阅读说明：本技术 带有负磁导率材料的ism频段微带阵列天线及制作方法 (ISM frequency band microstrip array antenna with negative magnetic conductivity material and manufacturing method ) 是由 靳钊 蔺琛智 郭晨 李璐 高尧 贺之莉 薛晶晶 于 2020-04-21 设计创作，主要内容包括：本发明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。(The invention discloses an ISM frequency band microstrip array antenna with a negative magnetic conductivity material and a manufacturing method thereof, wherein the ISM frequency band microstrip array antenna comprises a first dielectric substrate, a second dielectric substrate and an SMA coaxial joint; an air cavity is arranged between the first medium substrate and the second medium substrate; the center of the first dielectric substrate is hollow, an open resonant ring array is arranged on the upper surface of the periphery of the hollow center, and a microstrip feeder line, a plurality of U-shaped groove microstrip antennas and a feed network are arranged on the upper surface of the second dielectric substrate; the U-shaped groove microstrip antennas are connected with one end of the feed network, and the other end of the feed network is connected with the SMA coaxial connector through a microstrip feeder line; and a metal grounding plate is arranged on the lower surface of the second dielectric substrate. The open resonant rings are arranged periodically to form the negative magnetic conductivity material, so that the time-varying magnetic field of electromagnetic waves radiated on two sides is inhibited, the half-power beam width of far-field radiation is effectively reduced, and the gain of forward radiation is improved; a plurality of resonance points are generated by using a U-shaped groove microstrip antenna, and the resonance points are connected to realize a wide frequency band; the bandwidth and the gain of the microstrip array antenna can be effectively improved.)

带有负磁导率材料的ISM频段微带阵列天线及制作方法

技术领域

本发明属于微带天线领域，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。

背景技术

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，2.45GHz ISM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2.45GHz ISM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。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中2.45GHz ISM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，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明一方面，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。

本发明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。

本发明另一方面，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，本发明具有以下有益效果：

本发明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2.45GHz ISM频段上更易实现负磁导率现象，抑制侧向辐射。综上所述，本发明结构简单，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2.45GHz ISM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。

本发明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12为本实施例与不加载NPM的微带阵列天线的E面辐射方向图对比示意图。

其中：1-第一介质基板；2-开口谐振环；3-塑料螺丝；4-空气腔；5-第二介质基板；6-微带馈线；7-U型槽微带天线；8-馈电网络。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本发明带有负磁导率材料的ISM频段微带阵列天线，采用电路板刻蚀技术制作微带天线，包括两个部分，第一是下方的加载有U型槽的阵列天线和微带线馈电网络。第二是上方的覆层介质基板，覆层介质基板上侧一面刻蚀周期排列的金属开口谐振环阵列1，将其置于天线的上侧作为天线的覆层。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1至4，本发明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1、开口谐振环阵列、塑料螺丝3、空气腔4、第二介质基板5、微带馈线6、若干U型槽微带天线7和馈电网络8。

第一介质基板1位于第二介质基板5正上方，且二者通过若干低介电常数的塑料螺丝3连接，这样可以减小其对天线的辐射干扰。第一介质基板1与第二介质基板5之间设置空气腔4，其中，空气腔4的高度为0.5～0.6倍的谐振频率的空气波长，当空气腔4的高度设置为0.6倍的谐振频率的空气波长时，磁谐振现象最强。第一介质基板1和第二介质基板5可以采用环氧树脂(FR4)基板，该基板价格较低，适合大规模生产，完全满足2.45GHzISM频段的要求。

若干U型槽微带天线7和馈电网络8均位于第二介质基板5上表面，若干U型槽矩形贴片天线7通过馈电网络8相互连接，馈电网络8与微带馈线6一端连接，微带馈线6另一端连接SMA同轴接头。可以设置50欧姆的微带馈线6和50欧姆的SMA同轴接头，第二介质基板5下表面设置金属接地板。

第一介质基板1上表面设计开口谐振环阵列，开口谐振环阵列包括若干周期排列的开口谐振环2，该开口谐振环2采用圆形开口谐振环，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；这样的大小圆嵌套且开口对称的圆形嵌套结构可以激发更强的磁谐振响应，可以使得第一介质基板1在2.45GHz ISM频段上实现负磁导率现象，抑制侧向辐射，从而提高辐射方向性，减小半功率波束宽度，提高辐射增益。

本发明还公开了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1的中心位置切去一个长方形使其中心为空，然后再使介质基板上表面全部覆铜；通过电路板刻蚀技术在第一介质基板1的上表面刻蚀若干周期排列的圆形谐振环；

S2：在第二介质基板5的上表面覆铜，通过电路板刻蚀技术在第二介质基板5的上表面一体式刻蚀若干U型槽阵列天线7和馈电网络8，若干U型槽阵列天线7均与馈电网络8连接，第二介质基板5的下表面覆铜形成金属接地板；

S3：以微带线6作为高频电流的馈入点，在馈入点上安装标准的SMA同轴接头并与馈电网络8连接，由于微带线6的阻抗为50欧姆，因此可以很好地匹配到SMA同轴接头。

S4：通过塑料螺丝3将第一介质基板1和第二介质基板5连接，并在第一介质基板1和第二介质基板5之间预留高度为0.5～0.6倍的谐振频率的空气波长的空气腔4。

下面详细说明本发明的原理：

超材料是在世纪之交提出的一个非常重大的科研成果，它是一种人工微结构材料，通过设计不同的结构单元可以使得其对外加的电磁场产生相应的响应，原理上可以得到任意大小的介电常数和磁导率，2003年左手超材料被美国Science杂志评为年度十大科技突破之一。

通过对超材料基础结构的不断变形，人们发现了许多不同于自然界的奇异的电磁现象。这种现象在微波射频器件的设计上具有非常大的应用前景，通过超材料的这种逆向设计的优势，从理论上，我们可以改变基板以及辐射方向的图的性质。这样就可以有效地在不改变天线的设计的情况下，提升天线的性能，包括提升天线的辐射增益，拓展频带宽度，降低雷达散射截面(RCS)等。

本发明中所设计带有负磁导率材料的ISM频段微带阵列天线，带宽扩展依据U型槽曲流扩频的原理，通过增加辐射贴片上高频电流的流经长度，增加多个谐振点来拓展带宽。而在阵列天线的覆层采用中心开口的NPM，这样可以在不影响前向辐射的条件下有效地降低侧向辐射，从而增加前向辐射的增益。NPM由于与阵列天线之间相隔距离超过半个工作波长，所以覆层对于天线的回波损耗S11影响较小，所以这两部分可以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。

NPM覆层之所以可以抑制侧向辐射，主要是由于该覆层可以在工作频点处发生强烈的磁谐振，产生负的磁导率现象：当电磁波的波矢与NPM平行时，其波矢的时变磁场与NPM垂直，该时变磁场被抑制，从而抑制侧向辐射；当电磁波的波矢与NPM垂直时，其波矢的时变磁场与NPM平行。此时该方向的电磁波不受NPM负磁导率作用的影响，可以正常传播。

因此将U型槽阵列天线7和NPM覆层相结合可以有效地提升微带阵列天线的带宽和增益，改变微带阵列天线的窄带宽，低增益的劣势。同时无论是U型槽阵列天线7还是NPM覆层，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。

实施例

首先说明本实施例中具体的参数信息：

本实施例中，刻蚀四个U型槽阵列天线7，馈电网络8为一分四馈电网络；第一介质基板1和第二介质基板5的长度均为Ls＝143.2mm，宽度均为Ws＝175.7mm，第一介质基板的长方形通孔的尺寸为：长度Ls1＝90.2mm，宽度Ws1＝129.7mm。其中第一介质基板2和第二介质基板5均为环氧树脂(FR4)基板，介电常数为4.4，介质损耗正切为tanδ＝0.02，第一介质基板2和第二介质基板5的厚度分别为1.6mm和5mm。

再次参见图3，U型槽阵列天线7的矩形贴片的长度为Lp＝27.6mm，宽度为Wp＝53.7mm；且沿U型槽阵列天线7的U型槽开口方向上，两个相邻的U型槽阵列天线7的中心点的距离为dy＝82mm，沿U型槽阵列天线7的U型槽开口方向的垂直方向上，两个相邻的U型槽阵列天线7的中心点的距离为dx＝65mm；一分四馈电网络包括四个第一馈电线、两个第二馈电线、第三馈电线、第四馈电线、第五馈电线和第六馈电线；第三馈电线两端分别连接两个第二馈电线，每个第二馈电线另一端均连接两个第一馈电线，第一馈电线另一端与U型槽阵列天线7的连接；第四馈电线一端与第三馈电线中部连接，另一端依次连接第五馈电线、第六馈电线和微带馈线6；第一馈电线和第五馈电线的宽度为W1＝2.3mm，第二馈电线和第六馈电线的宽度为W2＝5.3mm，第三馈电线的长度为L1＝29.3mm，第四馈电线的长度为L2＝16.7mm，第五馈电线的长度为L3＝37.2mm，第六馈电线的长度为L2＝16.7mm；微带馈线6的宽度为L2＝16.7mm，长度为L3＝37.2mm。

参见图4，U型槽阵列天线7的U型槽的槽壁宽度、槽壁长度、槽底宽度和槽底长度分别为Fy＝1.8mm、C＝20.4mm、E＝1.8mm和D＝28mm。上述参数信息仅为本次实施例设计的参数，并不以此限。

再次参见图5，开口谐振环2的内环半径、环线宽度、内外环间隙、谐振环开口和晶格常数(开口谐振环2间距)分别为Rs＝2.5mm，Cs＝1.1mm，ds＝0.2m m，gs＝1mm和d＝10.2mm。

参见图6，本发明与不加载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，从图中可以看出，采用U型槽微带天线相比不加载U型槽的微带天线，微带阵列天线的带宽增加17％。

参见图7，本发明与不加载NPM的微带阵列天线的回波损耗对比示意图，从图中可以看出，加入NPM之后，其NPM对微带阵列天线的影响较小。

参见图8，本发明与不加载NPM的微带阵列天线的H面增益对比示意图，可以看出，加载NPM相比于不加NPM的微带阵列天线的增益提高1dB。

参见图9和图10，分别显示了本发明与不加载NPM的微带阵列天线的H面和E面半功率波束宽度对比，从图中可以看出，在H面上，二者的半功率波束宽度并无明显变化；在E面上加了NPM的微带阵列天线的半功率波束宽度为34°，相比于不加NPM的微带阵列天线要大12.7°。

参见图11和图12，本发明与不加载NPM的微带阵列天线的H面和E面辐射方向图对比，从图中可以看出，加NPM与不加NPM的微带阵列天线相比，波束宽度减少，增益提升。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。