域，特别是涉及一种基于超材料结 构的微带阵列天线。
【背景技术】
[0002] 相对其他能源，太阳能具有无污染、容易获取和几乎取之不尽等优点，这是人类解 决能源危机，避免破坏自然环境的重要能量来源。但相对于地球内部的太阳能，太空的太阳 能含量更加庞大，美国、日本等多个发达国家都曾提出在外太空建造太阳能站，但是面对该 方案，如何把外太空所发的电传输到地球内部，为人类社会工业、生活等使用，却成为了一 个重要讨论课题，其中，无线电力传输成为了解决该问题的可行方案。
[0003] 目前，能够用于远距离传输的传输方式有微波和激光无线电力传输两种方式，但 是激光无线电力传输的方式由于环境和障碍物等多方面的影响，可行性较小。由于微波独 有性质，能够进行良好的远距离传输，因此微波无线电力传输成为远距离传输的首选方案。
[0004] 如图1所示，目前微波无线电力传输系统的主要结构包括发射装置、自由空间和接 收整流装置。其中，发射装置和接收整流装置的天线尤为重要，天线的增益、带宽和效率等 性能直接决定着传输效率。由于微带天线具有容易实现双频段、双极化等有点，使得其成为 天线家族中的宠儿，但是其辐射效率较低且功率容量较小，导致使用过程中存在能量损耗 大、传输效率较低的问题。 【实用新型内容】
[0005] 本实用新型实施例中提供了一种基于超材料结构的微带阵列天线，以解决现有技 术中的微带天线辐射效率低、使用过程中的能量损耗大的问题。
[0006] 为了解决上述技术问题，本实用新型实施例公开了如下技术方案：
[0007] 本实用新型实施例提供了一种基于超材料结构的微带阵列天线，包括第一介质基 板和第二介质基板，其中：
[0008] 所述第一介质基板通过绝缘支撑柱平行设置在所述第二介质基板上；
[0009] 所述第一介质基板的上表面设有超材料阵列覆层；
[0010]所述第二介质基板的上表面设有微带阵列天线层，所述微带阵列天线层包括馈电 网络和多个微带天线单元，所述馈电网络与所述微带天线单元相连接；
[0011]所述超材料阵列覆层和所述微带阵列天线层具有相同的工作频段。
[0012] 优选地，所述超材料阵列覆层由多个十字型超材料单元组成，其中：
[0013] 所述十字型超材料单元由两个相同的十字型超材料子单元组成；
[0014] 所述十字型超材料子单元由中间一条横板和上下两条竖板组成，所述竖板对称设 置在所述横板的中轴线处。
[0015] 两个所述十字型超材料子单元纵向排布、且通过所述竖板拼接为一体。
[0016] 优选地，所述微带阵列天线层包括馈电网络和四个依次等间距排布的矩形微带天 线单元，所述馈电网络包括四根第一71 Ω阻抗变换器、两根第二71 Ω阻抗变换器、两根第一 100 Ω微带线、一根第二1〇〇 Ω微带线和一根50 Ω微带线，其中：
[0017]所述第一71 Ω阻抗变换器的一端连接所述矩形微带天线单元、另一端与所述第一 100 Ω微带线的端头相连接，且所述第一 100 Ω微带线的两端分别连接两根相邻的所述第一 71 Ω阻抗变换器(212);
[0018] 所述第二71 Ω阻抗变换器的一端连接在所述第一 1〇〇 Ω微带线的中心位置、另一 端连接与所述第二1〇〇 Ω微带线的端头相连接；
[0019] 所述50 Ω微带线的一端连接在所述第二100 Ω微带线的中心位置、另一端配置激 励源输入端口。
[0020] 优选地，所述第一介质基板和所述第二介质基板的相对介电常数为2.45、厚度为 0·4~0·6mm〇
[0021 ] 优选地，所述矩形微带天线单元的长度为10~12mm、宽度为9~10mm。
[0022]优选地，所述第一71 Ω阻抗变换器和第二71 Ω阻抗变换器的长度均为四分之一波 长的物理长度。
[0023]优选地，所述第一 100 Ω微带线的长度为四分之三个自由空间工作波长。
[0024] 优选地，所述50 Ω微带线的宽度为1.39mm、长度为7mm。
[0025] 优选地，所述竖板的长度为1mm、宽度为1mm，所述横板的长度为10mm、宽度为4mm， 所述竖板设在所述横板的长边上。
[0026] 优选地，所述绝缘支撑柱为尼龙支撑柱，所述尼龙支撑柱的高度为14~16mm。
[0027] 由以上技术方案可见，本实用新型实施例提供的一种基于超材料结构的微带阵列 天线，包括第一介质基板和第二介质基板，所述第一介质基板通过绝缘支撑柱平行设置在 所述第二介质基板上;所述第一介质基板的上表面设有超材料阵列覆层，所述超材料阵列 覆层由多个十字型超材料单元组成;所述第二介质基板的上表面设有微带阵列天线层，所 述微带阵列天线层包括馈电网络和多个微带天线单元，所述馈电网络与所述微带天线单元 相连接。本实施例在传统的微带天线基础上上，进行阵元的组合以及优化，设计相对较为优 良的微带阵列天线层，与单个微带天线相比，本实施例中的微带阵列天线提高了天线的方 向性和增益。同时，还设计与所述微带阵列天线层在相同频段上能够达到双负性质的超材 料阵列覆层，可以进一步提高天线的方向性和增益，使得天线具有较强的聚焦能力，进而使 得本实施例中的加载有超材料阵列覆层的微带天线阵列能够具有良好的方向性和增益系 数，提高了其在微波远距离传输的传输效率。
【附图说明】
[0028] 为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例 或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人 员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0029] 图1为现有技术中的微波无线电力传输系统的基本结构意图；
[0030] 图2为本实用新型实施例提供的基于超材料结构的微带阵列天线的第一基本结构 示意图；
[0031] 图3为本实用新型实施例提供的基于超材料结构的微带阵列天线的第二基本结构 示意图；
[0032] 图4为本实用新型实施例提供的微带阵列天线层的基本结构示意图；
[0033] 图5为本实用新型实施例提供的超材料阵列覆层中的十字型超材料单元的基本结 构示意图；
[0034] 图6为本实用新型实施例提供的基于超材料结构的微带阵列天线的三维增益方向 图；
[0035]图7为现有技术中的单微带天线的三维增益方向图。
【具体实施方式】
[0036]为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型中的技术方案，下面将结合本实 用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型 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，都应当属于本实用新型保护的范围。
[0037]超材料也称左手材料，该概念是相对经典电动力学理论中的"右手材料"而言的。 一般认知中，在自然界中，物质的介电常数ε和磁导率μ都是正值，电磁波在其中传播时，描 述电磁波传播特征的三个物理量构成右手螺旋关系，这就是常说的右手法则。而左手材料 却是一种介电常数ε和磁导率μ同时为负的新型人工材料，电磁波在其中传播时，三个描述 电磁波传播的物理量遵循左手螺旋法则，经过试验验证，超材料结构具备良好的负折射、反 Cerenkov福射以及逆多普勒效应，本实施例利用超材料结构的特殊性质，应用到微阵列天 线中。
[0038] 参见图1和图2,分别为本实用新型实施例提供的基于超材料结构的微带阵列天线 的第一和第二基本结构示意图。
[0039] 本实施中的基于超材料结构的微带阵列天线，包括第一介质基板1和第二介质基 板2,所述第一介质基板1通过绝缘支撑柱3平行设置在所述第二介质基板2上。
[0040] 所述第一介质基板1的上表面设有超材料阵列覆层11，所述超材料阵列覆层11由 多个十字型超材料单元组成;所述第二介质基板2的上表面设有微带阵列天线层21，所述微 带阵列天线层21包括馈电网络和多个微带天线单元，所述馈电网络与所述微带天线单元相 连接，并且所述微带阵列天线层21和所述超材料阵列覆层11具有相同的工作频段。
[0041] 本实施例中，所述绝缘支撑柱3采用尼龙支撑柱，当然还可以采用其它的绝缘材料 支撑柱、如陶瓷柱等。不同高度的支撑柱，会对最终天线的增益效果产生不同的偏差，所以 本实施例将所述尼龙支撑柱设计为试验验证后的最好的高度15mm、即所述第一介质基板1 和所述第二介质基板2之间的间距设计为15mm，当然，还可以设计为其它数值，比如14~ 16mm中的任一值。
[0042]所述第一介质基板1和所述第二介质基板2选择的是相对介电常数为2.45的材料、 厚度为〇. 5mm，当然并不限于所述数值，例如还可以将所述厚度设计为0.4~0.6mm中的任一 数值或根据需要设计为其它数值。
[0043]根据所述第一介质基板1和所述第二介质基板2的相对介电常数和厚度、以及天线 工作频率，便可以计算出所述超材料阵列覆层11和所述微带阵列天线层21中各单元的具体 尺寸，其中，所述超材料阵列覆层11中设有8*4个十字型超材料单元，所述微带阵列天线层 21的大小为76.93mm*30.126mm，但并不限于所述数值。
[0044] 如图4所示，所述微带阵列天线层21包括馈电网络和四个依次等间距排布的矩形 微带天线单元211，所述矩形微带天线单元211的长度L2为11.42_、宽度L1为9.43_，当然 并不限于所述数值，例如还可以将长度L2设计为10~12_、宽度设计为9~10_中的任一数 值或根据需要设计为其它数值。
[0045] 进一步的，所述馈电网络包括四根第一71 Ω阻抗变换器212、两根第二71 Ω阻抗变 换器214、两根第一 100 Ω微带线213、一根第二100 Ω微带线215和一根50 Ω微带线216。
[0046] 所述第一71 Ω阻抗变换器212的一端连接所述矩形微带天线单元211，另一端与所 述第一 100 Ω微带线213的端头相连接，本实施例中，所述第一71 Ω阻抗变换器212统一连接 在所述矩形微带天线单元211的左下角。所述第一 100 Ω微带线213的两端分别连接两根相 邻的所述第一71 Ω阻抗变换器212,即相邻的两个所述矩形微带天线单元211形成一个微带 天线单元组。
[0047] 所述第二71 Ω阻抗变换器214的一端连接在所述第一 100 Ω微带线213的中心位 置、另一端连接与所述第二100 Ω微带线215的端头相连接;所述50Ω微带线216的一端连接 在所述第二100Ω微带线215的中心位置、另一端配置激励源输入端口。
[0048] 所述第一71 Ω阻抗变换器212和第二71 Ω阻抗变换器214的长度均为四分之一波 长的物理长度，即天线设计中的四分之一波长阻抗变换器。在本实施例中，所述第一71 Ω阻 抗变换器212和第二71 Ω阻抗变换器214的长度和宽度具体分别设计为5.494mm和0.758mm， 但并不限于所述数值。
[0049] 所述第一 100 Ω微带线213的长取四分之三个自由空间工作波长，在本实施例中具 体设计为22.5_。该长度也为相邻的两个所述矩形微带天线单元211之间间距，本实施例中 设计该间距值，能够减小天线单元与天线单元之间的耦合效应。
[0050] 所述50 Ω微带线216的宽度和长度分别设计为1 · 39mm和7mm，该设计能够保证所述 微带阵列天线的工作频率在10GHz左右，但并不限于所述数值。
[0051]如图5所示，所述十字型超材料单元由两个相同的十字型超材料子单元组成，所述 十字型超材料子单元由中间一条横板和上下两条竖板组成，所述竖板对称设置在所述横板 的中轴线处，两个所述十字型超材料子单元纵向排布、且通过所述竖板拼接为一体。
[0052]为了与所述微带阵列天线层21相配合，所设计的超材料结构需要在10GHz左右实 现"双负"性质，所述竖板的长度L4为1mm、宽度L3为1mm，所述横板的长度L5为10mm、宽度L6 为4mm，所述竖板设在所述横板的长边上。
[0053] 由于超材料结构所具备的负折射、反Cerenkov福射以及逆多普勒效应特性，使得 超材料结构能够提高天线的增益，减小天线的旁瓣、并增强了天线的方向性。所以本实施例 在天线结构上加载所述超材料阵列覆层11，能够提高微带阵列天线的方向性和增益。
[0054] 如图6和图7所示，分别为本实用新型实施例提供的基于超材料结构的微带阵列天 线的三维增益方向图，以及现有技术中的单微带天线的三维增益方向图。
[0055] 从图6和图7可以看出，本实施例提供的基于超材料结构的微带阵列天线的方向性 和增益比单个微带天线的方向性和增益有相对较高的改善。
[0056] 根据波能量传输遵循的公式、Friis传输公式，最大接收功率Prm为：
[0057]
[0058] 式中，λ为波长，r为接收天线和传输天线之间的距离，Gt和Gr分别为传输天线和接 收天线的增益，Pt为发射功率。根据Friis公式，可以看出增加天线的增益，便够提高最终接 收功率，即提高了天线的传输效率。
[0059]由以上技术方案可见，本实施例提供的基于超材料结构的微带阵列天线首先通过 对微带天线上进行阵元的组合，通过计算以及仿真优化，设计出方向性和增益系数较为优 良的微带阵列天线层。其次，进一步引入了超材料结构，设计了与微带阵列天线层在相同频 段上能够达到双负性质的超材料阵列覆层。经过试验验证，组合后的微带阵列天线层和超 材料阵列覆层，能够使最终的加载有超材料阵列覆层的微带阵列天线能够具有良好的方向 性和增益系数，使其在微波远距离传输的传输效率上有很大的改善。
[0060] 本实施例中，所述超材料阵列覆层11和所述微带阵列天线层21并不限于本实施例 提供的结构形式，还可以根据需要设计为其它形式，例如，将所述微带阵列天线层21设计为 圆极化微带阵列天线等。
[0061] 需要说明的是，在本文中，诸如"第一"和"第二"等之类的关系术语仅仅用来将一 个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之 间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语"包括"、"包含"或者其任何其他变体意在 涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些 要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设 备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句"包括一个……"限定的要素，并不排除 在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0062] 以上所述仅是本实用新型的【具体实施方式】，使本领域技术人员能够理解或实现本 实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所 定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。 因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原 理和新颖特点相一致的最宽的范围。
【主权项】
1. 一种基于超材料结构的微带阵列天线，其特征在于，包括第一介质基板（1)和第二介 质基板(2)，其中： 所述第一介质基板(1)通过绝缘支撑柱(3)平行设置在所述第二介质基板(2)上； 所述第一介质基板(1)的上表面设有超材料阵列覆层(11); 所述第二介质基板(2)的上表面设有微带阵列天线层（21)，所述微带阵列天线层（21) 包括馈电网络和多个微带天线单元，所述馈电网络与所述微带天线单元相连接； 所述超材料阵列覆层(11)和所述微带阵列天线层(21)具有相同的工作频段。2. 根据权利要求1所述的基于超材料结构的微带阵列天线，其特征在于，所述超材料阵 列覆层(11)由多个十字型超材料单元组成，其中： 所述十字型超材料单元由两个相同的十字型超材料子单元组成； 所述十字型超材料子单元由中间一条横板和上下两条竖板组成，所述竖板对称设置在 所述横板的中轴线处； 两个所述十字型超材料子单元纵向排布、且通过所述竖板拼接为一体。3. 根据权利要求1或2所述的基于超材料结构的微带阵列天线，其特征在于，所述微带 阵列天线层(21)包括馈电网络和四个依次等间距排布的矩形微带天线单元(211)，所述馈 电网络包括四根第一71 Ω阻抗变换器(212)、两根第二71 Ω阻抗变换器(214)、两根第一 100 Ω微带线(213)、一根第二100 Ω微带线(215)和一根50 Ω微带线(216)，其中： 所述第一71 Ω阻抗变换器(212)的一端连接所述矩形微带天线单元(211)、另一端与所 述第一 100 Ω微带线(213)的端头相连接，且所述第一 100 Ω微带线(213)的两端分别连接两 根相邻的所述第一71 Ω阻抗变换器(212); 所述第二71 Ω阻抗变换器（214)的一端连接在所述第一 100 Ω微带线（213)的中心位 置、另一端连接与所述第二100Ω微带线(215)的端头相连接； 所述50 Ω微带线（216)的一端连接在所述第二100 Ω微带线（215)的中心位置、另一端 配置激励源输入端口。4. 根据权利要求1所述的基于超材料结构的微带阵列天线，其特征在于，所述第一介质 基板(1)和所述第二介质基板(2)的相对介电常数为2.45、厚度为0.4~0.6mm。5. 根据权利要求3所述的基于超材料结构的微带阵列天线，其特征在于，所述矩形微带 天线单元(211)的长度为10~12_、宽度为9~10_。6. 根据权利要求3所述的基于超材料结构的微带阵列天线，其特征在于，所述第一 71 Ω 阻抗变换器(212)和第二71 Ω阻抗变换器(214)的长度均为四分之一波长的物理长度。7. 根据权利要求6所述的基于超材料结构的微带阵列天线，其特征在于，所述第一 100 Ω微带线(213)的长度为四分之三个自由空间工作波长。8. 根据权利要求7所述的基于超材料结构的微带阵列天线，其特征在于，所述50 Ω微带 线(216)的宽度为1.39mm、长度为7mm。9. 根据权利要求2所述的基于超材料结构的微带阵列天线，其特征在于，所述竖板的长 度为1mm、宽度为1mm，所述横板的长度为10mm、宽度为4mm，所述竖板设在所述横板的长边 上。10. 根据权利要求1所述的基于超材料结构的微带阵列天线，其特征在于，所述绝缘支 撑柱(3)为尼龙支撑柱，所述尼龙支撑柱的高度为14~16mm。
【文档编号】H01Q1/50GK205564982SQ201620318321
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年4月15日
【发明人】李天倩, 杜晓风, 阳小明, 雍明阳, 田野, 万洪
【申请人】西华大学