CN102882001A - 一种利用人工结构材料实现天线波束宽度切换的天线罩 - Google Patents
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Abstract
一种利用人工结构材料实现天线波束宽度切换的天线罩，由印刷有相似“H”型金属线结构的两层微波介质板组成；上层微波介质板沿横向和纵向分别印刷2n列和m行“H”型金属线结构，在每个“H”型金属线结构中添加微波二极管；下层微波介质板沿横向和纵向分别印刷2n列和m行“H”型金属线结构；在每个“H”型金属线结构中添加微波二极管和贴片电阻。上下两层微波介质板构成天线罩整体，两层微波介质板中“H”型金属线结构的第一行金属线外加直流电压，每一列单元中二极管具有相同的直流偏压，每一列各单元之间为并联关系通过改变外加直流电压值，使得电磁波具有高透过或高吸收的特性。本发明将该结构加载于天线上方，合理设计外加直流电压分布，就能实现天线辐射波束的宽度切换；制作简单、成本低。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用人工结构材料实现天线波束宽度切换的天线罩，属于天线制作技术领域。
背景技术
传统意义上，一旦天线的外形确定，其基本辐射性能就不会发生本质变化，天线的辐射波束宽度不会改变。传统的方法来实现波束宽度控制主要有两种：改变天线尺寸参数大小，或者利用相控阵天线实现相位补偿改变辐射波束宽度。通过改变天线尺寸（不包括改变天线阵中单元相对位置的情况）实现波束控制具有不灵活、不实时、不易于切换控制等缺点，不适应于现代科技对信号处理快速便捷的要求。利用相控阵天线实现波束宽度控制虽然可以灵活、实时的切换天线波束宽度，但其有效控制方法主要是在通过控制天线后端电路来实现，对于天线修检、保养、维护等有较高要求。
近年来出现了一种新型的人工结构材料，通过设计人造单元“粒子”并将其按一定方式空间排布的一种宏观上具有特殊电磁特性的材料。与传统意义上的材料相比，新型人工结构材料的电磁特性是由其“粒子”结构及其空间分布决定的。其特殊的电磁特性决定它可以更有效操控电磁波的传播、辐射等。目前，人工结构材料在天线方面的应用研究主要集中在如何有效地提高天线的辐射性能，如提高增益、拓宽工作带宽、实现极化转化和波束偏转等以及如何利用人工结构材料做天线小型化、集成化。2010年，Tomislav Debogovic，JulienPerruisseau-Carrier和Juraj Bartolic提出一种利用部分反射表面天线实现波束宽度的动态调控。通过控制部分反射表面中每个单元结构变容二极管的电容大小，可以实现贴片天线辐射电磁波在E面和H面的波束宽度大小。实验测试证明当电压变化在1~20V之间，E面波束宽度变化约8.5°，H面变化约13°。由于设计原理基于Fabry-Perot效应，所以该结构工作带宽窄。另外，由于该结构反射较大，所以需要另外设计匹配电路。
发明内容
本发明的技术解决方案：克服现有技术的不足，提供一种利用人工结构材料实现天线波束宽度控制的天线罩，通过设计改变外加电压使得天线（阵）辐射出的电磁波在经过天线罩不同列的时候具有透过或全吸收的特性，及电磁波传播的“开关”功能，当“开关”状态满足一定排布的时候，可以有效的控制辐射电磁波波束宽度的大小。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种利用人工结构材料实现天线波束宽度切换的天线罩，其特点在于：上层微波介质板上沿横向尺度以a为周期印刷2n列相同尺寸的“H”型金属线结构，相邻列彼此独立，并沿天线罩横向中心轴对称；纵向尺度上以b为周期印刷m行“H”型金属线结构，相邻行通过金属线彼此连接；每个“H”型金属线结构沿横向焊接微波二极管，并保证所有2n列金属线结构中微波二极管排列方向相同；下层微波介质板上沿横向尺度以a为周期印刷2n列相同尺寸的“H”型金属线结构，相邻列彼此独立，并沿天线罩横向中心轴对称；纵向尺度上以b为周期印刷m行“H”型金属线结构，相邻行通过金属线彼此连接；每个“H”型金属线结构沿横向串联式焊接微波二极管和贴片电阻，并保证所有列金属线结构中微波二极管排列方向相同。将上下两层介质板固定在一起，间距为h，其中λ/5<h<λ/3，λ为天线罩工作频率。至此构成实现天线波束宽度切换的人工结构材料。将上下两层介质板每列“H”型金属线结构其中一条金属臂外接相同正电压，另一端接地。通过改变外加直流电压，使得电磁波通过不同列时具有高透过率或高吸收率。将该人工结构材料作为天线罩置于天线阵列上方，合理设计外加直流电压的分布，就可实现透过波束宽度切换的目的。
所述的“H”型金属线结构的数量由人工结构材料天线罩覆盖的天线口径来确定，使人工结构材料大小能够覆盖整个天线。如天线的口径尺寸为La×Wa，则要求2×n×a≥La，m×b≥Wa，其中La表示天线口径的横线尺寸，Wa表示天线口径的纵向尺寸。
所述天线罩的工作频率fO与“H”金属线结构的尺寸及焊接的微波二极管电容值大小有关。
所述天线罩上下两层微波介质板间距h的取值范围和工作频率有关，一般λ/5<h<λ/3。
所述微波二极管的固有阻抗Rd应尽量小，商用微波二极管一般满足Rd<5Ω；微波二极管的电容变化范围应尽量大，取值范围要保证改变电容值C至少在某一频点满足电磁波透过/吸收两种转化。
本发明与现有技术相比的有益效果在于：
（1）本发明是可以有效控制天线辐射波束宽度的天线罩，无需对天线（阵）外形做尺寸参数变化，只需调节外加电压大小，转换电磁波透过/吸收状态即可实现电线辐射电磁波波束宽度的有效控制。
（2）本发明还具有设计新颖，结构简单、简单新颖、成本低、实时操作、维修简单的优点。本发明的结构采用单面焊接微波二极管和贴片电阻的方式，制作过程简单，和传统的控制波束宽度的方法相比，具有设计方法简单新颖、结构简单、成本低、实时操作、维修简单的特点。
附图说明
图1为本发明的波束宽度切换原理示意图；
图2为本发明天线罩的结构示意图；
图3为电磁波在经过下层微波介质板、上层微波介质板及天线罩整体结构时的特性，其中虚线表示电磁波透射行为，实现表示电磁波吸收行为；
图4为本发明“H”型金属线结构示意图、天线罩整体结构示意图、上下层微波介质板组合示意图；1代表上层微波介质板，2代表上层介质板所印刷的“H”型金属线结构，3代表下层微波介质板，4代表下层微波介质板所印刷的“H”型金属线结构，5代表上下层微波介质板之间的间距；6代表微波二极管，7代表贴片电阻；
图5为上下两层单个“H”型金属线结构在不同电容值下的电磁仿真结果，S11表示材料反射率，S21表示材料透射率；就频率为3.41GHz电磁波而言，当电容值为0.63pF时，电磁波大部分被吸收，当电容值为1.5pF或2.67pF时，电磁波大部分透过；这样就保证了电磁波在3.41GHz可以实现电磁波的透射和吸收的转换；
图6为上下两层单个“H”型金属线结构在不同参数下的电磁仿真结果。分别为横向周期a，纵向周期b，贴片电阻阻值R及上下层微波介质板间距h对天线罩电磁性能的影响；
图7仿真天线罩在不同开关状态下3.65GHz电磁波的E面远场辐射方向图；
图8为四种状态下辐射电磁波的波束宽度随频率的变化曲线。
具体实施方式
图1描述了本发明实现电磁波波束宽度控制的原理。假设材料对电磁波的透射具有“开/关”效应，合理安排开关区域即可实现出射波波束宽度的控制。
图2给出了本发明所设计的天线罩的结构示意图。该天线罩分为结构相似的上下两层，通过合理控制不同列的电磁波透过“开/关”状态，即可实现透射波波束宽度的控制。
图3描述了电磁波在经过下层微波介质板、上层微波介质板及天线罩整体结构时的特性，其中虚线表示电磁波透射行为，实现表示电磁波吸收行为。具体来说，电磁波经过上下两层微波介质板组成的“H”型金属线结构时具有以下性质：（1）当“H”型金属线结构处于“开”状态时，电磁波如图中虚线所示不会被反射，大部分通过结构透射出去；（2）当“H”型金属线结构处于“关”状态时，电磁波如图中实线所示，经过下层介质板后部分反射，部分透射，透射的电磁波由于是在带阻区域，被上层介质板反射回来，一部分电磁波在两层介质板之间多次反射，最后相消，如图中框（a）描述；一部分再此透过下层介质板和被下层介质板反射的电磁波相互干涉相消，如图中框（b）中描述。
在具体实施过程中，辐射天线由8个E面扇形喇叭天线组成。根据天线口径大小，采用16×10个“H”型金属线结构，即n=8，m=10。上下层微波介质板对应列外加电压一致，以x0z面为对称面两边采取相同电压控制，其中每两列为一组，分别标注为G1、G2、G3、G4。
在具体实施过程中，如图4所示，在上层微波介质板1（厚度为2mm介电常数为2.5的Arlon 250）上刻蚀16列×10行“H”型金属线结构，其中16列“H”型金属线结构沿天线罩横向中心轴对称，“H”型金属线结构2尺寸如下：横向周期a=27mm,纵向周期b=36mm,纵向金属线宽w=2mm,横向金属线宽c=1mm,纵向金属线间距d=6.5mm,缝隙大小为g1=1.2，缝隙处焊接微波二极管6，型号为SKYWORKS SMV1405-079LF，固有阻抗为0.8Ω，电感为0.7nH，电容值变化范围在0.63~2.67PF之间；在下层微波介质板3（厚度为2mm介电常数为2.5的Arlon 250）上刻蚀16列×10行“H”型金属线结构，其中16列“H”型金属线结构沿天线罩横向中心轴对称，“H”型金属线单元结构4尺寸如下：横向周期a=27mm,纵向周期b=36mm,纵向金属线宽w=2mm,横向金属线宽c=1mm,横向焊接金属线长度d1=1.3mm,两个缝隙大小g2=1mm，在缝隙上焊接变容二极管6和贴片电阻7贴片电阻阻值为11Ω。
将上下两层“H”型金属线单元结构沿电场传播方向排列，间距h=25mm，构成天线罩单元结构并对其进行数值仿真，结构如图5所示。针对3.41GHz的电磁波，当微波二极管电容为0.63PF时，电磁波被完全吸收，当电容为2.67PF或1.5pF时，电磁波几乎完全透过。所以可以认为3.41GHz为天线罩工作频率，当电容值为0.63pF时，处于状态“关”，当电容值为2.67pF或1.5pF时处于“开”状态。
图6分析了“H”型金属线结构主要参数对透射和吸收特性的影响。参数调节范围的标准以S11大于0.33为准。S11小于0.33判断为参数值在容许调节范围内。
构建全模仿真，天线罩尺寸大小为432mm×360mm。仿真发现工作频点发生漂移。天线罩单元结构仿真得到的频点为3.41GHz，全模仿真漂到3.65GHz。这是由于在仿真单元结构时电磁边界条件为无限周期，而在全模仿真时电磁边界条件是有限大小。全模仿真时观察点设为3.65GHz，依次调节外加电压大小，使得组G1、G2、G3、G4依次从吸收到透射电磁波，并记录不同状态下天线的E面远场方向图，如图7所示。
整理不同状态下辐射电磁波的3dB波束宽度，绘制如图8所示。图8中可以明显的看到通过外加电压，进而改变二极管电容大小，可以实现辐射电磁波波束宽度的有效调节。波束宽度变化范围大致在30°~15°之间。
本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。
显然，对于本领域的普通技术人员来说，参照上文所述的实施例还可能做出其它的实施方式。上文中的实施例都只是示例性的、而不是局限性的。所有的在本发明的权利要求技术方案的本质之内的修改都属于其所要求保护的范围。
Claims (5)
1.一种利用人工结构材料实现天线波束宽度切换的天线罩，其特征在于：上层微波介质板上，沿横向尺度以a为周期印刷2n列相同尺寸的“H”型金属线结构，相邻列彼此独立，并沿天线罩横向中心轴对称；纵向尺度以b为周期印刷m行“H”型金属线结构，相邻行通过金属线彼此连接；每个“H”型金属线结构沿横向焊接微波二极管，并保证所有2n列金属线结构中微波二极管排列方向相同；下层微波介质板上，沿横向尺度以a为周期印刷2n列相同尺寸的“H”型金属线结构，相邻列彼此独立，并沿天线罩横向中心轴对称；纵向尺度以b为周期印刷m行“H”型金属线结构，相邻行通过金属线彼此连接；每个“H”型金属线结构沿横向串联式焊接微波二极管和贴片电阻，并保证所有列金属线结构中微波二极管排列方向相同；将上下两层微波介质板固定在一起，间距为h，其中λ/5<h<λ/3，λ为天线罩工作频率；至此便构成实现天线波束宽度切换的人工结构材料；将上下两层微波介质板每列“H”型金属线结构其中一条金属臂外接相同正电压，另一条接地；通过改变外加直流电压，使得电磁波通过不同列时具有高透射率或高吸收率，将该人工结构材料作为天线罩置于天线阵列上方，通过调节外加直流电压分布，就实现透过波束宽度可调的目的。
2.根据权利要求1所述的一种利用人工结构材料实现天线波束宽度切换的天线罩，其特征在于：“H”型金属线结构的数量由人工结构材料天线罩覆盖的天线口径来确定，使人工结构材料大小能够覆盖整个天线。
3.根据权利要求1所述的一种利用人工结构材料实现天线波束宽度切换的天线罩，其特征在于：所述天线罩工作频率fO与“H”型金属线结构的尺寸及焊接的微波二极管电容值大小有关。
4.根据权利要求1所述的一种利用人工结构材料实现天线波束宽度切换的天线罩，其特征在于：所述微波二极管的固有阻抗Rd应尽量小，满足Rd<5Ω；微波二极管的电容变化范围应尽量大，取值范围要保证改变电容值C至少在某一频点满足电磁波透过/吸收两种转化。
5.根据权利要求1所述的一种利用人工结构材料实现天线波束宽度切换的天线罩，其特征在于：所述贴片电阻阻值的选择应使得在工作频率处天线罩的反射率尽可能小。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |