CN101777703B - 一种基于低折射率材料的高增益高功率天线的制作方法 - Google Patents

Abstract

一种基于低折射率材料的高增益高功率天线的制作方法，步骤如下：(1)确定天线的工作频率f；(2)根据工作频率选择相应的波导、波导-同轴转换器、转换器接头以及阻抗调配器，以实现电磁波模式转换和阻抗的匹配；(3)根据天线的几何尺寸限制以及方向性系数D的要求选择合适的口径A；(4)确定亚波长低折射率人工结构材料的几何参数，该种材料采用双层金属铜网结构，两层铜网中间不加任何电介质，该结构的几何参数主要有铜网的周期a、空腔边长b，铜网厚度t以及两层铜网间距Dis_layer；(5)通过仿真选择合适的材料与接地金属板的间距distance，通过实验调整阻抗调配器，获得最高的方向性系数和最小的驻波比。本发明在保证天线高增益的同时提高了天线的功率，减小了天线的驻波比。

Description

一种基于低折射率材料的高增益高功率天线的制作方法

技术领域：

本发明涉及一种天线，特别是一种基于低折射率人工结构材料的高增益高功率容量的定向天线的制作方法。 

背景技术

定向天线，顾名思义就是有一个或多个辐射与接收能力最大方向的天线。定向天线能量集中，方向系数和增益相对于全向天线来说要高很多倍，同时具有很强的抗干扰性，通常应用于远距离点的点对点通信中，比如卫星与地面基站的通信。目前发展的比较成熟的定向天线有螺旋聚束天线、八木-宇田天线，喇叭天线和贴片天线也有一定的定向性。这些天线都各有个的优缺点，并在生产实践中被广泛应用。 

上述的天线都是一种基于结构的设计思路，既通过设计天线的形态结构来增强天线的方向性，有时候为了增加天线的方向性甚至在原有天线的基础上加上平板反射器、夹角反射器、抛物面反射镜等结构。除了改变结构之外是否有其他的途径来提高定向天线的方向性呢？答案是肯定的。 

随着近年来亚波长人工结构材料的发展，各种性质的亚波长人工结构材料在实验室得到了验证。2002年法国科学家Stefan Enoch等人发现一种低折射率亚波长人工结构材料(以下简称低折射率材料)可以大大提高天线的方向性，当时他采用了单极子天线埋在低折射率材料中作为馈源，通过实验验证了低折射率材料的存在大大提高了单极子天线的方向性系数。随后又有人提出采用贴片作为天线的馈源，将低折射率材料置于贴片上方组成一种天线，实验证明这种天线的方向性系数也得到了很大的提高。上述两种基于低折射率材料的定向天线除了方向性系数高之外，其结构简单、易于加工、成本低，非常具有应用潜力，很遗憾的是目前均离实际应用有一定得差距。前者采用单极子作为馈源难以固定，而且回波损耗相当大，不能满足工程需求。而后者由于贴片馈源是通过一层电解质与金属接地板隔开的，功率容量非常低(一般只有几十瓦)，大大限制了此种天线的用途。怎样在增大天线方向性的同时兼顾天线的功率容量以及回波损耗成为这类天线发展中必须面对的问题。 

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对现有的基于亚波长低折射率人工结构材料的定向天线功率容量低、回波损耗大的缺点，提供一种基于低折射率材料的高增益高功率天线的制作方法，采用波导代替以前的贴片和单极子作为天线馈源，采用双层全金属铜网结构构建等效低 折射率材料，在保证天线高增益的同时提高了天线的功率，减小天线的驻波比。 

本发明的技术解决方案：一种基于低折射率材料的高增益高功率天线的制作方法，步骤如下： 

(1)确定天线的工作频率f，根据工作频率f选择相应的波导、波导-同轴转换器及阻抗调配器，以实现电磁波模式转换和阻抗的匹配。对于波导，选择的主要参数是矩形波导的宽边和窄边的长度，以抑制高次模的传播。由于矩形波导的尺寸已经标准化可以直接从国标中选取合适的波导型号。波导-同轴转换器选择的标准是能够支持高功率的传送，同时其工作的频段也要覆盖天线的工作频率。阻抗调配器的选择标准是有足够大调节范围，能够最终将天线的回波损耗调整到所需的范围。在制作时可以将转化器和调配器集成到波导上以减小天线体积，为了提高功率容量还可以在波导内壁上镀银； 

(2)根据天线的方向性系数D和天线口径效率的要求，选择天线口径A，其中 D为天线的方向性系数，ε_ap为口径效率； 

(3)根据天线的工作频率f确定亚波长低折射率人工结构材料的几何结构参数，所谓的低折射率材料就是折射率大于零且接近于零的材料，包括铜网的周期a、空腔边长b，铜网厚度t及两层铜网间距Dis_layer。所述亚波长低折射率人工结构材料采用双层金属铜网结构，所述双层金属铜网结构材料的等效折射率为： 

$n\left(\mathrm{\ω}\right)=\sqrt{1-\frac{{\mathrm{\ω}}_p^2}{{\mathrm{\ω}}^2}}$

其中： 

${\mathrm{\ω}}_p^2=\frac{2\mathrm{\π}{c}_0^2}{a^2\ln (a/\sqrt{\frac{(a-b)t}{\mathrm{\π}}})}$

ω_p为结构的谐振频率，c₀为自由空间的光速。通过上面的公式可知欲得到低折射率，结构的谐振频率应该略小于天线的工作频率，由此可大致确定谐振频率的范围。根据谐振频率ω_p的取值得到金属铜网结构的初始几何结构参数，需要提出的是上述理论公式是建立在铜网无限大，铜丝在xyz三个方向的周期均是a，且铜丝内的自由电子均参与等离子体振荡的前提下的，实际上铜网并不是无限大的，而且由于趋肤效应只有铜丝表面的自由电子参与了等离子振荡，制作时两层铜网之间的间距(Dis_layer)并不需要取周期a，而是可以根据谐振频率的需要选取，这样该结构可以变化的参数又多出一个，方便后面的参数优化，Dis_layer的初值可以取a。正是由于上述原因，在确定初始参数后要再利用有限元软件对初始的几何结 构参数a、b、t和Dis_layer进行优化，使得所述亚波长低折射率人工结构材料的等效折射率尽可能的接近于零； 

(4)通过有限元软件对亚波长低折射率人工结构材料与接地金属板的距离distance进行优化，得到一个最优解使得天线的方向性系数最大； 

(5)在微波暗室中测量天线的驻波比，在测量过程中调整天线的阻抗变换器，使得天线的驻波比最小。 

所述步骤(1)中的工作频率f选择ku波段，为12～18GHz。 

所述步骤(1)中的波导-同轴转换器选用门钮式，馈线与波导-同轴转换器的接头选用标准N型接头，以增大天线的功率容量。 

所述步骤(1)中的阻抗调配器为适用于波导的调配器，包括单螺钉阻抗调配器，三螺钉阻抗调配器或双T接头阻抗调配器，其中单、三螺钉阻抗调配器可直接在波导宽边上打螺纹孔插入可调螺钉即可，加工方便，但是带宽窄。双T接头阻抗调配器加工复杂，但是带宽较宽。我们可以根据需要选择合理的调配器。 

所述步骤(2)中天线的口径效率ε_ap为50％-80％。 

所述步骤(3)中亚波长低折射率人工结构材料的几何结构参数的优化具体过程如下：通过选定的谐振频率ω_p得到一组初值，以初始参数建立有限元分析模型，采用有限元法得到模型的散射参数，再利用散射参数反演法得到亚波长低折射率人工结构材料的等效折射率，不断的调整参数的值使反演得到的折射率尽量接近于零，得到一组较优解a、b、t和Dis_layer。 

所述步骤(4)中对参数distance的优化方法如下：以distance的初值λ/2建立天线的有限元分析模型，λ为天线工作频率对应的波长，采用有限元法计算天线的远场得到方向性系数，调整distance的大小直至在工作频率f处天线的方向性系数最大。 

本发明与现有技术相比的优点在于： 

(1)本发明通过使用低折射率的亚波长结构材料提高了天线的方向性。通过实验可知在天线口径为132mm×132mm的情况下天线的增益达到26.41dB，口径效率达到81.17％。 

(2)本发明通过使用波导作为馈源，并且采用两层全金属铜网结构作为等效低折射率材料，和以前此类采用的基于PCB板低折射率材料以及用单极子和贴片作馈源的天线相比，本发明可以制作大功率的定向天线。通过理论计算该类天线实验样机的允许峰值功率为138～192kw，若规定天线波导表面的温度不超过70℃，则天线的平均功率约为451～625w，计算过程中VSWR取1.1。 

(3)本发明在波导馈源上加入阻抗调配器，可以减小天线的驻波比。通过实验测的天 线样机在15GHz时驻波比为1.44，满足工程上驻波比小于2的一般要求。 

附图说明

图1为本发明天线总体结构图； 

图2为本发明的波导馈源组成示意图； 

图3为本发明的低折射率材料在CST中仿真模型图； 

图4为本发明实例中仿真得到的材料的散射参数。(a)为散射参数的幅度，(b)为散射参数的位相； 

图5为本发明实例中材料的等效参数。(a)为材料的等效折射率，(b)为等效阻抗，(c)为等效介电常数，(d)为等效磁导率； 

图6为本发明中亚波长低折射率人工结构材料的结构示意图。(a)为材料的三维视图；(b)为材料的前视图；(c)为材料的局部放大图； 

图7为本发明实例仿真得到的distance对天线方向性系数的影响； 

图8为本发明实例测量的天线的驻波比； 

图9为本发明中实例天线的方向图。(a)为天线的E面方向图，(b)为天线的H面方向图。 

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。但以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，而且通过以下实施例本领域技术人员即可以实现本发明权利要求的全部内容。 

如图1所示，整个天线系统由三个部件组成。左边为波导馈源，中间为金属接地板，接地板为去掉一面的铜皮盒子，中间开一个和波导等大小的矩形孔通过波导法兰盘和波导相连，金属铜网放在盒子的空腔中。 

如图2所示，天线的馈源由三部分组成，包括波导-同轴转换器、阻抗调配器和矩形波导，前两个器件直接集成到波导上。 

如图3所示，在对材料进行仿真的时候，可在CST中建立一个单元的模型，通过周期性边界条件将该模型在X、Y向延伸到无穷多个。在模型的前后两个面上设两个PORT口，通过仿真计算其散射参数。 

如图4所示，经过在CST软件仿真得到了两个port口的散射参数，散射参数为复数，左图为幅度值，右图为相位值。 

如图5所示，将图4中的散射参数通过S参数反演法反演出材料的等效折射率等参数，由图可知该材料的等离子振荡频率为14.58GHz，在15GHz时等效折射率为0.1785。 

如图6所示，亚波长低折射率人工结构材料由若干层铜网依次排列而成，两层铜网之间是自由空间，以传送大功率。实例中的亚波长低折射率人工结构材料采用两层铜网结构，每个铜网由17×17个单元组成。 

如图7所示，天线的方向性系数受参数distance的影响非常大。Distance越大，天线最好方向性系数对应的频点越低。从图7中可以看出，对于工作频率为15GHz的天线，distance＝10mm时方向性最好。 

如图8所示，在微波暗室中多次调节阻抗调配器并测量天线的驻波比，使得天线的驻波比尽可能的小。图8给出了调整后天线的驻波比，由图可以看出在15GHz驻波比为1.440，小于工程上的一般要求2。 

如图9所示，(a)(b)分别为测量得到的天线E面和H面方向图，由图可知天线的E面半宽为9.14°，H面半宽为10°，方向性系数为26.41dB，对应的口径效率为81.17％。 

实施例1 

(1)根据用户需求选取天线的工作频率为15GHz。选用的波导为标准的BJ140矩形波导，其宽边的长度为15.8mm，窄边的长度为7.9mm。 

(2)波导-同轴转换器为门钮式波导-同轴转换器，其接头选为标准的N型接头，转换器流线型内导体表面镀银。此种接头驻波比小带宽较宽，而且支持较大的功率。 

(3)阻抗调配器选用三螺阻抗调配器，该调配器调节范围较大，而且很容易集成到波导上，成本低。天线最后的辐射部分如图2所示，将转换器和阻抗调配器集成到波导上，减小了器件的体积。 

(4)给定天线的方向性系数为D＝25dB，口径效率取保守值60％，以此确定天线的口径约为130mm×130mm，在设计的过程中考虑到铜网与接地板有一定的间距，口径取为132mm×132mm。 

(5)天线的工作频率为15GHz，为了在该频率得到低折射性质，由上面的理论分析可知结构的等离子振荡频率f_p需要略小于工作频率。由于理论的分析并不是很准确，在确定铜网结构的初始结构参数的时候等离子振荡频率可以取10～15GHz的值。通过估计得到了一组初始参数：a＝Dis_layer＝6mm，b＝5.3mm，t＝0.5mm，此时通过理论计算得到的等离子谐振频率为11.74GHz。 

(6)对铜网结构的参数进行优化。在CST中建立如图3所示的铜网模型，模型的结构参数首先确定为(3)中的初始参数，模型在X，Y向设为周期性边界条件，Z向设为open边界条件。平面波沿Z轴负向入射，通过仿真得到图中port1和port2的散射参数。利用这两port口的散射参数，运用S参数反演的方法即可得到材料的等效折射率，等效折射率为零时对应 的频率即为等离子振荡频率。采用初始参数建立的模型的等离子振荡频率并不满足略小于15GHz的要求(略小于15GHz的要求可根据需求具体化，在本实例中界定为大于14.8GHz小于15GHz)，需要进行优化。优化过程如下：改变a、b、Dis_layer和t的值，建立新的模型仿真后计算出新结构对应的等离子振荡频率，若该频率略小于15GHz则满足要求，若大于15GHz或者远小于15GHz则重新改变参数继续仿真，直到找到一组参数使得结构的等离子振荡频率略小于15GHz。在优化的过程中需要注意以下几点：首先是铜网的厚度t，厚度t可以保持0.5mm不变，t不能太小，太薄的铜网很难加工；其次是铜线的线宽(a-b)不能太小，否则切割时不能保证精度，而且很可能将铜线切断；最后就是优化过程中如果等离子振荡频率不满足要求，需要改变结构参数的时候可以根据理论公式的单调性(a、b、Dis_layer增大时，f_p减小)判断出参数是要变大还是变小。经过数次优化，最后可以得到一组优化结果(单位：mm)： 

(a，b，Dis_layer，t)＝(6.9，5.3，7.2，0.5) 

在这组参数下，建立仿真模型得到的散射参数如图4所示，利用S参数反演法计算得出的材料的等效折射率、等效阻抗、等效介电常数和等效磁导率如图5所示。由图5可知该结构的等离子振荡频率为14.85GHz，在15GHz时材料的等效折射率为0.1785，为低折射率材料。最后需要的铜网结构如图6所示。 

(7)在CST软件中建立天线的全尺寸模型，如图7所示。接地板为用2mm厚的铜板制成的开口金属盒，金属铜网位于盒子中间。接地板中间挖一个15.8×7.9mm的矩形孔，波导通过法兰盘与之对准相连。电磁波通过波导馈入到天线的辐射部分。调整铜网与接地板的间距distance，得到天线的方向性系数如图7所示，由图7可知当distance取10mm时，天线在15GHz是的方向性系数最大，所以最终distance的值定为10mm。 

(8)将加工好的天线放在微波暗室中，用网络分析仪测量其驻波比。调节阻抗调配器上的螺钉使得驻波比小于2，图8为最后的测量驻波比的结果。 

(9)将天线放在微波暗室内测量天线的方向图，最后的测量的结果如图9所示。 

本发明未详细阐述的部分属于本领域的公知技术。 

Claims (7)

1.一种基于低折射率材料的高增益高功率天线的制作方法，其特征在于制作步骤如下：

(1)确定天线的工作频率f，根据工作频率f选择相应的波导、波导-同轴转换器及阻抗调配器，以实现电磁波模式转换和阻抗的匹配；

(2)根据天线的方向性系数D和天线口径效率的要求，选择天线口径A，其中

D为天线的方向性系数，ε_ap为口径效率，λ为天线工作频率对应的波长；

(3)根据天线的工作频率f确定亚波长低折射率人工结构材料的几何结构参数，包括铜网的周期a、空腔边长b，铜网厚度t及两层铜网间距Dis_layer；所述亚波长低折射率人工结构材料采用双层金属铜网结构，所述双层金属铜网结构材料的等效折射率为：

$n\left(\mathrm{\ω}\right)=\sqrt{1-\frac{{\mathrm{\ω}}_p^2}{{\mathrm{\ω}}^2}}$

其中：

${\mathrm{\ω}}_p^2=\frac{2\mathrm{\π}{c}_0^2}{a^2\ln (a/\sqrt{\frac{(a-b)t}{\mathrm{\π}}})}$

ω_p为结构的谐振频率，c₀为自由空间的光速；根据谐振频率ω_p的取值得到金属铜网结构的初始几何结构参数，再利用有限元软件对初始的几何结构参数a、b、t和Dis_layer进行优化，使得所述亚波长低折射率人工结构材料的等效折射率尽可能的接近于零；

(4)通过有限元软件对亚波长低折射率人工结构材料与接地金属板的距离distance进行优化，得到一个最优解使得天线的方向性系数最大；

(5)在微波暗室中测量天线的驻波比，在测量过程中调整天线的阻抗变换器，使得天线的驻波比最小。

2.根据权利要求1所述的一种基于低折射率材料的高增益高功率天线的制作方法，其特征在于：所述步骤(1)中的工作频率f选择ku波段，为12～18GHz。

3.根据权利要求1所述的一种基于低折射率材料的高增益高功率天线的制作方法，其特征在于：所述步骤(1)中的波导-同轴转换器选用门钮式，馈线与波导-同轴转换器的接头选用标准N型接头，以增大天线的功率容量。

4.根据权利要求1所述的一种基于低折射率材料的高增益高功率天线的制作方法，其特征在于：所述步骤(1)中的阻抗调配器为适用于波导的调配器，包括单螺钉阻抗调配器，三螺钉阻抗调配器或双T接头阻抗调配器。

5.根据权利要求1所述的一种基于低折射率材料的高增益高功率天线的制作方法，其特征在于：所述步骤(2)中天线的口径效率ε_ap为50％-80％。

6.根据权利要求1所述的一种基于低折射率材料的高增益高功率天线的制作方法，其特征在于：所述步骤(3)中亚波长低折射率人工结构材料的几何结构参数的优化具体过程如下：通过选定的谐振频率ω_p得到一组初值，以初始参数建立有限元分析模型，采用有限元法得到模型的散射参数，再利用散射参数反演法得到亚波长低折射率人工结构材料的等效折射率，不断的调整参数的值使反演得到的折射率尽量接近于零，得到一组较优解a、b、t和Dis_layer。

7.根据权利要求1所述的一种基于低折射率材料的高增益高功率天线的制作方法，其特征在于：所述步骤(4)中对参数distance的优化方法如下：以distance的初值λ/2建立天线的有限元分析模型，λ为天线工作频率对应的波长，采用有限元法计算天线的远场得到方向性系数，调整distance的大小直至在工作频率f处天线的方向性系数最大。

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