一種基于超材料結構的微帶陣列天線的制作方法

一種基于超材料結構的微帶陣列天線的制作方法
【專利摘要】本實用新型實施例公開了一種基于超材料結構的微帶陣列天線，包括通過絕緣支撐柱平行設置在第二介質基板上的第一介質基板；所述第一介質基板的上表面設有超材料陣列覆層；所述第二介質基板的上表面設有微帶陣列天線層，所述微帶陣列天線層包括饋電網絡和多個微帶天線單元，所述饋電網絡與所述微帶天線單元相連接。本實施在傳統微帶天線基礎上，進行陣元的組合及優化，設計出較優良的微帶陣列天線層，與單個微帶天線相比，本實施的微帶陣列天線可提高天線的方向性和增益；同時，設計與所述微帶陣列天線層在相同頻段上能夠達到雙負性質的超材料陣列覆層，可以提高天線的聚焦能力，進而最終能使天線具有良好的方向性、增益系數以及傳輸效率。
【專利說明】
一種基于超材料結構的微帶陣列天線
技術領域
[0001] 本實用新型涉及天線及其無線電力傳輸技術領域，特別是涉及一種基于超材料結 構的微帶陣列天線。
【背景技術】
[0002] 相對其他能源，太陽能具有無污染、容易獲取和幾乎取之不盡等優點，這是人類解 決能源危機，避免破壞自然環境的重要能量來源。但相對于地球內部的太陽能，太空的太陽 能含量更加龐大，美國、日本等多個發達國家都曾提出在外太空建造太陽能站，但是面對該 方案，如何把外太空所發的電傳輸到地球內部，為人類社會工業、生活等使用，卻成為了一 個重要討論課題，其中，無線電力傳輸成為了解決該問題的可行方案。
[0003] 目前，能夠用于遠距離傳輸的傳輸方式有微波和激光無線電力傳輸兩種方式，但 是激光無線電力傳輸的方式由于環境和障礙物等多方面的影響，可行性較小。由于微波獨 有性質，能夠進行良好的遠距離傳輸，因此微波無線電力傳輸成為遠距離傳輸的首選方案。
[0004] 如圖1所示，目前微波無線電力傳輸系統的主要結構包括發射裝置、自由空間和接 收整流裝置。其中，發射裝置和接收整流裝置的天線尤為重要，天線的增益、帶寬和效率等 性能直接決定著傳輸效率。由于微帶天線具有容易實現雙頻段、雙極化等有點，使得其成為 天線家族中的寵兒，但是其輻射效率較低且功率容量較小，導致使用過程中存在能量損耗 大、傳輸效率較低的問題。 【實用新型內容】
[0005] 本實用新型實施例中提供了一種基于超材料結構的微帶陣列天線，以解決現有技 術中的微帶天線輻射效率低、使用過程中的能量損耗大的問題。
[0006] 為了解決上述技術問題，本實用新型實施例公開了如下技術方案：
[0007] 本實用新型實施例提供了一種基于超材料結構的微帶陣列天線，包括第一介質基 板和第二介質基板，其中：
[0008] 所述第一介質基板通過絕緣支撐柱平行設置在所述第二介質基板上；
[0009] 所述第一介質基板的上表面設有超材料陣列覆層；
[0010]所述第二介質基板的上表面設有微帶陣列天線層，所述微帶陣列天線層包括饋電 網絡和多個微帶天線單元，所述饋電網絡與所述微帶天線單元相連接；
[0011]所述超材料陣列覆層和所述微帶陣列天線層具有相同的工作頻段。
[0012] 優選地，所述超材料陣列覆層由多個十字型超材料單元組成，其中：
[0013] 所述十字型超材料單元由兩個相同的十字型超材料子單元組成；
[0014] 所述十字型超材料子單元由中間一條橫板和上下兩條豎板組成，所述豎板對稱設 置在所述橫板的中軸線處。
[0015] 兩個所述十字型超材料子單元縱向排布、且通過所述豎板拼接為一體。
[0016] 優選地，所述微帶陣列天線層包括饋電網絡和四個依次等間距排布的矩形微帶天 線單元，所述饋電網絡包括四根第一71 Ω阻抗變換器、兩根第二71 Ω阻抗變換器、兩根第一 100 Ω微帶線、一根第二1〇〇 Ω微帶線和一根50 Ω微帶線，其中：
[0017]所述第一71 Ω阻抗變換器的一端連接所述矩形微帶天線單元、另一端與所述第一 100 Ω微帶線的端頭相連接，且所述第一 100 Ω微帶線的兩端分別連接兩根相鄰的所述第一 71 Ω阻抗變換器(212);
[0018] 所述第二71 Ω阻抗變換器的一端連接在所述第一 1〇〇 Ω微帶線的中心位置、另一 端連接與所述第二1〇〇 Ω微帶線的端頭相連接；
[0019] 所述50 Ω微帶線的一端連接在所述第二100 Ω微帶線的中心位置、另一端配置激 勵源輸入端口。
[0020] 優選地，所述第一介質基板和所述第二介質基板的相對介電常數為2.45、厚度為 0·4~0·6mm〇
[0021 ] 優選地，所述矩形微帶天線單元的長度為10~12mm、寬度為9~10mm。
[0022]優選地，所述第一71 Ω阻抗變換器和第二71 Ω阻抗變換器的長度均為四分之一波 長的物理長度。
[0023]優選地，所述第一 100 Ω微帶線的長度為四分之三個自由空間工作波長。
[0024] 優選地，所述50 Ω微帶線的寬度為1.39mm、長度為7mm。
[0025] 優選地，所述豎板的長度為1mm、寬度為1mm，所述橫板的長度為10mm、寬度為4mm， 所述豎板設在所述橫板的長邊上。
[0026] 優選地，所述絕緣支撐柱為尼龍支撐柱，所述尼龍支撐柱的高度為14~16mm。
[0027] 由以上技術方案可見，本實用新型實施例提供的一種基于超材料結構的微帶陣列 天線，包括第一介質基板和第二介質基板，所述第一介質基板通過絕緣支撐柱平行設置在 所述第二介質基板上;所述第一介質基板的上表面設有超材料陣列覆層，所述超材料陣列 覆層由多個十字型超材料單元組成;所述第二介質基板的上表面設有微帶陣列天線層，所 述微帶陣列天線層包括饋電網絡和多個微帶天線單元，所述饋電網絡與所述微帶天線單元 相連接。本實施例在傳統的微帶天線基礎上上，進行陣元的組合以及優化，設計相對較為優 良的微帶陣列天線層，與單個微帶天線相比，本實施例中的微帶陣列天線提高了天線的方 向性和增益。同時，還設計與所述微帶陣列天線層在相同頻段上能夠達到雙負性質的超材 料陣列覆層，可以進一步提高天線的方向性和增益，使得天線具有較強的聚焦能力，進而使 得本實施例中的加載有超材料陣列覆層的微帶天線陣列能夠具有良好的方向性和增益系 數，提高了其在微波遠距離傳輸的傳輸效率。
【附圖說明】
[0028] 為了更清楚地說明本實用新型實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例 或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，對于本領域普通技術人 員而言，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
[0029] 圖1為現有技術中的微波無線電力傳輸系統的基本結構意圖；
[0030] 圖2為本實用新型實施例提供的基于超材料結構的微帶陣列天線的第一基本結構 示意圖；
[0031] 圖3為本實用新型實施例提供的基于超材料結構的微帶陣列天線的第二基本結構 示意圖；
[0032] 圖4為本實用新型實施例提供的微帶陣列天線層的基本結構示意圖；
[0033] 圖5為本實用新型實施例提供的超材料陣列覆層中的十字型超材料單元的基本結 構示意圖；
[0034] 圖6為本實用新型實施例提供的基于超材料結構的微帶陣列天線的三維增益方向 圖；
[0035]圖7為現有技術中的單微帶天線的三維增益方向圖。
【具體實施方式】
[0036]為了使本技術領域的人員更好地理解本實用新型中的技術方案，下面將結合本實 用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然， 所描述的實施例僅僅是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本實用新型 中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施 例，都應當屬于本實用新型保護的范圍。
[0037]超材料也稱左手材料，該概念是相對經典電動力學理論中的"右手材料"而言的。 一般認知中，在自然界中，物質的介電常數ε和磁導率μ都是正值，電磁波在其中傳播時，描 述電磁波傳播特征的三個物理量構成右手螺旋關系，這就是常說的右手法則。而左手材料 卻是一種介電常數ε和磁導率μ同時為負的新型人工材料，電磁波在其中傳播時，三個描述 電磁波傳播的物理量遵循左手螺旋法則，經過試驗驗證，超材料結構具備良好的負折射、反 Cerenkov福射以及逆多普勒效應，本實施例利用超材料結構的特殊性質，應用到微陣列天 線中。
[0038] 參見圖1和圖2,分別為本實用新型實施例提供的基于超材料結構的微帶陣列天線 的第一和第二基本結構示意圖。
[0039] 本實施中的基于超材料結構的微帶陣列天線，包括第一介質基板1和第二介質基 板2,所述第一介質基板1通過絕緣支撐柱3平行設置在所述第二介質基板2上。
[0040] 所述第一介質基板1的上表面設有超材料陣列覆層11，所述超材料陣列覆層11由 多個十字型超材料單元組成;所述第二介質基板2的上表面設有微帶陣列天線層21，所述微 帶陣列天線層21包括饋電網絡和多個微帶天線單元，所述饋電網絡與所述微帶天線單元相 連接，并且所述微帶陣列天線層21和所述超材料陣列覆層11具有相同的工作頻段。
[0041] 本實施例中，所述絕緣支撐柱3采用尼龍支撐柱，當然還可以采用其它的絕緣材料 支撐柱、如陶瓷柱等。不同高度的支撐柱，會對最終天線的增益效果產生不同的偏差，所以 本實施例將所述尼龍支撐柱設計為試驗驗證后的最好的高度15mm、即所述第一介質基板1 和所述第二介質基板2之間的間距設計為15mm，當然，還可以設計為其它數值，比如14~ 16mm中的任一值。
[0042]所述第一介質基板1和所述第二介質基板2選擇的是相對介電常數為2.45的材料、 厚度為〇. 5mm，當然并不限于所述數值，例如還可以將所述厚度設計為0.4~0.6mm中的任一 數值或根據需要設計為其它數值。
[0043]根據所述第一介質基板1和所述第二介質基板2的相對介電常數和厚度、以及天線 工作頻率，便可以計算出所述超材料陣列覆層11和所述微帶陣列天線層21中各單元的具體 尺寸，其中，所述超材料陣列覆層11中設有8*4個十字型超材料單元，所述微帶陣列天線層 21的大小為76.93mm*30.126mm，但并不限于所述數值。
[0044] 如圖4所示，所述微帶陣列天線層21包括饋電網絡和四個依次等間距排布的矩形 微帶天線單元211，所述矩形微帶天線單元211的長度L2為11.42_、寬度L1為9.43_，當然 并不限于所述數值，例如還可以將長度L2設計為10~12_、寬度設計為9~10_中的任一數 值或根據需要設計為其它數值。
[0045] 進一步的，所述饋電網絡包括四根第一71 Ω阻抗變換器212、兩根第二71 Ω阻抗變 換器214、兩根第一 100 Ω微帶線213、一根第二100 Ω微帶線215和一根50 Ω微帶線216。
[0046] 所述第一71 Ω阻抗變換器212的一端連接所述矩形微帶天線單元211，另一端與所 述第一 100 Ω微帶線213的端頭相連接，本實施例中，所述第一71 Ω阻抗變換器212統一連接 在所述矩形微帶天線單元211的左下角。所述第一 100 Ω微帶線213的兩端分別連接兩根相 鄰的所述第一71 Ω阻抗變換器212,即相鄰的兩個所述矩形微帶天線單元211形成一個微帶 天線單元組。
[0047] 所述第二71 Ω阻抗變換器214的一端連接在所述第一 100 Ω微帶線213的中心位 置、另一端連接與所述第二100 Ω微帶線215的端頭相連接;所述50Ω微帶線216的一端連接 在所述第二100Ω微帶線215的中心位置、另一端配置激勵源輸入端口。
[0048] 所述第一71 Ω阻抗變換器212和第二71 Ω阻抗變換器214的長度均為四分之一波 長的物理長度，即天線設計中的四分之一波長阻抗變換器。在本實施例中，所述第一71 Ω阻 抗變換器212和第二71 Ω阻抗變換器214的長度和寬度具體分別設計為5.494mm和0.758mm， 但并不限于所述數值。
[0049] 所述第一 100 Ω微帶線213的長取四分之三個自由空間工作波長，在本實施例中具 體設計為22.5_。該長度也為相鄰的兩個所述矩形微帶天線單元211之間間距，本實施例中 設計該間距值，能夠減小天線單元與天線單元之間的耦合效應。
[0050] 所述50 Ω微帶線216的寬度和長度分別設計為1 · 39mm和7mm，該設計能夠保證所述 微帶陣列天線的工作頻率在10GHz左右，但并不限于所述數值。
[0051]如圖5所示，所述十字型超材料單元由兩個相同的十字型超材料子單元組成，所述 十字型超材料子單元由中間一條橫板和上下兩條豎板組成，所述豎板對稱設置在所述橫板 的中軸線處，兩個所述十字型超材料子單元縱向排布、且通過所述豎板拼接為一體。
[0052]為了與所述微帶陣列天線層21相配合，所設計的超材料結構需要在10GHz左右實 現"雙負"性質，所述豎板的長度L4為1mm、寬度L3為1mm，所述橫板的長度L5為10mm、寬度L6 為4mm，所述豎板設在所述橫板的長邊上。
[0053] 由于超材料結構所具備的負折射、反Cerenkov福射以及逆多普勒效應特性，使得 超材料結構能夠提高天線的增益，減小天線的旁瓣、并增強了天線的方向性。所以本實施例 在天線結構上加載所述超材料陣列覆層11，能夠提高微帶陣列天線的方向性和增益。
[0054] 如圖6和圖7所示，分別為本實用新型實施例提供的基于超材料結構的微帶陣列天 線的三維增益方向圖，以及現有技術中的單微帶天線的三維增益方向圖。
[0055] 從圖6和圖7可以看出，本實施例提供的基于超材料結構的微帶陣列天線的方向性 和增益比單個微帶天線的方向性和增益有相對較高的改善。
[0056] 根據波能量傳輸遵循的公式、Friis傳輸公式，最大接收功率Prm為：
[0057]
[0058] 式中，λ為波長，r為接收天線和傳輸天線之間的距離，Gt和Gr分別為傳輸天線和接 收天線的增益，Pt為發射功率。根據Friis公式，可以看出增加天線的增益，便夠提高最終接 收功率，即提高了天線的傳輸效率。
[0059]由以上技術方案可見，本實施例提供的基于超材料結構的微帶陣列天線首先通過 對微帶天線上進行陣元的組合，通過計算以及仿真優化，設計出方向性和增益系數較為優 良的微帶陣列天線層。其次，進一步引入了超材料結構，設計了與微帶陣列天線層在相同頻 段上能夠達到雙負性質的超材料陣列覆層。經過試驗驗證，組合后的微帶陣列天線層和超 材料陣列覆層，能夠使最終的加載有超材料陣列覆層的微帶陣列天線能夠具有良好的方向 性和增益系數，使其在微波遠距離傳輸的傳輸效率上有很大的改善。
[0060] 本實施例中，所述超材料陣列覆層11和所述微帶陣列天線層21并不限于本實施例 提供的結構形式，還可以根據需要設計為其它形式，例如，將所述微帶陣列天線層21設計為 圓極化微帶陣列天線等。
[0061] 需要說明的是，在本文中，諸如"第一"和"第二"等之類的關系術語僅僅用來將一 個實體或者操作與另一個實體或操作區分開來，而不一定要求或者暗示這些實體或操作之 間存在任何這種實際的關系或者順序。而且，術語"包括"、"包含"或者其任何其他變體意在 涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者設備不僅包括那些 要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或者設 備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句"包括一個……"限定的要素，并不排除 在包括所述要素的過程、方法、物品或者設備中還存在另外的相同要素。
[0062] 以上所述僅是本實用新型的【具體實施方式】，使本領域技術人員能夠理解或實現本 實用新型。對這些實施例的多種修改對本領域的技術人員來說將是顯而易見的，本文中所 定義的一般原理可以在不脫離本實用新型的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現。 因此，本實用新型將不會被限制于本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原 理和新穎特點相一致的最寬的范圍。
【主權項】
1. 一種基于超材料結構的微帶陣列天線，其特征在于，包括第一介質基板（1)和第二介 質基板(2)，其中： 所述第一介質基板(1)通過絕緣支撐柱(3)平行設置在所述第二介質基板(2)上； 所述第一介質基板(1)的上表面設有超材料陣列覆層(11); 所述第二介質基板(2)的上表面設有微帶陣列天線層（21)，所述微帶陣列天線層（21) 包括饋電網絡和多個微帶天線單元，所述饋電網絡與所述微帶天線單元相連接； 所述超材料陣列覆層(11)和所述微帶陣列天線層(21)具有相同的工作頻段。2. 根據權利要求1所述的基于超材料結構的微帶陣列天線，其特征在于，所述超材料陣 列覆層(11)由多個十字型超材料單元組成，其中： 所述十字型超材料單元由兩個相同的十字型超材料子單元組成； 所述十字型超材料子單元由中間一條橫板和上下兩條豎板組成，所述豎板對稱設置在 所述橫板的中軸線處； 兩個所述十字型超材料子單元縱向排布、且通過所述豎板拼接為一體。3. 根據權利要求1或2所述的基于超材料結構的微帶陣列天線，其特征在于，所述微帶 陣列天線層(21)包括饋電網絡和四個依次等間距排布的矩形微帶天線單元(211)，所述饋 電網絡包括四根第一71 Ω阻抗變換器(212)、兩根第二71 Ω阻抗變換器(214)、兩根第一 100 Ω微帶線(213)、一根第二100 Ω微帶線(215)和一根50 Ω微帶線(216)，其中： 所述第一71 Ω阻抗變換器(212)的一端連接所述矩形微帶天線單元(211)、另一端與所 述第一 100 Ω微帶線(213)的端頭相連接，且所述第一 100 Ω微帶線(213)的兩端分別連接兩 根相鄰的所述第一71 Ω阻抗變換器(212); 所述第二71 Ω阻抗變換器（214)的一端連接在所述第一 100 Ω微帶線（213)的中心位 置、另一端連接與所述第二100Ω微帶線(215)的端頭相連接； 所述50 Ω微帶線（216)的一端連接在所述第二100 Ω微帶線（215)的中心位置、另一端 配置激勵源輸入端口。4. 根據權利要求1所述的基于超材料結構的微帶陣列天線，其特征在于，所述第一介質 基板(1)和所述第二介質基板(2)的相對介電常數為2.45、厚度為0.4~0.6mm。5. 根據權利要求3所述的基于超材料結構的微帶陣列天線，其特征在于，所述矩形微帶 天線單元(211)的長度為10~12_、寬度為9~10_。6. 根據權利要求3所述的基于超材料結構的微帶陣列天線，其特征在于，所述第一 71 Ω 阻抗變換器(212)和第二71 Ω阻抗變換器(214)的長度均為四分之一波長的物理長度。7. 根據權利要求6所述的基于超材料結構的微帶陣列天線，其特征在于，所述第一 100 Ω微帶線(213)的長度為四分之三個自由空間工作波長。8. 根據權利要求7所述的基于超材料結構的微帶陣列天線，其特征在于，所述50 Ω微帶 線(216)的寬度為1.39mm、長度為7mm。9. 根據權利要求2所述的基于超材料結構的微帶陣列天線，其特征在于，所述豎板的長 度為1mm、寬度為1mm，所述橫板的長度為10mm、寬度為4mm，所述豎板設在所述橫板的長邊 上。10. 根據權利要求1所述的基于超材料結構的微帶陣列天線，其特征在于，所述絕緣支 撐柱(3)為尼龍支撐柱，所述尼龍支撐柱的高度為14~16mm。
【文檔編號】H01Q1/50GK205564982SQ201620318321
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年4月15日
【發明人】李天倩, 杜曉風, 陽小明, 雍明陽, 田野, 萬洪
【申請人】西華大學