CN107394412A - 一种五频段复用的人工磁导体反射板 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种五频段复用的人工磁导体反射板。人工磁导体反射板为矩形的电容‑电感‑电容的三明治结构，应用于3‑7GHz无线通讯；由尺寸、形状相同的三层金属层、三层介质层和接地金属层构成；三层介质层和接地金属层依次排列，三层介质层分别设于依次排列三层金属层和接地金属之间；三明治结构的中部设有贯通三层金属层、三层介质层和接地金属层的馈电与固定通孔；其中第一金属层和第三金属层上分别设有相同图形的谐振缝隙，分别形成电容性等效电路；第二金属层上设有螺旋微带线，形成电感性等效电路。人工磁导体反射板形成五频段谐振效应，使得在需要的频段内，人工磁导体的反射波的相位在±90^o之间，入射波能量吸收大于40%，产生五频段磁壁效应。

Description

一种五频段复用的人工磁导体反射板

技术领域

本发明属于微波超材料人工磁导体领域，具体涉及多频段复用的微波超材料人工磁导体反射板设计。

背景技术

近年来，随着新型电磁材料的发展，人工磁导体结构的研究及应用已经成为当前微波领域的热点之一。人工磁导体是一种近似实现理想磁导体性能的新型的人工电磁材料，具有对平面波的同相位反射的特性。常见的结构主要有Mushroom结构、UC-EBG结构、方形贴片结构、耶路撒冷结构等，其中方形贴片结构为经典结构。人工磁导体除了具有对平面波的同相位反射特性以外，还具有在一定频带阻止电磁波通过的阻带特性，因此，这两种结构又被称之为电磁带隙结构。人工磁导体可以用于提高天线及射频部件的整体性能。因此，开展人工磁导体的研究具有极高的学术价值及应用价值。

利用人工磁导体对平面波的同相反射特性，将其应用于天线尤其是微带天线及天线阵列的设计中，可以有效改善天线性能、降低背瓣辐射、提高天线带宽、提高天线增益及效率。但是人工磁导体的主要工作机理是利用单元耦合来产生电磁带隙，形成类似磁壁的特性。

目前的人工磁导体反射板设计方法主要集中在平面谐振单元的形状设计，通过不同的平面单元形成不同频段的谐振，但是，平面形状的组合只能形成较少的谐振频点，通常不会超过3个，并且，如果想达到2个或3个，平面金属谐振单元的结构形式会比较复杂，会增加加工误差的影响。而目前的立体人工磁导体反射板的主要设计方法是在反射板的Z向增加立体柱状或孔状结构，通过控制通孔直径和高度来形成不同的谐振效应，虽然在立体方向增加了谐振变化，但是会给加工造成非常大的困难，并且难以控制加工精度，废品率会大大提高。

发明内容

为了实现在多个独立频段均具有磁壁的等效效应，且应用于多频段天线尤其是多频段微带天线的反射板或其他需要进行电磁波同相叠加的电磁环境，本发明提供一种五频段复用人工磁导体反射板。

一种五频段复用的人工磁导体反射板为矩形的电容-电感-电容的三明治结构，应用于3-7GHz无线通讯中的任一5个功能频段；

人工磁导体反射板由尺寸、形状相同的三层金属层、三层介质层和接地金属层构成；所述三层介质层和接地金属层依次排列，所述三层介质层分别设于依次排列三层金属层和接地金属之间；所述三明治结构的中部设有贯通三层金属层、三层介质层和接地金属层的馈电与固定通孔；

其中第一金属层和第三金属层上分别设有相同图形的谐振缝隙，分别形成电容性等效电路；第二金属层上设有螺旋微带线，形成电感性等效电路；

所述人工磁导体反射板形成五频段谐振效应，使得在需要的频段内，人工磁导体的反射波的相位在±90^o之间，入射波能量吸收大于40%，产生五频段磁壁效应。

进一步限定的技术方案如下：

所述第一金属层的一侧面外周边缘上设有一圈封闭的外周谐振缝隙13；

以馈电与固定通孔8为中心的第一金属层的一侧面上设有大十字形的四条十字谐振缝隙12，且每条十字谐振缝隙12的外端分别连通着外周谐振缝隙13；

与大十字形谐振缝隙12的四个外端对应的两侧分别设有直角谐振缝隙，且分别连通着外周谐振缝隙13形成小十字谐振缝隙，分别形成小正方形谐振金属单元；

与馈电与固定通孔8对应的外周上、相邻的十字谐振缝隙12之间设有直角谐振缝隙，且分别连通着十字谐振缝隙12，分别形成小正方形谐振金属单元；

所述第一金属层的四个角处分别设有直角谐振缝隙，且分别连通着外周谐振缝隙13形成小十字谐振缝隙，分别形成小正方形谐振金属单元；

所述各处的直角谐振缝隙结构相同，所述各处的小正方形谐振金属单元结构相同。

外周谐振缝隙13的周长L为15～25mm；

所述小正方形谐振金属单元的周长L1为2～4mm；

所述十字谐振缝隙12的宽度S为0.3～0.6mm；

所述直角谐振缝隙的宽度S1为0.1～0.3mm；

所述第二金属层上的螺旋微带线为矩形螺旋微带线，螺旋微带线的匝数 N大于5；所述螺旋微带线的一端连接着馈电与固定通孔8，螺旋微带线的最小长度单元为1.0～1.5mm，另一端分别连接至第二金属层的两侧边缘处。

所述三层介质层材料为Taconic RF-30的微波基板，介电常数3，损耗角正切0.0014；第一介质层的厚度h1为1.5～3.0mm，第二介质层的厚度h2为1.5～3.0mm。

由两个以上的所述人工磁导体反射板并联或串联组成五频段复用的人工磁导体反射平面阵。

所述五频段复用的人工磁导体反射平面阵中每个人工磁导体反射板单元的通孔既可以用于馈电通孔，也可以用于紧固螺钉孔；当辐射天线放在所述人工磁导体反射平面阵上方时，根据辐射天线的位置，自由选择任意人工磁导体反射板单元的馈电与固定通孔8作为馈电孔，其它人工磁导体反射板单元的馈电与固定通孔8作为紧固螺钉孔，方便了辐射天线位置的选择。

本发明的有益技术效果体现在以下方面：

1. 本发明已在3-7GHz宽带微波系统测试中表现出了良好的系统功能，全部五个频段反射相位均在±90^o，绝大部分频段的电磁能量吸收率大于40%。有助于五频段以及更多频段复用的微波电路与系统的实现。本发明优化了超材料反射板的结构形式，与之前立体三维超材料相比，在立体方向上采用了三层不同功能的金属层叠加的方式形成谐振变换，取代了采用不同直径和不同深度的通孔形成立体材料特性变换，这样不仅结构形式和加工工艺简单了很多，成品率得到较大提升，并且实现了更多频段（5个频段）的工作性能。

2. 本发明与之前的平面磁导体超材料相比，不仅在平面上形成金属-缝隙谐振效果，在立体方向也形成了电容-电感-电容的谐振效果，因此扩展了应用带宽，增多了应用频段，大大提升了反射板的复用性能。

3. 在本发明单元的设计中，每个单元的中心位置增加了标准化通孔的设计，（直径2mm）不仅可以采用塑料螺钉对微波基板的叠加起到紧固作用，同时，在人工磁导体单元复制扩展成任意形状时，还可以根据天线馈电点的位置，方便的选择通孔，对天线进行底部馈电，很好的解决了任意扩展板应用条件下，底部馈电的问题，大大提升了反射磁导体单元的实用性。

4. 本发明的单元在电感金属层，利用最上层的金属线将各个独立的金属矩形绕线电感串联在一起，不仅在立体方向上与第一层和第三层的金属图案形成谐振效应，并且将立体谐振单元与平面谐振单元进行的串联，进一步提升了谐振效果，增加谐振频段。

附图说明

图1 为5频段复用的人工磁导体反射板结构示意图。

图2 为5频段复用人工磁导体反射板复制扩展结构示意图。

图3为第一金属层和第三金属层上谐振金属和谐振缝隙图形的示意图。

图4为第二金属层上的螺旋微带电感结构示意图。

图5为实施例1的反射波相位变化图。

图6为实施例1的反射波幅度变化图。

图7为实施例2的反射波相位变化图。

图8为实施例2的反射波幅度变化图。

上图中序号：第一金属层1、第二金属层2、第三金属层3、接地金属层4、第一介质层5、第二介质层6、第三介质层7、馈电或固定通孔8、小正方形谐振金属单元9、大十字形谐振金属单元10、直角谐振缝隙11、十字谐振缝隙12、螺旋微带线间距13、螺旋微带线14、螺旋微带线最小单元长度15、外周谐振缝隙16。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地描述。

实施例1

参见图1，一种五频段复用的人工磁导体反射板为矩形的电容-电感-电容的三明治结构，应用于3-7GHz无线通讯。具体5个频段见表2：

人工磁导体反射板由尺寸、形状相同的三层金属层、三层介质层和接地金属层构成；所述三层介质层和接地金属层依次排列，三层介质层分别设于依次排列三层金属层和接地金属之间；三明治结构的中部设有贯通三层金属层、三层介质层和接地金属层的馈电与固定通孔8，馈电与固定通孔8的直径为2mm。馈电与固定通孔8既可以通过塑料螺钉将各层进行叠加紧固，也可以穿过射频接头对天线进行馈电。

三层金属层均为矩形板状，分别为第一金属层1、第二金属层2和第三金属层3；第一金属层1和第三金属层3上分别设有相同图形的谐振缝隙，分别形成电容性等效电路；

参见图3，谐振金属单元和谐振缝隙图形的具体结构说明如下：第一金属层1的一侧面外周边缘上设有一圈封闭的外周谐振缝隙；

以馈电与固定通孔8为中心的第一金属层1的一侧面上设有大十字形的四条十字谐振缝隙12，且每条十字谐振缝隙12的外端分别连通着外周谐振缝隙；

与十字谐振缝隙12的四个外端对应的两侧分别设有直角谐振缝隙，且分别连通着外周谐振缝隙13形成小十字谐振缝隙，分别形成小正方形谐振金属单元；

与馈电与固定通孔8对应的外周上、相邻的十字谐振缝隙12之间设有直角谐振缝隙，且分别连通着十字谐振缝隙12，分别形成小正方形谐振金属单元；

所述第一金属层的四个角处分别设有直角谐振缝隙，且分别连通着外周谐振缝隙形成小十字谐振缝隙，分别形成小正方形谐振金属单元；

上述各处的直角谐振缝隙结构相同，上述各处的小正方形谐振金属单元结构相同。

参见图4，第二金属层2上设有螺旋微带线14，形成电感性等效电路，相邻螺旋微带线之间的螺旋微带线间距13为0.7mm。

参见图1，三层介质层分别为第一介质层5、第二介质层6和接地介质层7，三层介质层材料为Taconic RF-30的微波基板，介电常数3，损耗角正切0.0014。第一介质层5的厚度h1为2.03mm，第二介质层6的厚度h2为2.54mm。接地介质层7的厚度h3为0.254mm，接地介质层7的厚度h3对性能影响不大，其它结构数据见下表1：

人工磁导体反射板形成五频段谐振效应，使得在需要的频段内，人工磁导体的反射波的相位在±90^o之间，入射波能量吸收大于40%，产生五频段磁壁效应。

人工磁导体的反射波与入射波相比，其反射相位，反射幅度等关键性能指标分别如图5和图6所示。可以看出，应用本发明所示的人工磁导体反射板，在5个相邻的通信频段均有着较好的反射相位和反射幅度，如果应用到天线或其他辐射器中，可以有效的降低天线剖面高度，提升天线增益，同时避免产生背向信号干扰。

本实施例的技术效果从图5和图6中可以看出，本实施例的多频段人工磁导体反射单元在5个通讯频段产生了磁导体效应，如表2所示，反射相位被调整到了±90^o之间，在五个频段内，入射波的能量吸收受均大于40%。因此本例的实施可以用于单元天线或者阵列天线的反射板，以提升天线系统的增益，降低天线系统的剖面。或者用于雷达目标的隐身，降低雷达反射截面。

实施例2

一种五频段复用的人工磁导体反射板为矩形的电容-电感-电容的三明治结构，应用于3-7GHz无线通讯。具体5个频段见下表4：

人工磁导体反射板由尺寸、形状相同的三层金属层、三层介质层和接地金属层构成；所述三层介质层和接地金属层依次排列，三层介质层分别设于依次排列三层金属层和接地金属之间；三明治结构的中部设有贯通三层金属层、三层介质层和接地金属层的馈电与固定通孔8，馈电与固定通孔8的直径为2mm。馈电与固定通孔8既可以通过塑料螺钉将各层进行叠加紧固，也可以穿过射频接头对天线进行馈电。

三层金属层均为矩形板状，分别为第一金属层1、第二金属层2和第三金属层3；第一金属层1和第三金属层3上分别设有相同图形的谐振缝隙，分别形成电容性等效电路；

参见图3，谐振金属单元和谐振缝隙图形的具体结构说明如下：第一金属层1的一侧面外周边缘上设有一圈封闭的外周谐振缝隙；

以馈电与固定通孔8为中心的第一金属层1的一侧面上设有大十字形的四条十字谐振缝隙12，且每条十字谐振缝隙12的外端分别连通着外周谐振缝隙；

与十字谐振缝隙12的四个外端对应的两侧分别设有直角谐振缝隙，且分别连通着外周谐振缝隙13形成小十字谐振缝隙，分别形成小正方形谐振金属单元；

与馈电与固定通孔8对应的外周上、相邻的十字谐振缝隙12之间设有直角谐振缝隙，且分别连通着十字谐振缝隙12，分别形成小正方形谐振金属单元；

所述第一金属层的四个角处分别设有直角谐振缝隙，且分别连通着外周谐振缝隙形成小十字谐振缝隙，分别形成小正方形谐振金属单元；

上述各处的直角谐振缝隙结构相同，上述各处的小正方形谐振金属单元结构相同。

参见图4，第二金属层2上设有螺旋微带线14，形成电感性等效电路，相邻螺旋微带线之间的螺旋微带线间距13为0.6mm。

微带介质板材采用Taconic RF-30的微波基板，介电常数3，损耗角正切0.0014，第一层微带板介质厚度h1为1.52mm，第二层微带板介质厚度h2为1.52mm。接地微带板厚度h3对性能影响不大，从介质板材的成本和加工工艺的便利性考虑，接地微带介质板厚度h3为0.254mm，其它结构数据见下表3：

设计完成的五频段人工磁导体反射板的关键参数如上表所示，反射波与入射波相比，其反射相位，反射幅度等关键性能指标分别如图7和图8所示。可以看出，本例所示的人工磁导体反射板，在5个相邻的通信频段均有着较好的反射相位（±90^o），能量吸收大于40%，如果应用到天线或其他辐射器中，可以有效的降低天线剖面高度，提升天线增益，同时避免产生背向信号干扰，减小雷达反射截面。

实施例3

参见图2，以实施例1的人工磁导体反射板为单元，由九块人工磁导体反射板并联或串联组成五频段复用的人工磁导体反射平面阵。当辐射天线放在所述人工磁导体反射平面阵上方时，根据辐射天线的位置，自由选择任意人工磁导体反射板单元上的馈电与固定通孔8作为馈电孔，其它人工磁导体反射板单元的馈电与固定通孔8作为紧固螺钉孔，方便了辐射天线位置的选择。

Claims (7)

1.一种五频段复用的人工磁导体反射板，其特征在于：所述人工磁导体反射板为矩形的电容-电感-电容的三明治结构，应用于3-7GHz无线通讯中的任一5个功能频段；

人工磁导体反射板由尺寸、形状相同的三层金属层、三层介质层和接地金属层构成；所述三层介质层和接地金属层依次排列，所述三层介质层分别设于依次排列三层金属层和接地金属之间；所述三明治结构的中部设有贯通三层金属层、三层介质层和接地金属层的馈电与固定通孔；

其中第一金属层和第三金属层上分别设有相同图形的谐振缝隙，分别形成电容性等效电路；第二金属层上设有螺旋微带线，形成电感性等效电路；

所述人工磁导体反射板形成五频段谐振效应，使得在需要的频段内，人工磁导体的反射波的相位在±90^o之间，入射波能量吸收大于40%，产生五频段磁壁效应。

2.根据权利要求1所述的一种五频段复用的人工磁导体反射板，其特征在于：

所述第一金属层的一侧面外周边缘上设有一圈封闭的外周谐振缝隙（13）；

以馈电与固定通孔（8）为中心的第一金属层的一侧面上设有大十字形的四条十字谐振缝隙（12），且每条十字谐振缝隙（12）的外端分别连通着外周谐振缝隙（13）；

与大十字形谐振缝隙（12）的四个外端对应的两侧分别设有直角谐振缝隙，且分别连通着外周谐振缝隙（13）形成小十字谐振缝隙，分别形成小正方形谐振金属单元；

与馈电与固定通孔（8）对应的外周上、相邻的十字谐振缝隙（12）之间设有直角谐振缝隙，且分别连通着十字谐振缝隙（12），分别形成小正方形谐振金属单元；

所述第一金属层的四个角处分别设有直角谐振缝隙，且分别连通着外周谐振缝隙（13）形成小十字谐振缝隙，分别形成小正方形谐振金属单元；

所述各处的直角谐振缝隙结构相同，所述各处的小正方形谐振金属单元结构相同。

3.根据权利要求2所述的一种五频段复用的人工磁导体反射板，其特征在于：

外周谐振缝隙（13）的周长L为15～25mm；

所述小正方形谐振金属单元的周长L1为2～4mm；

所述十字谐振缝隙（12）的宽度S为0.3～0.6mm；

所述直角谐振缝隙的宽度S1为0.1～0.3mm。

4.根据权利要求1所述的一种五频段复用的人工磁导体反射板，其特征在于：所述第二金属层上的螺旋微带线为矩形螺旋微带线，螺旋微带线的匝数 N大于5；所述螺旋微带线的一端连接着馈电与固定通孔（8），螺旋微带线的最小长度单元为1.0～1.5mm，另一端分别连接至第二金属层的两侧边缘处。

5.根据权利要求1所述的一种五频段复用的人工磁导体反射板，其特征在于：所述三层介质层材料为Taconic RF-30的微波基板，介电常数3，损耗角正切0.0014；第一介质层的厚度h1为1.5～3.0mm，第二介质层的厚度h2为1.5～3.0mm。

6.以权利要求1所述的人工磁导体反射板为单元的五频段复用的人工磁导体反射板阵，其特征在于：由两个以上的所述人工磁导体反射板并联或串联组成五频段复用的人工磁导体反射平面阵。

7.以权利要求6所述的人工磁导体反射板为单元的五频段复用的人工磁导体反射板阵，其特征在于：所述五频段复用的人工磁导体反射平面阵中每个人工磁导体反射板单元的通孔既可以用于馈电通孔，也可以用于紧固螺钉孔；当辐射天线放在所述人工磁导体反射平面阵上方时，根据辐射天线的位置，自由选择任意人工磁导体反射板单元的馈电与固定通孔（8）作为馈电孔，其它人工磁导体反射板单元的馈电与固定通孔（8）作为紧固螺钉孔，方便了辐射天线位置的选择。