带有负磁导率材料的ISM频段微带阵列天线及制作方法技术

本发明专利技术公开了一种带有负磁导率材料的ISM频段微带阵列天线及制作方法，包括第一介质基板、第二介质基板和SMA同轴接头；第一介质基板与第二介质基板之间设置空气腔；第一介质基板中心为空且在空心四周的上表面设置开口谐振环阵列，第二介质基板的上表面设置微带馈线、若干U型槽微带天线和馈电网络；若干U型槽微带天线均与馈电网络一端连接，馈电网络的另一端通过微带馈线连接SMA同轴接头；第二介质基板的下表面设置金属接地板。通过周期排列开口谐振环构成负磁导率材料，抑制两侧辐射的电磁波的时变磁场，有效地减小远场辐射的半功率波束宽度，提升前向辐射的增益；利用U型槽微带天线产生多个谐振点，将多个谐振点连接实现宽频带；能够有效提升微带阵列天线的带宽和增益。

【技术实现步骤摘要】
带有负磁导率材料的ISM频段微带阵列天线及制作方法
本专利技术属于微带天线领域，涉及一种带有负磁导率材料的ISM频段微带阵列天线及制作方法。
技术介绍
射频天线作为无线通信的关键部件，在通信过程中起着非常关键的作用，而微带贴片天线由于其低剖面、重量轻、制作简单、易于和集成电路集成等特点受到了学术界和工程技术界广泛关注。所以在很多通信天线及雷达系统中，微带贴片天线被广泛地应用。但是微带天线在实际的应用中也有一些非常明显的缺点，例如带宽较窄，增益较低，辐射效率较低，这些缺点极大地限制了微带贴片天在工程方面的应用和推广。在当前物联网设备领域，2.45GHzISM频段的天线被广泛地应用，因为该频段的无线通信是被开放给工业、科学和医学机构的，无需许可，所以在该频段的物联网设备对于高性能的射频天线需求量非常大。而微带天线的由于其重量轻、加工简单等因素被广泛应用到物联网设备上。但是2.45GHzISM频段的微带天线带宽和增益较低，这极大限制了该频段微带天线的推广应用。虽然微带天线本身可以通过微带线扩阵变成阵列天线提升增益，但是传统的矩形微带贴片天线边缘阻抗较大，这样会使阻抗匹配网络中会出现多级匹配，会造成阻抗匹配网络过于复杂，故在工程应用方面推广难度较大。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术中2.45GHzISM频段的微带天线带宽和增益较低且阻抗匹配网络复杂的缺点，提供一种带有负磁导率材料的ISM频段微带阵列天线及制作方法。为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：本专利技术一方面，一种带有负磁导率材料的ISM频段微带阵列天线，包括第一介质基板、第二介质基板和SMA同轴接头；第一介质基板与第二介质基板连接且第一介质基板位于第二介质基板上方，第一介质基板与第二介质基板之间设置空气腔；第一介质基板上开设长方形通孔，第一介质基板上表面设置开口谐振环阵列，开口谐振环阵列包括若干周期排列的开口谐振环，开口谐振环为圆形开口谐振环，圆形开口谐振环包括第一开口圆环和嵌套在第一开口圆环内部的第二开口圆环，第一开口圆环和第二开口圆环的开口位置对称设置；第二介质基板的上表面设置微带馈线、若干U型槽微带天线和馈电网络；若干U型槽微带天线均与馈电网络一端连接，馈电网络的另一端通过微带馈线连接SMA同轴接头；第二介质基板的下表面设置金属接地板。本专利技术带有负磁导率材料的ISM频段微带阵列天线进一步的改进在于：所述第一介质基板与第二介质基板通过若干塑料螺丝连接。所述空气腔的高度为0.5～0.6倍的谐振频率的空气波长。所述第一介质基板位于第二介质基板正上方。所述第一介质基板和第二介质基板均为环氧树脂基板，所述开口谐振环材质为铜，所述金属接地板材质为铜。所述U型槽微带天线有四个，所述馈电网络为一分四馈电网络；一分四馈电网络的一端设置四个馈电线，每个馈电线均与一个U型槽微带天线的U型槽槽底一侧的中心位置连接；一分四馈电网络的另一端连接微带馈线。所述微带馈线为50欧姆微带馈线；所述SMA同轴接头为50欧姆SMA同轴接头。本专利技术另一方面，一种带有负磁导率材料的ISM频段微带阵列天线制作方法，包括以下步骤：S1：在第一介质基板上开设长方形通孔并将第一介质基板的上表面覆铜，然后通过电路板刻蚀技术在第一介质基板的上表面刻蚀若干周期排列的开口谐振环；S2：将第二介质基板的上表面覆铜，通过电路板刻蚀技术在第二介质基板的上表面一体式刻蚀若干U型槽阵列天线和馈电网络；将第二介质基板的下表面覆铜形成金属接地板；S3：将微带线一端与馈电网络连接，另一端作为高频电流的馈入点并安装SMA同轴接头；S4：将第一介质基板和第二介质基板连接，并在第一介质基板和第二介质基板之间预留空气腔。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术带有负磁导率材料的ISM频段微带阵列天线，通过馈电网络给若干U型槽微带天线馈电，馈电网络与若干U型槽微带天线构造面阵天线，这种布阵方式可以有效地提升辐射的方向性系数。同时在普通的微带矩形贴片天线上加载U型槽形成U型槽微带天线，改变了微带矩形贴片天线上高频电流的流经路径和流经长度，这样可以产生多个谐振点，将多个谐振点相互连接就可以实现宽频带。此外，在第一介质基板中心位置切割适量面积的长方形通孔，使中心位置为空，采用中心开口的设计，可以在不影响前向辐射的条件下有效地降低侧向辐射；同时，通孔位置四周周期排列放置圆形的开口谐振环，该开口谐振环为双圆心嵌套形式，它的作用原理是当电磁波平行入射到开口谐振环时，波矢的磁场方向会与环垂直，由于此时开口谐振环发生强烈的磁谐振产生负磁导率现象，从而可以抑制两侧辐射的电磁波的时变磁场，进而抑制侧向电磁波的传播，这样就可以有效地减小远场辐射的半功率波束宽度，提升前向辐射的增益，并且大小圆形嵌套形式的圆形结构可以产生更强烈的磁谐振响应，可以使得第一介质基板在2.45GHzISM频段上更易实现负磁导率现象，抑制侧向辐射。综上所述，本专利技术结构简单，并且能够有效提升微带阵列天线的带宽和增益。进一步的，第一介质基板和第二介质基板通过若干低介电常数的塑料螺丝连接，减小其对天线的辐射干扰。进一步的，空气腔高度设置为0.5～0.6的谐振频率的空气波长，其磁谐振现象最强。进一步的，开口谐振环为圆形开口谐振环，大小圆形嵌套形式的圆形结构可以产生更强烈的磁谐振响应，可以使得第一介质基板在2.45GHzISM频段上更易实现负磁导率现象，抑制侧向辐射。进一步的，微带馈线为50欧姆微带馈线；SMA同轴接头为50欧姆SMA同轴接头，这样可以使得该微带阵列天线容易与50欧姆的行业标准馈电系统相匹配。本专利技术带有负磁导率材料的ISM频段微带阵列天线制作方法，通过将第一介质基板和第二介质基板单独进行设计然后进行组装，相比于总体的设计，这种方式可以极大地减小设计的难度和周期。同时无论是第一介质基板上设计的开口谐振环阵列，还是第二介质基板上设计的由U型槽微带天线构造的面阵天线，其制作方法都是电路板刻蚀技术，加工制作简单，容易大规模生产，可以有效地降低成本。附图说明图1为本实施例的微带阵列天线结构示意图；图2为本实施例的负磁导率材料俯视图；图3为本实施例的一分四馈电网络和连接的四个U型槽微带天线的俯视图；图4为本实施例的U型槽微带天线的俯视图；图5为本实施例的圆形开口谐振环示意图；图6为本实施例与不加载U型槽的微带天线的微带阵列天线的回波损耗对比示意图；图7为本实施例与不加载NPM的微带阵列天线的回波损耗对比示意图；图8为本实施例与不加载NPM的微带阵列天线的H面增益对比示意图；图9为本实施例与不加载NPM的微带阵列天线的H面半功率波束宽度对比示意图；图10为本实施例与不加载NPM的微带阵列天线的E面半功率波束宽度对比示意图；图11为本实施例与不加载NPM的微带阵列天线的H面辐射方向图对比示意图；图1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种带有负磁导率材料的ISM频段微带阵列天线，其特征在于，包括第一介质基板(1)、第二介质基板(5)和SMA同轴接头；/n第一介质基板(1)与第二介质基板(5)连接且第一介质基板(1)位于第二介质基板(5)上方，第一介质基板(1)与第二介质基板(5)之间设置空气腔(4)；/n第一介质基板(1)上开设长方形通孔，第一介质基板(1)上表面设置开口谐振环阵列，开口谐振环阵列包括若干周期排列的开口谐振环(2)，开口谐振环(2)为圆形开口谐振环，圆形开口谐振环包括第一开口圆环和嵌套在第一开口圆环内部的第二开口圆环，第一开口圆环和第二开口圆环的开口位置对称设置；第二介质基板(5)的上表面设置微带馈线(6)、若干U型槽微带天线(7)和馈电网络(8)；若干U型槽微带天线(7)均与馈电网络(8)一端连接，馈电网络(8)的另一端通过微带馈线(6)连接SMA同轴接头；第二介质基板(5)的下表面设置金属接地板。/n

【技术特征摘要】
1.一种带有负磁导率材料的ISM频段微带阵列天线，其特征在于，包括第一介质基板(1)、第二介质基板(5)和SMA同轴接头；
第一介质基板(1)与第二介质基板(5)连接且第一介质基板(1)位于第二介质基板(5)上方，第一介质基板(1)与第二介质基板(5)之间设置空气腔(4)；
第一介质基板(1)上开设长方形通孔，第一介质基板(1)上表面设置开口谐振环阵列，开口谐振环阵列包括若干周期排列的开口谐振环(2)，开口谐振环(2)为圆形开口谐振环，圆形开口谐振环包括第一开口圆环和嵌套在第一开口圆环内部的第二开口圆环，第一开口圆环和第二开口圆环的开口位置对称设置；第二介质基板(5)的上表面设置微带馈线(6)、若干U型槽微带天线(7)和馈电网络(8)；若干U型槽微带天线(7)均与馈电网络(8)一端连接，馈电网络(8)的另一端通过微带馈线(6)连接SMA同轴接头；第二介质基板(5)的下表面设置金属接地板。


2.根据权利要求1所述的带有负磁导率材料的ISM频段微带阵列天线，其特征在于，所述第一介质基板(1)与第二介质基板(5)通过若干塑料螺丝(3)连接。


3.根据权利要求1所述的带有负磁导率材料的ISM频段微带阵列天线，其特征在于，所述空气腔(4)的高度为0.5～0.6倍的谐振频率的空气波长。


4.根据权利要求1所述的带有负磁导率材料的ISM频段微带阵列天线，其特征在于，所述第一介质基板(1)位于第二介质基板(5)正上方。


5.根据权利要求1所述的带有负磁导...

【专利技术属性】
技术研发人员：靳钊，蔺琛智，郭晨，李璐，高尧，贺之莉，薛晶晶，
申请(专利权)人：长安大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61