專利名稱：一種低折射率異向介質材料雙頻雙極化微帶貼片天線的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種微帶貼片天線，特別涉及一種雙頻雙極化定向微帶貼片天線。
背景技術：
雙頻雙極化定向微帶貼片天線作為微帶天線的重要組成部分，繼承了微帶天線的饋電方 式和極化制式的多樣化以及饋電網絡、有源電路集成一體化等優點而成為當前微帶天線的主 角。按照以往雙頻雙極化天線的設計一般需要兩個分離的天線子系統，重量和所占空間都比 單一子系統增大了很多。目前常采用的方法為，將兩個分離的極化系統集成在同一天線單元 中，利用微帶天線組陣的方式來實現高增益定向功能，在兩個極化方向上利用微帶饋線分別 對各個陣元進行饋電；但是整個天線的系統設計也比較復雜。
近年來，異向介質材料的出現開創了一個全新的領域，其獨特的電磁特性引起了 許多科學研究者的興趣，并為這種高性能新型天線的設計帶來了曙光。它是具有天然材料 所不具備的超常物理性質的人工復合結構，通常是由兩種或者兩種以上的自然物質(通常是 金屬和介質)按照特定的周期性規則組合而成。異向介質材料的電磁輻射特性與自由電子氣 體的等離子振蕩有關，在微波波段，材料的等效介電常數與等離子體頻率可以用下式表達
&( ) = 1-4;其中6^為等離子頻率，co為電磁波的頻率。當電磁波的頻率大于等離子頻率 " 必' "
時，材料的等效介電常數小于l，并接近于0，這就意味著它的等效折射率是小于1的，于是 單極子輻射出的能量將被束縛在法線附近，呈現聚焦效應，這樣利用異向介質材料對電磁 波的低折射率效應制作的天線,可以實現對天線輻射電磁波波束的匯聚，減小天線的 半波瓣寬度,提高天線的方向性。2002年，S.Enoch設計出一種由六層周期性金屬網格構 成的近零折射率材料，它的等離子體頻率在14.5GHz，然后將一單極子天線插入在該材料中， 可以獲得很高的高方向性，其方向性在14.6GHz時高達372。但是加了異向介質后，單極子 天線回波損耗很差，仍然不能滿足很多場合的需求。
發明內容
本發明要解決的技術問題是克服現有技術的不足；提出一種利用金屬矩形網格型低折 射率異向介質材料作為微帶貼片天線的覆層分別在兩個極化方向的不同頻段內提高貼片天線
的方向性，同時也壓縮了貼片天線的半功率波束角。
本發明解決其技術問題所采用的技術方案是 一種低折射率異向介質材料雙頻雙極化微 帶貼片天線，其特征在于包括以下步驟
(1)確定微帶貼片天線分別在兩個極化方向上的工作頻率為fl和f2，對應的波長分別
(2) 選取一個尺寸為LxW的傳統矩形微帶貼片天線，L表示微帶貼片天線的長，W表 示微帶貼片天線的寬，并用微帶線進行饋電；
(3) 制作一個由周期性雙層金屬矩形網格構成的低折射率異向介質材料，其基本參數包 括矩形網格在x極化方向上的周期Pl和y極化方向上的周期P2，空氣孔的尺寸axxay，以及 兩層金屬網格之間的距離h;
(4) 將金屬矩形網格型低折射率材料放在距離微帶貼片天線d高度處，四周用尼龍螺釘 固定支撐， 一種低折射率異向介質材料雙頻雙極化微帶貼片天線設計完成；
(5) 利用現有加工技術對所設計的低折射率異向介質材料雙頻雙極化微帶貼片天線進行制作。
所述步驟(2)中的矩形微帶貼片天線，其長度￡<^/2，滿足在x極化方向，工作頻率
fl處諧振；其寬度『<^/2，滿足在y極化方向，工作頻率f2處諧振。
所述步驟(2)中的矩形微帶貼片天線在x和y極化方向上都采用微帶線饋電機制。 所述步驟(3)中的低折射率異向介質材料為矩形網格周期結構，其制作方法為首先在 單面覆銅的PCB板材上采用傳統光刻工藝在金屬層上旋涂光刻膠、烘干固化、曝光、顯影、
烘千堅膜、濕法腐蝕金屬層等步驟制作出單層的周期性的金屬網格結構；然后選擇兩層上述 制作的單層金屬網格結構上下對齊并用尼龍螺釘固定。
所述步驟(3)中金屬矩形網格尺寸如下x極化方向上的周期為Pl—般為A/5 4/2， 空氣孔的尺寸ay—般為4/5 4/3， y極化方向上的周期為P2—般為^/5 ~，空氣孔的
尺寸ax —般為4/5 ~ 4/3以及金屬網格層與層之間的距離h小于min(^/2， ^/2)。
所述步驟(4)中的金屬矩形網格型低折射率覆層材料與微帶貼片天線的接地面之間的距 離d小于min(;i！/2, ^/2)。
所述步驟(4)中的金屬矩形網格型低折射率覆層材料與微帶貼片天線的接地面的固定是 在兩個物體的四周用尼龍螺釘或其它方式進行定位并固定，使得金屬矩形網格型低折射率覆
層材料與微帶貼片天線的接地面平行。
本發明與現有技術的相比所具有的優點在于
1、 本發明通過將金屬矩形網格型低折射率異向介質材料作為覆層應用到微帶貼片天線 中，可以實現在兩個極化方向上的不同的頻段內將貼片天線輻射出的電磁波聚焦在傳播的法 線附近，從而實現了高方向性，提高了微帶貼片天線的增益，并且半功率波束寬度也得到了 減小。
2、 傳統實現雙頻雙極化定向微帶貼片天線通常需要采用陣列天線實現，其中饋電網絡的 設計相當復雜，并且也會帶來一定的損耗；本發明僅采用一個微帶貼片天線就實現了高方向 性。
圖1為金屬矩形網格型低折射率覆層材料示意圖； 圖2為微帶貼片天線示意圖3為低折射率異向介質材料雙頻雙極化微帶貼片天線側視圖 圖中l為金屬網格型低折射率材料的單元格，2為微帶貼片天線。
具體實施例方式
下面結合附圖及具體實施方式
對本發明進行詳細說明，但本發明的保護范圍并不僅限于 下面實施例，應包括權利要求書中的全部內容。而且本領域技術人員從以下的一個實施例即 可實現權利要求中的全部內容。
本發明實施例的具體過程如下-
(1) 選擇矩形微帶貼片天線在x極化方向上的工作頻率為14.2GHz,可以得其波長A為 21.13mm，在y極化方向上的工作頻率為15.6GHz，可以得其波長^為19.2mm。
(2) 選擇傳統的矩形微帶貼片天線，其長度為1:=5.65111111諧振于14.20112， W=5.1mm 諧振于15.6GHz;微帶貼片天線示意圖如圖2所示；
(3) 該微帶貼片天線采用微帶線對其饋電，微帶貼片天線和微帶線采用傳統光刻工藝刻 蝕在介電常數為2.2，厚度為1.575mm的介質基底(型號Rogers5880)上；
(4) 制作一個由周期性雙層金屬矩形網格構成的低折射率材料；其具體制作過程如下 首先利用傳統光刻工藝，在介電常數2.2，厚度為1.575mm的單面覆銅的微波PCB板(型號 Rogers5880)正面金屬層上旋涂光刻膠、烘干固化、曝光、顯影、烘干堅膜、濕法腐蝕金屬層 等步驟，在單面覆銅的微波PCB板上制作出周期個數為11x11的金屬矩形網格周期陣列，這
里金屬網格結構的參數的選取直接決定了所設計材料的等離子頻率和等效折射率的取值，由
于該材料為各向異性材料，這里主要關心該異向介質材料在x和y極化方向上天線工作頻率 處的等效折射率，不斷優化金屬矩形網格參數使其在fl和f2處遠小于l，并接近于0;本實 施例取其參數尺寸如下x極化方向上的周期為Pl=5.7mm，空氣孔的尺寸ay=4.6mm， y 極化方向上的周期為P2 = 7.5mm，空氣孔的尺寸ax=4.9mm;然后選擇兩層上述制作的金屬 網格結構，并上下對齊周邊采用尼龍螺釘固定，金屬網格層與層之間的距離h要小于 min(A/2, A/2),這里取h=3mm;所制作的金屬矩形網格型低折射率覆層材料示意圖如圖
l所示；
(5) 將設計好的金屬矩形網格型低折射率材料作為微帶貼片天線的覆層放在貼片天線上 面，該材料與貼片天線接地面四周用尼龍螺釘固定，金屬矩形網格型低折射率材料與接地面 之間的距離d小于min(^/2， A/2)，可以在整個天線系統仿真計算時，對d再進行優化處
理，獲得最佳輻射性能的天線；這里選取d=7.25mm; —種低折射率異向介質材料雙頻雙極 化微帶貼片天線設計完成；
(6) 利用現有加工技術對所設計的低折射率異向介質材料雙頻雙極化微帶貼片天線進行 制作，所制作的天線的側視圖如圖3所示。
利用本發明的低折射率異向介質材料雙頻雙極化微帶貼片天線，通過時域有限差分法 (FDTD)仿真結果表明低折射率異向介質材料雙頻雙極化微帶貼片天線的增益在x極化方向 上，頻率為14.2GHz時提高了 8.5dB，同時在在y極化方向上，頻率為15.6GHz時提高了 lldB， 并且相應的半功率波束寬度明顯壓縮，于是可以得出金屬矩形網格型低折射率材料可以在兩 個極化方向上的相應頻段內有效提高微帶貼片天線的輻射性能。
權利要求
1、一種低折射率異向介質材料雙頻雙極化微帶貼片天線，其特征在于包括以下步驟(1)確定微帶貼片天線分別在兩個極化方向上的工作頻率為f1和f2，對應的波長分別為λ1和λ2；(2)選取一個尺寸為L×W的傳統矩形微帶貼片天線，L表示微帶貼片天線的長，W表示微帶貼片天線的寬，并用微帶線進行饋電；(3)制作一個由周期性雙層金屬矩形網格構成的低折射率異向介質材料，其基本參數包括矩形網格在x極化方向上的周期P1和y極化方向上的周期P2，空氣孔的尺寸ax×ay，以及兩層金屬網格之間的距離h；(4)將金屬矩形網格型低折射率材料放在距離微帶貼片天線d高度處，四周用尼龍螺釘固定支撐，一種低折射率異向介質材料雙頻雙極化微帶貼片天線設計完成；(5)利用現有加工技術對所設計的低折射率異向介質材料雙頻雙極化微帶貼片天線進行制作。
2、 根據權利要求1所述的一種低折射率異向介質材料雙頻雙極化^[帶貼片天線，其特征 在于所述步驟(2)中的矩形微帶貼片天線，其長度丄〈A/2，滿足在x極化方向，工作頻率fl處諧振；其寬度『〈A/2，滿足在y極化方向，工作頻率f2處諧振。
3、 根據權利要求1所述的一種低折射率異向介質材料雙頻雙極化微帶貼片天線，其特征 在于所述步驟(2)中的矩形微帶貼片天線在x和y極化方向上都采用微帶線饋電機制。
4、 根據權利要求1所述的一種低折射率異向介質材料雙頻雙極化微帶貼片天線，其特征 在于所述步驟(3)中的低折射率異向介質材料為矩形網格周期結構，其制作方法為首先 在單面覆銅的PCB板材上采用傳統光刻工藝在金屬層上旋涂光刻膠、烘干固化、曝光、顯影、 烘干堅膜、濕法腐蝕金屬層等步驟制作出單層的周期性的金屬網格結構；然后選擇兩層上述制作的單層金屬網格結構上下對齊并用尼龍螺釘固定。
5、 根據權利要求1所述的一種低折射率異向介質材料雙頻雙極化微帶貼片天線，其特征 在于所述步驟(3)中金屬矩形網格尺寸如下X極化方向上的周期為P1 —般為A/5 4/2，空氣孔的尺寸ay—般為A/5 4/3， y極化方向上的周期為P2—般為^/5 ~ ^/2 ，空氣孔的尺寸ax—般為^/5 A/3以及金屬網格層與層之間的距奮h'小于'min(V2， 4/2)。
6、 根據權利要求1所述的一種低折射率異向介質材料雙頻雙極化微帶貼片天線，其特征 在于所述步驟(4)中的金屬矩形網格型低折射率覆層材料與微帶貼片天線的接地面之間的 距離d小于min(^/2， ^/2)。
7、 根據權利要求1所述的一種低折射率異向介質材料雙頻雙極化微帶貼片天線，其特征 在于所述步驟(4)中的金屬矩形網格型低折射率覆層材料與微帶貼片天線的接地面的固定 是在兩個物體的四周用尼龍螺釘或其它方式進行定位并固定，使得金屬矩形網格型低折射率 覆層材料與微帶貼片天線的接地面平行。
全文摘要
一種低折射率異向介質材料雙頻雙極化微帶貼片天線，包括以下步驟(1)確定微帶貼片天線分別在兩個極化方向上的工作頻率為f1和f2；(2)選取一個尺寸為L×W的傳統矩形微帶貼片天線，并用微帶線進行饋電；(3)制作一個由周期性雙層金屬矩形網格構成的低折射率材料，并設置相關參數；(4)將金屬矩形網格型低折射率材料放在距離微帶貼片天線d高度處，四周用尼龍螺釘固定支撐在接地面上，一種低折射率異向介質材料雙頻雙極化微帶貼片天線制作完成；本發明利用金屬矩形網格型低折射率材料作為微帶貼片天線的覆層分別在兩個極化方向的不同頻段內提高貼片天線的方向性，提高了天線的增益，同時也壓縮了貼片天線的半功率波束角。
文檔編號H01Q13/08GK101383450SQ20081022469
公開日2009年3月11日 申請日期2008年10月23日 優先權日2008年10月23日
發明者崔建華, 羅先剛, 趙澤宇, 成 黃 申請人:中國科學院光電技術研究所