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申请/专利权人：云南大学

摘要：本发明公开了一种加载类蝶形左手材料单元的SIW天线阵列，涉及无线通信领域。一种加载类蝶形左手材料单元的SIW天线阵列的天线单元包括：顶层介质板（1）、中间层介质板（2）和底层介质板（3），三层介质板粘接而成；顶层介质板（1）上有金属贴片（4），中间层（2）有U型金属贴片（5）、底层介质板（3）有沿着边缘嵌入介质基片的一圈周期性金属过孔（6）；两个天线单元线性排列共用一排金属过孔；在两个天线单元间竖起了一道隔离墙（7），隔离墙（7）上以2×3阵列排列左手材料单元（8，8’）。本发明一种加载类蝶形左手材料单元的SIW天线阵列显著低降低了天线单元间的耦合度。

主权项：1.一种加载类蝶形左手材料单元的SIW天线阵列,其特征在于：所述SIW天线阵列的天线单元包括：顶层介质板1、中间层介质板2和底层介质板3三层介质板，三层介质板粘接而成；顶层介质板1上有开有缝隙的上层金属贴片4，中间层介质板2有U型金属贴片5、底层介质板3有金属地和沿着边缘嵌入介质基片的一圈周期性金属过孔6；天线单元线性排列的方式进行排列，为了减少天线的尺寸，两个天线单元共用一排金属过孔；在两个天线单元间竖起了一道隔离墙7，并将类蝶形左手材料单元8以2×3阵列排列方式放置于隔离墙的两侧；两个天线单元间的隔离墙7上加载的类蝶形左手材料单元8包括介质板14及印刷在介质板14上的类蝶形贴片15；类蝶形贴片15由类蝶形两翼的贴片11、11’、中间的镂空菱形贴片12和两翼贴片11、11’中间的两个镂空梯形贴片13、13’构成；类蝶形两翼的贴片11、11’沿中间的菱形贴片12对称设置，并朝外侧开口16、16’；镂空菱形贴片12各边长长度相等；两翼贴片11、11’中间的两个镂空梯形贴片13、13’沿中间的菱形贴片12对称设置，向内侧开口17、17’，开口方向与两翼贴片的开口方向相反，开口尺寸相同；加载类蝶形左手材料后的天线阵列的辐射效率，在整个工作频段内保持在90％以上。

全文数据：加载类蝶形左手材料单元的SIW天线阵列技术领域本发明一种加载类蝶形左手材料单元的SIW天线阵列属于无线通信领域，涉及一种加载类蝶形左手材料单元的SIW天线阵列。背景技术左手材料是一种最为经典的超材料，被定义为在某些频段内同时具有负介电常数和负磁导率。由周期性尺寸远远小于工作波长的人工单元结构组成，这类材料可呈现天然材料所不具备的超常物理性能。随着信息技术的飞速发展，无线通信技术因其不受地理环境的约束可以随时随地进行信息传输与交换，被广泛应用于人们生活和社会发展的方方面面，同时无线通信方式的多样化极大的便利了人们的生活和工作。在随处可见的无线通信系统中，信息往往是通过无线电磁波进行传输，而天线做为无线通信系统中的重要构成部分，其好坏直观地影响到无线通信的效率和质量。而伴随着当今各类通信系统的飞速成长，业界对天线的多项性能和指标同时达成的渴望也愈加浓烈，良好的性能参数需要在天线的设计中开发更加新颖特异的结构，并且需要更具高品质的板材来支持天线设计，显而易见，天线的成本在无形中大幅度的提升了。但是，超材料的出现使得这一问题找到了可行的办法，通过设计超材料的加载，可以使制作天线的成本得以控制的同时提升天线的多项性能参数，因此，将超材料和天线有效的结合，以此来提高天线性能参数的研究存在着深远的价值和意义。近年来，众多学者将超材料应用于天线设计，取得了很多实质性的进展。超材料作为一种全新的人工电磁材料，由于其具有负的折射率、负的群速度、逆多普勒效应等一系列奇特的物理性质，将其应用于传统的天线设计中，可显著的改善天线的工作性能，如提高增益、增加带宽、小型化、实现多频段以及降低天线间的耦合等等。值得注意的是，基于超材料的新型天线不仅能改善其某一个指标，同时还能提髙多个指标。本发明一种加载类蝶形左手材料单元的SIW天线阵列，通过加载类蝶形左手材料或变形的类蝶形左手材料来作为天线单元间的隔离墙，使得天线间的隔离度显著提高，加载变形的类蝶形左手材料比加载类蝶形左手材料，隔离度更高。本发明内容，经文献检索，未见与本发明相同的公开报道。发明内容本发明的目的是提供一种加载类蝶形左手材料单元的SIW天线阵列。本发明一种加载类蝶形左手材料单元的SIW天线阵列的天线单元包括：顶层介质板（1）、中间层介质板（2）和底层介质板（3）三层介质板，三层介质板粘接而成；顶层介质板（1）上有开有缝隙的金属贴片（4），中间层（2）有U型金属贴片（5）、底层介质板（3）有金属地和沿着边缘嵌入介质基片的一圈周期性金属过孔（6）；天线单元线性排列的方式进行排列，为了减少天线的尺寸，两个天线单元共用一排金属过孔；在两个天线单元间竖起了一道隔离墙（7），并将类蝶形左手材料单元（8）或变形的类蝶形左手材料单元（8’）以2×3阵列排列方式放置于隔离墙的两侧。所述一种加载类蝶形左手材料单元的SIW天线阵列中的类蝶形左手材料单元（8）包括介质板（14）及印刷在介质板（14）上的类蝶形贴片（15）；类蝶形贴片（15）由类蝶形两翼的贴片11、11’、中间的镂空菱形贴片（12）和两翼贴片11、11’中间的两个镂空梯形贴片（13、13’）构成；类蝶形两翼的贴片11、11’沿中间的菱形贴片（12）对称设置，并朝外侧开口（16、16’）;镂空菱形贴片（12）各边长长度相等;两翼贴片11、11’中间的两个镂空梯形贴片（13、13’）沿中间的菱形贴片（12）对称设置，向内侧开口（17、17’），开口方向与两翼贴片的开口方向相反，开口尺寸相同。将中间镂空的正六边形菱形贴片（12）填满了，其余的不变就得到变形的类蝶形左手材料单元（8’）。所述一种加载类蝶形左手材料单元的SIW天线阵列的天线单元采用同轴馈电馈于顶层金属片（4），有三个部分辐射，分别为上层金属贴片（4）、中间层金属贴片（5）以及上层金属贴片周围的缝隙；由于增加了中间层金属贴片（5），使得带宽明显增宽，克服了SIW带宽窄的缺陷。所述一种加载类蝶形左手材料单元的SIW天线阵列，通过加载类蝶形左手材料或变形的类蝶形左手材料来作为天线单元间的隔离墙，使得天线间的隔离度显著提高，加载变形的类蝶形左手材料比加载类蝶形左手材料，隔离度更高。本发明具有尺寸小，结构简单，易加工，高增益，低损耗等优点。附图说明图1SIW天线阵列结构示意图图2SIW天线单元结构示意图图3类蝶形和类蝶形变形左手材料单元结构图图4SIW天线阵列加载与未加载左手材料单元的S11对比图图5SIW天线阵列加载与未加载左手材料单元的S21对比图图6SIW天线阵列加载与未加载左手材料单元的方向图对比图图7SIW天线阵列加载与未加载左手材料单元辐射效率对比图。具体实施方式下面结合附图对本发明进行具体实施方式的说明。如图1-图3所示，本发明一种加载类蝶形左手材料单元的SIW天线阵列中的天线单元包括：顶层介质板（1）、中间层介质板（2）和底层介质板（3）三层介质板，三层介质板粘接而成；顶层介质板（1）上有开有缝隙的金属贴片（4），中间层（2）有U型金属贴片（5）、底层介质板（3）有金属地和沿着边缘嵌入介质基片的一圈周期性金属过孔（6）；天线单元线性排列的方式进行排列，为了减少天线的尺寸，两个天线单元共用一排金属过孔；在两个天线单元间竖起了一道隔离墙（7），并将类蝶形左手材料单元（8）或变形的类蝶形左手材料单元（8’）以2×3阵列排列方式放置于隔离墙的两侧；类蝶形左手材料单元（8）整体轮廓类似蝴蝶，中间为镂空的菱形，两翼的中间为两个朝内开口的镂空梯形，外围为蝶形轮廓，与内部的镂空梯形开口相反，将中间镂空的正六边形填满了，其余的不变就得到变形的类蝶形左手材料单元（8’）。所述一种加载类蝶形左手材料单元的SIW天线阵列中的类蝶形左手材料单元（8）包括介质板（14）及印刷在介质板（14）上的类蝶形贴片（15）；类蝶形贴片（15）由类蝶形两翼的贴片11、11’、中间的镂空菱形贴片（12）和两翼贴片11、11’中间的两个镂空梯形贴片（13、13’）构成；类蝶形两翼的贴片11、11’沿中间的菱形贴片（12）对称设置，并朝外侧开口（16、16’）;镂空菱形贴片（12）各边长长度相等;两翼贴片11、11’中间的两个镂空梯形贴片（13、13’）沿中间的菱形贴片（12）对称设置，向内侧开口（17、17’），开口方向与两翼贴片的开口方向相反，开口尺寸相同。将中间镂空的正六边形菱形贴片（12）填满了，其余的不变就得到变形的类蝶形左手材料单元（8’）。所述一种加载类蝶形左手材料单元的SIW天线阵列的天线单元采用同轴馈电馈于顶层金属片（4），有三个部分辐射，分别为上层金属贴片（4）、中间层金属贴片（5）以及上层金属贴片周围的缝隙；由于增加了中间层金属贴片（5），使得带宽明显增宽，克服了SIW带宽窄的缺陷。所述一种加载类蝶形左手材料单元的SIW天线阵列，通过加载类蝶形左手材料或变形的类蝶形左手材料来作为天线单元间的隔离墙，使得天线间的隔离度显著提高，加载变形的类蝶形左手材料比加载类蝶形左手材料，隔离度更高。所述一种加载类蝶形左手材料单元的SIW天线阵列，其中的顶层介质板（1）采用介电常数为2.94，RogersRTDuroid6002介质材料，尺寸为26.278mm*22.778*1.524mm；中间层介质板（2）采用介电常数为2.94、损耗角正切为0.0012的RogersRTDuroid6002介质材料，尺寸为26.278mm*22.778*0.762mm；底层介质板（3）采用介电常数为2.94、损耗角正切为0.0012的RogersRTDuroid6002介质材料，尺寸为26.278*23.778*0.762mm；两个天线单元间采用厚度为0.8mm的FR4介质板作为左手材料加载的墙体，所加载的左手材料单元尺寸为5×5mm2。本发明具有尺寸小，结构简单，易加工，高增益，低损耗等优点。通过仿真软件对天线进行多次的调节实验，图4给出了未加载与加载不同左手材料单元的三种SIW天线阵列的S11对比图，由图我们可以看出，加载完类蝶形左手材料的天线阵列的工作带宽为12.07GHz-15.15GHz，在第一个谐振频点12.45GHz处的S11值为-22.6dB，第二个谐振频点14.72GHGz处的S11值为-24.9dB，与未加载左手材料前相比，其工作带宽呈现略微的变窄，两个谐振点的谐振频率均往工作频段中心频点处移动，使得工作频段中心频点位置的S11较未加载左手材料前有了明显的改善；加载了变形类蝶形左手材料单元的SIW天线阵列的工作带宽为12.02GHz-15.24GHz，第一个谐振频点为12.44GHz，在此处的S11值为-33dB，第二个谐振点的频点为14.73GHz，此处的S11值为-23.5dB，通过比较可知，该天线阵列的工作带宽与前面两个天线阵列的工作带宽及谐振点的位置几乎没有太大变化，在第一个谐振点处获得了更加良好的阻抗匹配，同时天线阵列工作频段中心频率附近的S11得到了更加显著的改善，这是由于天线单元间获得了更加良好的隔离度的缘故。如图5未加载与加载不同左手材料单元的三种SIW天线阵列的S21对比图所示，加载了类蝶形左手材料后比未加载前的天线单元间的耦合度明显降低了，在整个工作频段内均小于25.4dB，较未加载左手材料单元的隔离度降低了5.2dB；加载变形类蝶形左手材料单元的SIW天线阵列获得了最低的隔离度，在整个工作频段内其S21均在-31.9dB以下，相比于加载类蝶形左手材料的天线阵，其耦合度降低了6.5dB，相比于未加载左手材料的天线阵，其耦合度降低了11.23dB,使得天线单元间实现了良好的隔离，显著低降低了天线单元间的耦合度。如图6未加载与加载不同左手材料单元的三种SIW天线阵列的方向图的对比图所示，其中（a）为xoz面方向图，（b）为yoz面方向图，由图我们可以看出加载类蝶形左手材料的天线阵，降低了天线间的耦合度，从而使其增益在方向图的最大方向上明显高于未加载左手材料的天线阵，加载类蝶形左手材料的SIW天线阵列增益为9.35dB，较未加载类蝶形左手材料隔离墙的SIW天线阵的增益增加了1.65dB，而加载变形类蝶形左手材料隔离墙的SIW天线阵的增益的增益更高达9.98dB。如图7未加载与加载不同左手材料单元的三种SIW天线阵列的辐射效率对比图所示，图中我们可以清晰的看到，加载类蝶形左手材料后的天线阵列的辐射效率略低于未加载前，但在整个工作频段内，其辐射效率仍保持在90%以上。加载变形类蝶形左手材料的SIW天线阵列辐射效率在工作频段内在91%处上下浮动，与加载类蝶形左手材料的SIW天线阵列情况有十分相像之处，均是由于加入用于隔离的左手材料，使得天线的辐射效率受到了轻微的影响，但并不影响整个天线阵列的整体性能。

权利要求：1.一种加载类蝶形左手材料单元的SIW天线阵列，涉及无线通信领域。2.一种加载类蝶形左手材料单元的SIW天线阵列的天线单元包括：顶层介质板（1）、中间层介质板（2）和底层介质板（3）三层介质板，三层介质板粘接而成；顶层介质板（1）上有开有缝隙的金属贴片（4），中间层（2）有U型金属贴片（5）、底层介质板（3）有金属地和沿着边缘嵌入介质基片的一圈周期性金属过孔（6）；天线单元线性排列的方式进行排列，为了减少天线的尺寸，两个天线单元共用一排金属过孔；在两个天线单元间竖起了一道隔离墙（7），并将类蝶形左手材料单元（8）或变形的类蝶形左手材料单元（8’）以2×3阵列排列方式放置于隔离墙的两侧。3.根据权利要求1所述一种加载类蝶形左手材料单元的SIW天线阵列，其特征在于：两个天线单元间的隔离墙（7）上加载的类蝶形左手材料单元（8）包括介质板（14）及印刷在介质板（14）上的类蝶形贴片（15）；类蝶形贴片（15）由类蝶形两翼的贴片11、11’、中间的镂空菱形贴片（12）和两翼贴片11、11’中间的两个镂空梯形贴片（13、13’）构成；类蝶形两翼的贴片11、11’沿中间的菱形贴片（12）对称设置，并朝外侧开口（16、16’）;镂空菱形贴片（12）各边长长度相等;两翼贴片11、11’中间的两个镂空梯形贴片（13、13’）沿中间的菱形贴片（12）对称设置，向内侧开口（17、17’），开口方向与两翼贴片的开口方向相反，开口尺寸相同；将中间镂空的正六边形菱形贴片（12）填满了，其余的不变就得到变形的类蝶形左手材料单元（8’）。4.根据权利要求1所述一种加载类蝶形左手材料单元的SIW天线阵列，其特征在于：该天线单元采用同轴馈电馈于顶层金属片（4），有三个部分辐射，分别为上层金属贴片（4）、中间层金属贴片（5）以及上层金属贴片周围的缝隙；由于增加了中间层金属贴片（5），使得带宽明显增宽，克服了SIW带宽窄的缺陷。5.根据权利要求1所述一种加载类蝶形左手材料单元的SIW天线阵列，其特征在于：通过加载类蝶形左手材料或变形的类蝶形左手材料来作为天线单元间的隔离墙，使得天线间的隔离度显著提高，加载变形的类蝶形左手材料比加载类蝶形左手材料，隔离度更高。6.根据权利要求1所述一种加载类蝶形左手材料单元的SIW天线阵列，其特征在于：所述的顶层介质板（1）采用介电常数为2.94，RogersRTDuroid6002介质材料，尺寸为26.278mm*22.778*1.524mm；中间层介质板（2）采用介电常数为2.94、损耗角正切为0.0012的RogersRTDuroid6002介质材料，尺寸为26.278mm*22.778*0.762mm；底层介质板（3）采用介电常数为2.94、损耗角正切为0.0012的RogersRTDuroid6002介质材料，尺寸为26.278*23.778*0.762mm；两个天线单元间采用厚度为0.8mm的FR4介质板作为左手材料加载的墙体，所加载的左手材料单元尺寸为5×5mm2。

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