CN107681252A - 一种利用亚波长周期性非谐振结构覆层制作紧凑型高增益天线的方法 - Google Patents

一种利用亚波长周期性非谐振结构覆层制作紧凑型高增益天线的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用亚波长周期性非谐振结构覆层制作紧凑型高增益天线的方法，属于微波天线领域。通过选择天线的工作频率；确定亚波长周期性非谐振结构整个单元结构尺寸；利用电磁仿真软件得到亚波长周期性非谐振结构单元的散射系数确定其有效折射率在工作频率下约为零；沿亚波长周期性非谐振结构三个方向的排列周期得到多层亚波长周期性非谐振结构覆层，层与层之间用电介质隔片链接；根据天线的工作频率确定基片天线的尺寸，放置于基板上；基片天线与多层亚波长周期性非谐振结构覆层通过电介质隔片链接，得到完整的天线结构。本发明提供了一种利用亚波长周期性非谐振结构覆层在给定频带范围内实现紧凑型高增益天线的方式。

Description

一种利用亚波长周期性非谐振结构覆层制作紧凑型高增益天 线的方法
技术领域
本发明涉及一种通过新型电磁等效材料结构实现高增益的天线技术领域，特别涉及一种利用亚波长周期性非谐振结构覆层制作紧凑型高增益天线的方法。
背景技术
新型人工电磁材料成为物理学、电磁学以及材料科学领域的研究热点。这些材料具有自然材料所不具有的特殊电磁特性，可以突破传统界限，提高被广泛应用的微带天线性能，满足现代通信系统的要求。但是，新型人工电磁材料的带宽很窄，限制了多种应用。
本发明提出的亚波长非谐振结构单元，作为人工电磁材料的一个新的分支，具有波束汇聚的电磁提特性。这种能力在设计具有高方向波束的天线方面特别有用。通过覆盖层结构的平坦层，从源天线发射的波可以聚焦到覆层法线方向，产生尖锐的高增益波束。由于该结构工作于非谐振频段区域，相比其他人工电磁材料，具有相对较宽的带宽。
发明内容
为了克服现有技术中的不足，本发明提供一种利用亚波长周期性非谐振结构覆层制作紧凑型高增益天线的方法，可以在一定范围内实现紧凑、小型化并且具有高增益的单频带天线。
为了达到上述发明目的，解决其技术问题所采用的技术方案如下：
一种利用亚波长周期性非谐振结构覆层制作紧凑型高增益天线的方法，包括以下步骤：
步骤1：选择天线的工作频率；
步骤2：确定亚波长周期性非谐振结构整个单元结构尺寸；
步骤3：利用电磁仿真软件得到亚波长周期性非谐振结构单元的散射系数，通过S参数提取法得到其有效折射率，确定在工作频率下约为零；
步骤4：根据步骤2仿真的亚波长周期性非谐振结构单元，在x、y和z方向周期排列得多层亚波长周期性非谐振结构覆层，层与层之间用电介质隔片链接；
步骤5：根据天线的工作频率确定基片天线的尺寸，放置于基板上；
步骤6：基片天线与多层亚波长周期性非谐振结构覆层通过电介质隔片链接，得到完整的天线结构；
步骤7：制作上述天线，并用电磁仿真软件进行优化，得到最优性能。
进一步的，在步骤1中，所述天线的工作频率在微波波段。
进一步的，在步骤2中，所述亚波长周期性非谐振结构单元包括金属结构和基底结构，所述结构尺寸包括基底结构的几何参数、基底材料、金属结构的几何参数和金属材料。
进一步的，所述金属结构采用带附加转折结构的工字形结构，所述工字形结构的几何参数包括内环的宽度、臂宽和臂长，所述臂长通过优化确定以匹配其工作频率。
优选的，所述金属材料为铜或铝。
优选的，所述基底材料为具有非磁性的各种微波介质材料，其介电常数在2-10之间，磁导率为1。
进一步的，在步骤2和步骤5中，所述基底材料在x、y和z三个方向的排布周期均在亚波长量级，小于天线波长的四分之一。
优选的，所述电磁仿真软件采用CST或者HFSS软件。
进一步的，在步骤4和步骤6中，所述电介质隔片选取的材料为采用具有非磁性的各种微波介质材料，其介电常数在2-10之间，磁导率为1。
进一步的，在步骤5中，所述基片天线采用工作频段落于覆盖层透射频带内，且可产生电场方向沿工字形长臂方向的线性极化波的天线。
本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：
1、本发明的天线利用亚波长周期性非谐振结构，更适合提高天线增益。
2、本发明的天线增益高，与具有相同辐射面积的完美辐射表面相比，沿宽边的辐射效率约为70％。
3、本发明采用了带附加转折结构的工字形结构，可以通过改变两端开口臂长的大小改变天线的工作频率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。附图中：
图1是本发明一种利用亚波长周期性非谐振结构覆层制作紧凑型高增益天线的方法工作于10GHz时的带附加转折结构的工字形单元的结构示意图；
图2是本发明一种利用亚波长周期性非谐振结构覆层制作紧凑型高增益天线的方法工作于10GHz时的带附加转折结构的工字形单元的散射参数图；
图3是本发明一种利用亚波长周期性非谐振结构覆层制作紧凑型高增益天线的方法工作于10GHz时的带附加转折结构的工字形单元的有效折射率图；
图4是本发明一种利用亚波长周期性非谐振结构覆层制作紧凑型高增益天线的方法工作于10GHz时的带附加转折结构的工字形单元组成的三层阵列的亚波长周期性非谐振结构覆层；
图5是本发明一种利用亚波长周期性非谐振结构覆层制作紧凑型高增益天线的方法工作于10GHz时的矩形贴片天线的结构示意图；
图6是本发明一种利用亚波长周期性非谐振结构覆层制作紧凑型高增益天线的方法工作于10GHz时的亚波长周期性非谐振结构覆层高增益天线的结构示意图；
图7是本发明一种利用亚波长周期性非谐振结构覆层制作紧凑型高增益天线的方法工作于10GHz时的亚波长周期性非谐振结构覆层高增益天线的参数图；
图8是本发明一种利用亚波长周期性非谐振结构覆层制作紧凑型高增益天线的方法工作于10GHz时的亚波长周期性非谐振结构覆层高增益天线的增益图；
图9是本发明一种利用亚波长周期性非谐振结构覆层制作紧凑型高增益天线的方法工作于10GHz时的亚波长周期性非谐振结构覆层高增益天线的E面方向图；
图10是本发明一种利用亚波长周期性非谐振结构覆层制作紧凑型高增益天线的方法工作于10GHz时的亚波长周期性非谐振结构覆层高增益天线的H面方向图。
具体实施方式
以下将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述和讨论，显然，这里所描述的仅仅是本发明的一部分实例，并不是全部的实例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
如图1-10所示，本发明公开了一种利用亚波长周期性非谐振结构覆层制作紧凑型高增益天线的方法，包括以下步骤：
步骤1：选择天线的工作频率；
步骤2：确定亚波长周期性非谐振结构整个单元结构尺寸；
步骤3：利用电磁仿真软件得到亚波长周期性非谐振结构单元的散射系数，通过S参数提取法得到其有效折射率，确定在工作频率下约为零；
步骤4：根据步骤2仿真的亚波长周期性非谐振结构单元，在x、y和z方向周期排列得多层亚波长周期性非谐振结构覆层，层与层之间用电介质隔片链接；具体的，沿相互垂直的水平前后方向(x，y方向)周期排列，即可得到一层亚波长周期性非谐振结构覆层。水平方向排布单元数为M，前后方向排布单元数为N。沿竖直方向(z方向)叠放层数为K层。层与层之间用电介质隔片链接，便得到K层亚波长周期性非谐振结构覆层；
步骤5：根据天线的工作频率确定基片天线的尺寸，放置于基板上；
步骤6：基片天线与多层亚波长周期性非谐振结构覆层通过电介质隔片链接，得到完整的天线结构；
步骤7：制作上述天线，并用电磁仿真软件进行优化，得到最优性能。
进一步的，在步骤1中，所述天线的工作频率在微波波段。
进一步的，在步骤2中，所述亚波长周期性非谐振结构单元包括金属结构和基底结构，所述结构尺寸包括基底结构的几何参数、基底材料、金属结构的几何参数和金属材料。
进一步的，所述金属结构采用带附加转折结构的工字形结构，所述工字形结构的几何参数包括内环的宽度、臂宽和臂长，所述臂长通过优化确定以匹配其工作频率。
优选的，所述金属材料为铜或铝。
优选的，所述基底材料为具有非磁性的各种微波介质材料，其介电常数在2-10之间，磁导率为1。
进一步的，在步骤2和步骤5中，所述基底材料在x、y和z三个方向的排布周期均在亚波长量级，小于天线波长的四分之一。
优选的，所述电磁仿真软件采用CST或者HFSS软件。
进一步的，在步骤4和步骤6中，所述电介质隔片选取的材料为采用具有非磁性的各种微波介质材料，其介电常数在2-10之间，磁导率为1。
进一步的，在步骤5中，所述基片天线采用工作频段落于覆盖层透射频带内，且可产生电场方向沿工字形长臂方向的线性极化波的天线。
具体实施步骤：
(1)选择天线的工作频率f＝10GHz；
(2)确定亚波长周期性非谐振结构整个单元结构尺寸。如图1所示，本实施例包括宽度p＝6mm，厚度为0.076mm，材料为Rogers 4350的正方形基板和带附加转折结构的工字形金属结构，金属为铜，厚度为0.038mm，内环宽度a＝b＝5mm，臂长c＝1.9mm，臂宽w＝0.3mm；
(3)如图2所示，是本发明的一种亚波长周期性非谐振结构单元利用电磁仿真软件(CST)得到的散射系数，并通过S参数提取法得到其有效折射率，如图3所示，在工作频率10GHz下折射率大小为0.05+j0.12，并且在9.5GHz到10.5GHz频率范围内，其有效折射率都低于1；
(4)根据步骤(2)仿真的亚波长周期性非谐振结构单元，沿相互垂直的水平前后方向周期排列5个单元，即可得到一层亚波长周期性非谐振结构覆层。沿竖直方向(z方向)叠放层数为3层。如图4所示，层与层之间用厚度为0.081mm，材料为Rogers 4350的电介质隔片链接，便得到三层亚波长周期性非谐振结构覆层；
(5)选取基片天线为矩形贴片天线，根据工作频率为10GHz确定天线的尺寸。如图5所示，矩形贴片的长度和宽度为L＝6.5mm，W＝8.8mm，匹配微带线的长度和宽度为4.2mm和0.2mm；
(6)如图6所示，是本实施例的天线结构。基片天线与三层亚波长周期性非谐振结构覆层通过用厚度为6mm，材料为Rogers 4350电介质隔片链接；
(7)制作上述天线，并用电磁仿真软件进行优化，得到最优性能。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种利用亚波长周期性非谐振结构覆层制作紧凑型高增益天线的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：选择天线的工作频率；
步骤2：确定亚波长周期性非谐振结构整个单元结构尺寸；
步骤3：利用电磁仿真软件得到亚波长周期性非谐振结构单元的散射系数，通过S参数提取法得到其有效折射率，确定在工作频率下约为零；
步骤4：根据步骤2仿真的亚波长周期性非谐振结构单元，在x、y和z方向周期排列得多层亚波长周期性非谐振结构覆层，层与层之间用电介质隔片链接；
步骤5：根据天线的工作频率确定基片天线的尺寸，放置于基板上；
步骤6：基片天线与多层亚波长周期性非谐振结构覆层通过电介质隔片链接，得到完整的天线结构；
步骤7：制作上述天线，并用电磁仿真软件进行优化，得到最优性能。
2.根据权利要求1所述的一种利用亚波长周期性非谐振结构覆层制作紧凑型高增益天线的方法，其特征在于，在步骤1中，所述天线的工作频率在微波波段。
3.根据权利要求1所述的一种利用亚波长周期性非谐振结构覆层制作紧凑型高增益天线的方法，其特征在于，在步骤2中，所述亚波长周期性非谐振结构单元包括金属结构和基底结构，所述结构尺寸包括基底结构的几何参数、基底材料、金属结构的几何参数和金属材料。
4.根据权利要求3所述的一种利用亚波长周期性非谐振结构覆层制作紧凑型高增益天线的方法，其特征在于，所述金属结构采用带附加转折结构的工字形结构，所述工字形结构的几何参数包括内环的宽度、臂宽和臂长，所述臂长通过优化确定以匹配其工作频率。
5.根据权利要求3所述的一种利用亚波长周期性非谐振结构覆层制作紧凑型高增益天线的方法，其特征在于，所述金属材料为铜或铝。
6.根据权利要求3所述的一种利用亚波长周期性非谐振结构覆层制作紧凑型高增益天线的方法，其特征在于，所述基底材料为具有非磁性的各种微波介质材料，其介电常数在2-10之间，磁导率为1。
7.根据权利要求1所述的一种利用亚波长周期性非谐振结构覆层制作紧凑型高增益天线的方法，其特征在于，在步骤2和步骤5中，所述基底材料在x、y和z三个方向的排布周期均在亚波长量级，小于天线波长的四分之一。
8.根据权利要求1所述的一种利用亚波长周期性非谐振结构覆层制作紧凑型高增益天线的方法，其特征在于，在步骤3中，所述电磁仿真软件采用CST或者HFSS软件。
9.根据权利要求1所述的一种利用亚波长周期性非谐振结构覆层制作紧凑型高增益天线的方法，其特征在于，在步骤4和步骤6中，所述电介质隔片选取的材料为采用具有非磁性的各种微波介质材料，其介电常数在2-10之间，磁导率为1。
10.根据权利要求1所述的一种利用亚波长周期性非谐振结构覆层制作紧凑型高增益天线的方法，其特征在于，在步骤5中，所述基片天线采用工作频段落于覆盖层透射频带内，且可产生电场方向沿工字形长臂方向的线性极化波的天线。
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