全文摘要
本实用新型公开了一种基于SRR结构加载的电大微带贴片天线。该天线包括从下到上层叠设置的馈电微带、第一层介质基片、金属层、第二层介质基片、第三层金属SRR介质层、第四层介质基片和微带贴片层，其中金属层设有用于耦合馈电的矩形缝隙；所述第三层金属SRR介质层由三维金属SRR单元周期排列组成，每个三维金属SRR单元包括6个金属圆柱、2个小矩形金属贴片和1个大矩形金属贴片；2个小矩形金属贴片并排设置于第三层金属SRR介质层上表面，且中间由缝隙隔开；1个大矩形金属贴片设置于第三层金属SRR介质层下表面。本实用新型使微带天线具有电大谐振的特性，降低了生产难度，同时具有接近毫米波频点的电大谐振特性。
主设计要求
1.一种基于SRR结构加载的电大微带贴片天线，其特征在于，包括从下到上层叠设置的馈电微带(1)、第一层介质基片(2)、金属层(3)、第二层介质基片(5)、第三层金属SRR介质层(6)、第四层介质基片(7)和微带贴片层(8)，其中金属层(3)设有用于耦合馈电的矩形缝隙(4)；所述的第三层金属SRR介质层(6)由多个三维金属SRR单元周期排列组成，每个三维金属SRR单元包括6个金属圆柱(10)、2个小矩形金属贴片(11)和1个大矩形金属贴片(9)，其中6个金属圆柱(10)呈2×3阵列分布；2个小矩形金属贴片(11)并排设置于第三层金属SRR介质层(6)上表面，2行金属圆柱(10)分别垂直投影于该2个小矩形金属贴片(11)上，该2个小矩形金属贴片(11)中间由缝隙隔开；1个大矩形金属贴片(9)设置于第三层金属SRR介质层(6)下表面。
设计方案
1.一种基于SRR结构加载的电大微带贴片天线，其特征在于，包括从下到上层叠设置的馈电微带(1)、第一层介质基片(2)、金属层(3)、第二层介质基片(5)、第三层金属SRR介质层(6)、第四层介质基片(7)和微带贴片层(8)，其中金属层(3)设有用于耦合馈电的矩形缝隙(4)；
所述的第三层金属SRR介质层(6)由多个三维金属SRR单元周期排列组成，每个三维金属SRR单元包括6个金属圆柱(10)、2个小矩形金属贴片(11)和1个大矩形金属贴片(9)，其中6个金属圆柱(10)呈2×3阵列分布；2个小矩形金属贴片(11)并排设置于第三层金属SRR介质层(6)上表面，2行金属圆柱(10)分别垂直投影于该2个小矩形金属贴片(11)上，该2个小矩形金属贴片(11)中间由缝隙隔开；1个大矩形金属贴片(9)设置于第三层金属SRR介质层(6)下表面。
2.根据权利要求1所述的基于SRR结构加载的电大微带贴片天线，其特征在于，所述的矩形缝隙(4)位于金属层(3)的中心位置。
3.根据权利要求1或2所述的基于SRR结构加载的电大微带贴片天线，其特征在于，所述微带贴片层(8)为矩形。
4.根据权利要求1或2所述的基于SRR结构加载的电大微带贴片天线，其特征在于，所述的第一层介质基片(2)、金属层(3)、第二层介质基片(5)、第三层金属SRR介质层(6)和第四层介质基片(7)为尺寸相等的矩形。
5.根据权利要求1或2所述的基于SRR结构加载的电大微带贴片天线，其特征在于，所述的第一层介质基片(2)、第二层介质基片(5)、第三层金属SRR介质层(6)和第四层介质基片(7)采用相同的材料；所述第一层介质基片(2)、第二层介质基片(5)和第四层介质基片(7)的厚度相等；所述第三层金属SRR介质层(6)的厚度大于第一层介质基片(2)、第二层介质基片(5)和第四层介质基片(7)的厚度。
6.根据权利要求2所述的基于SRR结构加载的电大微带贴片天线，其特征在于，所述矩形缝隙(4)长为4.5mm，宽为0.2mm。
7.根据权利要求3所述的基于SRR结构加载的电大微带贴片天线，其特征在于，所述微带贴片层(8)的长为10mm，宽为10mm。
8.根据权利要求4所述的基于SRR结构加载的电大微带贴片天线，其特征在于，所述的第一层介质基片(2)、金属层(3)、第二层介质基片(5)、第三层金属SRR介质层(6)和第四层介质基片(7)的长为15mm，宽为15mm。
9.根据权利要求5所述的基于SRR结构加载的电大微带贴片天线，其特征在于，所述第一层介质基片(2)、第二层介质基片(5)和第四层介质基片(7)的厚度为0.5mm；所述第三层金属SRR介质层(6)的厚度为2.5mm。
10.根据权利要求6-9任一所述的基于SRR结构加载的电大微带贴片天线，其特征在于，所述第三层金属SRR介质层(6)中，金属圆柱(10)的半径为0.15mm；所述小矩形金属贴片(11)的长为1.5mm，宽为0.8mm，两个小矩形金属贴片(11)之间缝隙的宽度为0.2mm；所述大矩形金属贴片(9)长为1.5mm、宽为1.5mm。
设计说明书
技术领域
本实用新型涉及微带天线技术领域，特别是一种基于SRR结构加载的电大微带贴片天线。
背景技术
目前，数据传输速率及带宽的要求越来越高，低频及微波频段频谱资源已难以满足需求。半导体与计算机等硬件设备技术的发展，使得频谱资源的利用向高频频段发展，尤其是对高频段毫米波的开发利用。毫米波频段的波长与频率介于微波与红外波之间，兼具二者优点，带宽宽，时延低，在未来的5G通信以及物联网技术中起到至关重要的作用。天线作为无线系统中必不可少的组成部分，对系统的整体性能影响不容忽视，甚至直接决定整个系统的性能。然而，毫米波频率较高，波长较短，受半波长谐振尺寸限制，天线面临尺寸过小、容差率不高、制造成本昂贵等问题。因此在毫米波频段，传统低频段天线的小型化特性成为限制其发展的一大瓶颈。为了有效解决上述毫米波天线所面临的问题，提出了电大尺寸天线的概念。
在毫米波段\/亚毫米波段，平面电大尺寸贴片天线在保证传统低剖面优势的前提下，天线的电尺寸能够突破传统的半波长谐振尺寸限制，使得天线的谐振尺寸变大。在传统低频段，为了降低加工成本，便于在有限的空间内安装测试，天线的小型化特性往往是人们所追求的特性。但高频段，将天线做大的电大尺寸天线才能够适应目前毫米波、亚毫米波通信的成本、加工、安装和测试的需求。目前高频系统对于高设计精度具有很强的依赖性。然而用于加工毫米波频段器件的LTCC，MEMS等工艺成本又很高。而目前最新报道的高次模电大介质谐振天线不仅加强了天线的机械强度，其加工容差率也得到了明显提升。但是相较于平面天线，由于介质谐振天线的高剖面，其在实际应用中仍面临许多局限。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种能够实现电大谐振、生产难度低的基于SRR结构加载的电大微带贴片天线，降低了毫米波天线对设计精度的依赖。
实现本实用新型目的的技术解决方案为：一种基于SRR结构加载的电大微带贴片天线，包括从下到上层叠设置的馈电微带、第一层介质基片、金属层、第二层介质基片、第三层金属SRR介质层、第四层介质基片和微带贴片层，其中金属层设有用于耦合馈电的矩形缝隙；
所述的第三层金属SRR介质层由多个三维金属SRR单元周期排列组成，每个三维金属SRR单元包括6个金属圆柱、2个小矩形金属贴片和1个大矩形金属贴片，其中6个金属圆柱呈2×3阵列分布；2个小矩形金属贴片并排设置于第三层金属SRR介质层上表面，2行金属圆柱分别垂直投影于该2个小矩形金属贴片上，该2个小矩形金属贴片中间由缝隙隔开；1个大矩形金属贴片设置于第三层金属SRR介质层下表面。
进一步地，所述的矩形缝隙位于金属层的中心位置。
进一步地，所述微带贴片层为矩形。
进一步地，所述的第一层介质基片、金属层、第二层介质基片、第三层金属SRR介质层和第四层介质基片为尺寸相等的矩形。
进一步地，所述的第一层介质基片、第二层介质基片、第三层金属SRR介质层和第四层介质基片采用相同的材料；所述第一层介质基片、第二层介质基片和第四层介质基片的厚度相等；所述第三层金属SRR介质层的厚度大于第一层介质基片、第二层介质基片和第四层介质基片的厚度。
进一步地，所述矩形缝隙长为4.5mm，宽为0.2mm。
进一步地，所述微带贴片层的长为10mm，宽为10mm。
进一步地，所述的第一层介质基片、金属层、第二层介质基片、第三层金属SRR介质层和第四层介质基片的长为15mm，宽为15mm。
进一步地，所述第一层介质基片、第二层介质基片和第四层介质基片的厚度为0.5mm；所述第三层金属SRR介质层的厚度为2.5mm。
进一步地，所述第三层金属SRR介质层中，金属圆柱的半径为0.15mm；所述小矩形金属贴片的长为1.5mm，宽为0.8mm，两个小矩形金属贴片之间缝隙的宽度为0.2mm；所述大矩形金属贴片长为1.5mm、宽为1.5mm。
本实用新型与现有技术相比，其显著优点为：(1)通过将矩形缝隙耦合馈电设置于金属层的中心位置，确保了边射辐射的最大化，保证了天线的增益，改善了电大谐振模式的匹配工作带宽；(2)在传统微带贴片天线的基础上，通过在微带贴片辐射层和馈电层中间加载人工电磁结构，即SRR金属谐振结构中间层，使得等效电磁参数满足电大谐振条件，将原有的低频基模谐振模式搬移到高频谐振，使传统微带天线具有电大谐振的特性，具有电大尺寸，降低了加工难度，更具应用前景。
附图说明
图1为本实用新型基于SRR结构加载的电大微带贴片天线的结构示意图。
图2为本实用新型的侧视图。
图3为本实用新型中的SRR单元三维结构图。
图4为本实用新型实施例中的反射曲线图。
图5为本实用新型实施例中的增益曲线图。
图6为本实用新型实施例中的E面辐射方向图。
图7为本实用新型实施例中的H面辐射方向图。
图中标号：1、馈电微带；2、第一层介质基片；3、金属层；4、矩形缝隙；5、第二层介质基片；6、第三层金属SRR介质层；7、第四层介质基片；8、微带贴片层；9、大矩形金属贴片；10、金属圆柱；11、小矩形金属贴片。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。
结合图1、图2、图3，本实用新型一种基于SRR结构加载的电大微带贴片天线，包括从下到上层叠设置的馈电微带1、第一层介质基片2、金属层3、第二层介质基片5、第三层金属SRR介质层6、第四层介质基片7和微带贴片层8，其中金属层3设有用于耦合馈电的矩形缝隙4；
所述的第三层金属SRR介质层6由多个三维金属SRR单元周期排列组成，每个三维金属SRR单元包括6个金属圆柱10、2个小矩形金属贴片11和1个大矩形金属贴片9，其中6个金属圆柱10呈2×3阵列分布；2个小矩形金属贴片11并排设置于第三层金属SRR介质层6上表面，2行金属圆柱10分别垂直投影于该2个小矩形金属贴片11上，该2个小矩形金属贴片11中间由缝隙隔开；1个大矩形金属贴片9设置于第三层金属SRR介质层6下表面。
天线的能量由馈电微带1馈入，在馈电微带1和矩形缝隙4的交叉位置发生能量耦合，能量由第一层介质基片2耦合到第二层介质基片5、第三层金属SRR介质层6和第四层介质基片7中，而后通过微带贴片层8辐射出去。
作为一种具体示例，所述的矩形缝隙4位于金属层3的中心位置。
作为一种具体示例，所述微带贴片层8为矩形。
作为一种具体示例，所述的第一层介质基片2、金属层3、第二层介质基片5、第三层金属SRR介质层6和第四层介质基片7为尺寸相等的矩形。
作为一种具体示例，所述的第一层介质基片2、第二层介质基片5、第三层金属SRR介质层6和第四层介质基片7采用相同的材料；所述第一层介质基片2、第二层介质基片5和第四层介质基片7的厚度相等；所述第三层金属SRR介质层6的厚度大于第一层介质基片2、第二层介质基片5和第四层介质基片7的厚度。
作为一种具体示例，所述矩形缝隙4长为4.5mm，宽为0.2mm。
作为一种具体示例，所述微带贴片层8的长为10mm，宽为10mm。
作为一种具体示例，所述的第一层介质基片2、金属层3、第二层介质基片5、第三层金属SRR介质层6和第四层介质基片7的长为15mm，宽为15mm。
作为一种具体示例，所述第一层介质基片2、第二层介质基片5和第四层介质基片7的厚度为0.5mm；所述第三层金属SRR介质层6的厚度为2.5mm。
作为一种具体示例，所述第三层金属SRR介质层6中，金属圆柱10的半径为0.15mm；所述小矩形金属贴片11的长为1.5mm，宽为0.8mm，两个小矩形金属贴片11之间缝隙的宽度为0.2mm；所述大矩形金属贴片9长为1.5mm、宽为1.5mm。
通过在微带贴片层和馈电微带中间加载第三层金属SRR介质层6，使得等效电磁参数满足电大谐振条件，将原有的低频基模谐振模式搬移到高频谐振，使传统微带天线具有电大谐振的特性，克服了高频系统对于高设计精度的依赖，降低了加工难度。通过调节第三层金属SRR介质层6的SRR周期单元的结构参数，就能够改变媒质的等效电磁参数，进而改变单元之间的耦合效应，也就可以调整高阶模式的谐振频率。
通过调节矩形缝隙4中缝隙的长度以及缝隙的宽度，可以调节天线的馈电性能，实现宽带匹配效果，从而实现电磁波的辐射。将矩形缝隙4设置在金属层的中间位置，可以确保天线的边射辐射的最大化，改善天线的增益。
天线工作时，能量由馈电微带1输入，由位于金属层中心位置的矩形缝隙4耦合，经过第三层金属SRR介质层6，最后激励到微带贴片层8，产生有效辐射。位于第一层介质基片2和第二层介质基片5之间的金属层3构成馈电微带以及微带贴片层的公共地。通过加载第三层金属SRR介质层6，有效地控制贴片天线谐振腔的等效媒质参数。通过调整SRR结构参数，可以实现第三层金属SRR介质层6的等效介电常数为负，且等效介电常数和等效磁导率的乘积绝对值远小于1，满足电大谐振天线的条件。原始天线的谐振频点往高频移动，从而实现电大谐振模式。
实施例1
结合图1、图2、图3，本实施例提供了一种谐振频率在28.2GHz的基于SRR结构加载的电大微带贴片天线，包括从下到上层叠设置的馈电微带、第一层介质基片、金属层、第二层介质基片、第三层金属SRR介质层、第四层介质基片和微带贴片层；其中金属层内设有矩形缝隙；所述的第三层金属SRR介质层由三维金属SRR周期排列组成，每个三维金属SRR单元由6个金属圆柱、2个小矩形金属贴片和1个大矩形金属贴片组成，其中6个金属圆柱对称地排成等距两排；2个小矩形金属贴片并排设置于第三层金属SRR介质层上表面，中间有缝隙隔开；1个大矩形金属贴片位于第三层金属SRR介质层下表面。
本实施例采用平面电大尺寸天线的PCB工艺为同时满足加工精度和降低成本的要求提供了崭新的方案。同时平面电大尺寸天线也避免了毫米波频段阵列天线复杂的馈电网络设计，降低了传输损耗，能够提高天线的增益和效率。
进一步地，第四层介质基片的厚度不超过1\/4工作波长，保证馈电微带正常工作；第三层金属SRR介质层由5×5共25个三维金属SRR周期排列组成；第一层介质基片上的微带贴片层由方形微带贴片构成。
进一步地，所述的馈电微带为矩形，微带贴片层为矩形；所述的第一层介质基片、金属层、第二层介质基片、第三层金属SRR介质层和第四层介质基片均为矩形。
进一步地，所述的微带贴片层长为10mm，宽为10mm；所述的第一层介质基片、金属层、第二层介质基片、第三层金属SRR介质层和第四层介质基片长为15mm，宽为15mm。
进一步地，所述的矩形缝隙位于金属层的中心位置。
进一步地，所述的矩形缝隙长为4.5mm，宽为0.2mm。
进一步地，所述的第一层介质基片、第二层介质基片、第三层金属SRR介质层和第四层介质基片的介质基片选用相同的材料；所述的第一层介质基片、第二层介质基片和第四层介质基片的介质基片厚度为0.5mm；所述的第三层金属SRR介质层的介质基片厚度为2.5mm。
进一步地，所述第三层金属SRR介质层中，所述金属圆柱的半径为0.15mm；所述小矩形金属贴片的长为1.5mm，宽为0.8mm，两个小矩形金属贴片之间缝隙的宽度为0.2mm；所述大矩形金属贴片长为1.5mm，宽为1.5mm。
结合图4、图5、图6以及图7，本实施例中一种谐振频率在28.2GHz的基于SRR结构加载的电大微带贴片天线，相对于传统的未加载SRR结构的微带贴片天线的6.3GHz谐振频率，谐振频率提高了约4.5倍，同时本实施例天线的最大增益能够达到10.1dBi，具有明显的边射辐射特性，且交叉极化水平非常低。
综上所述，本实用新型使传统微带天线具有电大谐振的特性，降低了毫米波天线对设计精度的依赖，降低了生产难度，同时具有接近毫米波频点的电大谐振特性。
设计图
相关信息详情
申请码:申请号:CN201920092230.3
申请日:2019-01-21
公开号:公开日:国家:CN
国家/省市:84(南京)
授权编号:CN209329150U
授权时间:20190830
主分类号:H01Q 1/38
专利分类号:H01Q1/38;H01Q5/10;H01Q5/20
范畴分类:38G;
申请人:中国人民解放军陆军工程大学
第一申请人:中国人民解放军陆军工程大学
申请人地址:210007 江苏省南京市秦淮区海福巷1号
发明人:曹文权;马文宇;彭文放;刘涵;杨晓琴;黄荣港
第一发明人:曹文权
当前权利人:中国人民解放军陆军工程大学
代理人:薛云燕
代理机构:32203
代理机构编号:南京理工大学专利中心
优先权:关键词:当前状态:审核中
类型名称:外观设计