CN105846115B - 方向图可重构定向辐射天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种方向图可重构定向辐射天线，至少两组由磁性柱组成的磁性光子晶体阵列，一个辐射馈源，以及覆盖于所述磁性柱上下表面的金属板；所述磁性柱置于空气环境中，外加轴向偏置磁场，所述辐射馈源位于光子晶体阵列的交界处；不同阵列的结构参数及磁性柱的材料不同。当外加磁场变化时，不同结构尺寸和材料成分的磁性光子晶体的能带结构会发生变化，并且带底频率的变化速度不同。本发明的天线结构利用这一特性可通过改变外加磁场，动态切换辐射方向，同时还有定向性能好、结构简单、易于实现、成本低廉等优势。

Description

方向图可重构定向辐射天线
技术领域
本发明涉及一种天线，具体是一种方向图可重构天线，更具体是一种方向图可重构的磁性光子晶体定向辐射天线。
背景技术
天线是在无线电设备中用来发射或接收电磁波的部件。在卫星、雷达等领域，天线的定向辐射性能是重要指标之一。天线良好的定向性能极大地提高通信效率。此外，在一些现代通信系统中，天线需要动态切换辐射方向，以满足多样的通信需求，这种天线称之为方向图可重构天线，一般通过机械或者大型有源器件阵列的方式实现。这类天线往往结构复杂，体积庞大，切换辐射方向过程繁琐，极大地限制了可应用的场景。同时兼具高定向性和高方向图可重构性能，更是加剧了天线结构设计的复杂程度。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种结构简单、实现方便的高性能方向图可重构定向辐射天线。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
一种方向图可重构定向辐射天线，包括：至少两组由磁性柱组成的磁性光子晶体阵列，一个辐射馈源，以及覆盖于所述磁性柱上下表面的金属板；所述磁性柱置于空气环境中，外加轴向偏置磁场，所述辐射馈源位于光子晶体阵列的交界处；不同阵列的结构参数及磁性柱的材料不同。
进一步地，所述磁性柱为软磁铁氧体磁性柱，或由软磁铁氧体与陶瓷介质组成的磁性柱；所述软磁铁氧体的材料为镁锰铁氧体、钇铁石榴石铁氧体或镍锌铁氧体。
进一步地，所述磁性柱的形状为圆柱体，沿轴向切面为分界面，一半为软磁铁氧体，一半为陶瓷介质；所述磁性柱的轴向切面法线方向垂直于定向辐射方向。
进一步地，所述天线由两组磁性光子晶体阵列组成，每组阵列为独立的矩形阵列，所述辐射馈源位于两矩形阵列的交界处。
进一步地，所述辐射馈源与磁性柱的轴向平行。
工作原理：带隙是光子晶体独特的能带结构。将工作频率设置在光子晶体带隙边缘的带底频率处，使得电磁波只能从某一特定方向通过光子晶体向外辐射，而其余方向均被截止。将此特性应用于天线设计中，可以使天线定向辐射性能大大提高，形成高定向性天线。当外加磁场变化时，不同结构尺寸和材料成分的磁性光子晶体的能带结构会发生变化，并且带底频率的变化速度不同，将两者拼接，可以实现在不同外加磁场的条件下，动态调整辐射方向。
有益效果：本发明提出一种由至少两组磁性柱组成的磁性光子晶体构成的方向图可重构定向辐射天线。这种天线可通过改变外加磁场，动态切换辐射方向，同时还有定向性能好、结构简单、易于实现、成本低廉等优势。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图1中，1：辐射馈源，2、3：磁性柱，4、5：金属盖板。
图2为本发明的光子晶体的截面结构示意图。
图3为本发明在外加磁场为500Oe时的能带结构仿真结果图。
图4为本发明天线在外加磁场为500Oe时的远场辐射仿真结果图。
图5为本发明在外加磁场为2000Oe时的能带结构仿真结果图。
图6为本发明天线在外加磁场为2000Oe时的远场辐射仿真结果图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
本发明以两类不同材料的磁性柱组成的磁性光子晶体矩形阵列为例详细说明本发明的结构参数设计和实验仿真结果，需要说明的是本发明并不限于此种结构，对于本领域技术人员，利用本发明的原理，可以根据实际需求采用多种磁性柱构成磁性光子晶体阵列，实现多个方向的定向辐射。如图1所示，本发明实施例的方向图可重构定向辐射天线，主要包括两组由多个磁性圆柱(2，3)构成的磁性光子晶体阵列，和一个辐射馈源，即线源1。两个阵列的磁性圆柱采用不同的铁氧体材料制成，如镁锰铁氧体、钇铁石榴石铁氧体或镍锌铁氧体等铁氧体材料，进一步地为了降低辐射损耗并且提高天线与空气的匹配性能，本实施例的磁性圆柱由铁氧体材料与陶瓷介质混合而成。磁性圆柱固定在上下金属板(4,5)内，线源1位于两类光子晶体交界位置正中央，与磁性圆柱的轴向平行。沿磁性圆柱轴向加偏置磁场。
如图2所示，磁性光子晶体为矩形点阵，a1-b1,a2-b2分别为两组磁性圆柱矩形单元两边的晶格常数，r为圆柱的半径。本实施例的具体实例中，a1＝8.7mm，b1＝7mm，a2＝9mm,b2＝5mm,r＝2mm，磁性圆柱高10mm。右侧下半圆柱采用钇铁石榴石铁氧体(YIG)，上半圆柱采用陶瓷；左侧下半圆柱采用镁锰铁氧体(MgMn)，上半圆柱采用陶瓷，磁性圆柱处于空气环境中。钇铁石榴石铁氧体材料的介电常数为15.26(1-j0.0063)，镁锰软磁铁氧体材料的介电常数为12.2(1-j0.006)，其中j表示虚数，它在微波段基本上为一个常数；陶瓷材料的介电常数为9.8。外加偏置磁场的调节范围为500Oe-2000Oe，在这一磁场范围内，天线的辐射方向会发生变化。
图3示出了在外加磁场为500Oe时两组磁性光子晶体能带结构仿真示意图。结果表明，对于长方晶格(a1＝8.7mm,b1＝7mm)YIG-陶瓷组合材料磁性光子晶体，在外加磁场为500Oe时，其带隙上边界带底频率附近只存在一个沿ΓX方向的允许传播通道，为12.68GHz，大于长方晶格(a2＝9mm,b2＝5mm)MgMn-陶瓷组合材料光子晶体的带隙上边界带底频率12.51GHz，此时当辐射馈源的工作频率在12.51GHz附近时，能量只从MgMn-陶瓷组合材料磁性光子晶体一侧向外辐射。
图4示出了天线的远场辐射仿真结果图。YIG-陶瓷组合材料磁性光子晶体阵列大小为28×15，MgMn-陶瓷组合磁性材料光子晶体阵列大小为38×15。有一线源在两类光子晶体的交界处，外加偏置磁场为500Oe，工作频率为12.51GHz。仿真结果表明电磁波沿-x方向传播，能量很集中，有良好的平面波波阵面，没有副瓣，归一化条件下背向辐射能量小于20dB。进一步计算结果表明，天线的方向性系数约为38.27，半功率点宽度均为约9.1°。
图5示出了在外加磁场为2000Oe时两组磁性光子晶体能带结构仿真示意图。结果表明，YIG-陶瓷组合材料磁性光子晶体，在外加磁场为2000Oe时，其带隙上边界带底频率附近只存在一个沿ΓX方向的允许传播通道，为13.17GHz，小于MgMn-陶瓷组合材料磁性光子晶体的带隙上边界带底频率13.25GHz，此时当辐射馈源的工作频率在13.17GHz附近时，能量只从YIG-陶瓷组合材料磁性光子晶体一侧向外辐射。
图6示出了天线的远场辐射仿真结果图。YIG-陶瓷组合磁性材料光子晶体阵列大小为28×15，MgMn-陶瓷组合材料磁性光子晶体阵列大小为38×15。有一线源在两类光子晶体的交界处，外加偏置磁场为2000Oe，工作频率为13.17GHz。仿真结果表明电磁波沿+x方向传播，能量很集中，有良好的平面波波阵面，没有副瓣，归一化条件下背向辐射能量小于20dB。进一步计算结果表明，天线的方向性系数约为43.11，半功率点宽度均为约7.9°。

Claims (5)

1.一种方向图可重构定向辐射天线，其特征在于，包括：至少两组由磁性柱组成的磁性光子晶体阵列，一个辐射馈源，以及覆盖于所述磁性柱上下表面的金属板；所述磁性柱置于空气环境中，外加轴向偏置磁场，所述辐射馈源位于光子晶体阵列的交界处；不同阵列的结构参数及磁性柱的材料不同。
2.根据权利要求1所述的方向图可重构定向辐射天线，其特征在于，所述磁性柱为软磁铁氧体磁性柱，或由软磁铁氧体与陶瓷介质组成的磁性柱；所述软磁铁氧体的材料为镁锰铁氧体、钇铁石榴石铁氧体或镍锌铁氧体。
3.根据权利要求2所述的方向图可重构定向辐射天线，其特征在于，所述磁性柱的形状为圆柱体，沿轴向切面为分界面，一半为软磁铁氧体，一半为陶瓷介质；所述磁性柱的轴向切面法线方向垂直于定向辐射方向。
4.根据权利要求1所述的方向图可重构定向辐射天线，其特征在于，所述天线由两组磁性光子晶体阵列组成，每组阵列为独立的矩形阵列，所述辐射馈源位于两矩形阵列的交界处。
5.根据权利要求1-4任一项所述的方向图可重构定向辐射天线，其特征在于，所述辐射馈源与磁性柱的轴向平行。
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