[发明专利]基于磁单负材料的大尺寸亚波长谐振腔天线

说明书

技术领域

本发明涉及天线领域，具体的说，涉及一种基于特异材料的大尺寸亚波长谐振腔天线。

背景技术

待接收信号的频段一定程度决定所需应用的天线的尺寸。以GHz波段信号的接收为例，国际和国内现用于接收GHz波段信号(例如太阳射电信号、卫星电视信号L、S、C、Ku波段)的天线主要是抛物面天线，这类天线体积大、重量大、维护费用高，特别是太阳射电成像系统中的天线更是如此。

相对于抛物面天线，微带贴片天线是一种平面天线，具有体积小、重量轻、剖面薄、易于加工、易与有源器件和电路集成为单一模块等诸多优点，在空间探测方面有诸多优势，已被用于星载卫星观测系统中。传统的微带贴片天线也具有一些不足，例如，可接收频带较窄、极化纯度差、寄生馈电辐射大等。传统的腔体微带贴片天线，利用谐振腔共振原理可实现高方向性，由于受金属反射面180°反射相位的限制，谐振腔的厚度需要满足：d＝n12λ，其中d为谐振腔的厚度，λ为接收信号的波长，n为整数。也就是说，谐振腔的厚度最小只能做到接收信号波长的二分之一，若将这种天线用于接收GHz波段信号，视信号需要将谐振腔厚度做到较大，天线整体厚度也限制了天线体积的减小。

特异材料是一种新型的人工材料，是指具有周期性结构的材料，利用材料表面周期性晶格的设计，可使局域共振机制起主导作用。特异材料的介电常数和磁导率可以同时为负值，或者其中之一为负值，或同时小于1。常规材料的电磁特性，主要源于组成材料本身的原子分子对电磁波的响应，特异材料的电磁特性主要源于人工谐振单元对电磁波的响应，利用其电磁波特殊的调控机理，可构造等效磁导率小于零而介电常数大于零的磁单负材料，磁单负材料属于特异材料的一种，由于磁单负材料的等效磁导率小于零，可以使其表面的反射相位为0，即产生同相反射，因此，利用磁单负材料的零反射相位特性，可以实现突破半波长尺度限制的谐振腔(共振腔)，其谐振腔的厚度可以趋于零，从而可以实现天线系统的小型化。另外，磁单负材料可以用来抑制印刷天线的表面波损耗，从而改善辐射旁瓣和背散射性能。

贴片天线结构特点决定其体积可以做的相对较小。但另一方面，观测信号的辐射宽度或者信号强度不同，对天线的尺寸要求不同，例如太阳辐射电磁波信号，为接收更多的辐射信号，对其观测和研究需要大尺寸的天线。抛物面天线可以设计为很大的口径，传统的微带贴片天线也可通过增加贴片天线面积的方式做成很大的尺寸，但对于单辐射源微带贴片天线来说，随着天线面积的增大，天线本身的损耗也逐渐增大，天线面积超过一定值后，损耗将严重影响天线的性能，因此也就造成此类天线的接收面积有限，无法接收或者发射更多的电磁辐射信号。因此，单辐射源的微带贴片天线无法满足大尺寸设计的需求。

公开号为CN101461097A的中国专利公开了一种采用AMC材料的便携式天线，包括第一层组和第二层组，第一层组和第二层组上下间隔平行设置，中间形成空腔层，其提供了一种三层结构的小型天线。但是其第一层为天线层，第二层为电路结构层，两层之间是用于隔绝天线层和电路曾的电磁屏蔽层，也就是说，其天线特性层仅为第一层，其他两层不具有天线的特性。虽然其也公开了贴片的结构，但贴片是经垂直导电空与固定底线连接的，为一种传统的天线设计结构。

公开号为CN16207430A的中国专利申请公开了一种新型LECC宽频带圆极化微带贴片阵列，为一种三层结构的贴片天线。其公开了金属贴片天线层的结构，具体包括上层金属贴片天线和下层金属贴片天线，其中金属贴片天线层由若干呈阵列排布的上层金属贴片单元和下层金属贴片单元构成。这种结构的天线无特殊的电磁特性，要求贴片阵元间纵横间距要比二分之一中心频率处的真空波长稍大，贴片的间距需要满足一定的关系才能抑制辐射耦合，避免出现多余的旁瓣影响天线的性能。该天线不是谐振腔体结构，不具有腔体天线的天线特性。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的两方面问题而提出，一方面：天线尺寸受接收信号波段影响，高波段信号通常使用的抛物面天线体积大、重量大，以至此类天线不易与其他器件共形、维护困难，传统的微带贴片天线体积小，但谐振腔厚度受限；另一方面，广域信号的接收要求大面积的天线，传统单溃源天线面积增大受限，现有技术中阵列式贴片天线性能受贴片阵列结构限制。针对以上两点问题，基于磁单负特异材料特性及天线结构设计，提供一种大面积、重量轻、谐振腔厚度小，结构灵活的天线。