一種基于人工磁導體的寬頻帶高增益蝶形天線的制作方法
【專利摘要】一種基于人工磁導體的寬頻帶高增益蝶形天線，包括設置在人工磁導體反射面上的蝶型天線，蝶型天線包括上、下兩層金屬層及中間介質層；下層金屬層包括下層陣子以及用于匹配阻抗的梯形貼片，上層金屬層包括上層陣子以及多個開路枝節，下層金屬層與上層金屬層通過SMA接頭連接；中間介質層通過介質螺絲及介質支柱連接人工磁導體反射面，人工磁導體反射面由下至上依次由金屬接地板、介質基板及多個陣列排布的正方形貼片單元構成，正方形貼片單元上開設有Jerusalem十字縫隙；在人工磁導體反射面外周設置有PEC接地輪廓層。本發明尺寸小、結構簡單、成本低、易于加工，并具備剖面低、寬頻帶和高增益特性。
【專利說明】
一種基于人工磁導體的寬頻帶高増益蝶形天線
技術領域
[0001]本發明屬于無線電通信領域，具體涉及一種基于人工磁導體的寬頻帶高增益蝶形天線。
【背景技術】
[0002]隨著無線電通信技術的快速發展，天線系統需要滿足更高的要求。全球定位系統(GPS)、衛星通信系統以及個人通信系統等領域需要使用寬頻帶、高增益以及結構緊湊的天線。
[0003]在過去，為了增加帶寬，產生了一系列的貼片天線結構。在這些天線中，蝶形天線由于具備寬頻帶、結構簡單而緊湊、重量輕、易于小型化以及易于加工等優點而成為寬帶天線的首選。為使天線制作簡單，通常采用印刷電路工藝，因此印刷形式的蝶形天線由于易于加工并方便與電路集成而被廣泛采用。然而寬頻帶蝶形天線為雙向輻射天線，當應用于802.16無線城域網系統中時，一般增益不夠高。為獲得高增益的單向輻射蝶形天線，傳統天線以理想電導體(Perfect Electric Conductor，PEC)作為反射面。為降低天線的剖面高度，輻射天線必須盡可能的靠近PEC平面，根據PEC表面的邊界條件，電場的切向電場為零。反射波會產生180°的相位差，PEC平面產生的鏡像電流與原電流相互抵消。這就導致天線阻抗的實部趨向于零，而虛部則遠遠大于零。因此必須保證二者的最小間距為四分之一波長，以減小反射波與入射波之間的干擾，這一限制使得在低頻應用中天線將變得非常厚。將PEC反射面換成磁導體(Perfect Magnetic Conductor，PMC)反射面能夠解決以上問題。首先，根據PMC表面的邊界條件，入射電場與反射電場的相位差為零。輻射天線與反射面之間的距離可以設計在一個很小的范圍內C=PMC的高阻抗表面特性能夠降低天線的背瓣輻射，從而提高天線的前后比。但自然界中并不存在PMC，因而在實際運用中也不能構造PMC邊界條件。直到 1999年美國學者D.Sievenpiper提出了一種高阻抗表面(High Impedance Surface，HIS)的EBG結構。這種結構與PMC特性相似，即對于入射波具有同相反射的特性，因此把它也稱為人工磁導體(AMC:Artificial Magnetic Conductors)。
[0004]近年來，隨著新型電磁材料的發展，人工磁導體(AMC:Artificial MagneticConductors)結構的研究及應用已經成為當前微波領域的熱點之一 C3AMC結構通常由介質基板上周期性排列的金屬貼片構成，具有理想磁壁對平面波的同相位反射特性，能夠用于提高天線及射頻部件的整體性能。根據AMC表面的工作機理，當AMC表面反射來波的相位在-90°到+90°之間時，它可被視為磁導體。所以，反射相位處于±90°之間的頻帶被定義為AMC表面的同相反射頻帶。利用人工磁導體對平面波的同相反射特性，將其應用于印刷蝶形天線的設計中，可以有效改善天線性能、降低背瓣輻射、提高天線帶寬、提高天線增益及效率。目前雖然已有很多蝶形天線與人工磁導體結合的研究，但是現有的基于人工磁導體的蝶形天線還存在頻帶窄、增益低或者剖面不夠低，或者頻帶寬但剖面較高，或者剖面很低但帶寬不夠寬，又或者頻帶寬但增益不夠高，此類問題制約著蝶形天線的應用。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于針對上述現有技術中的問題，提供一種基于人工磁導體的寬頻帶高增益蝶形天線，其尺寸小、結構簡單、成本低廉，并且易于加工，在保證低剖面的基礎上能夠實現寬頻帶特性，并有效提高寬頻帶蝶形天線增益。
[0006]為了實現上述目的，本發明采用的技術方案為:
[0007]包括設置在人工磁導體反射面上的蝶型天線，蝶型天線包括上、下兩層金屬層以及中間介質層;所述的下層金屬層包括下層陣子以及用于匹配阻抗的梯形貼片，上層金屬層包括上層陣子以及用于展寬帶寬和匹配阻抗的多個開路枝節，所述的下層金屬層與上層金屬層通過SMA接頭連接;所述的中間介質層通過介質螺絲和介質支柱連接人工磁導體反射面，所述的人工磁導體反射面由下至上依次由金屬接地板、介質基板以及多個陣列排布的正方形貼片單元構成，正方形貼片單元上開設有用于設定同相反射相位頻帶以及寬度的Jerusalem十字縫隙，所述的Jerusalem十字縫隙由十字縫隙以及加載在十字縫隙四周的矩形縫隙構成。
[0008]所述的人工磁導體反射面外周設置有4mm高的PEC接地輪廓層。
[0009]所述的上層陣子上設置的多個開路枝節長度不等。
[0010]所述的蝶型天線的剖面高度為0.?λ，λ為中心頻點處自由空間的波長。
[0011]所述的蝶型天線采用同軸饋電結構。
[0012]所述的中間介質層與介質基板均為FR4介質板。
[0013]所述的下層陣子與上層陣子均包括漸縮型的陣子貼片以及設置在陣子貼片尾部的饋電枝節，下層陣子的陣子貼片通過其饋電枝節連接梯形貼片，上層陣子的饋電枝節上依次設置有較短的第一開路枝節以及較長的第二開路枝節。
[0014]所述SMA接頭的內芯與上層陣子的饋電枝節相連，外皮與梯形貼片相連。
[0015]所述的正方形貼片單元為6X9的矩陣。
[0016]與現有技術相比，本發明具有如下的有益效果:蝶形天線上、下兩層金屬層的陣子大小能夠調節天線的工作頻帶，梯形貼片的漸變結構作為巴倫結構來實現阻抗匹配，采用人工磁導體反射面，根據其± 90°同相反射原理，使天線放置在反射面上方較小高度時即能夠實現正向最大輻射，能夠減小剖面高度，并且提高蝶形天線增益。人工磁導體的正方形貼片單元上開有Jerusalem十字縫隙,Jerusalem十字縫隙包括十字縫隙以及加載在十字縫隙四周的矩形縫隙，在相同尺寸相同剖面高度條件下此結構的AMC單元能實現比原始寬頻帶正方形貼片更寬的帶寬。此外，本發明蝶形天線的上層金屬層的上層陣子上設有多個開路枝節，能夠實現阻抗匹配以及展寬蝶形天線的帶寬。將此加載多開路枝節的蝶形天線放置在此種人工磁導體表面之上，在實現剖面高度只有0.1λ(λ為中心頻點處自由空間的波長)的基礎上，能夠實現相對帶寬為42%的寬頻帶特性并同時提高增益。在42%寬帶寬的基礎上，以此發明人工磁導體反射面為接地面的此蝶形天線在工作頻段內能夠實現高達7.94dBi的增益。
[0017]進一步的，本發明人工磁導體反射面外周設置有PEC接地輪廓層，能夠減小后向和側向輻射，有效提高了整體天線的增益，在本發明的工作頻帶內，測試能提高平均IdB的增益。
【附圖說明】
[0018]圖1本發明整體結構的三維示意圖；
[0019]圖2本發明整體結構的俯視示意圖；
[0020]圖3本發明蝶形天線的結構示意圖；
[0021]圖4本發明人工磁導體反射面的結構示意圖；
[0022]圖5本發明Jerusalem十字縫隙正方形貼片單元的結構示意圖；
[0023]圖6人工磁導體反射面的反射相位頻率特性響應圖；
[0024]圖7本發明天線Sll測試與仿真結果圖；
[0025]圖8本發明天線增益測試與仿真結果圖；
[0026]圖9(a)本發明2.5GHz處測試和仿真E面方向圖；
[0027]圖9(b)本發明2.5GHz處測試和仿真H面方向圖；
[0028]圖1O(a)本發明3.5GHz處測試和仿真E面方向圖；
[0029 ]圖1O (b)本發明3.5GHz處測試和仿真H面方向圖。
[0030]附圖中:11.蝶型天線；12.人工磁導體反射面；13.介質支柱;31.下層陣子;32.梯形貼片；33.中間介質層；34.上層陣子;35.第一開路枝節;36.第二開路枝節；37.SMA接頭；41.正方形貼片單元;42.介質基板;43.金屬接地板;44.PEC接地輪廓層。
【具體實施方式】
[0031 ]下面結合附圖對本發明做進一步的詳細說明。
[0032]本發明在采用人工磁導體反射面(AMC反射面)的基礎上實現蝶形天線低剖面，使得蝶形天線高度大幅度降低，在保持天線低剖面的同時，實現了寬頻帶和高增益，并通過在AMC反射面的周圍加上PEC外圍輪廓，使得天線整體的增益得到進一步提高，克服了現有技術在WiMAX(802.16無線城域網)通信網絡中頻帶窄、增益低以及高剖面的不足。
[0033]參見圖1-5，本發明基于人工磁導體的寬頻帶高增益蝶形天線結構上由蝶形天線11和人工磁導體反射面12兩部分組成，蝶形天線11和人工磁導體反射面12是由四個介質螺絲及介質支柱13相連的，該蝶形天線11由上、下兩層金屬層和中間介質層33的三層構成。下層金屬層由下層陣子31和梯形貼片32組成，上層金屬層由上層陣子34、第一開路枝節35和第二開路枝節36組成。上層金屬層與下層金屬層之間無通孔，由SMA接頭37連接。
[0034]本發明蝶形天線11的饋電結構為同軸饋電，SMA接頭37的內芯與上層陣子34的饋電枝節相連，SMA接頭37的外皮與下層金屬層的梯形貼片32相連。本發明的人工磁導體反射面12由6 X 9正方形貼片單元41、介質基板42、金屬接地板43和外圍的PEC接地輪廓層44組成。人工磁導體反射面正方形單元為Jerusalem十字縫隙結構，中間十字縫隙寬度為w，四周矩形縫隙長為al，寬為a2。此結構在蝶形天線的工作頻帶內的頻率響應為阻帶，其±90°的反射相位對應的頻帶包含蝶形天線的工作頻帶。
[0035]如圖3所示，蝶形天線11上兩個陣子的長度決定了天線的工作頻帶，隨陣子橫向和縱向長度的增大，頻帶往低頻移動，并且Sll增大，其中陣子的橫向長度對頻帶的位置影響較大，縱向長度影響較小。在蝶形天線上通過加載第一開路枝節35和第二開路枝節36來展寬蝶形天線11的帶寬并實現阻抗匹配，這通過調節兩個枝節的長度來實現。對于第一開路枝節35，隨其長度的增加，頻帶的左右端點均左移，Sll增大。對于第二開路枝節36，隨枝節長度的增加，頻帶的左端點基本不變，右端點左移，Sll增大。并且蝶形天線11加載兩個枝節時的帶寬比加載其中任意一個枝節或者不加載枝節時的帶寬都要寬。梯形貼片32的漸變結構作為巴倫結構來實現阻抗匹配，該梯形貼片的上底為下層金屬層饋電枝節的寬度，梯形的高度和下底的長度影響天線的阻抗匹配。中間介質層33為FR4介質基板。通常貼片天線采用PEC作為反射面來提高增益以及減小后向輻射，由于其表面反射相位為180°，當PEC放置在天線下方1/4個波長時，能實現正向最大輻射，所以其剖面高度至少約為1/4個波長。而本發明采用AMC作為反射面，由于AMC具有±90°同相反射的原理，使得天線在放置于AMC上方小于1/4個波長的較小高度時，即能實現正向最大輻射，因此本發明的蝶形天線的剖面高度只有0.1個波長，并且提高了蝶形天線的增益。如圖4所示，人工磁導體反射面12由四部分構成，周期性結構形成了 2.46-3.67GHz (39.5 % )的±90°的反射相位帶寬，介質基板42為FR4介質基板，而外圍4mm高的PEC接地輪廓層44用來包圍接金屬接地板43，形成小的諧振腔，相當于在縱向增大了接地面，減少側向和后向輻射，這在AMC提高增益的基礎上再進一步提高增益。如圖5所示，人工磁導體反射面貼片單元結構是Jerusalem十字縫隙結構，它是通過在十字縫隙的四周加載矩形縫隙構成的。十字縫隙單元構成的陣列在結構上等效于寬頻帶正方形貼片單元構成的陣列，因此十字縫隙結構具有寬頻帶特性。而在十字縫隙的四周加載矩形縫隙，構成Jerusalem十字縫隙結構，使得單元金屬貼片的等效電感減小，貼片單元之間縫隙的增大使得等效親合電容減小，從而使得同相反射頻帶的帶寬變寬，因此Jerusalem十字縫隙結構稱為本發明的AMC單元結構，其四周矩形縫隙枝節的長度al和寬度a2以及中間十字的縫隙寬度w決定了同相反射相位的頻帶及寬度:隨四周矩形縫隙枝節長度al的增大，頻帶向低頻移動且帶寬變窄;而隨矩形縫隙枝節寬度a2的增大，頻帶向高頻移動且帶寬變寬。隨十字縫隙寬度w的增加，頻帶向高頻移動且帶寬變寬，十字的縫隙寬度w對同相反射相位頻帶的影響較四周矩形縫隙枝節的長al、寬a2對頻帶影響大。
[0036]本發明天線結構簡單而緊湊，尺寸小，易于加工且成本低廉。參見圖6，從圖中能夠看出，本發明人工磁導體反射面的同相反射頻帶為2.46-3.67GHz，相對帶寬為39.5%。參見圖7，從測試結果能夠看出，在頻率為2.48-3.8GHz的范圍內，SI I低于-1OdB，相對帶寬為42.04%，實現了寬頻帶。參見圖8，從測試結果能夠看出，本發明天線的增益高于7.ldBi，最高增益達7.94dBi，實現了高增益特性。參見圖9(a)，圖9(b)，圖10(a)，圖10(b)，從2.5GHz和
3.5GHz處的E面和H面方向圖能夠看出，兩個頻點處的E面和H面后瓣均小于_19dB，交叉極化小于-17dB，實現了抑制后瓣輻射、提高增益的特性。
[0037]本發明通過采用直接加載開路枝節的方案實現了蝶形天線的寬頻帶特性，并通過將Jerusalem十字縫隙結構的AMC表面作為蝶形天線的反射面，在42%的寬頻帶的基礎上，實現了高達8dBi的高增益和低至0.1個波長的低剖面特性，此外，在AMC反射面的周圍加上4mm高的外部輪廓，減小了后向和側向輻射，能夠進一步提高了增益。本發明天線具有尺寸小、結構簡單、成本低廉和易于加工的優點，并且具備低剖面、寬頻帶和高增益的特性，能普遍應用于802.16無線城域網系統中。
【主權項】
1.一種基于人工磁導體的寬頻帶高增益蝶形天線，其特征在于:包括設置在人工磁導體反射面(12)上的蝶型天線(11)，蝶型天線(11)包括上、下兩層金屬層以及中間介質層(33); 所述的下層金屬層包括下層陣子(31)以及用于匹配阻抗的梯形貼片(32)，上層金屬層包括上層陣子(34)以及用于展寬帶寬和匹配阻抗的多個開路枝節，所述的下層金屬層與上層金屬層通過SMA接頭(37)連接;所述的中間介質層(33)通過介質螺絲和介質支柱(13)連接人工磁導體反射面(12)，所述的人工磁導體反射面(12)由下至上依次由金屬接地板(43)、介質基板(42)以及多個陣列排布的正方形貼片單元構成，正方形貼片單元上開設有用于設定同相反射相位頻帶以及寬度的Jerusalem十字縫隙，所述的Jerusalem十字縫隙由十字縫隙以及加載在十字縫隙四周的矩形縫隙構成。2.根據權利要求1所述的基于人工磁導體的寬頻帶高增益蝶形天線，其特征在于:所述的人工磁導體反射面(12)外周設置有4mm高的PEC接地輪廓層(44)。3.根據權利要求1所述的基于人工磁導體的寬頻帶高增益蝶形天線，其特征在于:所述的上層陣子(34)上設置的多個開路枝節長度不等。4.根據權利要求1所述的基于人工磁導體的寬頻帶高增益蝶形天線，其特征在于:所述的蝶型天線(11)的剖面高度為0.1λ，λ為中心頻點處自由空間的波長。5.根據權利要求1或4所述的基于人工磁導體的寬頻帶高增益蝶形天線，其特征在于:所述的蝶型天線(11)采用同軸饋電結構。6.根據權利要求1所述的基于人工磁導體的寬頻帶高增益蝶形天線，其特征在于:所述的中間介質層(33)與介質基板(42)均為FR4介質板。7.根據權利要求1所述的基于人工磁導體的寬頻帶高增益蝶形天線，其特征在于:所述的下層陣子(31)與上層陣子(34)均包括漸縮型的陣子貼片以及設置在陣子貼片尾部的饋電枝節，下層陣子(31)的陣子貼片通過其饋電枝節連接梯形貼片(32)，上層陣子(34)的饋電枝節上依次設置有較短的第一開路枝節(35)以及較長的第二開路枝節(36)。8.根據權利要求7所述的基于人工磁導體的寬頻帶高增益蝶形天線，其特征在于:所述SMA接頭(37)的內芯與上層陣子(34)的饋電枝節相連，外皮與梯形貼片(32)相連。9.根據權利要求1所述的基于人工磁導體的寬頻帶高增益蝶形天線，其特征在于:所述的正方形貼片單元為6 X 9的矩陣。
【文檔編號】H01Q15/14GK105914456SQ201610228148
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年4月13日
【發明人】張天齡, 宋雪艷, 楊闖
【申請人】西安電子科技大學