CN106058466A - 一种对角线分区v形折线缠绕可重构电磁带隙结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种对角线分区V形折线缠绕可重构电磁带隙结构，为正方形有框结构，由对角线分为四个等边直角三角形区域，并在4个斜边中点处开口。每个区域从中心点沿直角边直线行进，达到三角形斜边后进行180°转折，达到直角边后90°转折，连续重复上述过程，直至达到斜边中点的开口处，增加了电流路径，达到了小型化的目的。在等间隔周期性排列的电磁带隙单元之间的开口处放置变容二极管，通过调节偏置电压，改变电磁带隙结构的阻带特性，实现阻带可重构需求。背板后上的金属过孔分为带有隔离圆环与无隔离环，隔离环过孔加正电压，无隔离环加负电压，金属过孔采用正负交错布局。本发明实现了电磁带隙结构的可重构，具有小型化和阻带可调的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种采用可重构小型化电磁带隙结构的天线阵列，特别是涉及一种采用折线形型的带隙结构和用变容二极管实现的可重构结构。
背景技术
现今卫星导航通信技术飞速发展，各种各样的通信产品与技术也如雨后春笋般地出现。对于在通信产品中用来发射与接收信号的天线，其性能优劣与尺寸大小更是直接决定着通信产品的适用领域和经济效应。
天线是用以发射或接收电磁波的一种元件，一般可从工作频率、辐射方向图(Radiation Pattern)、反射系数(Return Loss)和天线增益(Antenna Gain)等参数来获知天线的特性。现今的无线产品所使用的天线必须具有性能佳、尺寸小和成本低等特点，才能得到市场的广泛认可和应用。天线阵列作为因为其增益高的优势已被广泛应用于各种通信系统中。然而天线阵列中单元间的互耦会影响天线的特性使阵列的口径分布、输入阻抗和辐射方向图发生了改变。因此如何实现天线互耦抑制、保持天线工作稳定性已经成为天线研究的一个重要方向。电磁带隙结构是一种人造的周期结构，存在明显的频率禁带特性，能够控制电磁波的传播，达到理想磁壁的效果，因此引起人们的普遍关注。
根据目前检索发现，Li Yang等(Yang L,Fan M,Feng Z.A spiralelectromagnetic bandgap(EBG)structure and its application in microstripantenna arrays.Asia-Pacific Microwave Conference,2005:4.)提出了一种具有通孔结构的螺旋形电磁带隙结构，这种电磁带隙结构具有小型化特性和良好的禁带特性，水平放置于天线阵单元之间有效地降低了天线单元之间的互耦。Rahmat-Samii等(Yang F,Rahmat-Samii Y.Applications of electromagnetic band-gap(EBG)structures inmicrowave antenna designs.International Conference on Microwave andMillimeter Wave Technology,2002:528-531.)提出一种应用于天线的电磁带隙结构，实现了天线阵列的低互耦。曹祥玉等(王伟,曹祥玉,徐晓飞,等.基于Mushroom-like EBG的双带隙电磁带隙结构研究.通信技术,2008,41(10):50-51.)提出了一种紧凑双阻带电磁带隙结构，交错排列金属贴片实现双阻带；Masri等(Masri T,Rahim M K A,Karim M N A.Anovel 2D Sierpinski gasket electromagnetic band gap structure for multibandmicrostrip antenna.Asia-Pacific Conference on Applied Electromagnetics,2007:1-3.)提出了一种Sierpinski多阻带电磁带隙结构。但是这些设计均不能实现电磁带隙结构阻带的动态可调，很难适用于实际工程的复杂电磁环境，具有较大应用局限性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题为：克服现有技术的不足，提供一种对角线分区V形折线缠绕可重构电磁带隙结构，用于产生可调阻带，实现对不同频率的表面波的有效抑制；且具有小型化、调节简便等优点。
本发明采用的技术方案：一种对角线分区V形折线缠绕可重构电磁带隙结构，其结构实现如下：
介质基板，具有互相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带框电磁带隙结构单元组成，单元间距相同，相邻单元之间连接有变容二极管；
所述的介质基板第二表面上分布有可重构结构，包括两种金属化过孔、变容二极管和偏置电路。在每个电磁带隙结构单元之间添加变容二极管，通过金属化过孔和偏置电路改变变容二极管偏置状态实现可重构。
所述介质基板第一表面分布着电磁带隙结构，所述电磁带隙结构由若干正方形带框的电磁带隙结构单元组成，所述正方形带框的电磁带隙结构单元由对角线分为四个等边直角三角形区域构成，并在四个等边直角三角形斜边中点处开口。在四个等边直角三角形区域内，各有一条V形金属折线缠绕在其中，金属折线从中心点沿直角边直线行进，达到等边直角三角形斜边后进行180°转折，达到等边直角三角形直角边后90°转折，连续重复上述过程，直至达到最后的等边直角三角形斜边中点的开口处。
第二表面上的金属化过孔位于正方形带框电磁带隙结构单元的中心处，分为带隔离环与无隔离环两种。两种金属化过孔交错分布，即带隔离环的金属化过孔周围相邻的四个金属化过孔都无隔离环，无隔离环的金属化过孔周围相邻的四个过孔都带隔离环。带隔离环的金属化过孔连接偏置电路中的电源正极，无隔离环的金属化过孔连接偏置电路中的电源负极。
在相邻的正方形带框电磁带隙单元间放置变容二极管。变容二极管负极连接在带隔离环金属化过孔所对应单元开口处的V型折线的末端，变容二极管正极连接在无隔离环金属化过孔所对应单元开口处的V型折线末端，即带隔离环金属化过孔的单元周围四个变容二极管负极均指向该单元中心。通过两种金属化过孔，施加不同的直流反向偏置电压，调节变容二极管的电容值，从而调整阻带中心频率和阻带带宽。
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明涉及一种对角线分区V形折线缠绕可重构电磁带隙结构，用以减小尺寸，实现小型化，并在两种工作模式下分别满足不同阻带要求，实现阻带的可重构。这种电磁带隙结构单元为正方形有框结构，由对角线分为四个等边直角三角形区域，并在4个斜边中点处开口。每个区域从中心点沿直角边直线行进，达到三角形斜边后进行180°转折，达到直角边后90°转折，连续重复上述过程，直至达到斜边中点的开口处，增加了电流路径，达到了小型化的目的。在等间隔周期性排列的电磁带隙单元之间的开口处放置变容二极管，通过调节偏置电压，改变电磁带隙结构的阻带特性，实现阻带可重构需求。背板后上的金属过孔分为带有隔离圆环与无隔离环，隔离环过孔加正电压，无隔离环加负电压，金属过孔采用正负交错布局。本发明实现了电磁带隙结构的可重构，具有小型化和阻带可调的优点。
附图说明
图1为本发明较佳实例的电磁带隙结构单元俯视示意图；
图2A为本发明较佳实例的第一表面局部俯视示意图；
图2B为本发明较佳实例的第二表面局部俯视示意图；
图2C为本发明较佳实例的局部侧视示意图；
图3A为本发明较佳实例的第一表面俯视示意图；
图3B为本发明较佳实例的第二表面俯视示意图；
图3C为本发明较佳实例的侧视示意图；
图4为本发明较佳实例的插入损耗仿真数据图。
其中，附图标记：
100：第一表面
200：介质基板
300：第二表面
101：电磁带隙结构单元
101a：有隔离环的单元
101b：无隔离环的单元
102：变容二极管
102a：变容二极管正极
102b：变容二极管负极
111：折线第一线段
112：折线第二线段
113：折线第三线段
114：折线第四线段
115：折线第五线段
116：折线第六线段
117：折线第七线段
118：折线第八线段
119：折线第九线段
120：折线第十线段
121：折线末端
301：金属化过孔
301a：有隔离环金属化过孔
301b：无隔离环金属化过孔
302：偏置电路导线
H：介质基板厚度
W1：折线宽度
W2：相邻折线间的距离
W3：第一线段101与对角线间距
W4：正方形边框宽度
W5：正方形单元间距
W6：折线末端宽度/二极管模型宽度
W7：折线末端间距/二极管模型长度
W8：对角线宽度
W9：开口长度
W10：开口末端到单元顶点的长度
L：单元长度
L1：第一线段长度
L2：第二线段长度
L3：第三线段长度
L4：第四线段长度
L5：第五线段长度
L6：第六线段长度
L7：第七线段长度
L8：第八线段长度
L9：第九线段长度
L10：第十线段长度
L11：折线末端长度
V+：与外接电源正极相连的偏置电路导线
V-：与外接电源负极相连的偏置电路导线
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。
图1其为本发明较佳实施例的单元俯视示意图。
如图1所示，电磁带隙结构包括第一表面100、介质基板200、第二表面300。厚度H为2.5mm的第一介质基板200具有相互平行的第一表面100和第二表面300；第一表面100上为电磁带隙结构单元101，第二表面300上为金属化过孔301。
如图1所示，此最佳实例中，电磁带隙正方形单元101为有框结构，框的宽度为0.4mm。由对角线分为四个等边直角三角形区域，对角线宽度W8为0.4mm。在三角形斜边的中点处开口，开口长度W9为2.67mm，开口末端到单元顶点的长度W10为8.115mm。以右侧三角形为例，金属折线第一线段111从正方形中心出发，距离斜边宽度W3为0.3mm，折线宽度W1为0.5mm，沿45°方向延伸的第一线段111长度L1为9mm，然后进行180°内侧折返延伸第二线段112，第二线段长度L2为9mm，到达中线后，沿-45°方向继续延伸第三线段113，第三线段长度L3为7mm，进行180°折返延伸第四线段114，第四线段长度L4为7mm，达到中线处沿45°方向延伸第五线段115，第五线段长度L5为6.5mm，进行180°折返延伸第六线段116，第六线段长度L6位5.5mm，达到中线后延-45°方向延伸第七线段117，第七线段长度L7为4.5mm，进行180°折返，延伸第八线段118，第八线段长度L8为4mm，到达中线后延45°方向延伸第九线段119，第九线段长度L9为2.5mm，进行90°转折沿-45°方向延伸第十线段120，第十线段长度L10为1.5mm，最终到达右侧三角形斜边中点的开口处。折线路径轮廓为V字形，共形成4个V和两条单独的线段，所有转折处的宽度均为1.5mm，即相邻直线间的缝隙宽度W2为0.5mm。此时达到边框开口处，并转折45°向开口方向，末端形成一个小的正方形121，折线末端长度L11为0.5mm，宽W6为0.707mm。将此区域分别旋转90°，180°，270°得到另外三个区域。
图2A、2B、2C为本发明较佳实例的可重构电磁带隙结构模型第一、第二表面局部俯视示意图和局部侧视示意图。每个电磁带隙结构的单元边长L为18.9mm。
如图2C所示，第二表面上的金属化过孔位301于电磁带隙结构单元中心处，分为带有隔离圆环301a与无隔离环301b两种，金属化过孔直径为R＝1mm。金属化过孔使得无隔离环的单元101b和第二表面300相连，有隔离环的单元101a则与第二表面300独立。两种金属化过孔交错分布，即带有隔离环的金属化过孔周围相邻的四个金属化过孔都无隔离环，无隔离环的金属化过孔周围相邻的四个过孔都是带有隔离环的。
如图2A所示，在电磁带隙结构单元101之间添加变容二极管102形成可重构结构。此最佳实例中，单元边框的间距为W5＝0.5mm，相邻折线末端的距离为0.82mm，变容二极管的正极为102b，另一端为变容二极管负极102b。在相邻电磁带隙单元间添加变容二极管102。变容二极管负极102b连接在带有隔离环金属化过孔301a所对应单元101a开口处的V型折线的末端，正极102a连接在无隔离环金属化过孔301b所对应单元101b开口处的V型折线末端，即无隔离环金属化过孔的单元101b周围四个变容二极管正极102a指向该单元101b中心301b。将带有隔离环的金属化过孔301a连接偏置电路中的电源正极，无隔离环的金属化301b过孔连接偏置电路中的电源负极，对变容二极管进行反向偏置。通过对金属化过孔301施加不同的直流反向偏置电压，调节变容二极管102反偏状态，改变等效电容大小，从而可以调整阻带中心频率和阻带带宽。
如图3A、3B和3C所示，其为本发明较佳实例的第一表面俯视示意图、第二表面俯视示意图和侧视图。第二表面上带有隔离环的金属化过孔使用偏置电路导线302相连，加载正电压V+，第二表面的地板加载V-。
如图4所示，本发明电磁带隙结构的传输系数S21仿真结果。在不同等效电容下，|S12|所对应的-20dB频点发生改变。当二极管偏置电压为1.5V一个变容二极管的等效电容为20pF时，-20dB阻带的频率范围是1.27-1.308GHz，中心频率为1.289GHz。当二极管偏置电压为3V，即一个变容二极管的等效电容为15pF时，-20dB阻带的频率范围是1.275-1.313GHz，中心频率为1.294GHz。当二极管偏置电压为10V，一个变容二极管的等效电容为5pF时，-20dB阻带的频率范围是1.28-1.315GHz，中心频率为1.298GHz。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变容二极管两端反向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。可知，本发明实例表明电磁带隙结构具有很好的阻带特性，并且可以通过可重构结构调节阻带位置。
由上述本发明较佳实施例可知，应用本发明的优点为电磁带隙结构小型化、阻带调节简便。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)
1.一种对角线分区V形折线缠绕可重构电磁带隙结构，其特征在于至少包括：
介质基板，具有互相平行的第一表面和第二表面；
所述介质基板第一表面分布着电磁带隙结构，所述电磁带隙结构由若干正方形带框的电磁带隙结构单元组成，所述正方形带框的电磁带隙结构单元由对角线分为四个等边直角三角形区域构成，并在四个等边直角三角形斜边中点处开口；在四个等边直角三角形区域内，各有一条V形金属折线缠绕在其中，金属折线从中心点沿直角边直线行进，达到等边直角三角形斜边后进行180°转折，达到等边直角三角形直角边后90°转折，连续重复上述过程，直至达到最后的等边直角三角形斜边中点的开口处；在相邻的正方形带框的电磁带隙单元间之间连接有变容二极管；
所述介质基板第二表面上分布有可重构结构，包括金属化过孔和偏置电路；金属过孔分为带有隔离圆环金属化过孔和无隔离环金属化过孔，带隔离环金属化过孔连接偏置电路中的电源正极，无隔离环金属化过孔连接偏置电路中的电源负极；通过对两种金属化过孔施加不同的直流反向偏置电压，调节变容二极管的电容值，从而调整阻带中心频率和阻带带宽，改变电磁带隙结构的阻带特性，实现阻带可重构需求。
2.根据权利要求1所述的对角线分区V形折线缠绕可重构电磁带隙结构，其特征在于：所述每个电磁带隙结构单元间距相同，呈等间隔周期性排列。
3.根据权利要求1所述的对角线分区V形折线缠绕可重构电磁带隙结构，其特征在于：所述第二表面上的金属化过孔位于正方形带框电磁带隙结构单元的中心处。
4.根据权利要求1所述的对角线分区V形折线缠绕可重构电磁带隙结构，其特征在于：所述带隔离环与无隔离环两种金属化过孔交错分布，即带隔离环的金属化过孔周围相邻的四个金属化过孔都无隔离环，无隔离环的金属化过孔周围相邻的四个过孔都带隔离环。
5.根据权利要求1所述的对角线分区V形折线缠绕可重构电磁带隙结构，其特征在于：所述变容二极管负极连接在带隔离环金属化过孔所对应正方形带框的电磁带隙结构单元开口处的V型折线的末端，变容二极管正极连接在无隔离环金属化过孔所对应正方形带框的电磁带隙结构单元开口处的V型折线末端，即带隔离环金属化过孔的单元周围四个变容二极管负极均指向该单元中心。
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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 |