专利名称：一种基于完全吸收材料的x波段微带天线的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种微带天线，特别涉及一种基于完全吸收材料的X波段 微带天线。
背景技术：
微带天线是由一块厚度远小于波长的介质基板和刻蚀在其两侧的金 属贴片组成，利用同轴线或微带线馈电，并通过贴片四周与接地板间的缝隙向外辐射。微 带天线由于其独有的优点如低抛面、体积小、重量轻，易与载体表面共形等，在卫星通信、雷 达、遥感等方面得到了广泛应用。但是由于微带天线自身的结构特点，其也存在增益低，方 向性差等缺点。现有的一些改善微带天线性能的技术，如增加基板厚度，这样导致天线笨 重；另外，采用高介电常数的介质材料，介质损耗很大且成本高，在很大程度上限定了其实 用性。近几年，许多科研人员采用左手材料的奇异的电磁波传输特性改善微带天线的性能。 在2008年，美国波士顿大学的Landy等人提出并设计了一种完全超材料吸收器，这种超材 料吸收器对电磁波也表现出奇特的电磁行为，即当电磁波入射时，不反射也不透射，表现为 对电磁波的完全吸收特性。这种奇异特性的材料有望应用于电磁波的收集和探测装置。发明内容本发明的目的是提供一种基于完全吸收材料的X波段微带天线，相比 较与传统的微带天线，其增益和方向性显著改善。用于本发明微带天线的完全吸收材料由 周期性排列的金属树枝状结构与正方形金属片组成，通过对完全吸收材料的结构参数设 计，使完全吸收材料的工作频段与普通微带天线的工作频段重合，然后将完全吸收材料加 载于普通微带天线的介质基板上，利用完全吸收材料的奇特电磁行为改善天线性能，与传 统的X波段微带天线相比，E面半功率波束宽度收缩20.5° 36°，H面半功率波束宽度收 缩30° 40. 4°，天线的方向性明显增强，天线的增益提高了 2.5dB 3.5dB。用于微带天 线的完全吸收材料的制备方法、制备工艺与天线的制备方法完全相同，均采用印刷电路板 制造工艺。因此用于微带天线的完全吸收材料可以与微带天线一体成型，制备简单，加工方 便且成本低廉。
图1用于本发明微带天线的完全吸收材料结构单元示意2本发明实施例一的基于完全吸收材料的微带天线结构示意图(a)正面(b)反图3本发明实施例一的完全吸收材料的电磁谐振行为图4本发明实施例一的基于完全吸收材料的微带天线回波损耗曲线图5本发明实施例一的基于完全吸收材料的微带天线远场辐射模式与普通微带 天线的远场辐射模式对比图(a) E面(b)H面图6本发明实施例二的完全吸收材料的电磁谐振行为图7本发明实施例二的基于完全吸收材料的微带天线回波损耗曲线图8本发明实施例二的基于完全吸收材料的微带天线远场辐射模式与普通微带 天线的远场辐射模式对比图(a) E面(b)H面图9本发明实施例三的完全吸收材料的电磁谐振行为
图10本发明实施例三的基于完全吸收材料的微带天线回波损耗曲线图11本发明实施例三的基于完全吸收材料的微带天线远场辐射模式与普通微带 天线的远场辐射模式对比图(a) E面(b)H面具体实施方式
采用电路板刻蚀技术制备基于完全吸收材料的微带天线，选用厚 度为0. 5mm 1. 5mm的聚四氟乙烯材料作为天线的介质基板1，在其一面刻蚀矩形金属辐 射贴片作为辐射单元2，另一面刻蚀一定面积的金属作为天线的接地板3。本发明微带天线 采用同轴馈电，SMA同轴接头4连接金属辐射片和金属接地板，并作为天线的信号馈入源。 然后在天线介质基板上加载完全吸收材料，即在辐射贴片与金属接地板周围的空白介质基 板的正反两面分别刻蚀周期排列的金属树枝状结构单元阵列5与正方形金属贴片阵列6， 制备成基于完全吸收材料的微带天线。用于本发明微带天线的完全吸收材料的结构单元由 金属树枝状结构与正方形金属片组成，并且树枝状结构的几何中心与正方形贴片的几何中 心严格对应即树枝状结构单元与正方形结构单元一一对应。树枝状结构的几何参数分别为 (树枝从中心向外围的各级分支长度)一级分支长度a = 1.4mm 2. 5mm，二级分支长度 b = 0.7mm 1.2mm，三级分支长度c = 0. 6mm 1mm，相临两个一级分支间夹角为θ = 30° 60°，相临两个二级分支间夹角为θ2 = 30° 60°，相临两个三级分支间夹角为 O3 = 30° 60°，金属树枝的线宽为w = 0.2謹 0.5謹。正方形金属片的边长为1 = 6謹 11謹，晶格常数d = 9謹 13mm，所有金属厚度t = 0. 02mm 0. 04mm。用于本发明 微带天线的完全吸收材料的结构单元示意图如图1所示。本发明的实现过程和材料的性能由实施例和
实施例一采用电路板刻蚀技术制作中心工作频率为10. 55GHz的树枝状结构左手材料微带 天线，如图2所示。选用面积为50mmX 50mm，厚度为0. 5mm的聚四氟乙烯材料(、=2. 65) 作为天线的介质基板，介质基板一侧的金属辐射贴片大小为11. lmmX7. 9mm，另一面刻蚀大 小为25mmX20mm金属铜，作为接地板，采用同轴馈电，SMA同轴接头连接金属辐射片和金属 接地板，并作为天线的信号馈入源。在辐射贴片周围的空白介质基板的正反两面分别刻蚀 周期排列的金属树枝状结构单元阵列与正方形金属片结构单元阵列，刻蚀在金属辐射贴片 周围的树枝状的几何参数为一级分支长度a = 1.67mm，二级分支长度b = 0. 95mm，三级 分支长度c = 0.8mm，相临两个一级分支间夹角为θ工=45°，相临两个二级分支间夹角为 θ2 = 45°，相临两个三级分支间夹角为θ3 = 45°，所有金属树枝线宽均为w = 0.5mm。 与树枝状结构一一对应的正方形金属片的边长1 = 8. 8mm,晶格常数d = 9mm。用于本实施 例的完全吸收材料的微波电磁谐振行为如图3所示，在10. 52GHz，透射S21和反射Sll都非 常小，吸收率Abs达到99. 88%，几乎完全吸收。图4是本实施例完全吸收材料微带天线的 回波损耗曲线，在10. 55GHz, Sll的峰值为-22. 23dB。图5是完全吸收材料微带天线在中 心工作频率的远场辐射模式与普通微带天线的远场辐射模式对比图，本实施例微带天线的 E面和H面半功率波束宽度分别为64. 5°和53°，在天线中心频率增益达到9. 41dB，与普 通微带天线相比，E面与H面的半功率波束宽度分别收缩了 21.8°和31.3°，增益提高了 2. 512dB。实施例二与实施例一相似，采用电路板刻蚀技术，制作中心工作频率为10.38GHz的完全吸收材料微带天线，如图2所示。选用面积为50mmX50mm，厚度为1. Omm的聚四氟乙烯材 料(、=2. 65)作为天线的介质基板1，介质基板1 一侧的金属铜辐射贴片2的大小为 10. 9mmX 7. 8mm,另一面刻蚀大小为25mmX20mm金属铜，作为接地板3，采用同轴馈电，SMA 同轴4接头连接金属辐射片2和金属接地板3，并作为天线的信号馈入源。在辐射贴片周 围的空白介质基板的正反两面分别刻蚀周期排列的金属铜树枝状结构单元阵列5与正方 形金属铜片结构单元阵列6，刻蚀在金属辐射贴片周围的树枝状的几何参数为一级分支 长度a = 1. 67mm，二级分支长度b = 0. 95mm，三级分支长度c = 0. 8mm，相临两个一级分支 间夹角为Q1 = 45°，相临两个二级分支间夹角为θ2 = 45°，相临两个三级分支间夹角为 θ3 = 45°，所有金属树枝线宽均为w = 0.4mm。与树枝状结构一一对应的正方形金属铜片 的边长1 = 8. 4mm,晶格常数d = 10mm，金属铜厚度为。用于本实施例的完全吸收材料的微 波电磁谐振行为如图6所示，在频率10. 4GHz，吸收率Abs接近90%。图7是本实施例完全 吸收材料微带天线的回波损耗曲线，在10. 38GHz, Sll的峰值为-35. 57dB。图8是完全吸 收材料微带天线在中心工作频率的远场辐射模式与普通微带天线的远场辐射模式对比图， 本实施例微带天线的E面和H面半功率波束宽度分别为54. 4°和43. 6°，在天线中心频率 增益达到10. 34dB，与普通微带天线相比，E面与H面的半功率波束宽度分别收缩了 31.9° 和41. 4°，增益提高了 3. 463dB。实施例三与实施例一相似，采用电路板刻蚀技术制作中心工作频率为IOGHz的树枝状结构 左手材料微带天线。选用面积为50mmX 50mm，厚度为1. 5mm的聚四氟乙烯材料(ε , = 2. 65) 作为天线的介质基板，介质基板一侧的金属辐射贴片大小为11. 5mmX8. 1mm，另一面刻蚀大 小为25mmX20mm金属铜，作为接地板，采用同轴馈电，SMA同轴接头连接金属辐射片和金属 接地板，并作为天线的信号馈入源。在辐射贴片周围的空白介质基板的正反两面分别刻蚀 周期排列的金属树枝状结构单元阵列与正方形金属片结构单元阵列，刻蚀在金属辐射贴片 周围的树枝状的几何参数为一级分支长度a = 1. 72mm，二级分支长度b = 0. 95mm，三级分 支长度C = 0.85mm，相临两个一级分支间夹角为θ工=45°，相临两个二级分支间夹角为 θ2 = 45°，相临两个三级分支间夹角为θ 3 = 45°，所有金属树枝线宽均为W = 0.4mm。与 树枝状结构一一对应的正方形金属片的边长1 = 7. 6mm,晶格常数d = 10mm。用于本实施 例的完全吸收材料的微波电磁谐振行为如图9所示，在10GHz，吸收率达Abs到98%。图10 是本实施例完全吸收材料微带天线的回波损耗曲线，在10GHz，Sll的峰值为-35. 8dB。图 11是完全吸收材料微带天线的远场辐射模式与普通微带天线的远场辐射模式对比图，本实 施例微带天线的E面和H面半功率波束宽度分别为46. 8°和50. 3°，在天线中心频率增 益为9.613dB。与普通微带天线相比，E面与H面的半功率波束宽度分别收缩了 26.4°和 38. 1°，增益提高了 2. 802dB。以上所述，仅为本发明的优选实施例，当不能以此限定本发明实施的范围，即大凡 依本发明权利要求及发明说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，皆应仍属本发明专利 覆盖的范围内。
权利要求
一种基于完全吸收材料的X波段微带天线，其主要特征是在微带天线的介质基板上加载完全吸收材料，与传统的X波段微带天线比较，E面半功率波束宽度收缩20.5°～36°，H面半功率波束宽度收缩30°～40.4°，天线的方向性增强，天线的增益提高2.5dB～3.5dB。
2.如权利要求1所述的一种基于完美吸收材料的X波段微带天线，其特征是加载的完 全吸收材料由周期排列的金属树枝状结构与正方形金属贴片组成，并且树枝状结构单元与 正方形金属贴片单元一一对应。
3.如权利要求1所述的一种基于完全吸收材料的X波段微带天线，其特征是完全吸 收材料的几何参数如下树枝状结构的几何参数分别为(树枝从中心向外围的各级分支长 度)一级分支长度a = 1. 4mm 2. 5mm，二级分支长度b = 0. 7mm 1. 2mm，三级分支长度c =0.6mm 1mm，相临两个一级分支间夹角为θ工=30° 60°，相临两个二级分支间夹角 为θ2 = 30° 60°，相临两个三级分支间夹角为θ3 = 30° 60°，金属树枝的线宽为 w = 0. 2mm 0. 5讓；正方形金属片的边长为1 = 6讓 11讓，晶格常数d = 9mm 13讓， 所有金属厚度t = 0. 02mm 0. 04mm。
4.如权利要求1所述的一种基于完全吸收材料的X波段微带天线，其特征是所用介质 基板是厚度为0. 5mm 1. 5mm的聚四氟乙烯材料(、=2. 65)。
全文摘要
本发明涉及一种微带天线，特别涉及一种基于完全吸收材料的X波段微带天线。与以往微带天线不同的是本发明将完全吸收材料加载于微带天线，用于本发明微带天线的完全吸收材料由周期排列的金属树枝状结构单元与金属正方形贴片单元组成。采用电路板刻蚀技术，在微带天线介质基板上加载完全吸收材料，与传统的X波段微带天线相比，E面半功率波束宽度减小20.5°～36°，H面半功率波束宽度减小30°～40.4°，天线的方向性明显增强，增益提高了2.5dB～3.5dB。
文档编号H01Q1/14GK101888022SQ20091002247
公开日2010年11月17日 申请日期2009年5月13日 优先权日2009年5月13日
发明者刘亚红, 赵晓鹏 申请人:西北工业大学