[发明专利]基于人工磁导体和介质谐振器的片上天线的设计方法

权利要求书

1.一种基于人工磁导体和介质谐振器的片上天线的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)计算单极子天线的结构参量

1a)确定天线工作频率f和衬底有效介电常数ε_eff，计算单极子天线的有效天线长度L_eff；

1b)确定单极子天线的几何形状；

1c)计算有效长度L_eff中各分量原始参数；

(2)确定衬底高度h、介电常数ε_r和人工磁导体单元的带宽BW，计算人工磁导体单元结构参量；

(3)确定介质谐振器的材料介电常数ε_l和原始形状，计算介质谐振器结构参量；

(4)人工磁导体单元的优化：

4a)将计算所得人工磁导体金属片的边长W和相邻金属片之间的缝隙g作为人工磁导体单元初始值；

4b)将人工磁导体单元加载于CMOS工艺底层的金属层；

4c)采用电磁数值仿真技术对人工磁导体单元参量进行微调，调节人工磁导体金属片的边长W和相邻金属片之间的缝隙g；

(5)对人工磁导体的阵列进行加载：

5a)在CMOS工艺底层的金属层加载N×M个人工磁导体阵列，其中，M为天线有效长度方向上的数量，N为垂直于天线有效长度方向上的数量，且N＜M；

5b)将单极子天线的结构参量作为初始值，将单极子天线加载于CMOS工艺顶层的金属层；

5c)对加载于CMOS工艺底层的金属层的排列方式进行优化，通过增加天线有效长度方向上的数量M和减小垂直于天线有效长度方向上的数量N，得到单极子天线工作频率上的增益最大值；

(6)单极子天线结构参量优化：

6a)调节单极子天线辐射贴片的尺寸，改变辐射贴片的几何面积；

6b)获得符合要求的工作频率上的天线增益；

6c)对天线馈电部分尺寸进行调节，使天线工作频率满足要求；

(7)对介质谐振器进行加载：

7a)确定介质谐振器的几何形状，将计算所得介质谐振器结构参量作为初始值；

7b)调节介质谐振器的结构参量，使介质谐振器的本征频率达到工作频率；

7c)将介质谐振器加载于单极子天线辐射贴片的上方，判断天线工作频率和增益是否满足要求，若满足，执行步骤7e)，否则，执行步骤7d)；

7d)调节介质谐振器与单极子天线在有效长度L_eff上的距离，使天线工作频率和增益满足要求；

7e)获得加载人工磁导体和介质谐振器的片上天线结构。

2.根据权利要求1所述的一种基于人工磁导体和介质谐振器的片上天线的设计方法，其特征在于，步骤1a)中所述的单极子天线的有效天线长度为L_eff，按下式计算：

其中，c为自由空间中电磁波的传播速度，f为天线工作频率，ε_eff为衬底有效介电常数。

3.根据权利要求1所述的一种基于人工磁导体和介质谐振器的片上天线的设计方法，其特征在于，步骤1c)中单极子天线辐射贴片为圆形，计算有效长度L_eff各分量，按下式计算：

r＝4πl_p

L_eff＝2r+lp+l_m

其中r为圆形贴片的半径，d为辐射贴片寄生长度l_m和馈电处金属条长度l_p之比。

4.根据权利要求1所述的一种基于人工磁导体和介质谐振器的片上天线的设计方法，其特征在于，步骤(2)中的人工磁导体结构参量表示为金属片的边长W和相邻金属片之间的缝隙g，按下式计算：

L＝μh

其中，C、L分别为人工磁导体单元结构的等效电容和等效电感，ε₀为真空中介电常数，μ为磁导率。