基于新型超材料单元加载的多频段小型化天线制造技术

本发明专利技术公开了一种基于新型超材料单元加载的多频段小型化天线，属于无线通信领域，包括对称环形金属左手材料单元、共面波导馈电结构、介质基板、金属馈线和金属横条；所述对称环形金属左手材料单元、金属横条和金属馈线位于介质基板的上表面，其中金属馈线的一端与环形金属左手材料单元连接，所述金属横条与金属馈线相连；共面波导馈电结构分为位于介质基板上下表面的两个部分，其中位于上表面的部分为加载在金属馈线两边的，均与金属馈线保持间隙的平面金属板。本发明专利技术将多频段左手材料单元应用于天线设计，通过对其上的电磁波进行相位补偿，突破传统微带天线半波长的尺寸限制，在不改变天线本身的全向辐射特性的同时，极大地缩减天线的尺寸。减天线的尺寸。减天线的尺寸。

【技术实现步骤摘要】
基于新型超材料单元加载的多频段小型化天线


[0001]本专利技术属于无线通信领域，尤其涉及一种基于新型超材料单元加载的多频段小型化天线。

技术介绍

[0002]近几年，随着通信技术的快速发展，智能通信设备与系统化越来越向着多功能、小型化，甚至微型化的方向发展。天线作为通信设备及其重要的组成部分，担任着收发信号的重任。伴随着通信设备的小型化，在设计设备时预留给天线的体积空间也会越来越小，但对天线的功能要求缺越来越多。故传统的天线已经无法胜任现阶段通信设备的诸多要求，天线的小型化和多频段技术亟需开发。天线的多频段意味着，通信设备可以工作在不同的频率波段；而天线的小型化技术，可以大大的缩减天线的尺寸，使得天线在设备内部占有更小的空间，为设备集成其他的功能提供更多的可能，因此具有小型化和多频段特性的天线更适用于现代设备的需求。因此，新型的小型化和多频段5G天线的研发，具有很高的工业实用价值。
[0003]目前，实现小型化和多频段的方法有多种，在近些年的专利中也有所体现，如添加弯折的金属线增加电流路径，添加金属探针，使用超构材料等方式实现天线小型化；通过添加新的枝节，使用多层天线等方式实现天线的多频段。如在专利CN113517566A中，使用了添加超构材料的方式实现小型化，但是天线的尺寸依旧很大，不利于生产中使用；在专利CN217134672中，使用多条蚀刻线模拟多枝节效果，实现多频段，但天线在第三个频段内方向图发生了分裂；在专利CN113555682A中，同时使用了天线的层叠技术和多枝节实现三频段。然而，受制于天线的品质因数，天线的尺寸不能进一步的缩小；同时，使用多枝节方式实现多频段，天线的复杂度也会相应增大，不易于生产制造；使用多层天线叠在一起的方式，各层天线之间的耦合也会增大，不易于控制天线的各频段。

技术实现思路

[0004]针对上述存在的问题，本专利技术提供了一种基于新型超材料单元加载的多频段小型化天线，将多频段的左手材料单元应用于天线的设计，通过利用左手材料单元独特的后向波传输特性，对其上的电磁波进行相位补偿，可以突破传统微带天线半波长的尺寸限制，在不改变天线本身的全向辐射特性的同时，极大地缩减天线的尺寸。
[0005]本专利技术为解决上述技术问题采用的技术方案如下：基于新型超材料单元加载的多频段小型化天线，包括对称环形金属左手材料单元、共面波导馈电结构、介质基板、金属馈线和位于所述对称环形金属左手材料单元正下方的金属横条；所述对称环形金属左手材料单元、金属横条和金属馈线位于介质基板的上表面，其中所述金属馈线从属于共面波导馈电结构，其一端与对称环形金属左手材料单元连接，所述金属横条与金属馈线相连，当电流流经金属横条时会形成新的电流路径，为天线增加新的谐振点；所述共面波导馈电结构分为位于介质基板上下表面的两个部分，其中位于
介质基板上表面的部分为加载在金属馈线两边的，且均与金属馈线保持间隙的平面金属板，所述位于介质基板下表面的部分为与上表面对称的金属接地板，且所述金属接地板的宽度与介质基板的宽度相同。
[0006]由于左手材料的尺寸远远小于其谐振频率在自由空间的波长，所以将本身就具有多频段特性的左手材料单元作为天线的辐射部分，既可以利用其多频段特性实现天线的多频段，也可以依靠左手材料本身独特的传输性质实现天线的小型化，而不受制于传统天线半波长的限制。本专利技术通过在左手材料单元下方添加一个金属横条以拓宽以左手材料单元作为辐射部分的天线的带宽，一方面可以为高频段提供良好的匹配；同时金属横条与金属馈线相连，电流流经金属条会形成新的电流路径，可以为天线增加新的谐振点，并且新的谐振点与原有的频段不重合，拓展了天线的可用频率带宽。
[0007]所述对称环形金属左手材料单元由两个对称分布的半圆形金属环组成，在所述两个半圆形金属环之间存在缝隙，其中所述各半圆形金属环顶部均设有截断，截出一个缺口，并在所述缺口处向内添加有一对对称金属线，该对称金属线之间存在间隙，通过调节所述两个半圆形金属环中的对称金属线之间的距离，可调整耦合电容的大小，进而改变天线的谐振频率；所述对称环形金属左手材料单元中各部分线宽均相同。该对称环形金属左手材料单元整体上呈现环形，当入射电磁波的磁场分量垂直于环形单元时，可以产生类似于磁单极子的环形电流，使之构成一个磁谐振器，使得该结构具有负的等效磁导率；同时，所述对称环形金属左手材料单元中所形成的两个类B型结构，使得当入射电磁波的电场平行于环形单元时，会产生两个对称电流回路，从而构成对称的电谐振器，在谐振区域产生负的介电常数。
[0008]所述金属馈线属于共面波导馈电结构，输入阻抗为50欧姆。
[0009]所述金属馈线下端焊接有SMA接口，以便于测试。
[0010]优选的，所述对称环形金属左手材料单元的结构中心到环形线之间的距离R=5.8mm，对称环形金属左手材料单元的线宽Wr=0.4mm，对称环形金属左手材料单元中所述对称金属线的长度Lr=4.5mm，该对称金属线之间存在间隙Gr=0.5mm。
[0011]优选的，所述金属横条的长度L1=12.5mm，宽度W1=0.5mm；所述金属馈线的宽度W2=1mm，在所述金属横条与金属馈线相连时，金属馈线与对称环形金属左手材料单元所连接的一端与金属横条的距离L3=1mm，另一端与金属横条的垂直距离L2=10.5mm。
[0012]优选的，所述共面波导馈电结构中的平面金属板的长度L0= 8.5mm，宽度W0=8.5mm；采用尺寸为23
×
14
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0.8mm3的介质基板，所述介质基板为FR4环氧树脂板，其介电常数为4.4，相对磁导率为1.0，损耗角正切值为0.002。
[0013]优选的，所述对称环形金属左手材料单元、金属横条、共面波导馈电结构、金属馈线中涉及金属的材质均为铜。
[0014]本专利技术的技术方案能产生以下的技术效果：本专利技术所述的基于新型超材料单元加载的多频段小型化天线，将多频段的左手材料单元应用于天线设计，利用左手材料单元独特的后向波传输特性，对其上的电磁波进行相位补偿，可以突破传统微带天线半波长的尺寸限制，从而实现天线的小型化；实现小型化的同时未改变天线本身的全向辐射特性，天线的尺寸仅为 0.185λ
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0.113λ，其中λ 为第一个谐振频点的波长，极大地缩减了天线的尺寸；同时，依赖于本专利技术中左手材料单元的多频
段特性，天线形成了多个频段：2.40
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2.44GHz，4.38
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5.16GHz和5.61
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6.22GHz，可以将天线应用于 WLAN波段，WiMax 波段，N79 波段等多个商业波段，且能在各个谐振频段内均保持全向辐射的特性。
附图说明
[0015]图1为本专利技术提供的基于新型超材料单元加载的多频段小型化天线的结构示意图；图2为本专利技术提供的基于新型超材料单元加载的多频段小型化天线的正面视图及其参数示意图；图3为本专利技术提供的基于新型超材料单元加载的多频段小型化天本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于新型超材料单元加载的多频段小型化天线，其特征在于，包括对称环形金属左手材料单元（1）、共面波导馈电结构（3）、介质基板（4）和金属馈线（5）和位于所述对称环形金属左手材料单元（1）正下方的金属横条（2）；所述对称环形金属左手材料单元（1）、金属横条（2）和金属馈线（5）位于介质基板（4）的上表面，其中所述金属馈线（5）的一端与对称环形金属左手材料单元（1）连接，所述金属横条（2）与金属馈线（5）相连，当电流流经金属横条（2）时会形成新的电流路径，为天线增加新的谐振点；所述共面波导馈电结构（3）包括位于介质基板（4）上表面的部分和位于介质基板（4）下表面的部分，其中位于介质基板（4）上表面的部分为加载在金属馈线（5）两边的，且均与金属馈线（5）保持间隙的平面金属板，所述位于介质基板（4）下表面的部分为与上表面对称的金属接地板，且所述金属接地板的宽度与介质基板（4）的宽度相同。2.根据权利要求1所述的基于新型超材料单元加载的多频段小型化天线，其特征在于，所述对称环形金属左手材料单元（1）由两个对称分布的半圆形金属环组成，在所述两个半圆形金属环之间存在缝隙，其中所述各半圆形金属环顶部均设有截断，截出一个缺口，并在所述缺口处向内添加有一对对称金属线，该对称金属线之间存在间隙；所述对称环形金属左手材料单元（1）中各部分线宽均相同。3.根据权利要求2所述的基于新型超材料单元加载的多频段小型化天线，其特征在于，通过调节所述两个半圆形金属环中的对称金属线之间的距离，便能调整耦合电容的大小，进而改变天线的谐振频率。4.根据权利要求1所述的基于新型超材料单元加载的多频段小型化天线，其特征在于，所述金属馈线（5）的输入阻抗为50欧姆；所述金属馈线（5）下端焊接有SM...

【专利技术属性】
技术研发人员：李海明，高刘凯，蔡佳均，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：