专利名称：一种高增益微带天线罩的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种天线罩，尤其是一种高增益微带天线的天线罩。
背景技术：
左手材料是1968年由Veselag0提出来一种新型的周期性结构人工电磁媒质。左手材料在自然界中并不存在，它具有负的介电常数和负的磁导率。当电磁波照射左手材料时，描述电磁波传播特性的电场强度E、磁场强度H和电磁波的传播方向K满足“左手螺旋” 关系。此外，电磁波在左手材料中传播时还存在逆Snell折射、后向波传播、逆多普勒效应、 完美透镜等特殊的电磁特性。2001年R. A. Shelby等人利用周期排列的分离环谐振器和细导线构成了具有负折射率结构的人工左手材料。这种人工合成的左手材料的电磁本构参数是色散的，因此，在一定频率的电磁波的照射下，左手材料的介电常数和磁导率呈现出负值的特性，而在其它频率电磁波的照射下则呈现出正值的介电常数的磁导率。然而，这个左手材料结构需要在横向纵向按照周期单元周期排列，左手结构体积偏大，不适合用于天线罩的用途。2004年X. Chen等人提出一种稳定的左手材料本构参数提取的方法，为分析和应用左手材料提供了很大的便利。2006年L. Giampiero研究小组利用左手材料具有的负值电磁本构参数的特性分析计算了线源的定向辐射特性，指出在指定的工作频率下对植入半空间左手材料的线天线的辐射性能进行了研究，并指出此时线天线的方向性系数随着左手材料厚度的改变而改变。不足的是，这篇文章研究的左手材料结构是半空间式的，不易于实际制备和操作。2009年K. S. Chen研究小组采用印刷电路板上印刷Jerusalem结构的方法制备平面结构的左手材料，并堆放三层这种平面结构的左手材料在微带天线的上方，采用左手结构的散射参数直接提取这种结构的等效电磁参数，从而利用左手材料的负电磁参数特性来改变微带天线的波束宽度和提高天线辐射增益。然而，在K. S. Chen的文章中提到的平面结构式左手材料天线罩是三层的结构，这样就增加了整个天线系统的体积，限制了天线系统的小型化。
发明内容
为了克服现有技术针增加了天线系统体积的不足，本发明提供一种基于平面式左手材料结构的高增益微带天线罩，在微带天线的上方覆盖该天线罩可以很好的提高天线的增益和方向性。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是天线罩是由一块印刷电路板构成， 印刷电路板的基片采用FR4材料或特氟龙微波介质基板，印刷电路板的上表面刻蚀出正六边形微带线复合结构；所述的正六边形微带线复合结构包括正六边形微带线和微带短截线两部分；所述的正六边形微带线的六条边的中点处分别刻蚀有伸向正六边形中心点的六条微带短截线，六条微带短截线在中心点处不相交。构成天线罩的印刷电路板的尺寸要与微带天线的接地板的尺寸相一致，从而天线罩能够覆盖整个矩形微带天线。所述的正六边形微带线的宽度为0. 5mm 1. Omm ；所述的微带短截线的宽度为0. 5mm 1. 0mm，长度为不大于0. 851，其中为1为所述的正六边形微带线每个边中心线的长度；所述的天线罩各个部分物理尺寸取值的理论依据是使天线系统工作在所述天线罩结构的负材料特性的频带内，且在该工作频率下本发明天线罩结构的等效介电常数约为-1。多个所述的正六边形微带线复合结构组成集合，每个正六边形微带线复合结构与相邻的正六边形微带线复合结构有一条边平行且紧密结合，形成类似于“蜂窝”式中心对称的平面结构。所述的正六边形微带复合结构的个数为7 N个，N的取值由构成所述天线罩的印刷电路板的尺寸所决定。所述的构成天线罩的印刷电路板下表面没有刻蚀接地板。本发明的有益效果是刻蚀在印刷电路板上的平面式左手材料结构克服了采用分离环谐振器和直导线制备左手材料结构体积过大的缺点。当电磁波照射刻蚀有中心对称分布的正六边形微带线和微带短截线的印刷电路板时，通过提取该复合结构的等效电磁参数发现，在一定的工作频率下该结构的介电常数为负值，从而在该频率范围下这种人造复合结构就构成了一种左手材料结构。合适放置的左手材料对照射的电磁波具有会聚作用。因此根据左手材料结构这一特性，可以提高覆盖有此种左手材料结构的微带天线的增益。本发明所述的平面式左手材料结构采用单层印刷电路板方式易于制备，在现有的技术水平下可以实现低成本的制造。它可以应用于射频通信和微波领域的天线设计与制造，应用非常广泛。下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为本发明实施实例一的覆盖有平面结构天线罩的微带天线系统的立体结构透视示意图；图2为图1的俯视图；图3为图1的侧视图；图中，10-上微波介质基板，11-正六边形微带线，12-微带短截线，20-下微波介质基板，21-接地板，22-矩形微带天线，30-SMA接头；图4为周期结构的一个周期元胞，包括刻蚀在微波介质基板上的正六边形微带线和六条微带短截线；图5为提取图4所示的周期元胞的等效介电常数和等效磁导率；图6为天线在f = 4. 5GHz的辐射方向图，其中(a)为E面方向图，(b)为H面方向图。
具体实施例方式具体实施方式
一如图1所示的覆盖有本发明所述的平面结构天线罩的微带天线系统立体结构透视图，其中包括平面结构的天线罩和微带天线两个部分。本发明实施方案是在微带天线上方5mm处覆盖一层平面结构印刷电路板式的天线罩。本实施实例所述的微带天线系统的工作频率设定为f = 4. 5GHz。所述的平面结构天线罩是一块无接地板的材质为FR4的上微波介质基板10构成，其长度和宽度分别为72mm和60mm。所述的上微波介质基板10的基片厚度为1. 5mm。所述的上微波介质基板10的上表面刻蚀有7个相同的正六边形微带线11，且微带线的宽度为0. 5mm。所述的7个正六边形微带线11中的6个正六边形微带线11与分别与剩下的1个正六边形微带线11的6个边共用，形成类似于“蜂窝”式中心对称的平面结构。该结构刻蚀在上微波介质基板10的上表面。所述的正六边形微带线11的每个边的中心线的长度为10mm。在每个所述的正六边形微带线11的每个边的中点处都刻蚀有伸向正六边形微带线11中心点处的微带短截线12，共六条微带短截线12。所述的六条微带短截线12的宽度为1. Omm长度为7. 5mm。所述的微带天线部分的矩形微带天线22是刻蚀在基片为FR4材质的下微波介质基板20的上表面，且在下微波介质基板20的下表面刻蚀有接地板21。所述的下微波介质基板20的物理尺寸分别为长度72mm、宽度60mm和高度1. 5mm。所述的下微波介质基板20 的上表面刻蚀有长度为20mm宽度为16mm的矩形微带天线22。所述的矩形微带天线22和馈源通过SMA接头30相连接，其馈电点位置在宽边的对称轴上距矩形微带天线22中心点的距离为4. 7mm。用来确定上述设计的理论依据如下2003 年 R. W. Ziolkowski 研究小组采用 Nicolson-Ross-Weir(NRW)方法给出了提
取左手材料的等效电磁参数的推导公式。此种方法是通过计算左手材料的散射参数S11和
S21进行参数反演，得到介质板的等效电磁参数。因此，基于散射参量求解复合介质等效本
构参数的计算公式为 2 I-V^ ―7ΤΤΓ⑴
Adl +V2
2$Sr^Mr + J-TJ(2)
Kd其中，V1= S21+Sn 和 V2 = S21-S110由上式可以看出，当Sn —O时、与μ ^是近似相同的，由此便可得到提取介质材料电磁特性参数的计算公式。利用式(1)和式( 可以求出如图4所示的晶胞的等效电磁参数，即等效介电常数和磁导率，计算结果如图5所示。由图5可以看出，晶胞在频率范围 4. IGHz <f <4. 5GHz范围内的等效介电常数为负值，且磁导率近似等于1。因此，在该频率范围内平面的正六边形微带线复合结构为等效介电常数为负值的人工左手材料。根据左手材料的性质，覆盖这种人造的平面结构天线罩可以会聚微带天线的辐射场，提高微带天线的增益。作为实验，我们设计了如图1所示的覆盖有平面结构天线罩的微带天线系统的立体结构示意图，其中上微波介质基板10和下微波介质基板20的基片选取FR4材料，通过计算得到的覆盖有本发明所述平面结构天线罩的微带天线在工作频率为f = 4. 5GHz的辐射方向图，如图6(a)的E面方向图和图6(b)的H面方向图。在图6中同样给出了工作在f = 4. 5GHz的无天线罩的微带天线的E面和H面的辐射方向图。通过比较两条曲线可以得出本发明的平面结构天线罩可以提高微带天线峰值增益3. 5dB左右，达到了预期效果，这说明本发明可以实施，而且结构简单，价格低廉，易于实现。
具体实施方式
二
参考图1、图2、图3和图4，本实施方式与具体实施方式
一的不同点是，上微波介质基板10的上表面元件中微带短截线12的长度为6. 5mm,其余组成及连接关系与具体实施方式
一相同。经验证具备这种微带短截线12的晶胞在频率范围3. 99GHz < f < 5. 36GHz范围内的等效介电常数为负值，且磁导率近似等于1。并且，覆盖本实施实例的平面结构天线罩的微带天线的峰值增益得到增强。
具体实施方式
三参考图1、图2、图3和图4，本实施方式与具体实施方式
一的不同点是，上微波介质基板10的上表面元件中微带短截线12的宽度为0. 5mm,其余组成及连接关系与具体实施方式
一相同。经验证具备这种微带短截线12的晶胞在频率范围5. 91GHz <f <9. 52GHz范围内的等效介电常数为负值，且磁导率近似等于1。并且，覆盖本实施实例的平面结构天线罩的微带天线的峰值增益得到增强。
具体实施方式
四参考图1、图2、图3和图4，本实施方式与具体实施方式
一的不同点是，上微波介质基板10的基片选取特氟龙材料，其余组成及连接关系与具体实施方式
一相同。
权利要求
1.一种高增益微带天线罩，由一块印刷电路板构成，其特征在于印刷电路板的基片为FR4材料或特氟龙微波介质基板，印刷电路板的上表面刻蚀出正六边形微带线复合结构；所述的正六边形微带线复合结构包括正六边形微带线和微带短截线两部分，正六边形微带线六条边的中点处分别刻蚀有伸向正六边形中心点的六条微带短截线，六条微带短截线在中心点处不相交；构成天线罩的印刷电路板的尺寸与微带天线的接地板的尺寸相一致，天线罩覆盖整个微带天线的辐射片。
2.根据权利要求1所述的高增益微带天线罩，其特征在于所述的正六边形微带线的宽度为0. 5mm 1.0mm ；微带短截线的宽度为0. 5mm 1. 0mm，长度不大于0. 851，其中1为所述的正六边形微带线每个边中心线的长度。
3.根据权利要求1所述的高增益微带天线罩，其特征在于多个所述的正六边形微带线复合结构组成集合，每个正六边形微带线复合结构与相邻的正六边形微带线复合结构有一条边平行且紧密结合。所述的正六边形微带复合结构的个数为7 N个，N的取值由构成所述天线罩的印刷电路板的尺寸所决定。
4.根据权利要求1所述的高增益微带天线罩，其特征在于所述的印刷电路板下表面没有刻蚀接地板。
全文摘要
本发明公开了一种高增益微带天线罩，由一块印刷电路板构成，印刷电路板的基片为FR4材料或特氟龙微波介质基板，印刷电路板的上表面刻蚀出正六边形微带线复合结构；所述的正六边形微带线复合结构包括正六边形微带线和微带短截线两部分，正六边形微带线六条边的中点处分别刻蚀有伸向正六边形中心点的六条微带短截线，六条微带短截线在中心点处不相交；构成天线罩的印刷电路板的尺寸与微带天线的接地板的尺寸相一致，天线罩覆盖整个微带天线的辐射片。本发明可以很好的提高天线的增益和方向性。
文档编号H01Q1/38GK102354812SQ20111024656
公开日2012年2月15日 申请日期2011年8月25日 优先权日2011年8月25日
发明者许家栋, 郑奎松, 韦高 申请人:西北工业大学