CN110459875A - 一种基于紧耦合双面贴片结构的人工电介质表面 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于紧耦合双面贴片结构的人工电介质表面，该基于紧耦合双面贴片结构的人工电介质表面包括由上至下依次设置的上层金属层、介质基板和下层金属层，上层金属层和下层金属层均由大小相等的正方形贴片周期阵列而成，上层金属层和下层金属层的正方形贴片在X和Y方向上均存在相对偏移。本发明的基于紧耦合双面贴片结构的人工电介质表面的等效相对介电常数的调节范围较宽，上限值较高，可以满足现有高性能应用场合下对电磁波灵活调控的需要。本发明提出人工电介质表面的单元谐振频率较高，可以满足在较高微波频率比如在20GHz以上实现较高相对介电常数的要求。
Description
技术领域
本发明涉及人工电介质表面技术领域，特别涉及一种基于紧耦合双面贴片结构的人工电介质表面。
背景技术
人工电介质表面是用亚波长人工结构周期排列而成的具有等效介电特性的人工结构。近年来，人工电介质表面被大量应用于微波和天线工程中，如用于减小微波器件尺寸、增加天线的定向性、实现天线波束调控等。在透镜天线的应用中，人工电介质表面在折射率、阻抗、极化方面都有着明显的优势。例如在梯度指数(GRIN)超材料透镜天线中，方环形人工电介质表面用于增加带宽和实现双极化；在IML结构透镜天线中，H形人工电介质表面用于实现带宽增强，光束聚焦，增益增强和极化效率；在Luneburg透镜天线中，双圆环形人工电介质表面提供了增益和方向性的增强等等。
人工电介质表面根据其组成单元结构的不同可以划分成不同类型，如图1所示，典型的单元结构类型有工形结构、方环形结构等。而基于工形和方环形单元结构的人工电介质表面的相对介电常数可调范围较窄，不能满足现有高性能应用场合下对电磁波灵活调控的需要；谐振频率较低，难以满足在较高微波频率比如在20GHz以上实现较高相对介电常数的要求。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明目的在于提供一种结构合理，调节范围较宽，可在较高微波频率实现较高相对介电常数的人工电介质表面。其采用如下技术方案：
一种基于紧耦合双面贴片结构的人工电介质表面，其包括由上至下依次设置的上层金属层、介质基板和下层金属层，所述上层金属层和下层金属层均由大小相等的正方形贴片周期阵列而成，所述上层金属层和下层金属层的正方形贴片在X和Y方向上均存在相对偏移。
作为本发明的进一步改进，所述上层金属层和下层金属层的正方形贴片在X和Y方向上的偏移量均为半个周期长度。
作为本发明的进一步改进，所述介质基板为聚酰亚胺挠性CCL板材，所述上层金属层和下层金属层材料为铜。
作为本发明的进一步改进，所述正方形贴片的排布周期ax＝ay＝0.55mm，所述正方形贴片边长d＝0.4mm，所述介质基板的厚度ts＝0.0254mm，相对介电常数为3.5，损耗角正切Df＝0.018。
一种基于紧耦合双面贴片结构的人工电介质表面，其包括多个人工电介质表面单元，所述多个人工电介质表面单元周期排列，所述人工电介质表面单元包括由上至下依次设置的上层金属层、介质基板和下层金属层，所述上层金属层和下层金属层均由大小相等的正方形贴片周期阵列而成，所述上层金属层和下层金属层的正方形贴片在X和Y方向上均存在相对偏移。
作为本发明的进一步改进，所述多个人工电介质表面单元沿Z方向周期排列。
本发明的有益效果：
本发明的基于紧耦合双面贴片结构的人工电介质表面的等效相对介电常数的调节范围较宽，上限值较高，可以满足现有高性能应用场合下对电磁波灵活调控的需要。
本发明提出人工电介质表面的单元谐振频率较高，可以满足在较高微波频率比如在20GHz以上实现较高相对介电常数的要求。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1是本发明实施例一中基于紧耦合双面贴片结构的人工电介质表面的整体结构分解示意图；
图2是本发明实施例一中基于紧耦合双面贴片结构的人工电介质表面周期单元的侧视图；
图3是本发明实施例一中基于紧耦合双面贴片结构的人工电介质表面周期单元的各层分解示意图；
图4是图2的俯视图；
图5是图2的仰视图；
图6是本发明实施例一中基于紧耦合双面贴片结构的人工电介质表面的相对介电常数在0到30GHz的频响图；
图7是本发明实施例二中基于紧耦合双面贴片结构的人工电介质表面周期单元的结构示意图；
图8是本发明实施例二中基于紧耦合双面贴片结构的人工电介质表面的相对介电常数在0到30GHz的频响图。
标记说明：10、上层金属层；20、介质基板；30、下层金属层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
实施例一
如图1-5所示，为本发明实施例一中基于紧耦合双面贴片结构的人工电介质表面，该基于紧耦合双面贴片结构的人工电介质表面包括由上至下依次设置的上层金属层10、介质基板20和下层金属层30。
上层金属层10和下层金属层30均由大小相等的正方形贴片周期阵列而成，上层金属层10和下层金属层30的正方形贴片在X和Y方向上均存在相对偏移。
如图2-5所示，为本实施例中基于紧耦合双面贴片结构的人工电介质表面的周期单元，在一个周期单元中，包含上层金属层10的一个完整正方形贴片和下层金属层30的四个四分之一正方形贴片，上层金属层10和下层金属层30的正方形贴片在X和Y方向上的相对偏移量均为半个周期长度。
具体的，介质基板20为聚酰亚胺挠性CCL板材，上层金属层10和下层金属层30材料为铜，正方形贴片的排布周期ax＝ay＝0.55mm，正方形贴片边长d＝0.4mm，介质基板20的厚度ts＝0.0254mm，相对介电常数为3.5，损耗角正切Df＝0.018。
如图6所示，为实施例一中在基于紧耦合双面贴片结构的人工电介质表面在正入射电磁波激励下、入射电场沿着正方形贴片边沿时，其等效相对介电常数随频率变化的曲线。可以看出，该双面贴片人工电介质表面实施例在24GHz时的相对介电常数达到4.855。另外该实施例的单元谐振频率高达254GHz左右。可用来模拟厚度为1.5mm、相对介电常数在24GHz时为4.9的电介质薄板。
实施例二
如图7所示，为本实施例中基于紧耦合双面贴片结构的人工电介质表面，其包括多个人工电介质表面单元，多个人工电介质表面单元沿Z方向即垂直于人工电介质表面单元的方向周期排列而成，本实施例中的人工电介质表面单元与实施例一中的人工电介质表面结构相同，具体如图1-5所示。
具体的，本实施例中的人工电介质表面包括由上至下依次设置的上层金属层10、介质基板20和下层金属层30，上层金属层10和下层金属层30均由大小相等的正方形贴片周期阵列而成，上层金属层10和下层金属层30的正方形贴片在X和Y方向上均存在相对偏移。上层金属层10和下层金属层30的正方形贴片在X和Y方向上的相对偏移量均为半个周期长度。
在本实施例中，人工电介质表面单元的数量为二，介质基板20为聚酰亚胺挠性CCL板材，上层金属层10和下层金属层30材料为铜，正方形贴片的排布周期ax＝ay＝0.57mm，正方形贴片边长d＝0.42mm，介质基板的厚度ts＝0.0254mm，相对介电常数为3.5，损耗角正切Df＝0.018。
如图8所示，为实施例二中在基于紧耦合双面贴片结构的人工电介质表面在正入射电磁波激励下、入射电场沿着正方形贴片边沿时，其等效相对介电常数随频率变化的曲线。可以看出，该双面贴片人工电介质表面实施例在24GHz时的相对介电常数达到5.401。另外该实施例的单元谐振频率高达228GHz左右(这是受到相邻单元耦合影响时的谐振频率，孤立单元的谐振频率在242GHz左右)。可用来模拟厚度为3mm、相对介电常数在24GHz时为5.4的较厚电介质板。
本发明的基本原理如下：基于紧耦合双面贴片结构的人工电介质表面对外加电磁波会呈现出电感、电容效应；其中正方形贴片本身可以等效为电感，同金属层内相邻正方形贴片间隙以及不同层正方形贴片之间的紧耦合结构可以分别等效为电容，总电容为两部分等效电容的并联叠加。若外加电场沿着双面贴片边沿方向，则双面正方形贴片可等效为电偶极子产生电偶极矩，使得双面贴片人工电介质表面产生等效介电特性。双面贴片人工电介质表面的等效电偶极矩大小(也就是等效介电特性)可通过改变双面贴片人工电介质表面的等效电感和等效电容的大小，也即调节双面正方形贴片的尺寸、间隙来实现。
由于本发明“基于紧耦合双面贴片结构的人工电介质表面”的等效电容是同金属层内相邻正方形贴片间隙形成的电容和不同层正方形贴片之间紧耦合形成的电容的并联，因此在相同的单元排布周期下，本发明提出的双面贴片人工电介质表面可实现的等效电容数值比传统工形和方环形人工电介质的等效电容数值明显增大，等效相对介电常数调节范围的上限值也得以显著增加，达到了相对介电常数可调范围扩大的效果；同时由于基于紧耦合双面贴片结构的人工电介质表面的等效电感较小，由谐振频点计算公式可知，双面贴片人工电介质表面的谐振频率也相应较高，能够满足在较高微波频段范围比如20GHz以上模拟特定相对介电常数的需要。
以上实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。
Claims (6)
1.一种基于紧耦合双面贴片结构的人工电介质表面，其特征在于，包括由上至下依次设置的上层金属层、介质基板和下层金属层，所述上层金属层和下层金属层均由大小相等的正方形贴片周期阵列而成，所述上层金属层和下层金属层的正方形贴片在X和Y方向上均存在相对偏移。
2.如权利要求1所述的基于紧耦合双面贴片结构的人工电介质表面，其特征在于，所述上层金属层和下层金属层的正方形贴片在X和Y方向上的偏移量均为半个周期长度。
3.如权利要求1所述的基于紧耦合双面贴片结构的人工电介质表面，其特征在于，所述介质基板为聚酰亚胺挠性CCL板材，所述上层金属层和下层金属层材料为铜。
4.如权利要求3所述的基于紧耦合双面贴片结构的人工电介质表面，其特征在于，所述正方形贴片的排布周期ax＝ay＝0.55mm，所述正方形贴片边长d＝0.4mm，所述介质基板的厚度ts＝0.0254mm，相对介电常数为3.5，损耗角正切Df＝0.018。
5.一种基于紧耦合双面贴片结构的人工电介质表面，其特征在于，包括多个人工电介质表面单元，所述多个人工电介质表面单元周期排列，所述人工电介质表面单元包括由上至下依次设置的上层金属层、介质基板和下层金属层，所述上层金属层和下层金属层均由大小相等的正方形贴片周期阵列而成，所述上层金属层和下层金属层的正方形贴片在X和Y方向上均存在相对偏移。
6.如权利要求5所述的基于紧耦合双面贴片结构的人工电介质表面，其特征在于，所述多个人工电介质表面单元沿Z方向周期排列。
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