專利名稱：基于鐵電介質諧振器覆層的微帶天線的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種微帶天線，具體來說是一種基于鐵電介質諧振器覆層的微帶 天線。
背景技術：
微帶天線具有拋面薄、體積小、重量輕，易與載體表面共形等優點，在衛星通信、雷 達、遙感等方面得到了廣泛應用。然而，微帶天線通過金屬貼片向空間自由輻射能量，帶來 了方向性差、增益低等缺點。參照圖 7，文獻“Investigation of anisotropic negative permeability medium cover for patch antenna，，IET Microwaves, Antennas & Propagation，vol. 2, no. 7, pp. 737-744，O008)公開一種利用天線覆層對微帶天線輻射場控制的手段。該天線覆層 在輻射金屬片3上方的覆銅板2加工周期排列的開口諧振環73。在天線發射的電磁波激 勵下，開口諧振環發生諧振并對天線側向輻射進行抑制，進而提高天線增益4dB，但只達到 7. 62dB。然而，由于開口諧振環結構的不對稱型，僅能對特定極化的電磁波進行抑制，這必 然對微帶天線性能的提高形成制約。鐵電介質諧振器是一種新型人工周期材料，文獻“Experimental Demonstration of Isotropic Negative Permeability in a Three-Dimensional Dielectric Composite”，Physcial Review Letters, vol. 101，no. 2，p. 027402，(2008)報道周期排列 高介電常數的鐵電介質顆粒在入射電磁波的激勵下可發生Mie諧振。在諧振頻率附近，電 磁波無法通過而形成透射禁帶，表現出優異的對電磁波的調控性能。
發明內容為了克服現有的微帶天線方向性差、增益低的不足，本實用新型提供一種基于鐵 電介質諧振器覆層的微帶天線。通過將鐵電介質諧振器置于天線覆層內對電磁波的側向輻 射進行抑制，鐵電介質諧振器底面為圓形或正方形使鐵電介質諧振器對各種側向輻射電磁 波進行有效抑制，從而最大程度地提高天線的增益。本實用新型解決其技術問題所采用的技術方案一種基于鐵電介質諧振器覆層的 微帶天線，包括覆銅板2、輻射金屬片3，其特點是，還包括金屬地板1、微帶饋線4、阻抗轉換 線5、介質諧振器6、聚四氟乙烯板7和連接棒8，所述的覆銅板2 —面為金屬地板1，另一面 刻蝕有輻射金屬片3、微帶饋線4和阻抗轉換線5，輻射金屬片3與微帶饋線4和阻抗轉換 線5兩端分別連接；所述的聚四氟乙烯板7含周期排列的孔陣列，孔與介質諧振器6外形相 同且等大，介質諧振器6填充入孔內形成含鐵電介質諧振器的天線覆層；將聚四氟乙烯板7 置于覆銅板2含輻射金屬片面的上方并通過連接棒8與覆銅板2連為一體。所述介質諧振器6的材料是鈦酸鍶鋇，相對介電常數為100 600。所述介質諧振器6的厚度小于底面長方體或圓柱體的尺寸。所述介質諧振器6是長方體時，邊長1 = 1. 20 3. 00mm，厚度h = 0. 30 1. OOmm0[0010]所述介質諧振器6是圓柱體時，底面半徑R = 0.60 1.75mm，厚度h = 0. 30 1. OOmm0所述的連接棒8為聚氯乙烯樹脂圓棒。本實用新型的有益效果是由于通過將鐵電介質諧振器置于天線覆層內對電磁 波的側向輻射進行抑制，鐵電介質諧振器底面為圓形或正方形使鐵電介質諧振器對各種側 向輻射電磁波進行有效抑制，具有高介電常數的鐵電介質顆粒在電磁波激勵下可發生多級 Mie諧振，且在諧振頻段附近形成電磁波透射禁帶。將這種介質顆粒組成的介質諧振器嵌入 聚四氟乙烯板中形成天線覆層，利用介質諧振器在諧振頻段的禁帶效應抑制天線的側向輻 射，收窄天線輻射波束進而實現天線方向性的改善和天線增益的提高。所述的鐵電介質諧 振器底面為圓形或正方形，具有高度的結構的對稱性，對側向輻射波進行全面抑制進而改 善天線的方向性，天線的增益由背景技術的7. 62dB提高到12. 42dB，提高了 4. 8dB。
以下結合附圖和具體實施方式
對本實用新型作詳細說明。
圖1本實用新型中基于鐵電介質諧振器覆層的微帶天線立體圖。圖2圖1中介質諧振器是長方體時的單元放大圖。圖3圖1中介質諧振器是圓柱體時的單元放大圖。圖4實施例1中介質諧振器是長方體(1 = 2. 2mm, h = 0. 5mm)時，對不同入射方 向電磁波的透射波譜。圖5實施例1基于鐵電介質諧振器覆層的微帶天線與未加置鐵電介質諧振器覆層 的微帶天線遠場方向比較圖。圖6實施例2基于鐵電介質諧振器覆層的微帶天線立體圖。圖7背景技術中含開口諧振環天線覆層的微帶天線立體圖。 圖中，1-金屬地板，2-覆銅板，3-輻射金屬片，4-微帶饋線，5-阻抗轉換線，6_介 質諧振器，7-聚四氟乙烯板，8-連接棒，41-含鐵電介質諧振器覆層的微帶天線遠場輻射方 向圖，42-未加置鐵電介質諧振器覆層的微帶天線遠場方向圖，73-開口諧振環。
具體實施方式
本實用新型提供的基于鐵電介質諧振器覆層的微帶天線包括覆銅板2、介質諧振 器6和聚四氟乙烯板7 ；覆銅板2 —面為金屬地板1，另一面刻蝕有輻射金屬片3、微帶饋線 4、阻抗轉換線5，輻射金屬片3和微帶饋線4分別與阻抗轉換線5兩端相連；介質諧振器6 是厚度小于底面尺寸的鐵電陶瓷顆粒；聚四氟乙烯板7上機加工有孔陣列，孔與介質諧振 器6底面外形相同且等大，呈周期排列，將介質諧振器6填充入聚四氟乙烯板7的孔內形成 含介質諧振器6的天線覆層；利用連接棒8將聚四氟乙烯板7和覆銅板2連接得到基于鐵 電介質諧振器覆層的微帶天線。基于鐵電介質諧振器覆層的微帶天線，采用厚度遠小于底面尺寸的高介電常數的 鐵電陶瓷顆粒形成鐵電介質諧振器6，由于鐵電介質諧振器6的厚度和底面尺寸不同實現 對側向入射電磁波抑制而對垂直入射波無響應的功能，本實用新型的核心在于介質諧振器 的底面為正方形或圓形等對稱結構，可以對不同方向的側向輻射進行全面抑制，從而最大限度地改善天線輻射的方向性和提高增益。在入射電磁波磁場分量激勵下，高介電常數的鐵電介質諧振器可發生Mie諧振形 成透射禁帶。相關諧振頻率取決于介質顆粒的尺寸、介電常數等因素。通過采用厚度遠小 于底面尺寸的薄片介質諧振器，實現其對側向、垂直入射電磁波的諧振頻率的分離，即在某 一頻段內側向入射電磁波受介質諧振器的抑制作用無法通過而沿垂直方向入射的電磁波 卻可全波透射；將所述的鐵電介質諧振器覆層置于微帶天線上方，調節介質諧振器外形、尺 寸和介電常數使其對側向入射電磁波諧振頻段恰好覆蓋微帶天線有效工作區域而對垂直 入射的電磁波響應頻率則遠離微帶天線的工作波段，實現對微帶天線側向輻射的抑制；鐵 電介質諧振器的底面為正方形或圓形，滿足在側平面內對不同輻射方向的電磁波的抑制需 求，進而大幅提高天線的增益。本實用新型中所述的微帶天線加工首先選用覆銅板2作為天線基板。利用電路板 印刷技術直接將金屬地板1、輻射金屬片3、微帶饋線4、波長阻抗轉換線5蝕刻于覆銅板2 上，其中金屬地板1位于覆銅板2的一面，輻射金屬片3、微帶饋線4、阻抗轉換線5位于覆 銅板2的另一面。鐵電介質諧振器6由高介電常數的鈦酸鍶鋇(BaSrTiO3)陶瓷顆粒組成，外形為厚 度小于底面尺寸的長方體或圓柱體，其對側向輻射和垂直輻射電磁波的響應頻率不同。鐵 電介質諧振器的底面為正方形或圓形，滿足在側平面內對不同輻射方向的電磁波的抑制需 求。鐵電介質諧振器的介電常數、尺寸和晶格常數根據天線工作頻率不同可進行調整，以保 證天線工作頻段位于介質諧振器在側向輻射激勵下形成的禁帶區域內。如對于工作在8 12GHz的微帶天線，鐵電介質諧振器介電常數為100 600，厚度為h = 0. 30 1. 00mm，橫 截面為邊長1 = 1. 20 3. OOmm的正方形或半徑為R = 0. 60 1. 75mm圓形。在聚四氟乙烯板7機加工出周期為3. 00 5. OOmm的正方形排布的孔陣列。將介 質諧振器6嵌入聚四氟乙烯板7孔陣列中，制得具有對側向輻射響應的含鐵電介質諧振器 的天線覆層。采用透波性能較好聚氯乙烯樹脂(PVC)制成連接棒8，將聚四氟乙烯板7和覆 銅板2連為一體，從而制得含有鐵電介質諧振器覆層的微帶天線。應用實施例1 利用電路板印刷技術在厚度為1. 50mm的覆銅板2 ( ε r = 2. 65)上 兩個面上分別刻蝕出金屬地板1、輻射金屬片3、微帶饋線4和阻抗轉換線5，其中金屬地 板1位于覆銅板2的一面，輻射金屬片3、微帶饋線4和阻抗轉換線5位于覆銅板2的另 一面，輻射金屬片3、微帶饋線4分別與阻抗轉換線5的兩端相連。輻射金屬片3的尺寸為 7. 90X7. 90mm2，微帶天線中心工作頻率為10. IGHz0選用介電常數為ε , = 194的鈦酸鍶 鋇(BaSrTiO3)鐵電陶瓷塊材，利用數控機床加工為底面為2. 20X2. 20mm2，厚度h = 1. OOmm 的長方形塊體，獲得鐵電介質諧振器6。在厚度為2. OOmm的聚四氟乙烯板7(、= 2. 1)上 機加工與鐵電介質諧振器底面尺寸相同的方孔陣列，方孔以晶格常數為4. OOmm呈正方形 排布，將鐵電介質諧振器6嵌入聚四氟乙烯板7中，得到含有鐵電介質諧振器的天線覆層。 聚四氟乙烯板7與覆銅板2的間距為15. 00mm，通過聚氯乙烯樹脂(PVC)圓棒8連接聚四氟 乙烯板7和覆銅板2，完成基于鐵電介質諧振器覆層的微帶天線的制作。該覆層的透射率隨電磁波入射角度變化規律如圖4所示。圖中入射角度θ是以 覆層表面法線方向為基準，即θ =0°表示電磁波垂直入射天線覆層上。可以看出，鐵電介 質諧振器對垂直入射電磁無響應且插入損耗極小。隨著入射角度的增大，即電磁波由垂直入射逐漸轉向側向輻射時，在10. IGHz出現了透射禁帶，且禁帶強度隨入射角度的增大而 逐漸增大，表明鐵電介質諧振器在該頻點處發生了強諧振，可有效抑制天線的側向電磁波輻射。由圖5通過和未加置本實用新型所述的天線覆層的傳統微帶天線對比可以發現 本實用新型中基于鐵電介質諧振器覆層的微帶天線遠場輻射方向圖41得到了明顯改善， 而且天線增益由傳統微帶天線的7. 62dB提高為12. 42dB，提高了 4. 8dB。應用實施例2 利用電路板印刷技術在厚度為1. 50mm的覆銅板2 ( ε , = 2. 65)上 兩個面上分別刻蝕出金屬地板1、輻射金屬片3、微帶饋線4和阻抗轉換線5，其中金屬地 板1位于覆銅板2的一面，輻射金屬片3、微帶饋線4和阻抗轉換線5位于覆銅板2的另 一面，輻射金屬片3、微帶饋線4分別與阻抗轉換線5的兩端相連。天線輻射金屬片3尺 寸為7. 60X7. 60mm2,中心工作頻率為10. 50GHz。采用介電常數為ε ^ = 300的鈦酸鍶鋇 (BaSrTiO3)鐵電陶瓷塊材，利用數控機床加工為底面半徑為R=I. 15mm，厚度h = 0. 55mm 的圓柱體，獲得鐵電介質諧振器6。鐵電介質諧振器6在側向入射電磁波的激勵下諧振頻 率位于10. 50GHz。在厚度為2. OOmm的聚四氟乙烯板7( ε r = 2. 1)機加工和鐵電介質諧振 器6底面半徑相同的圓孔陣列且以晶格常數4. OOmm周期排布。將鐵電介質諧振器6嵌入 聚四氟乙烯板7中，得到含鐵電介質諧振器的天線覆層。聚四氟乙烯板7與覆銅板2的間 距為10. 00mm，通過聚氯乙烯樹脂(PVC)圓棒8連接，完成微帶天線的制作。
權利要求1.一種基于鐵電介質諧振器覆層的微帶天線，包括覆銅板(2)、輻射金屬片(3)，其特 征在于還包括金屬地板(1)、微帶饋線、阻抗轉換線(5)、介質諧振器(6)、聚四氟乙烯板 (7)和連接棒(8)，所述的覆銅板( 一面為金屬地板(1)，另一面刻蝕有輻射金屬片(3)、 微帶饋線(4)和阻抗轉換線(5)，輻射金屬片(3)與微帶饋線(4)和阻抗轉換線(5)兩端 分別連接；所述的聚四氟乙烯板(7)含周期排列的孔陣列，孔與介質諧振器(6)外形相同且 等大，介質諧振器(6)填充入孔內形成含鐵電介質諧振器的天線覆層；將聚四氟乙烯板(7) 置于覆銅板( 含輻射金屬片面的上方并通過連接棒(8)與覆銅板( 連為一體。
2.根據權利要求1所述的基于鐵電介質諧振器覆層的微帶天線，其特征在于所述介 質諧振器(6)的材料是鈦酸鍶鋇，相對介電常數為100 600。
3.根據權利要求1或2所述的基于鐵電介質諧振器覆層的微帶天線，其特征在于所 述介質諧振器(6)的厚度小于底面長方體或圓柱體的尺寸。
4.根據權利要求1或2所述的基于鐵電介質諧振器覆層的微帶天線，其特征在于所 述介質諧振器(6)是長方體時，邊長1 = 1. 20 3. 00mm，厚度h = 0. 30 1. 00mm。
5.根據權利要求1所述的基于鐵電介質諧振器覆層的微帶天線，其特征在于所述介 質諧振器(6)是圓柱體時，底面半徑R = 0. 60 1. 75mm，厚度h = 0. 30 1. 00mm。
6.根據權利要求1所述的基于鐵電介質諧振器覆層的微帶天線，其特征在于所述的 連接棒(8)為聚氯乙烯樹脂圓棒。
專利摘要本實用新型公開一種基于鐵電介質諧振器覆層的微帶天線，用于解決現有的微帶天線增益低的技術問題。技術方案是采用厚度小于底面尺寸的介質諧振器實現對垂直入射和側向輻射電磁波響應頻率的分離，將其置于天線覆層內實現對天線側向輻射的抑制，特別是介質諧振器的底面為正方形或圓形，具有高度的結構對稱性，對側向輻射波進行全面抑制進而大幅改善天線的方向性，天線的增益最大程度提高了4.8dB。
文檔編號H01P7/10GK201904438SQ20112000655
公開日2011年7月20日 申請日期2011年1月6日 優先權日2011年1月6日
發明者張衛紅, 張富利 申請人:西北工業大學