CN104269643A - 一种电磁软表面结构及其构建方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种在特定频带内可抑制表面波传播的电磁软表面结构及其构建方法，属于微波技术领域。其特点在于基于软表面贴片为矩形条带边缘加相互交错的矩形锯齿的基础上，沿矩形锯齿的下边缘即矩形条带宽边方向设有一个矩形槽，导电通孔位于同侧矩形锯齿上。L为矩形锯齿的长度，P为矩形锯齿的宽度，矩形槽沿矩形条带长边方向的长度为L1，矩形槽沿矩形条带宽边方向的长度为w1，w为矩形条带的宽度，w的取值范围为其中εr为介质层介电常数，λ0为工作波长，L≤3mm，P小于两通孔间距离的一半。本发明可直接应用于减少微带天线间耦合。

Description

一种电磁软表面结构及其构建方法
技术领域
本发明涉及一种在特定频带内可抑制表面波传播的电磁软表面结构及其构建方法，属于微波技术领域。可直接应用于减少微带天线间耦合。
背景技术
为了使手持无线通信设备的整个体积小型化和随着阵列天线的小型化，其中的天线将被放置的非常靠近。这将引起天线间强烈的耦合作用，从而恶化天线的性能。为了减小天线间耦合作用，研究人员提出了许多不同的方法。其中最常用的方法就是使用高阻抗表面(HIS)和电磁带隙结构(EBG)。然而这些方法往往很少考虑加入结构后对天线辐射模式的影响，并且天线间的间距一般相对较大从而使在中心频率处的耦合作用本身就很小。
电磁软表面结构具有抑制给定方向表面波传播的性质，可应用于减小天线间的耦合作用。相对于高阻抗表面和电磁带隙结构，其应用于减小天线间耦合，减小幅度更大，减小带宽更宽，两天线可放置更近，从而减小天线间间距，且加入电磁软表面结构后没有恶化天线辐射。目前电磁软表面的研究主要关注两方面：一是阻带带宽的展宽，二是小型化技术。现有改进电磁软表面的方法主要是在传统的矩形条带软表面边缘增加不同形状的锯齿形结构。SaidA.Abushamleh等在2014年发表的最新关于电磁软表面的文章中，采用矩形条带边缘加相互交错矩形锯齿的电磁软表面结构。其所设计电磁软表面结构(含八个电磁软表面单元)在单元周期为8mm时，中心频率为6GHz,相对带宽为8.1％；当电磁软表面(含一个电磁软表面单元)应用于减缩两微带天线耦合作用时相对带宽为2％。
发明内容
本发明的目的是针对上述存在问题或不足，提供一种电磁软表面结构及其构建方法。
该电磁软表面结构由软表面贴片，介质层，地层及贯穿软表面贴片、介质层和地层的导电通孔，软表面贴片为矩形条带边缘加相互交错的矩形锯齿，软表面贴片和地层均为铜片,地层完全覆盖介质层底部，介质层完全覆盖软表面贴片底部且介电常数范围在2-6。所述矩形条带上沿矩形锯齿的下边缘即矩形条带宽边方向设有一个矩形槽，导电通孔位于同侧矩形锯齿上，L为矩形锯齿的长度，P为矩形锯齿的宽度，矩形槽沿矩形条带长边方向的长度为L1，矩形槽沿矩形条带宽边方向的长度为w1，w为矩形条带的宽度，w的取值范围为其中εr为介质层介电常数，λ0为工作波长，L≤3mm，P小于两通孔间距离的一半。
所述L1为相邻2个矩形锯齿间同向的垂直距离，w1＜w。
其构建方法为：
步骤一：在使用多个电磁软表面单元进行仿真设计的情况下，使用波导传输法，在Ansoft-HFSS中建立上述电磁软表面结构模型，电磁软表面单元间的距离不小于3mm，仿真传输系数S21，扫描优化得到阻带带隙位于中心频率附近范围的电磁软表面结构参数尺寸；
步骤二：在Ansoft-HFSS中建立两个大小相同的微带天线模型，在目标频率范围内仿真天线两端口间的传输系数，该模型由三部分构成，自上而下依次是两个微带天线，介质层，地层；微带天线贴片为铜片，两微带天线激励源选择集总端口Lumped Port，在天线模型外设置一个空气盒子，空气盒子各面与软表面结构相应各面距离不小于四分之一个工作波长，边界条件为辐射边界条件Radiation；
步骤三：在步骤二所建模型基础上加入步骤一优化得出软表面贴片的一个单元，仿真天线两端口间的传输系数；
步骤四：制作加载有电磁软表面的两微带天线，其中软表面贴片位于两微带天线中间，并在软表面结构上制作通孔，其中微带天线，地层，软表面贴片均为铜片，电磁软表面结构的通孔镀铜，介质层选用介电常数同仿真时所用介电常数；在两微带天线馈源所处位置上打通孔，焊接SMA接头，使用矢量网络分析仪(VNA)测试该电磁软表面结构实际抑制天线耦合的性能，即两天线间的传输系数，扫描频率范围选用仿真时选取测试范围。
本发明所设计电磁软表面结构特点为：整个软表面贴片为曲折型的条带从而增加了电磁波在一个电磁软表面单元两通孔之间的实际行程和相互作用达到增加带宽和小型化的目的，主要是通过对一个单元的设计提升软表面结构的性能。而Said A.Abushamleh等提出的软表面结构则是通过在矩形条带结构边缘增加锯齿的方法增加两个电磁软表面单元的容性作用而提高电磁软表面性能，主要是通过两个单元间的相互作用进行设计软表面结构。同其相比，本发明的相对带宽从8.1％提高到12.5％，且在应用于减缩微带天线耦合作用时相对带宽从2％提高到8％。并且当电磁软表面单元周期同为8mm时，本发明中心频率从6GHz降低到5GHz，从而实现了小型化。
综上所述本发明与现有的技术相比具有以下优点：
1、本发明中的电磁软表面结构较传统电磁软表面结构而言，阻带带宽增大，且本发明在增大带宽的同时，降低下截止频率从而实现结构的小型化。
2、该电磁软表面用于微带天线耦合减缩时，两微带天线中心到中心的距离接近半个波长，且减小两微带天线耦合作用的带宽大大增加。
附图说明
图1是本发明中8×1电磁软表面俯视平面示意图，单位(mm)；
图2是本发明电磁软表面结构一个单元的侧视图；
图3是本发明电磁软表面结构软表面贴片一个单元的俯视平面示意图；
图4是本发明图1所示结构S21的HFSS仿真结果示意图；
图5是未加载电磁软表面的两个微带天线模型的俯视图,单位(mm)；
图6是未加载电磁软表面的两个微带天线模型的仰视图,单位(mm)；
图7是加载电磁软表面的两个微带天线模型的俯视图，单位(mm)；
图8是加载电磁软表面的两个微带天线模型的侧视图；
图9是未加载电磁软表面与加载电磁软表面的两个微带天线传输系数S21的HFSS仿真结果示意图；
图10是加载电磁软表面的两个微带天线S21的VNA测试结果与仿真结果对比示意图；
图11是本发明构建流程示意图。
具体实施方式
以下参照附图对本发明作进一步详细描述。
本发明在设计实施过程中需要用到一台电脑，一台矢量网络分析仪(VNA)和一块加工出的带有电磁软表面结构和两个微带天线的介电常数2.65的介质板。电脑用于运行Ansoft-HFSS以便建模仿真该软表面结构的带隙特征和其用于减缩微带天线耦合的特征。VNA用于测试加工出的软表面结构抑制微带天线耦合的实际性能。
如图1，本发明是由一个电磁软表面单元沿一个方向在一维平面上周期延拓形成的8×1电磁软表面结构。每个电磁软表面单元有三部分构成，如图2，自上而下依次是软表面贴片，带有导电通孔的介质层，完整的地层。软表面贴片，地层均为铜片，地层尺寸为52.2×24mm2。介质层是52.2×24×1.5mm3的矩形块，材料为聚四氟乙烯介质，其介电常数为2.65，损耗角正切为0.02。单元软表面贴片由曲折的条带，导电通孔，和边缘交错的矩形锯齿构成。
见图11，本发明一种电磁软表面结构的构建方法，具体实施步骤如下。
步骤一：在Ansoft-HFSS中建立电磁软表面结构三维模型。该模型每个单元由三部分构成，自上而下依次是软表面贴片，带有导电通孔的介质层和完整地层，如图2所示。软表面贴片，地层均为平面，地层尺寸为52.2×24mm2，边界条件设置为理想金属导体(Perfect E)。介质层是尺寸为52.2×24×1.5mm3的矩形块，材料介电常数为2.65，损耗角正切为0.02。软表面贴片边界条件设置为理想金属导体，尺寸如图1阴影部分。在建立的电磁软表面结构模型上构建一个尺寸同其相贴合的长方体空气盒子，该盒子下表面与地层重合，高度大于1.5mm。该盒子上表面设置为理想电边界条件。沿平行软表面条带方向两对侧面设置为理想磁边界条件。沿垂直软表面条带方向两对侧面加入波端口。以驱动模(DrivenModel)在5-8GHz进行频率扫描求解得到两端口间的传输系数，仿真结果如图4所示。可以看出两端口间的传输系数在-20dB以下带宽为6.16GHz到6.97GHz,中心频率为6.5GHz，相对带宽为12.5％。而Said A.Abushamleh等提出的软表面结构相对带宽为8.1％。
步骤二：在Ansoft-HFSS中建立两个同样大小微带天线模型如图5，图6所示，仿真天线两端口间的传输系数。该模型由三部分构成，自上而下依次是两个微带天线，介质层，地层。微带天线的贴片为铜，尺寸为12.7×15.7mm2。两微带天线激励源选择集总端口(Lumped Port)。在天线模型外设置一个大的空气盒子，尺寸为134×84×21mm3，天线模型位于空气盒子的中心。空气盒子边界条件设置为辐射边界条件(Radiation)。频率扫描范围设置为6-7.4GHz。两端口间的传输系数仿真结果如图9所示。
步骤三：在步骤二所建模型基础上加入电磁软表面，如图7，图8所示。仿真天线两端口间的传输系数其结果如图9所示，提出的软表面结构从6.45GHz到7.0GHz的最大抑制深度可达25dB以上。且带宽为6.45GHz到7GHz，中心频率为6.8GHz，相对带宽为8％。而Said A.Abushamleh等提出的软表面结构在应用于减缩贴片天线间耦合时相对带宽为2％。
步骤四：制作加载有软表面的两微带天线，并用矢量网络分析仪(VNA)测试该电路板实际抑制天线耦合的性能，两天线间的传输系数。制作模型尺寸与图7一致。其中微带天线，地层，软表面贴片均为厚度约为0.03mm的铜片，导电通孔镀铜。介质材料为聚四氟乙烯，介电常数为2.65，损耗角正切为0.02。在两微带天线馈源所处位置上打通孔。焊接SMA接头，使用VNA进行测试，扫描频率设置为6.0-7.4GHz(与仿真时选取测试范围相照应)，测试结果如图10所示，与仿真结果基本一致。
本发明的软表面结构相比较最新文献中提出的软表面结构在阻带带宽性能上有很大的提升。且在参数相同情况下本发明的软表面结构中心频率更低，从而实现小型化。

Claims (3)

1.一种电磁软表面结构，包括软表面贴片，介质层，地层及贯穿软表面贴片、介质层和地层的导电通孔，软表面贴片为矩形条带边缘加相互交错的矩形锯齿，软表面贴片和地层均为铜片,地层完全覆盖介质层底部，介质层完全覆盖软表面贴片底部且介电常数范围在2-6，其特征在于：所述矩形条带上沿矩形锯齿的下边缘即矩形条带宽边方向设有一个矩形槽，导电通孔位于同侧矩形锯齿上，L为矩形锯齿的长度，P为矩形锯齿的宽度，矩形槽沿矩形条带长边方向的长度为L1，矩形槽沿矩形条带宽边方向的长度为w1，w为矩形条带的宽度，w的取值范围为其中εr为介质层介电常数，λ0为工作波长，L≤3mm，P小于两通孔间距离的一半。
2.如权利要求1所述电磁软表面结构，其特征在于：所述L1为相邻2个矩形锯齿间同向的垂直距离，w1＜w。
3.如权利要求1或2所述电磁软表面结构的构建方法为：
步骤一：在使用多个电磁软表面单元进行仿真设计的情况下，使用波导传输法，在Ansoft-HFSS中建立上述电磁软表面结构模型，电磁软表面单元间的距离不小于3mm，仿真传输系数S21，扫描优化得到阻带带隙位于中心频率附近范围的电磁软表面结构参数尺寸；
步骤二：在Ansoft-HFSS中建立两个大小相同的微带天线模型，在目标频率范围内仿真天线两端口间的传输系数，该模型由三部分构成，自上而下依次是两个微带天线，介质层，地层；微带天线贴片为铜片，两微带天线激励源选择集总端口Lumped Port，在天线模型外设置一个空气盒子，空气盒子各面与软表面结构相应各面距离不小于四分之一个工作波长，边界条件为辐射边界条件Radiation；
步骤三：在步骤二所建模型基础上加入步骤一优化得出软表面贴片的一个单元，仿真天线两端口间的传输系数；
步骤四：制作加载有电磁软表面的两微带天线，其中软表面贴片位于两微带天线中间，并在软表面结构上制作通孔，其中微带天线，地层，软表面贴片均为铜片，电磁软表面结构的通孔镀铜，介质层选用介电常数同仿真时所用介电常数；在两微带天线馈源所处位置上打通孔，焊接SMA接头，使用矢量网络分析仪(VNA)测试该电磁软表面结构实际抑制天线耦合的性能，即两天线间的传输系数，扫描频率范围选用仿真时选取测试范围。
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