[發明專利]基于磁單負材料的大尺寸亞波長諧振腔天線

在審

• 申請號: 201710113286.8
• 申請日: 2017-02-28
• 公開（公告）號: CN106898868A
• 公開（公告）日: 2017-06-27
• 發明（設計）人: 杜桂強;路光;孫勇;劉芬;陳耀
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: H01Q1/36
• 分類號: H01Q1/36;H01Q15/14;H01Q19/185;H01Q21/06
• 代理公司: 青島聯信知識產權代理事務所37227
• 代理人: 張媛媛,王中云

技術領域

本發明涉及天線領域，具體的說，涉及一種基于特異材料的大尺寸亞波長諧振腔天線。

背景技術

待接收信號的頻段一定程度決定所需應用的天線的尺寸。以GHz波段信號的接收為例，國際和國內現用于接收GHz波段信號(例如太陽射電信號、衛星電視信號L、S、C、Ku波段)的天線主要是拋物面天線，這類天線體積大、重量大、維護費用高，特別是太陽射電成像系統中的天線更是如此。

相對于拋物面天線，微帶貼片天線是一種平面天線，具有體積小、重量輕、剖面薄、易于加工、易與有源器件和電路集成為單一模塊等諸多優點，在空間探測方面有諸多優勢，已被用于星載衛星觀測系統中。傳統的微帶貼片天線也具有一些不足，例如，可接收頻帶較窄、極化純度差、寄生饋電輻射大等。傳統的腔體微帶貼片天線，利用諧振腔共振原理可實現高方向性，由于受金屬反射面180°反射相位的限制，諧振腔的厚度需要滿足：d＝n12λ，其中d為諧振腔的厚度，λ為接收信號的波長，n為整數。也就是說，諧振腔的厚度最小只能做到接收信號波長的二分之一，若將這種天線用于接收GHz波段信號，視信號需要將諧振腔厚度做到較大，天線整體厚度也限制了天線體積的減小。

特異材料是一種新型的人工材料，是指具有周期性結構的材料，利用材料表面周期性晶格的設計，可使局域共振機制起主導作用。特異材料的介電常數和磁導率可以同時為負值，或者其中之一為負值，或同時小于1。常規材料的電磁特性，主要源于組成材料本身的原子分子對電磁波的響應，特異材料的電磁特性主要源于人工諧振單元對電磁波的響應，利用其電磁波特殊的調控機理，可構造等效磁導率小于零而介電常數大于零的磁單負材料，磁單負材料屬于特異材料的一種，由于磁單負材料的等效磁導率小于零，可以使其表面的反射相位為0，即產生同相反射，因此，利用磁單負材料的零反射相位特性，可以實現突破半波長尺度限制的諧振腔(共振腔)，其諧振腔的厚度可以趨于零，從而可以實現天線系統的小型化。另外，磁單負材料可以用來抑制印刷天線的表面波損耗，從而改善輻射旁瓣和背散射性能。

貼片天線結構特點決定其體積可以做的相對較小。但另一方面，觀測信號的輻射寬度或者信號強度不同，對天線的尺寸要求不同，例如太陽輻射電磁波信號，為接收更多的輻射信號，對其觀測和研究需要大尺寸的天線。拋物面天線可以設計為很大的口徑，傳統的微帶貼片天線也可通過增加貼片天線面積的方式做成很大的尺寸，但對于單輻射源微帶貼片天線來說，隨著天線面積的增大，天線本身的損耗也逐漸增大，天線面積超過一定值后，損耗將嚴重影響天線的性能，因此也就造成此類天線的接收面積有限，無法接收或者發射更多的電磁輻射信號。因此，單輻射源的微帶貼片天線無法滿足大尺寸設計的需求。

公開號為CN101461097A的中國專利公開了一種采用AMC材料的便攜式天線，包括第一層組和第二層組，第一層組和第二層組上下間隔平行設置，中間形成空腔層，其提供了一種三層結構的小型天線。但是其第一層為天線層，第二層為電路結構層，兩層之間是用于隔絕天線層和電路曾的電磁屏蔽層，也就是說，其天線特性層僅為第一層，其他兩層不具有天線的特性。雖然其也公開了貼片的結構，但貼片是經垂直導電空與固定底線連接的，為一種傳統的天線設計結構。

公開號為CN16207430A的中國專利申請公開了一種新型LECC寬頻帶圓極化微帶貼片陣列，為一種三層結構的貼片天線。其公開了金屬貼片天線層的結構，具體包括上層金屬貼片天線和下層金屬貼片天線，其中金屬貼片天線層由若干呈陣列排布的上層金屬貼片單元和下層金屬貼片單元構成。這種結構的天線無特殊的電磁特性，要求貼片陣元間縱橫間距要比二分之一中心頻率處的真空波長稍大，貼片的間距需要滿足一定的關系才能抑制輻射耦合，避免出現多余的旁瓣影響天線的性能。該天線不是諧振腔體結構，不具有腔體天線的天線特性。

發明內容

本發明的目的在于針對現有技術中的兩方面問題而提出，一方面：天線尺寸受接收信號波段影響，高波段信號通常使用的拋物面天線體積大、重量大，以至此類天線不易與其他器件共形、維護困難，傳統的微帶貼片天線體積小，但諧振腔厚度受限；另一方面，廣域信號的接收要求大面積的天線，傳統單潰源天線面積增大受限，現有技術中陣列式貼片天線性能受貼片陣列結構限制。針對以上兩點問題，基于磁單負特異材料特性及天線結構設計，提供一種大面積、重量輕、諧振腔厚度小，結構靈活的天線。