一种基于周期性超材料结构的可调谐微带天线及其设计方法与流程

本发明属于无线电领域，具体涉及一种基于周期性超材料结构的可调谐微带天线设计。

背景技术：

射频识别技术是一种通过无线通讯方式进行数据通信，从而实现目标识别的技术，其中天线发挥着十分重要的作用。天线作为RFID系统发射和接收的重要部分，其性能直接影响到系统的通信质量，如今传统的天线已经难以满足现代通信的需求。超材料作为当前研究的热点，将其应用于天线可以提高天线的性能，有助于天线的优化。

超材料是一种自然界中不存在的人工周期结构，其具有特殊的电磁特性。超材料一般指的是介电常数为负或者磁导率为负或者这两者都为负的材料，超材料天线比一般天线的性能要好，一般天线加载超材料之后可以大大提高天线性能，使天线得到更好的优化。

可调谐天线可以在不改变天线结构和尺寸的情况下得到不同的谐振频率，这种方式多用于多功能系统，可以降低系统的成本，减轻重量，并有利于系统的电磁兼容。由于近年来对铁电薄膜材料的研究有较大进步，将铁电薄膜材料应用于天线，利用其压电特性，改变其介电常数，以此来控制天线的谐振频率，从而实现天线谐振频率的可调。

技术实现要素：

本发明目的是解决现有技术中微带天线本身的增益低，带宽窄，频率不可调等问题，提出一种基于周期性超材料结构的可调谐微带天线设计方法，该天线具有增益高、方向性好、可调谐等优点。

本发明所述的一款基于超材料结构的可调谐微带天线，包括一个普通的微带天线，所述普通的微带天线的中心频率为2.45GHz，馈电方式采用同轴馈电，天线尺寸56mm*74mm，厚度1.6mm，介质板材料采用FR4_epoxy，辐射贴片大小为37mm*28mm；在所述的普通微带天线的上方加载两层周期性开口谐振环阵列结构的覆盖层，每层开口谐振环数量均为5*5；在微带天线的辐射贴片和介质板之间添加BST薄膜材料。

所述的超材料覆盖层与普通微带天线之间，以及两层覆盖层之间的距离均为5mm。

本发明所述的基于超材料结构的可调谐微带天线的设计过程包括：

(1)使用HFSS仿真软件来设计一款普通的微带天线，中心频率为2.45GHz，馈电方式采用同轴馈电，天线尺寸56mm*74mm，厚度1.6mm，介质板材料采用FR4_epoxy,辐射贴片大小为37mm*28mm。

(2)在微带天线上方5mm处添加单层周期性谐振环结构，谐振环数量为5*5，仿真观察天线的回波损耗、方向图。

(3)改变周期性谐振环结构层数，即在微带天线上方5mm和10mm处分别添加一层周期性谐振环结构，每层谐振环数量均为5*5，对照观察天线的回波损耗、方向图。

(4)在(3)的基础上，调整双层周期性谐振环与微带天线之间的距离，对照观察天线的回波损耗、方向图。

(5)在不改变普通微带天线自身结构的情况下，在普通微带天线的辐射贴片和介质板之间添加BST薄膜材料，通过电压控制BST薄膜材料的介电常数，改变普通微带天线的谐振频率。

由以上结构的可调谐微带天线仿真结果和之前未加载超材料结构的天线作对比，通过对比三者的回波损耗、方向图和增益，取性能最好的参数。通过调整微带天线与超材料结构之间的距离，或改变超材料层数，实现对加载超材料的天线进行优化。

本发明的优点和积极效果：

1、本发明所述的天线，采用谐振环结构改善微带天线的性能，天线方向图增强。加载单层和双层超材料时，较无超材料加载天线对比，在2.45GHz处，天线增益分别增加2.5dbi和4dBi。

2、本发明所述的天线，通过电压控制BST薄膜材料的介电常数，从而改变天线的谐振频率，可读取频率范围广。

3、本发明所述的天线，其采用的加工材料常见，工艺简单，便于实现批量工业化生产。

附图说明

图1为2.45GHz微带天线模型。

图2为所设计微带天线的回波损耗。

图3为所设计微带天线的方向图。

图4为加载单层周期性超材料结构的微带天线。

图5为加载双层周期性超材料结构的微带天线。

图6为图4和图5两种结构的仿真结构和之前未加载超材料结构的天线作对比得到的回波损耗图。

图7为图4和图5两种结构的仿真结构和之前未加载超材料结构的天线作对比得到的方向图。

图8为图4和图5两种结构的仿真结构和之前未加载超材料结构的天线作对比得到的增益图。

图9为添加了BST薄膜的天线模型。

图10为不同相对介电常数的BST薄膜材料仿真结果对比图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

实施例1、

如图4所示，基于超材料结构的可调谐微带天线，所述的可调谐微带天线包括一个普通的微带天线(参见图1)，所述微带天线的中心频率为2.45GHz，尺寸为56mm*74mm，厚度为1.6mm，介质板材料采用FR4_epoxy,辐射贴片大小为37mm*28mm，馈电方式采用同轴馈电。在所述的普通微带天线的上方5mm处加载一层周期性开口谐振环阵列结构的覆盖层，开口谐振环数量为5*5。

实施例2、

在实施例1所设计的微带天线的基础上，增加一层覆盖层，即在所述的普通微带天线的上方5mm和10mm处分别加载一层(共两层)周期性开口谐振环阵列结构的覆盖层，每层开口谐振环数量均为5*5。

实施例3

在实施例1或实施例2所设计的微带天线的基础上，在不改变普通微带天线自身结构的情况下，在微带天线的辐射贴片和介质板之间添加BST薄膜材料，通过电压控制BST薄膜材料的介电常数，从而改变普通微带天线的谐振频率。

实验结果比较

图1显示了2.45GHz普通微带天线模型。

如图1所示，使用HFSS仿真软件建立一款普通微带天线。天线中心频率为2.45GHz，馈电方式采用同轴馈电，天线尺寸56mm*74mm，厚度1.6mm，介质板材料采用FR4_epoxy,辐射贴片大小为37mm*28mm。

图2和图3分别显示了所设计的未加载超材料结构的微带天线的回波损耗和方向图。

如图2所示，微带天线的-3dB带宽为2.4GHz-2.6GHz，谐振点2.45GHz处的回波损耗为-26dB。如图3所示，微带天线的辐射在YOZ面和XOZ面均比较分散，方向性欠佳。

图4显示了实施例1设计的加载单层周期性超材料结构的微带天线。

如图4所示，在图1的微带天线上方5mm处添加周期性谐振环结构，谐振环的数量为5*5，通过仿真观察各项参数的变化。

如图5所示实施例2设计的天线，在图1的普通微带天线上方5mm和10mm处分别各加载一层周期性超材料结构，谐振环的数量均为5*5。

图6显示了图4和图5两种结构的仿真结果和之前未加载超材料结构的微带天线作对比得到的回波损耗图。可以看出，天线在谐振点的回波损耗有所改善。

图7显示了图4和图5两种结构的仿真结构和之前未加载超材料结构的微带天线作对比得到的方向图。如图7所示，天线方向图收敛，主瓣宽度变小，方向性增强，而且超材料的层数增多时其增加的越明显。

图8显示了图4和图5两种结构的仿真结构和之前未加载超材料结构的天线作对比得到的增益图。如图8所示，加载单层和双层超材料时，较无超材料加载天线对比，在2.45GHz处，天线增益分别增加2.5dbi和4dBi。增益的提升随着超材料层数增加而增加。

要实现天线谐振频率的可调，本发明采用铁电薄膜技术，在不改变天线自身结构的情况下，在微带天线的辐射贴片和介质板之间添加BST薄膜材料，通过电压控制BST薄膜材料的介电常数，来使天线的谐振频率得到改变。

图9显示了添加了BST薄膜的天线模型。在天线贴片与介质板之间加了一层厚度为0.01mm的材料。天线的介质板成为了双层结构，通过改变其上层的介电常数，将BST薄膜材料的相对介电常数设置为100、200、300，进行仿真。

图10显示了具有不同相对介电常数的BST薄膜材料仿真结果对比。如图10所示，在BST薄膜的介电常数逐渐变大的过程中，该天线的谐振频率在变小，但是其回波损耗在变大，所以该天线可以实现谐振频率的可调。

综上所述，本发明采用周期性超材料结构和铁电薄膜设计一款可调谐微带天线。微带天线应用非常广泛，本发明利用超材料来改善其性能，提高了天线的增益，并改善了天线的方向性，对比加载多层超材料结构，天线的性能可以进一步优化。并在超材料天线的基础上来添加铁电薄膜材料，实现天线的谐振频率可调。