[发明专利]一种基于左手材料效应的复合型螺旋线矩形框贴片天线

说明书

技术领域

本发明属于通信技术领域，具体涉及一种基于左手材料效应的复合贴片天线。

背景技术

左手材料(LHM)是一种新型周期结构的人工电磁媒质，其介电常数和磁导率同时为负，因此，当电磁波在这种双负介质材料中传播时，波传播的电矢量、磁矢量和波矢量三者满足左手定则，所以被称为左手材料 (或称负折射材料)。早在1968年，V. G. Veselageo就从理论上研究了LHM中的反常电磁现象。2000年，Smith等人在微波波段首次发现用特殊微结构周期排列的复合介质可以同时得到负的介电常量和负的磁导率，从而从实验上验证了这种材料可以通过人工方法制得。左手材料具有很多奇特的光学与电磁学性质，如逆Doppler效应、逆Cherenkov辐射、反常折射现象等。这些特性展现了左手材料在光与电磁波领域具有潜在的重要应用价值。

本发明通过对复合型螺旋线矩形框天线体系的研究，发现该结构能够较好地降低天线的回波损耗，增大天线的增益。从理论上分析，我们可以解释为：在特定频率范围内，产生电磁波共振态，出现介电常数和磁导率的实部同时为负值，其折射率也是为负值，形成电磁波的“隧道”效应和倏逝波的放大作用，由此，大大加强了电磁波共振强度，使得该结构复合型螺旋线结构对电磁能量的局域化程度有了明显的提高，导致天线增益明显增大，并表现为较低的回波损耗，由此，增加了天线耦合到空间的电磁波辐射功率，从而提高了贴片天线增益和信噪比。

发明内容

本发明主要提供一种基于左手材料效应的复合贴片天线，在某频率范围内，加强了电磁波共振强度，提高了电磁能量的局域化程度，从而降低天线的回波损耗，增大了增益。

实现本发明的技术方案：一种基于左手材料效应的复合型螺旋线矩形框贴片天线，包括介质基板1、金属接地板2、复合贴片天线5、螺旋金属线6和金属条7，复合贴片天线5由矩形框金属贴片天线3和微带馈线4组成，复合贴片天线5固定在介质基板1的正面，在介质基板的正面设有周期性排列的螺旋金属线6和金属条7，介质基板1的反面贴有金属接地板2，微带馈线4用于对矩形框金属贴片天线3馈电。

介质基板1正面采用电路板刻蚀技术，分别刻蚀矩形框金属贴片天线3、微带馈线4、螺旋金属线6、金属条7，螺旋金属线6周期排列在矩形框金属贴片天线3内，在矩形框金属贴片天线3内平均排布6×6个螺旋金属线6，并在螺旋金属线6间每隔两列嵌入一根金属条7，一共嵌入4根金属条7，微带馈线4与矩形框金属贴片天线3相连，用于作为矩形框

金属贴片天线3的电波信号馈入源。

介质基板1的大小为：长为360mm，宽为360mm，高为8mm，即Hl(360mm)×Ll(360mm)×Dl(8mm)，介质基板的相对介电常数为10，在介质基板正面固定有宽度D2=4mm的矩形框金属贴片天线3，矩形框金属贴片天线3外框边长L2=304mm，内框边长L3=296mm，外框距介质板边缘D6=28mm，矩形框金属贴片天线3内嵌入的6×6周期性排列的螺旋金属线(6)的线宽D7=1.9mm，相邻线间隔D8=1.9mm，最小内径R1=1.9mm，最大外径R2=19mm，R3=17.1mm，相邻螺旋金属线中心的间距D4=D5=44.8mm，所述的螺旋金属线6间嵌入的金属条7，金属条7长H4=260mm ，宽L4=3mm，金属条7的间距D3=86.6mm，在基板的反面贴有金属接地板，尺寸为：长为360mm，宽为360mm，即Hl(360mm)×Ll(360mm)，微带馈线4的长为28mm，宽为L5=4.7mm。外加激励源通过金属导线一端与微带馈线4相连，另一端与接地板2相连，激励源采用Gaussian离散源，通过微带馈线4给矩形框金属贴片天线3馈电。

为了验证本发明的有效性，将上述基于左手材料效应的复合型螺旋线矩形框贴片天线结构利用仿真软件XFDTD进行测试，该软件是美国REMCOM公司开发的基于电磁数值计算方法FDTD(时域有限差分法)的全波三维电磁仿真软件，该软件仿真结果可靠性高。通过该软件的仿真测试，可以得到天线性能对应的性能参数值，如回波损耗（s11，也称为反射系数）、传输系数（s21）、电压驻波比（VSWR）和增益（Gain）等。通过分析这些数值，可以比较出天线性能的优劣。