CN105977638A - 一种可重构四分区γ型缠绕多指电磁带隙结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可重构四分区Γ型缠绕多指电磁带隙结构，该结构为对称结构，采用同轴馈电方式，由若干正方形电磁带隙结构单元组成，单元间距相同，单元之间带有二极管。将正方形电磁带隙结构单元沿垂直和水平方向划分为四个等面积区域，单元的中心带有金属化过孔以增加电磁带隙结构的等效电感。这种结构使用了四条金属臂，分别在四个区域中进行Γ型延展。贴片的每一道弯折出都伸出一条金属指朝向边界进行延展，一直延展到边界处。这增加了由单元中心到四角的折线总长度，从而增加了电流流经路径，达到了小型化的目的。本发明可以减小电磁带隙结构的尺寸，实现不同频段的阻带可重构需求。
Description
技术领域
本发明涉及一种Γ型的二维电磁带隙结构，特别是涉及一种可重构四分区Γ型缠绕多指电磁带隙结构。
背景技术
随着通信技术的发展，天线在各种设备中的使用更加频繁，对天线性能的要求也越来越高。为了获得更大的增益，同时为了便于调整天线的接收方向，在实践中常使用天线阵列来解决这类问题。但是在天线阵列的使用中，由于各个天线的工作频段相同或相近，天线间会产生互耦现象，即一个天线上的电流会在另一天线上产生感应电流，影响天线阵列的增益、方向图等性能，使天线阵列的一个或多个部分无法正常工作。因此，我们需要通过各种方式抑制天线阵列中各个天线的互耦。而电磁带隙就能够成为抑制天线阵列互耦现象的方式。
电磁带隙结构是一种可以抑制一定频率内电磁波的传播的结构，这种结构的发现对于电磁相关领域的应用具有重要意义。这种结构可以抑制平行于结构的电磁波的传播，除此之外，这种结构还具有磁壁特性，对垂直入射的电磁波具有很高的反射率。电磁带隙结构的这种特点使得它得到了广泛的重视，从而有很多新型的结构和理论被不断提出。
根据目前检索发现，1987年,Yablonovithc发现了光子晶体。将这种结构推广到微波波段，就形成了电磁带隙结构。1991年，Yablonovitch设计了一种可以在各个方向产生电磁带隙的EBG结构，这种结构以一种周期排布的方式在介质中打孔，每个地方按三角形排布打三个孔，从而产生了电磁带隙。然而其结构过大，在很多对空间占用要求严格的环境中，这种结构没有办法使用。1999年，Sievenpiper提出了一种蘑菇型结构。这种结构相对于上文提到的结构有诸多优点，其中最明显的一点便是这种结构使用LC震荡电路来形成电磁带隙，脱离了布拉格散射对于结构尺寸的要求，从而初步实现了电磁带隙结构的小型化。同年，Roberto Coccioli设计了一种二维平面内的电磁带隙结构，这种结构成阵列状，这种结构与传统蘑菇型结构相比，不需要打过孔，因此应用的范围更广一些。这种结构高阻抗的性能相对于传统蘑菇型结构较差，而磁壁的性能则好很多，更适用于作为磁壁来保护设备而不是抑制表面电磁波的传播。
发明内容
本发明所要解决的技术问题：提供一种可重构四分区Γ型缠绕多指电磁带隙结构，以减小电磁带隙结构的尺寸，实现不同频段的阻带可重构需求。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案：一种可重构四分区Γ型缠绕多指电磁带隙结构，该结构至少包括：
介质基板，具有相互平行的第一表面和第二表面；
所述的介质基板第一表面分布着电磁带隙结构，该结构由若干正方形电磁带隙结构单元组成，单元间距相同，单元之间带有二极管；
所述的介质基板第二表面上安装有金属板和偏置电路，金属板上带有两种金属化过孔，将用来添加电压正极的单元的金属化过孔周围切去一个圆形的区域，该圆形区域即隔离环，与其相邻的单元的金属化过孔接地作为偏置电压的负极。
进一步的，将所述的正方形电磁带隙结构单元沿垂直和水平方向划分为四个等面积区域，单元的中心带有金属化过孔以增加电磁带隙结构的等效电感，这种结构使用了四条金属臂，分别在四个区域中进行Γ型延展，增加了由单元中心到四角的折线总长度，从而增加了电流流经路径，达到了小型化的目的。
进一步的，所述电磁带隙结构使用了四条金属臂，分别在正方形电磁带隙结构单元的四个区域中进行延展，每个区域中金属臂延展的方式相同；
在第一象限区域中，金属臂从单元中心沿y轴正向开始进行Γ型延展，同时在金属臂的每一道180°弯折处，都有一条金属指由第一个弯折拐点处伸出，按弯折前金属臂延展的方向一直延展到边界处，为了保证相邻的平行金属臂之间、相邻的平行金属指之间以及相邻的金属臂与金属指之间的间距相等，金属臂在延展的过程中，一遇到金属指就进行180°弯折，每延展至正方形单元对角线处就进行90°弯折，以此方式一直延展至边界处不能弯折的地方为止，最后在y轴正向共伸出4指，x轴正向共伸出3指；
其余象限区域金属臂与金属指的具体延展形状可由第一象限区域以单元中心为中心点，逆时针旋转得出。
进一步的，所述的电磁带隙结构单元之间带有二极管，带有隔离环的金属化过孔的电磁带隙结构单元接偏置电压正极，此即正极单元；与其相邻的单元接电压负极，此即负极单元，正负极单元交错分布，在每个单元的四个区域中，每个区域分别有6条金属指可添加二极管，二极管的正极与正极单元相连，负极与负极单元相连；
将每个区域中最长的金属指称为指1，与其相邻的另一区域的次长指称为指2，以正极单元1指连接为例：正极单元的4个最长指上添加二极管，添加后另一端搭接在相对的电磁带隙结构单元上即可，具体连接方式如下：正极单元第一象限区域的指1与上方负极单元第四象限区域的指2相连，第二象限区域的指1与左方负极单元第一象限区域的指2相连，第三象限区域的指1与下方负极单元第二象限区域的指2相连，第四象限区域的指1与右方负极单元第三象限区域的指2相连。
进一步的，电磁带隙结构的馈电方式如下：
使用电磁带隙结构单元中心的金属化过孔为电磁带隙结构提供馈电，每隔一个电磁带隙结构单元设置一个馈电的点，为了防止加载馈电后直接与地短路，需要在添加馈电的单元下方将用于加载电压的通孔与地分离开，即添加隔离环，正极单元对应的金属化过孔带有隔离环，不与地板相接，负极单元对应的金属化过孔直接与地板相连，通过这种方式，我们可以使得相邻的电磁带隙结构有不同的电位，从而使二极管在加载电压时导通，用这种方式可以保证在添加偏置电压时，所有的二极管同时处于相同电压。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明提出了一种可重构四分区Γ型缠绕多指电磁带隙结构，其单元中的金属臂以Γ型的方式进行延展，可达到了小型化的目的。
(2)本发明提出的一种可重构四分区Γ型缠绕多指电磁带隙结构具有较好的可调节性，可通过调整折线长度改变其阻带范围，以满足应用需求。
(3)本发明可通过分析电磁带隙结构单元间二极管处于不同电压时，电磁带隙结构的阻带特性，从而实现不同频段的阻带可重构需求。
附图说明
图1A为本发明较佳实施例的第一表面俯视示意图；
图1B为本发明较佳实施例的第一表面侧视示意图；
图2为本发明较佳实施例的第二表面俯视示意图；
图3为本发明较佳实施例的电磁带隙结构单元的俯视示意图；
图4A为本发明较佳实施例的二极管连接第一表面示意图；
图4B为本发明较佳实施例的二极管连接第二表面示意图；
图5为本发明较佳实施例的关于插入损耗的仿真数据图；
其中，附图标记：
100：介质基板第一表面
101：电磁带隙结构单元
102：二极管
103：介质基板
200：介质基板第二表面
201：金属板
202：偏置电路
203：金属化过孔
204：隔离环
V+：与外接电源正极相连的偏置电路导线
V-：与地相连的偏置电路导线
301：金属臂
311：电磁带隙结构单元第一象限区域金属臂延展的第一个弯折点
312：电磁带隙结构单元第一象限区域金属臂延展的第二个弯折点
313：电磁带隙结构单元第一象限区域金属臂延展的第三个弯折点
314：电磁带隙结构单元第一象限区域金属臂延展的第四个弯折点
315：电磁带隙结构单元第一象限区域金属臂延展的第五个弯折点
316：电磁带隙结构单元第一象限区域金属臂延展的第六个弯折点
317：电磁带隙结构单元第一象限区域金属臂延展的第七个弯折点
321：从电磁带隙结构单元第一象限区域金属臂延展的第一个弯折点处所伸出的金属指
322：从电磁带隙结构单元第一象限区域金属臂延展的第二个弯折点处所伸出的金属指
323：从电磁带隙结构单元第一象限区域金属臂延展的第三个弯折点处所伸出的金属指
324：从电磁带隙结构单元第一象限区域金属臂延展的第四个弯折点处所伸出的金属指
325：从电磁带隙结构单元第一象限区域金属臂延展的第五个弯折点处所伸出的金属指
326：从电磁带隙结构单元第一象限区域金属臂延展的第六个弯折点处所伸出的金属指
327：从电磁带隙结构单元第一象限区域金属臂延展的第七个弯折点处所伸出的金属指
401：正中央的正极单元
402：正中央的正极单元上方的负极单元
403：正中央的正极单元左方的负极单元
404：正中央的正极单元下方的负极单元
405：正中央的正极单元右方的负极单元
411：正中央的正极单元第一象限区域最长指
412：与正中央的正极单元第一象限区域最长指相对的负极单元的指
413：正中央的正极单元第二象限区域最长指
414：与正中央的正极单元第二象限区域最长指相对的负极单元的指
415：正中央的正极单元第三象限区域最长指
416：与正中央的正极单元第三象限区域最长指相对的负极单元的指
417：正中央的正极单元第四象限区域最长指
418：与正中央的正极单元第四象限区域最长指相对的负极单元的指
L1：介质基板第一表面边长
L2：电磁带隙结构单元间距
L3：介质基板厚度
L4：金属臂的宽度
L5：最靠近边界的金属臂与边界的距离
L6：金属贴片间槽缝的宽度
R：中心金属化过孔的半径
L7：电磁带隙结构单元中心正方形的边长
L8：正方形电磁带隙结构单元的边长
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
如图1A和图1B所示，其为本发明较佳实施例的第一表面俯视和侧视示意图。介质基板第一表面100边长为L1，其上分布着电磁带隙结构，该结构由若干正方形电磁带隙结构单元101组成，单元间距L2相同，单元之间带有二极管102。介质基板103厚度为L3。
如图2所示，其为本发明较佳实施例的第二表面俯视示意图。介质基板第二表面200上安装有金属板201和偏置电路202，该金属板与地相连，板上带有金属化过孔203。使用结构中心的金属化过孔203为电磁带隙结构提供馈电，每隔一个电磁带隙结构单元设置一个馈电的点。为了防止加载馈电后直接与地短路，需要在添加馈电的单元下方将用于加载电压的通孔与地分离开，即添加隔离环204。正极单元对应的金属化过孔带有隔离环，不与地板相接。负极单元对应的金属化过孔直接与地板相连。导线V+与外接电源正极相连，导线V-与地相连。
如图3所示，其为本发明较佳实施例的电磁带隙结构单元的俯视示意图。将正方形电磁带隙结构单元101沿垂直和水平方向划分为四个等面积区域，单元的中心带有金属化过孔203以增加电磁带隙结构的等效电感。这种结构使用了四条金属臂301，分别在四个区域中进行Γ型延展，每个区域中金属臂延展的方式相同。
以第一象限区域为例，金属臂从单元中心沿y轴正向延展1.5mm。然后进行90°弯折，沿x轴正向延展1mm，形成Γ型折线。接着进行90°弯折，沿y轴负向延展1mm。然后进行180°弯折，沿y轴正向延展2mm。接着进行90°弯折，沿x周负向延展1mm。然后进行180°弯折，沿x轴正向延展2mm。接着进行90°弯折，沿y轴负向延展2mm。然后进行180°弯折，沿y轴正向延展3mm。接着进行90°弯折，沿x轴负向延展2mm。然后进行180°弯折，沿x轴正向延展3mm。接着进行90°弯折，沿y轴负向延展3mm。然后进行180°弯折，沿y轴正向延展4mm。接着进行90°弯折，沿x轴负向延展3mm。然后进行180°弯折，沿x轴正向延展4mm。接着进行90°弯折，沿y轴负向延展4mm。然后进行180°弯折，沿y轴正向延展5mm。接着进行90°弯折，沿x轴负向延展4.25mm。每次180°弯折均可视为进行90°弯折后延展1mm，然后再进行一次90°弯折，使得金属臂能够以进行这两次90°弯折之前的延展方向的反方向进行延展。金属臂就是按上述方式进行多次弯折缠绕，最终形成多条Γ型折线。同时，在弯折点311-317处均各伸出1条金属指一直延展至距边界0.5mm处。其中，指321长度为7.25mm，指322长度为6.25mm，指323长度为5.25mm，指324长度为4.25mm，指325长度为3.25mm，指326长度为2.25mm，指327长度为1.25mm。最后在y轴正向共伸出4指，x轴正向共伸出3指，形成多指结构。
如图1A和图1B所示，介质基板第一表面边长L1为210mm，电磁带隙结构单元间距L2为18.6mm，介质基板103厚度L3为2.5mm。
如图3所示，四条金属臂的宽度L4均为0.5mm，最靠近边界的金属臂与边界的距离L5为0.5mm，金属贴片间槽缝的宽度L6也均为0.5mm，中心金属化过孔203的半径R为0.5mm，中心正方形的边长L7为1.5mm，正方形电磁带隙结构单元101的边长L8为17.5mm。
其余象限区域金属臂与金属指的具体延展形状可由第一象限区域以单元中心为中心点，逆时针旋转得出。
如图4A和图4B所示，其为本发明较佳实施例的二极管连接第一表面和第二表面示意图。单元中央的金属化过孔103在第二表面200的相应位置上带有隔离环204的单元为正极单元，否则为负极单元。正极单元的4个最长指上添加二极管，添加后另一端搭接在相对的电磁带隙结构单元上即可。具体连接方式如下：正极单元401第一象限区域的指411与上方负极单元402第四象限区域的指412相连，第二象限区域的指413与左方负极单元403第一象限区域的指414相连，第三象限区域的指415与下方负极单元404第二象限区域的指416相连，第四象限区域的指417与右方负极单元405第三象限区域的指418相连。其中，二极管的正极与正极单元的金属指相连，负极与负极单元的金属指相连。
如图5所示，其为本发明较佳实施例的关于插入损耗的仿真数据图。当二极管偏置电压为0V时，-20dB阻带的频率范围是1.7395-1.7425GHz，中心频率为1.7410GHz。当二极管两端偏置电压为3V时，-20dB阻带的频率范围是1.7425-1.7445GHz，中心频率为1.7435GHz。当二极管两端偏置电压为6V时，-20dB阻带的频率范围是1.7445-1.7465GHz，中心频率为1.7455GHz。从以上数据和图中观察可得，本发明较佳实施例的阻带可随着二极管两端偏置电压的变化而变化，偏置电压越大，阻带将向高频移动，由此实现不同频段的阻带可重构需求。
由上述本发明较佳实施例可知，应用本发明的优点为：可以减小电磁带隙结构的尺寸，实现不同频段的阻带可重构需求。
当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。
Claims (5)
1.一种可重构四分区Γ型缠绕多指电磁带隙结构，其特征在于至少包括：
介质基板，具有相互平行的第一表面和第二表面；
所述的介质基板第一表面分布着电磁带隙结构，该结构由若干正方形电磁带隙结构单元组成，单元间距相同，单元之间带有二极管；
所述的介质基板第二表面上安装有金属板和偏置电路，金属板上带有两种金属化过孔，将用来添加电压正极的单元的金属化过孔周围切去一个圆形的区域，该圆形区域即隔离环，与其相邻的单元的金属化过孔接地作为偏置电压的负极。
2.根据权利要求1所述的可重构四分区Γ型缠绕多指电磁带隙结构，其特征在于：将所述的正方形电磁带隙结构单元沿垂直和水平方向划分为四个等面积区域，单元的中心带有金属化过孔以增加电磁带隙结构的等效电感，这种结构使用了四条金属臂，分别在四个区域中进行Γ型延展，增加了由单元中心到四角的折线总长度，从而增加了电流流经路径，达到了小型化的目的。
3.根据权利要求2所述的可重构四分区Γ型缠绕多指电磁带隙结构，其特征在于：所述电磁带隙结构使用了四条金属臂，分别在正方形电磁带隙结构单元的四个区域中进行延展，每个区域中金属臂延展的方式相同；
在第一象限区域中，金属臂从单元中心沿y轴正向开始进行Γ型延展，同时在金属臂的每一道180°弯折处，都有一条金属指由第一个弯折拐点处伸出，按弯折前金属臂延展的方向一直延展到边界处，为了保证相邻的平行金属臂之间、相邻的平行金属指之间以及相邻的金属臂与金属指之间的间距相等，金属臂在延展的过程中，一遇到金属指就进行180°弯折，每延展至正方形单元对角线处就进行90°弯折，以此方式一直延展至边界处不能弯折的地方为止，最后在y轴正向共伸出4指，x轴正向共伸出3指；
其余象限区域金属臂与金属指的具体延展形状可由第一象限区域以单元中心为中心点，逆时针旋转得出。
4.根据权利要求1所述的可重构四分区Γ型缠绕多指电磁带隙结构，其特征在于：所述的电磁带隙结构单元之间带有二极管，带有隔离环的金属化过孔的电磁带隙结构单元接偏置电压正极，此即正极单元；与其相邻的单元接电压负极，此即负极单元，正负极单元交错分布，在每个单元的四个区域中，每个区域分别有6条金属指可添加二极管，二极管的正极与正极单元相连，负极与负极单元相连；
将每个区域中最长的金属指称为指1，与其相邻的另一区域的次长指称为指2，以正极单元1指连接为例：正极单元的4个最长指上添加二极管，添加后另一端搭接在相对的电磁带隙结构单元上即可，具体连接方式如下：正极单元第一象限区域的指1与上方负极单元第四象限区域的指2相连，第二象限区域的指1与左方负极单元第一象限区域的指2相连，第三象限区域的指1与下方负极单元第二象限区域的指2相连，第四象限区域的指1与右方负极单元第三象限区域的指2相连。
5.根据权利要求1所述的可重构四分区Γ型缠绕多指电磁带隙结构，其特征在于：电磁带隙结构的馈电方式如下：
使用电磁带隙结构单元中心的金属化过孔为电磁带隙结构提供馈电，每隔一个电磁带隙结构单元设置一个馈电的点，为了防止加载馈电后直接与地短路，需要在添加馈电的单元下方将用于加载电压的通孔与地分离开，即添加隔离环，正极单元对应的金属化过孔带有隔离环，不与地板相接，负极单元对应的金属化过孔直接与地板相连，通过这种方式，我们可以使得相邻的电磁带隙结构有不同的电位，从而使二极管在加载电压时导通，用这种方式可以保证在添加偏置电压时，所有的二极管同时处于相同电压。
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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 | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |