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一種電控輻射方向圖可重構天線的制作方法

文檔序號:6994965閱讀:138來源:國知局
專利名稱:一種電控輻射方向圖可重構天線的制作方法
技術領域
本發(fā)明涉及一種新型輻射方向圖可重構天線的設計方法,具體地說是一種外加電壓調節(jié)天線輻射方向圖的新型天線。
背景技術
這個世紀頭十年,人造人工結構材料(Metamaterials)以其控制電磁波獨特的能力引起科學家們越來越多的關注。例如人工結構材料的負介電常數(shù)和負磁導率等特性使得其在負折射率透鏡,高方向性天線,超透鏡和微波電磁隱身方面具有很誘人的應用前景。自從英國科學家J. B. Pendry分別自1996年和1999年提出周期性斷線和周期性排列的開口環(huán)可以實現(xiàn)負介電常數(shù)和負磁導率的理論預言,掀起了各國對人工材料的研究熱潮。但是這種人工材料的帶寬很窄,嚴重限制了人工材料的應用。因此,人們迫切希望在不改變人工材料單元結構的基礎上,能夠通過外界手段實時地主動控制人工結構材料的電磁性質。于是,可控人工結構材料的研究應運而生。據報道,現(xiàn)在實現(xiàn)可控人工結構材料的方法有加載變容二極管、半導體溫控、鐵電和鐵磁材料場控以及MEMS開關等方法。因此在相關文獻中, 相移器、可控濾波器、以及可控天線都得到極大的發(fā)展。在現(xiàn)有幾種可控方法中,電控方法是研究得最為成熟也是被認為最具有發(fā)展?jié)摿Φ囊环N可控方法。2006年,浙江大學有研究小組利用反平行S環(huán)人工材料拓展到可控天線上,但是這種天線是基于S環(huán)負折射特性,對于單個電容值,其通帶只有300MHz。因此,只工作在單頻點f = 0. 9GHz。

發(fā)明內容
本發(fā)明要解決的技術問題是針對現(xiàn)有負折射率人工材料應用帶寬窄的問題,提出一種電控輻射方向圖可重構天線,可以在低于諧振頻率相當寬的帶寬范圍之內工作,是一種寬帶的可控天線,可以實現(xiàn)天線輻射方向圖主瓣士 40度左右偏轉。本發(fā)明的技術解決方案一種電控輻射方向圖可重構天線,步驟如下(1)選擇天線的工作頻率f ;(2)確定人工結構材料整個單元結構尺寸,以及其組成單元的金屬結構(這里選擇中心開口的“工”字型金屬結構)和基底材料。包括基底材料(介電常數(shù)r、磁導率)、開口的“工”字型結構的幾何參數(shù);(3)在“工”字型金屬結構的中心開口處加上變容二極管,然后在傳播方向疊放10 層材料,利用電磁仿真軟件計算單元的透過譜(S21)并提取S21的位相,連續(xù)改變變容二極管的電容值,記錄對應透過譜位相,繪制位相φ-電容C曲線;(4)沿三個相互垂直方向(水平、豎直、前后)周期排列“工”字型人工材料即可得到天線模型。豎直方向排布單元數(shù)為Μ(Μ> 4),水平方向排布成N個區(qū)域(Ν> 10),每個區(qū)域包括單元數(shù)為P (P ^ 1)。前后疊放的層數(shù)為10層。所有單元結構完全相同;(5)根據步驟3仿真得到位相φ -電容C曲線,設定N個線性漸變的位相(位相差為Δφ)和對應的電容。在N個區(qū)域在不同區(qū)域加載不同的反偏電壓值。由于變容二極管的
4電容值與外加的反偏電壓有關。于是,不同的區(qū)域選擇不同電壓值則對應不同電容值。最終確保水平面N個區(qū)域出射面的位相線性漸變;(6)制作上述天線,加載電容、導線外加電壓源。將制作的天線放置產生類似平面波的天線口面上。通過控制不同區(qū)域的電壓值,即可以重構天線方向圖。所述步驟(1)中所選擇的天線工作頻率在微波波段。所述步驟O)的人工結構材料在X、Y、Z三個方向的排布周期px,py, Pz均在亞波長量級,小于天線波長的十分之一。所述步驟O)中金屬為鋁或者銅。所述步驟O)中的基底材料為具有非磁性的各種微波介質材料,其介電常數(shù)在 2-10之間,磁導率為1。所述步驟(3)中的變容二極管選擇市場中常見的微波器件。由于不同變容二極管具有不同的參數(shù),所以,具體的型號可以根據天線的工作頻率和所需要的電容值,電壓值確定。所述步驟(3)中的電磁仿真軟件可選擇ansoft HFSS或者CST軟件。所述步驟(3)提取透過譜S21的位相可以通過計算單元的散射參數(shù)中的S21得到。 具體計算為先建好人工結構材料單元仿真模型,設置周期邊界條件。在入射波的前后兩個方向設置portl和port2.通過有限元法計算,即可以得到散射參數(shù)(包括反射譜幅度和位相,透過譜的幅度和位相)。這里只需要透過譜的位相信息。所述步驟(3)繪制位相φ-電容C曲線是在單元其它參數(shù)都不改變的前提下,通過仿真軟件的參數(shù)掃描功能連續(xù)改變電容值,于是可以得到一系列的位相。所述步驟(4)天線模型為長方形塊體材料。長方體長、寬、高分別為Px * N * P、 Py女MUO女Pz0所劃分的不同區(qū)域只是一種人為的劃分,除開所加電壓不同外,其他結構完全相同。所述步驟(5)中的反偏電壓是根據可變容易的電壓V-電容特性和設定的線性漸變的N個位相確定的。具體的操作步驟為1.確定位相。2.根據位相φ-電容C曲線,確定所需的電容值。3.再根據可變電容器的電壓V-電容C曲線選擇偏置電壓。所述步驟(5)中產生類似平面波天線包括喇叭天線或者波導縫隙天線。其口徑應與人工材料口面一致。饋電口為標準的波導。其尺寸與工作的頻率有關,可以通過相關微波資料查到。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的優(yōu)點在于(1)本發(fā)明的天線可以在寬頻帶范圍內工作,工作相對帶寬可以達到20%。因此是一種寬帶的可控天線。通過改變不同區(qū)域出射面的位相差,可重構的輻射方向圖可達到士40 度。(2)本發(fā)明采用了“工“型人工結構材料并在金屬結構中間開口處加變容二極管, 當外加直流電壓時,本身金屬可以作為導線,大大減少外加導線時對材料電磁特性產生的影響。(3)本發(fā)明的可控天線工作頻率遠離諧振頻點,材料的損耗低,天線的增益相對較
尚ο(4)本發(fā)明的天線采用的是電壓控制的方法,只需控制不用區(qū)域上變容二極管上電壓值,即可完成對天線輻射方向的控制,天線掃描速度快。其次天線結構也較簡單,成本低。


圖1為本發(fā)明的實現(xiàn)流程圖;圖2為本發(fā)明單元結構示意圖,白色部分為金屬,其余部分為基底材料;圖2為本發(fā)明在頻率為15GHz時,在傳播方向上疊放10層材料后,所加載電容值對出射面的位相調制關系圖;圖3為本發(fā)明在天線H面上劃分N各區(qū)域示意圖;不同區(qū)域所加電容不同,同一區(qū)域內的所加電容相同,不同區(qū)域所加的電容滿足其出射面上的位相線性漸變;圖4為本發(fā)明天線立體圖,它由H型單元分別沿三個不同方向周期排列形成。
具體實施例方式實施例1如圖1所示,本發(fā)明實施例1的實現(xiàn)過程如下(1)選取工作頻率為15GHz,對應的波長為20mm。(2)確定“工”字型人工結構材料單元Px = py = Pz = 2mm。等于波長的十分之一。(3)選取的金屬材料為銅,基底材料為FR-4. (r = 4. 9, r = 1),金屬結構參數(shù)如圖 2,各參數(shù)為 1 = 2mm, w = 0. 2mm, a = 1. 8mm, g = 0. 3mm, FR-4 的厚度 d = 0. 25mm,銅厚 t =0. 051mmo(4)于工作頻率為15GHz,這里選擇的變容二極管型號為BB910。當加載電壓為 0.5V時,電容為38p。當加載電壓為8V時,電容值為2. 3p。其電容值隨所加電壓的變大而變小。(5)選擇CST軟件進行仿真計算疊放10層單元的位相φ-電容C曲線,得到曲線如圖3。(6)設置豎直方向單元數(shù)為5個,水平方向分為20個區(qū)域,每個區(qū)域包括2個單元,前后疊放10層材料。(7)設置線性漸變得位相差(Δφ=20°),根據圖3確定對應的電容值。再將所有的單元加上反偏電壓。反偏電壓的數(shù)值根據變容二極管的特性確定。(8)這里選取產生平面波的波源天線為波導陣列。波導尺寸為15. SmmX 7. 9mm,長度為20mm,波導壁厚為1mm。為了使波導陣列口面與由于天線的尺寸(80mmX 8. 5mmX 20mm) 一致。在水平方向排列5個波導。當改變不同區(qū)域所加的電壓時,確使線性漸變位相差變化時,即可得到可重構的方向圖。實施例2(1)選取工作頻率為1. 5GHz,對應的波長為200mm。(2)確定“工”字型人工結構材料單元Px = Py = Pz = 20mm,等于波長的十分之一。(3)選取的金屬材料為銅,基底材料為Rogers RT/duroid 5880. (r = 2. 2,r = 1), 金屬結構參數(shù)如圖2,各參數(shù)為1 = 20mm, w = 0. 5mm, a = 19mm, g = 4mm,基底材料的厚度 d = 0. 5mm,銅厚 t = 0. 051mm。(4)工作頻率為1. 5GHz,選擇的變容二極管型號為BB134。當加載電壓為0. 5V時,電容為27. 5p。當加載電壓為IOV時,電容值為1. 7p。其電容值隨所加電壓的變大而變小。(5)選擇CST軟件進行仿真計算疊放10層單元的位相φ -電容C曲線。(6)同樣,設置豎直方向單元數(shù)為5個,水平方向分為20個區(qū)域,每個區(qū)域包括2 個單元,前后疊放10層材料。(7)設置線性漸變得位相差(Δφ=20°),根據圖3確定對應的電容值。再將所有的單元加上反偏電壓。反偏電壓的數(shù)值根據變容二極管的特性確定。(8)這里選取產生平面波的波源天線為喇叭天線。波導尺寸為15. SmmX 7. 9mm,長度為20mm,波導壁厚為1mm,喇叭出射面口徑為800mmX100。喇叭長度為400mm。當改變不同區(qū)域所加的電壓時,確使線性漸變位相差變化時,即可得到可重構的方向圖。
權利要求
1.一種電控輻射方向圖可重構天線,其特征在于步驟如下(1)選擇天線的工作頻率f;(2)確定人工結構材料整個單元結構尺寸,以及其組成單元的金屬結構和基底材料,所述金屬結構選擇開口的“工”字型金屬結構;所述基底材料參數(shù)包括介電常數(shù)ρ磁導率;(3)在“工”字型金屬結構的中心開口處加上變容二極管,然后在傳播方向疊放10層人工結構材料,利用電磁仿真軟件計算單元的透過譜S21并提取S21的位相,連續(xù)改變變容二極管的電容值,記錄對應透過譜位相,繪制位相φ-電容C曲線;(4)沿三個相互垂直方向周期排列“工”字型人工材料即可得到天線模型,三個相互垂直方向為水平、豎直和前后,在豎直方向排布單元數(shù)為Μ,Μ> 4,水平方向排布成N個區(qū)域N > 10,每個區(qū)域包括單元數(shù)為P,P > 1 ;前后疊放的層數(shù)為10層,所有單元結構完全相同;(5)根據步驟C3)仿真得到位相φ-電容C曲線,設定N個線性漸變的位相,位相差為 Δφ和對應的電容,在N個區(qū)域在不同區(qū)域加載不同的反偏電壓值,變容二極管的電容值與外加的反偏電壓有關,不同的區(qū)域選擇不同電壓值則對應不同電容值,最終確保水平面N 個區(qū)域出射面的位相線性漸變;(6)制作上述天線,加載電容、導線外加電壓源,將制作的天線放置產生類似平面波的天線口面上,通過控制不同區(qū)域的電壓值,即可以重構天線方向圖。
2.根據權利要求1所述的一種電控輻射方向圖可重構天線,其特征在于所述步驟(1) 中所選擇的天線工作頻率在微波波段。
3.根據權利要求1所述的一種電控輻射方向圖可重構天線,其特征在于所述步驟(2) 的人工結構材料在X、Y、ζ三個方向的排布周期Px,Py, Pz均在亞波長量級,小于天線波長的十分之一。
4.根據權利要求1所述的一種電控輻射方向圖可重構天線,其特征在于所述步驟(2) 中金屬為鋁或者銅。
5.根據權利要求1所述的一種電控輻射方向圖可重構天線,其特征在于所述步驟(2) 中的基底材料為具有非磁性的各種微波介質材料,其介電常數(shù)在2-10之間,磁導率為1。
6.根據權利要求1所述的一種電控輻射方向圖可重構天線,其特征在于所述步驟(3) 提取透過譜S21的位相可以通過計算單元的散射參數(shù)中的S21得到,具體計算為先建好人工結構材料單元仿真模型,設置周期邊界條件。在入射波的前后兩個方向設置Portl和 port2.通過有限元法計算,即得到散射參數(shù),散射參數(shù)包括反射譜幅度和位相,透過譜的幅度和位相。
7.根據權利要求1所述的一種電控輻射方向圖可重構天線,其特征在于所述步驟(3) 繪制位相φ-電容C曲線是在單元其它參數(shù)都不改變的前提下,通過仿真軟件的參數(shù)掃描功能連續(xù)改變電容值,得到的一系列的位相。
8.根據權利要求1所述的一種電控輻射方向圖可重構天線,其特征在于所述步驟(4) 天線模型為長方形塊體材料,長方體長、寬、高分別為Px * N * P、py * MUO女pz,
9.根據權利要求1所述的一種電控輻射方向圖可重構天線,其特征在于所述步驟(5) 中的反偏電壓是根據可變容易的電壓V-電容特性和設定的線性漸變的N個位相確定的,具體的操作步驟為確定位相;然后根據位相φ_電容C曲線,確定所需的電容值;再根據可變電容器的電壓V-電容C曲線選擇偏置電壓。
10.根據權利要求1所述的一種電控輻射方向圖可重構天線,其特征在于所述步驟 (5)中產生類似平面波天線包括喇叭天線或者波導縫隙天線,其口徑應與人工材料口面一致,饋電口為標準的波導。
全文摘要
一種電控輻射方向圖可重構天線,(1)選擇天線的工作頻率f;(2)確定人工結構材料單元的在三個方向的排布周期,天線整體結構以及其組成單元的金屬結構和基底材料。包括基底材料、金屬結構的幾何參數(shù)。(3)在金屬結構的開口處加上變容二極管;(4)利用電磁仿真軟件計算單元的透過譜S21位相,并連續(xù)改變變容二極管的電容值,記錄對應的散射參數(shù)的位相,繪制位相-電容C曲線;(5)沿水平面面周期排列人工材料,將人工結構材料分成間距相等N個區(qū)域,每個區(qū)域結構尺寸相等,包含單元數(shù)也相等,只需要控制不用區(qū)域上加載在變容二極管上電壓值,即可完成對天線方向圖的可重構。本發(fā)明是一種寬帶的可控天線,可以實現(xiàn)天線輻射方向圖主瓣±40度左右偏轉。
文檔編號H01Q3/34GK102157792SQ20111003715
公開日2011年8月17日 申請日期2011年2月14日 優(yōu)先權日2011年2月14日
發(fā)明者杜春雷, 王義富, 董小春, 鄧啟凌 申請人:中國科學院光電技術研究所
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