CN102227039A - 一种交叉异质排列光子晶体天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种交叉异质排列光子晶体天线，该光子晶体天线包括介质基板、贴片天线和微带馈线，贴片天线和微带馈线固定在介质基板的正面，贴片天线和微带馈线相连接，在介质基板正面，设有周期性排列的圆孔和金字塔锥孔以形成交叉光子晶体异质结构，介质基板的相对介电常数为10。本发明在贴片天线中引入光子晶体结构后，形成电磁禁带，在禁带范围内,交叉异质光子晶体结构贴片天线基底中传播的表面波会受到抑制，能大幅度地反射光子晶体的天线基底中的能量,使其拥有较高增益.由此,较好地改善了天线的性能，使得该贴片天线在移动通信、卫星通信以及航空航天等众多领域能更好地得到应用。

Description

一种交叉异质排列光子晶体天线

技术领域

本发明属于通信技术领域，具体涉及交叉异质排列光子晶体天线。

背景技术

光子晶体是指折射率在空间呈周期性分布的结构，电磁波在该晶体内部传输的特性类似于电子在半导体晶体中的运动特性，故又称为光子晶体或电磁晶体，当电磁波入射电磁（光子）晶体时，在某一频率范围可以禁止电磁波传播，该频率范围称为频率禁带，简称为禁带。光子晶体结构有一维，二维以及三维结构。一般来说，维数越高、尺寸越小、点阵越复杂，其计算、制备的难度也越大。

通过在贴片天线中人为地引入光子晶体结构后，不难发现，其特性表现为较低的回波损耗和较大的天线增益, 从理论的角度分析其原因也是容易理解的：在贴片天线的基底介质上加入了光子晶体结构之后，就会形成电磁(光子)禁带，在禁带频率范围内的电磁波将受到束缚不能向任意方向传播，利用光子晶体的禁带效应，可抑制沿基底底板介质传播的表面波，由此,将减少天线基底对电磁波的吸收，增加电磁波向自由空间的反射能量，从而减少了天线的回波损耗、增加了增益。

发明内容

本发明提供一种交叉异质排列光子晶体天线，能大幅度的抑制沿基底底板介质传播的表面波，能有效地实现更小的回波损耗和较高的增益特性。

实现本发明的技术方案是：一种交叉异质排列光子晶体天线，包括介质基板、贴片天线和微带馈线，贴片天线和微带馈线固定在介质基板的正面，贴片天线和微带馈线相连接，在介质基板正面，设有周期性排列的圆孔和金字塔锥孔以形成交叉光子晶体异质结构，介质基板的相对介电常数为10。

上述方案中贴片天线大小为26 mm×16 mm，激励源采用Gaussian离散源,它通过宽度为4.7 mm的微带馈线给贴片天线馈电。

本发明所说的周期性排列的圆孔和金字塔锥孔，是指圆孔和金字塔锥孔交错排列。

通过时域有限差分法研究了交叉异质光子晶体结构贴片天线,分析得到对应的性能参数，并将其与普通的贴片天线进行比较,发现在禁带范围内天线传播的电磁波会受到抑制,它比普通的贴片天线具有更小的回波损耗，能大幅度地反射光子晶体的天线基底中的能量,使其拥有较高的增益。同时，本发明中的光子晶体结构贴片天线制作工艺简单，材料价格便宜，易于大规模的工业化生产。

本发明与现有的技术相比，具有如下优点：本发明在贴片天线中人为地引入光子晶体结构后，就会形成电磁(光子)禁带，在禁带频率范围内的电磁波将受到束缚不能向任意方向传播，利用光子晶体的禁带效应，可抑制沿基底底板介质传播的表面波。在禁带范围内,交叉异质光子晶体结构贴片天线基底中传播的表面波会受到抑制,它比普通的贴片天线具有更小的回波损耗，能大幅度地反射光子晶体的天线基底中的能量,使其拥有较高增益. 由此,增加了天线耦合到空间的电磁波辐射功率,从而提高了贴片天线增益和信噪比, 较好地改善了天线的性能， 使得该贴片天线在移动通信、卫星通信以及航空航天等众多领域能更好地得到应用。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明:

图1是本发明交叉异质光子晶体结构光子晶体贴片天线正面结构示意图；

图2是本发明交叉异质光子晶体贴片天线回波损耗示意图；

图3是本发明交叉异质光子晶体贴片天线增益示意图；

图中；1-介质基板，2-贴片天线，3-微带馈线。

具体实施方式

一种交叉异质光子晶体结构光子晶体贴片天线，如图1所示，采用电路板钻孔技术，在介质基板1上分别钻出周期性排列的圆孔和金字塔锥孔，介质基板的大小为H1(360mm)×L1(360mm)×D1(8mm)，圆孔的半径R为16mm，锥底大小为L3(32 mm)×L3(32mm),两圆心或两锥孔中心之间相距H3=35.2mm,介质基板的相对介电常数为10,并在介质基板上方加入L2(26 mm)×H2(16 mm)的贴片天线2，激励源采用Gaussian离散源,它通过宽度为L4=4.7 mm的微带馈线给贴片天线馈电。

将上述微带贴片天线用XFDTD仿真软件做测试，XFDTD是由美国REMCOM公司开发的一款基于电磁数值计算方法FDTD（时域有限差分法）的全波三维电磁仿真软件。

XFDTD的主要特点：

(1)建立模型和输入FDTD计算参数通过下拉菜单弹出的选项卡，系统自动生成Geometry文件和Project文件。

(2)输出的结果可通过XFDTD的界面显示。它可以绘制各类参数曲线，并可以通过快照方式显示系列时间步长的电磁场变化。得到了回波损耗，电压驻波比和增益几项数据。

(3)XFDTD中激励源的设置分为近场源和平面波源两种激励。在大多数天线及微波环路问题中经常使用近场源激励，它包括高斯激励，正弦激励及用户自定义等各种激励源。本专利采用高斯激励求得回波损耗和增益。

(4)边界处理可选择PEC,PMC和吸收边界条件，吸收边界条件包括LIAO氏边界条件和完全匹配PML边界。本专利采用完全匹配PML边界以达到最好的效果。

经过仿真得到如图2所示的回波损耗s11特性，在频率3.76GHz处最小回波损耗s11约为-30dB，说明了交叉异质光子晶体结构能进一步减少回波损耗；

如图3所示，得到增益特性，加入交叉异质结构光子晶体后, 正向增益最大约为8.58dB，说明交叉异质光子晶体结构可以较大提高贴片天线的增益。

本发明采用电路板钻孔技术制作天线，天线的中心频率为3.76GHz。在尺寸为360mm×360mm×8mm的介质基板1(介电常数是10)上钻出半径为16mm的圆孔和大小为32 mm×32mm的锥底,两圆心或两锥孔中心之间相距35.2mm。在介质层上方加入26 mm×16 mm的贴片天线，激励源采用Gaussian离散源,它通过宽度为4.7 mm的微带馈线给贴片天线馈电，至此完成天线的制作。

Claims (3)

1.一种交叉异质排列光子晶体天线，包括介质基板（1）、贴片天线（2）和微带馈线（3），贴片天线（2）和微带馈线（3）固定在介质基板（1）的正面，贴片天线（2）和微带馈线（3）相连接，其特征在于：在介质基板（1）正面，设有周期性排列的圆孔和金字塔锥孔以形成交叉光子晶体异质结构，介质基板的相对介电常数为10。

2.根据权利要求1所述的交叉异质排列光子晶体天线，其特征在于：在介质基板上方加入26 mm×16 mm的贴片天线，激励源采用Gaussian离散源,它通过宽度为4.7 mm的微带馈线给贴片天线馈电。

3.根据权利要求1所述的交叉异质排列光子晶体天线，其特征在于：所说的周期性排列的圆孔和金字塔锥孔，是指圆孔和金字塔锥孔交错排列。

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