基于磁单负材料的大尺寸亚波长谐振腔天线的制作方法

本发明涉及天线领域，具体的说，涉及一种基于特异材料的大尺寸亚波长谐振腔天线。

背景技术：

待接收信号的频段一定程度决定所需应用的天线的尺寸。以GHz波段信号的接收为例，国际和国内现用于接收GHz波段信号(例如太阳射电信号、卫星电视信号L、S、C、Ku波段)的天线主要是抛物面天线，这类天线体积大、重量大、维护费用高，特别是太阳射电成像系统中的天线更是如此。

相对于抛物面天线，微带贴片天线是一种平面天线，具有体积小、重量轻、剖面薄、易于加工、易与有源器件和电路集成为单一模块等诸多优点，在空间探测方面有诸多优势，已被用于星载卫星观测系统中。传统的微带贴片天线也具有一些不足，例如，可接收频带较窄、极化纯度差、寄生馈电辐射大等。传统的腔体微带贴片天线，利用谐振腔共振原理可实现高方向性，由于受金属反射面180°反射相位的限制，谐振腔的厚度需要满足：d＝n12λ，其中d为谐振腔的厚度，λ为接收信号的波长，n为整数。也就是说，谐振腔的厚度最小只能做到接收信号波长的二分之一，若将这种天线用于接收GHz波段信号，视信号需要将谐振腔厚度做到较大，天线整体厚度也限制了天线体积的减小。

特异材料是一种新型的人工材料，是指具有周期性结构的材料，利用材料表面周期性晶格的设计，可使局域共振机制起主导作用。特异材料的介电常数和磁导率可以同时为负值，或者其中之一为负值，或同时小于1。常规材料的电磁特性，主要源于组成材料本身的原子分子对电磁波的响应，特异材料的电磁特性主要源于人工谐振单元对电磁波的响应，利用其电磁波特殊的调控机理，可构造等效磁导率小于零而介电常数大于零的磁单负材料，磁单负材料属于特异材料的一种，由于磁单负材料的等效磁导率小于零，可以使其表面的反射相位为0，即产生同相反射，因此，利用磁单负材料的零反射相位特性，可以实现突破半波长尺度限制的谐振腔(共振腔)，其谐振腔的厚度可以趋于零，从而可以实现天线系统的小型化。另外，磁单负材料可以用来抑制印刷天线的表面波损耗，从而改善辐射旁瓣和背散射性能。

贴片天线结构特点决定其体积可以做的相对较小。但另一方面，观测信号的辐射宽度或者信号强度不同，对天线的尺寸要求不同，例如太阳辐射电磁波信号，为接收更多的辐射信号，对其观测和研究需要大尺寸的天线。抛物面天线可以设计为很大的口径，传统的微带贴片天线也可通过增加贴片天线面积的方式做成很大的尺寸，但对于单辐射源微带贴片天线来说，随着天线面积的增大，天线本身的损耗也逐渐增大，天线面积超过一定值后，损耗将严重影响天线的性能，因此也就造成此类天线的接收面积有限，无法接收或者发射更多的电磁辐射信号。因此，单辐射源的微带贴片天线无法满足大尺寸设计的需求。

公开号为CN101461097A的中国专利公开了一种采用AMC材料的便携式天线，包括第一层组和第二层组，第一层组和第二层组上下间隔平行设置，中间形成空腔层，其提供了一种三层结构的小型天线。但是其第一层为天线层，第二层为电路结构层，两层之间是用于隔绝天线层和电路曾的电磁屏蔽层，也就是说，其天线特性层仅为第一层，其他两层不具有天线的特性。虽然其也公开了贴片的结构，但贴片是经垂直导电空与固定底线连接的，为一种传统的天线设计结构。

公开号为CN16207430A的中国专利申请公开了一种新型LECC宽频带圆极化微带贴片阵列，为一种三层结构的贴片天线。其公开了金属贴片天线层的结构，具体包括上层金属贴片天线和下层金属贴片天线，其中金属贴片天线层由若干呈阵列排布的上层金属贴片单元和下层金属贴片单元构成。这种结构的天线无特殊的电磁特性，要求贴片阵元间纵横间距要比二分之一中心频率处的真空波长稍大，贴片的间距需要满足一定的关系才能抑制辐射耦合，避免出现多余的旁瓣影响天线的性能。该天线不是谐振腔体结构，不具有腔体天线的天线特性。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术中的两方面问题而提出，一方面：天线尺寸受接收信号波段影响，高波段信号通常使用的抛物面天线体积大、重量大，以至此类天线不易与其他器件共形、维护困难，传统的微带贴片天线体积小，但谐振腔厚度受限；另一方面，广域信号的接收要求大面积的天线，传统单溃源天线面积增大受限，现有技术中阵列式贴片天线性能受贴片阵列结构限制。针对以上两点问题，基于磁单负特异材料特性及天线结构设计，提供一种大面积、重量轻、谐振腔厚度小，结构灵活的天线。

本发明的技术方案为：基于磁单负材料的大尺寸的亚波长谐振腔天线，包括间隔设置有全反射板和部分反射板，部分反射板与全反射板相反的一面为表面一，朝向全反射板的一面为表面二(即与表面一相反的一面为表面二)，表面一和表面二上均设置有贴片单元阵列，任意两个相邻的表面一贴片单元相接，且任意一个表面一贴片单元均包括至少一个空缺部；任意两个相邻的表面二贴片单元之间间隔设置；全反射板朝向部分反射板的一面设置有辐射源，包括辐射金属贴片阵列(包含多个金属辐射贴片)、微带馈电网络和馈电输出端，每个辐射金属贴片都与馈电输出端相接，全反射板另一面涂覆金属层。

优选为：表面一贴片单元和表面二贴片单元均为规则对称形状。

优选为：表面一贴片单元为四边形，且四边形四个角部分形成四个空缺部。

优选为：表面一贴片单元为十字形贴片，任意两个相邻的十字形贴片相对的一边相接；表面二贴片单元为正方形贴片。

优选为：部分反射板的一个表面一贴片单元与一个表面二贴片单元的中心对齐。中心互为对齐的一组表面一贴片单元和表面二贴片单元构成一个信号调理组，可实现更稳定的信号调理作用。

优选为：辐射金属贴片阵列通过微带馈电网络或通过同轴馈电连接成金属馈电阵列。例如，辐射金属贴片分行排列，每行贴片串联连接，各行金属贴片之间通过馈电微带金属线相接。

优选为：相邻辐射金属贴片之间可采用任意间距排列。全通天线辐射金属贴片间距受工作波长的限制，需要辐射金属贴片间距满足工作波长二分之一的整数倍才可以实现稳定的信号接收。辐射金属贴片可采用任意间距排列，在同等天线尺寸下，可增大天线的信号接收能力。

优选为：全反射板和部分反射板上设置有配合安装孔，通过调节螺钉配合安装，或者，部分反射板通过滑动部件安装在竖向滑轨上。将全反射板和部分反射板之间设计为可拆卸的结构，方便根据接收需求，通过更换全反射板或部分反射板的方式调整天线的接收频率。

优选为：全反射板和部分反射板之间的间隔为空气层或填充介质材料，信号可通过即可。

优选为：全反射板和部分反射板平行设置，可以实现更稳定的信号传输和调理。

本发明的有益效果为：

(1)本发明提供了一种含单层磁单负材料的亚波长谐振腔特异材料天线是一种平面天线，利用磁单负材料的特殊电磁特性，其整体厚度可以远小于探测或者接收电磁波波长的二分之一，特别是，利用磁单负材料的零反射或者近零反射相位特性，谐振腔厚度可以趋于零。与现有微带贴片天线相比，谐振腔厚度不受接收信号波长的限制，从而可极大减小贴片天线的厚度尺寸。

(2)特异材料微带天线的主体是介质材料，部分反射板和全反射板表面的金属层占整体重量很小，因此，含单层磁单负材料的谐振腔特异材料天线具有重量轻、超薄、易与其他器件共形等多个优点。这类新型的特异材料天线继承了传统微带天线的优点，同时克服了很多传统微带天线的缺点。

(3)与公开号为CN101461097A的专利相比，虽然本申请提供的天线也是一种三层结构，但本申请中三层均具有天线的特性，三层配合工作，使天线的性能大大提高。

(4)与公开号为CN16207430A的专利相比，部分反射板的贴片层的主要作用是构建磁单负材料，进行信号调理，与全反射板一起形成谐振腔，实现天线方向性和增益的增强，抑制天线表面波损耗；全反射板的贴片层采用了辐射金属贴片阵列作为辐射源，贴片之间的间距可根据金属贴片所能辐射的最大口径特异材料天线来确定，贴片之间可紧密排列、稀疏排列，贴片之间的间距可大于中心频率波长的二分之一，基于磁单负材料特性及部分反射板贴片结构的设计，可抑制全反射板贴片之间的辐射耦合，从而改善辐射旁瓣和背散射性能。

(5)采用辐射金属贴片阵列作为辐射源，金属辐射贴片的数量可根据需求选取，可极大增加天线的接收面积。

(6)工作频率受谐振腔厚度和磁单负单元个体尺寸、磁单负材料整体尺寸的影响。调整谐振腔的厚度可灵活调整全反射板和部分反射板的组装结构，可根据天线应用场合、待接收信号的波段特性调整二者之间的间距，从而调整谐振腔的厚度。也可以更换具有不同磁单负贴片阵列单元尺寸的部分反射板，调整接收天线的频率响应特性，使天线工作在最佳的接收或发射频率。进一步使该天线为一种变频天线。还可以更换带有不同辐射源的全反射板，调整天线的接收面积。

(7)全反射板和部分反射板的组装结构灵活，另一方面好处为：天线组装后，可通过微调改变谐振腔的厚度，调节天线的接收或者发射频段，避免了调整天线结构而重新加工，从而节省了加工成本和降低了测试调试难度。

附图说明

图1为天线结构示意图；

图2为部分反射板表面一结构示意图；

图3为部分反射板表面二结构示意图；

图4为全反射板全反射面结构示意图；

图5为全反射板与部分反射板相对的一面结构示意图；

图6为部分反射板的表面一贴片单元结构示意图；

图7为部分反射板的表面二贴片单元结构示意图；

图8为部分反射板传统单元与磁单负单元的反射率对比图；

图9为部分反射板传统单元与磁单负单元的反射相位对比图；

图10为工作频率为2.8GHz的天线的S11图；

图11为工作频率为2.8GHz的天线的方向增益图。

图12为另一种实施方式表面一贴片单元结构示意图。

图13为另一种实施方式表面一贴片单元结构示意图。

图14为另一种实施方式表面一贴片单元结构示意图。

图15为另一种实施方式表面二贴片单元结构示意图。

图16为另一种实施方式表面二贴片单元结构示意图。

图17为另一种实施方式表面二贴片单元结构示意图。

其中：1-部分反射板，2-全反射板，3-谐振腔，4-表面一贴片单元，5-表面二贴片单元，6-金属全反射面，7-馈电接头，8-辐射金属贴片，9-微带馈电网络

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的具体实施方式进行清楚完整地描述。显然，具体实施方式所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，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的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明提供了一种基于磁单负特异材料的大尺寸的亚波长谐振腔天线，属于微带贴片天线的一种，与现有技术中微带贴片天线相比，基于特异材料的频率调整特性，一方面可使天线的谐振腔厚度大大减小，且不受接收或者发射信号频段的限制，从而可大大减小天线的厚度和重量；另一方面采用辐射金属贴片阵列作为辐射源，可增加整个天线的信号接收面积。

实施例1

如图1所示，为本发明提供的大尺寸亚波长谐振腔天线结构示意图。基于磁单负特异材料的大尺寸亚波长谐振腔天线包括间隔平行设置的全反射板3和部分反射板1；全反射板3和部分反射板1之间的间隙即形成谐振腔2。根据接收信号的方向不同，全反射板3可位于部分反射板1下方，也可以为全反射板3位于部分反射板1上方。

如图2和图3所示，部分反射板1上下两表面均设置有周期排布的贴片单元阵列，任意两个相邻的表面一贴片单元4相接，且任意一个表面一贴片单元4均包括至少一个空缺部，用于使信号通过部分反射板1；任意两个相邻的表面二贴片单元5之间间隔设置；全反射板3朝向部分反射板1的一面设置有辐射源，包括多个辐射金属贴片8、微带馈电网络9和馈电输出端，每个辐射金属贴片8均与馈电输出端相接，馈电输出端对多个辐射金属贴片8的输出起到汇集作用，辐射金属贴片8数量越多，天线的接收面积也就越大；另一面涂覆金属层的金属反射面6上有馈电接头7(馈电输出端)。馈电接头7正极与金属馈电阵列的馈电输出端相接，用于导出天线信号；馈电接头7负极接地。

作为辐射源的辐射金属贴片阵列可由微带馈电网络9进行馈电，辐射金属贴片8之间通过微带馈电网络9相互连接，激励电流由馈电点，经过馈电网络，按照不同的激励电流，分布到各个矩形金属贴片上。也可以通过同轴馈电等其他馈电方式实现馈电，每个辐射金属贴片上连接同轴馈电结构，分别对每个贴片进行不同电流大小的馈电，实现馈电电流在辐射金属贴片8上的电流分布。

部分反射板的表面一贴片单元4包括N个，相接结合构成表面一贴片单元4阵列，表面二贴片单元5包括N个，间隔排列构成表面二贴片单元5阵列。表面一贴片单元4和表面二贴片单元的这种配合结构，构造部分反射板为单层磁单负材料，对接收信号产生调节作用。其中部分反射板1主要作用有两个，一个是使部分信号能够透过部分反射板1，入射到谐振腔2内，另一个作用是对未透射进谐振腔的信号起到反射作用，同时可以调节进入谐振腔内的电磁波信号的反射相位。其进入谐振腔2内的信号强弱与表面一贴片单元4的空缺部的设置有关。

部分反射板1的表面二贴片单元阵列以及全反射板的金属全反射面6配合作用，二者的主要作用是对透射进入谐振腔2的信号进行多次反射、叠加，信号经过多次加强后，最终使信号被馈源接收。

作为优选，部分反射板1上的表面一贴片单元4和表面二贴片单元5均为规则的两侧对称形状，一个表面一贴片单元4和一个表面二贴片单元5的中心对齐。这种结构可增强表面一贴片单元4和表面二贴片单元5的反射特性，即可以得到合适的反射率和可调的反射相位，由于采用对称结构，可实现稳定的信号调理效果，同时可以调节进入谐振腔2的电磁波信号的反射相位。

例如，部分反射板1上的表面一贴片单元4可采用四边形，且四边形四个角部分形成四个空缺部。也就是说，表面一贴片单元4是由一个四边形演变而成的形状，在四边形的四个角对称的构成出四个空缺部，为信号传入、传出部分反射板1提供通道。这个空缺部可以为三角形或正方形或其他的形状。

再给出一种具体的实施方式，部分反射板1上的表面一贴片单元4为十字形贴片，任意两个相邻的十字形贴片相对的一边相接；表面二贴片单元5为正方形贴片。可以理解，十字形贴片即是一个正方形或长方形演变而形成的结构，可以想象为一个正方形或长方形对称的抠除四个角后形成的。

作为一种更优的实施方式，一个十字形贴片与一个正方形贴片中心对齐，十字形贴片的长度大于正方形贴片的边长。由于十字形贴片是每个均连接，而正方形贴片需要间隔设置，这种结构才可以实现一个十字形贴片对应一个正方形贴片，中心对齐。

全反射板和部分反射板之间的间隔，也就是谐振腔2，可以为空气层或填充介质材料，其中所述的介质材料是指天线信号可传输的材料。

除采用十字形贴片和正方形贴片外，表面一贴片单元4和表面二贴片单元5还可以采用其他的形状。如图12至图17所示，给出了其他几种表面一贴片单元4和表面二贴片单元5的实施结构示意图。

全反射板上的辐射源由辐射金属贴片阵列组成。辐射金属贴片阵列的排布保证辐射源在主方向拥有最大的辐射，贴片可以等间距排布，也可非等间距排布。辐射金属贴片阵列中，各个辐射金属贴片的馈电电流大小可平均分布，也可以按照泰勒或者切比雪夫等方式分布。平均分布式天线的副瓣增益较高。利用泰勒分布或者切比雪夫分布可以得到较低的副瓣水平。

辐射金属贴片阵列中每个辐射金属贴片8之间的间距，根据单个辐射金属贴片所能辐射的最大口径特异材料天线来确定，单元之间的间距可以紧密排列，也可以稀疏排列，间距可以远大于工作频率波长的长度。不受中心波长二分之一的限制，依然可以实现很好的辐射特性和很低的旁瓣。

如图5所示，作为一种具体的辐射金属贴片阵列的排列方式：辐射金属贴片8分行排列，每行中有N个贴片，所有辐射金属贴片之间通过微带馈电网络9相接，并汇集到馈电接出端(馈电接头)7，如此，形成完整的馈电网络。

以上，概括论述了天线的结构，以下，将以一种2.80GHz特异材料天线为具体实施方式来说明天线的结构。由于本发明提供的天线，其谐振腔2的厚度，贴片单元的尺寸都会影响天线接收信号的频率，因此，以下具体实施方式提供的天线尺寸提供了一种工作频率为2.80GHz的天线。该天线以太阳10.7cm波长(2.80GHz，对应F107指数)的射电辐射流量计中的天线接收频率2.80GHz为例，谐振腔以空气为例，进行设计。

谐振腔2的两个反射壁，分别是，下面的全反射板3，包含全反射金属面6和金属辐射贴片8，上面的是部分反射板1，包括表面一和表面二，分别设置不同的贴片结构。

图4至图7给出了这种实施方式天线结构示意图。具体来说，该天线由三层结构组合而成。其中位于底部的全反射板3为厚度为1.6mm的介质板，介质的介电常数为3.6。一面覆盖铜层作为金属反射面6，另一面是作为辐射源的辐射金属贴片阵列，由微带馈电网络9相接连接的8*8(64)个辐射金属贴片8阵列，辐射金属贴片8的尺寸为25mm*16.7mm。激励电流由馈电点，经过馈电网络按照不同的激励电流分布到各个矩形金属贴片上，矩形贴片阵中各个单元的电流分布是按照切比雪夫分布方法进行设计的；位于中间的2是空气作为填充介质的谐振腔的第二层结构，厚度为18mm；位于天线顶部的是第三块介质板1，厚度为5mm，它的上表面刻有周期为148*148的金属网格4，单元金属网格线条的宽度为4mm，长度为12mm。它的下表面为周期为148*148的正方形金属贴片5，单元金属贴片的尺寸为11.4mm，金属贴片间的间距为1.2mm。天线的整体尺寸为1776mm*1776mm*24.6mm，远大于已被公开报道的特异材料天线的口径面积，同时厚度远小于半个工作波长。

该天线主要利用磁单负材料，设计全新原理的具有高方向性、高增益天线性能的新型大尺寸超薄特异材料天线。本设计中通过仿真得到，单金属贴片作为辐射源时，最佳辐射面积约为70cm*70cm，超过最佳辐射面积，由于单个辐射金属贴片作为辐射源的辐射能力有限和天线损耗增大，天线性能降低。所以本设计利用辐射金属贴片阵列(由多个辐射金属贴片通过微带馈电网络连接形成的阵列)代替单辐射金属贴片8作为辐射源，辐射金属贴片之间的间距可以大于工作频率的波长，通过微带馈电网络给每个金属贴片馈电，贴片上的电流按照切比雪夫分布方式进行分布，实现了特异材料天线的大型化。

天线结构的上层结构为部分反射平板面，上层结构的非完全反射特性使得电磁波既能在谐振腔体中多次反射以使谐振频率的电磁波信号实现共振增强，同时又能保证信号向前方辐射出去或者被馈源接收。传统的部分反射平板结构通常为介质平板的一面上是周期排布金属贴片。与传统的结构不同，新型的部分反射平板上是由亚波长磁单负谐振单元(表面一为金属网格结构，表面二为周期排布的方形金属贴片)周期性排布构成。传统部分反射平板面，和由磁单负单元周期排布构成的部分反射平板面，在2.8GHz的反射率分别为0.973和0.975，满足高反射的特性。当2.8GHz频率的电磁波照射到传统结构时会产生接近180度的反射相位，所以腔体的最小厚度接近工作频率波长的一半，工作频率的电磁波在共振腔体中才能反射叠加增强。但2.8GHz频率的电磁波照射到含磁单负材料的结构时，电磁波的反射相位可以为0或者接近0，所以共振腔体厚度可以小于半波长，从而实现亚波长谐振腔体。

天线的工作参数为：工作频率为2.80GHz，腔体厚度为18mm，仅为工作频率空气波长108mm的1/6，主瓣的增益为32.8dB，最大增益角度为0°，主瓣方向角为4.1°，旁瓣电平为-22.2dB。与传统抛物面天线相比，相同的性能下，具有更小的体积和更小的谐振腔厚度，结构更加简单。

图8和图9给出了本实施例天线与传统的部分反射结构材料天线反射率和反射相位的对比图。从图8可见，采用磁单负特异材料的天线，其反射率较传统天线的反射率有较大的不同；图9可见，采用磁单负特异材料天线较传统天线相比，反射相位可以接近0或者等于0。需要说明，由于本实施例提供的为2.8GHz的天线，可见在2.8GHz附近，天线的反射相位接近于0，而在2.8GHz正负范围内，由于天线特性不再适用于这种工作频率，频率差越大，反射相位也会逐渐增大。

图10和图11给出了本实施例中天线的S11图和方向增益图，可见天线性能良好。

该设计方法也适用于其他频率的新型天线。适当的调整亚波长谐振腔2的厚度，及磁单负单元结构和辐射金属贴片的尺寸(特别说明的是，构成磁单负单元的结构不限定于十字网格和矩型贴片，其他形状的组合也可以实现磁单负单元)，使其等效磁导率小于零，从而调整磁单负材料的零反射相位(或者任意数值的反射相位)频率，并调整天线的工作频率。

具体的说，部分反射平板层1的表面一部分反射特性的变化可以通过改变磁单负材料的基本单元的大小来实现，例如，组成贴片阵列的十字交叉金属线的宽度调控，宽度增加时平板层1的反射率增大，宽度减小时平板层1的反射率减小。部分反射平板层1的零反射相位对应的频率，主要由表面二金属贴片单元5的宽度调整，宽度增加时部分反射平板层的零反射相位频率向低频移动，宽度减小时部分反射平板层的零反射相位频率向高频移动。根据以上规律可以设计不同频率响应的磁单负单元。

磁单负单元整体尺寸增大时，部分反射平板层1的零反射相位频率向低频移动。磁单负单元整体尺寸减小时，部分反射平板层1的零反射相位频率向高频移动。

天线的工作频率也可通过调整亚波长谐振腔2的厚度来调整。当谐振腔体2的厚度增加时，天线工作频率向低频移动，当谐振腔体2的厚度减小时，天线的工作频率向高频移动。电磁波在共振腔体中多次反射叠加，满足上下两面的反射相位与波程相位之和为2π的整数倍才能实现叠加增强。磁单负特异材料在一定的频率范围内可以实现接近零的反射相位，在这个频率范围内腔体厚度发生变化，满足电磁波共振增强条件的频率也会随之发生变化。所以通过适当调节腔体的厚度可以调整天线的工作频率。

综合调整各个尺寸参数可以实现天线的最佳辐射性能。

该天线结构利用亚波长谐振腔结构对于放置在腔体内部的辐射源(由微带馈电网络9连接的辐射金属贴片阵列8)，可以起到增强辐射方向性的作用，提高天线辐射的增益。利用磁单负材料的0反射相位特性，实现了共振腔体的亚波长超薄厚度。

实施例2

本实施方式进一步提供一种谐振腔2厚度可调的天线结构。除以下不同外，其他结构同实施例1。

实施例1中已述，可通过调整谐振腔2厚度或改变磁单负阵列单元的尺寸来调整天线的工作频率。而现有结构中，天线一般为固定结构，一但组装好，很难再改变天线的结构。

本实施例中可将全反射板3和部分反射板1均设计为可拆卸可调的结构，通过调整二者的位置可调整谐振腔2的厚度，通过拆卸更换，可更换不同尺寸磁单负阵列单元的部分反射板1。另外一种方式，也可将全反射板3设计为固定安装结构，部分反射板为可拆卸可调结构。

具体的说，部分反射板1通过滑动部件安装在竖向滑轨上，通过在滑轨上移动，可调整谐振腔2的弧度。

另一种实施方式，全反射板3和部分反射板1上设置有配合安装孔，通过调节螺钉配合安装。通过配合螺钉旋转可调整二者之间的间距。