CN112490680A - 一种超材料宽带宽角扫描阻抗匹配层 - Google Patents

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陈玉山
李祥祥
宋世千
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Abstract

本发明公开了一种超材料宽带宽角扫描介质匹配层，该匹配层包括上层介质基片、半固化片、印制图形和下层介质基片，其中印制图形通过PCB工艺刻蚀于上层介质基片，上层介质基片和下层介质基片通过半固化片进行粘接，通过调节印制图形外围轮廓的长度、宽度及间隙，得到不同的工作带宽和扫描角度。本发明具有超宽带、超宽角、超材料匹配层可根据工作频段和扫描角度灵活设计、结构紧凑、体积小、重量轻，易于加工实现的优点。

Description

一种超材料宽带宽角扫描阻抗匹配层
技术领域
本发明属于天线技术领域，特别是一种超材料宽带宽角扫描阻抗匹配层。
背景技术
近年来天线领域研究出一种利用天线阵元之间的强互耦作用设计宽带或超宽带特性的阵列天线，即紧耦合阵列天线，这种天线需要通过紧密排列天线单元加强单元间的耦合，并利用阵元间的耦合来实现超宽带与小型化，这类新型阵列天线的带宽不受限于阵元独立工作时的带宽，在很宽的扫描角范围无栅瓣出现，具有很好的超宽带与宽角扫描性能。
天线的阻抗会随着扫描角度的改变而不同，导致大角度扫描失配。通过加载介质层能改善紧耦合阵列的扫描角特性，但采用介质匹配层有一定的限制，一是介质板的介电常数必须根据已有材料进行选择；二是介质板厚度较大，较为笨重；三是由于介质板参数的均匀性，很难实现在阵列各个方向扫描特性的改善。传统介质匹配层存在成本高、体积大、介电常数固定、不易于天线共形设计、装配难度大的缺点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超宽带、超宽角、超材料匹配层可根据工作频段和扫描角度灵活设计、结构紧凑、体积小、重量轻，易于加工实现的阻抗匹配层，即超材料匹配层。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种超材料宽带宽角扫描阻抗匹配层，包括上层介质基片、印制图形、半固化片、和下层介质基片，其中上层介质基片采用亚波长印刷周期超材料结构；所述印制图形通过PCB工艺刻蚀于上层介质基片底部，所述上层介质基片和下层介质基片通过半固化片进行粘接。
进一步地，采用基于Kramers-Kronig关系的反演算法，提取超材料的等效本构参数，包括介电常数、磁导率和折射率，根据所提取的参数构建超材料宽带宽角扫描阻抗匹配层。
进一步地，该超材料宽带宽角扫描阻抗匹配层与紧耦合天线共面设计。
进一步地，通过调节印制图形(2)外围轮廓的长度、宽度及间隙，得到不同的工作带宽和扫描角度。
进一步地，所述基于Kramers-Kronig关系的反演算法，具体如下：
根据反射系数S11，透射系数S21唯一确定特征阻抗z，由于复折射率多值性只针对折射率n的实部，所以根据K-K关系由n的虚部来确定实部，n的实部的取值为最接近由K-K关系所确定的实部对应的分支。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)超宽带，能在2-18GHz频带内工作；(2)超宽角，能在全频带内实现±60度扫描；(3)超材料匹配层可根据工作频段和扫描角度灵活设计；(4)超材料匹配层可与天线阵列采用印制电路工艺一体设计，结构紧凑，体积小，重量轻，易于加工实现。
附图说明
图1是本发明一种超材料宽带宽角扫描阻抗匹配层的示意图。
图2是普通介质匹配层结构示意图。
图3是本发明实施例中超材料匹配层单元传输系数幅值及相位曲线图，其中(a)为单元传输系数幅值图，(b)为单元相位曲线图。
图4是本发明实施例中超材料匹配层等效介电常数和磁导率曲线图。
图5是本发明实施例中超材料匹配层等效折射率曲线图。
图6是本发明实施例中超材料匹配层与等效介质匹配层扫描S参数对比曲线图，其中(a)为采用超材料匹配层加载后天线S11曲线图，(b)为采用介质匹配层加载后天线S11曲线图。
具体实施方式
采用超材料介质匹配层来代替常规的介质匹配层，能够实现较好的宽角阻抗匹配效果。各向异性超材料在各个方向上的相对介电常数和相对磁导率均不同，可以通过设计合适的周期结构单元来实现需要的奇异特性，从而实现阵列在二维方向上扫描特性的改善。
本发明一种超材料宽带宽角扫描阻抗匹配层，包括上层介质基片1、印制图形2、半固化片3、和下层介质基片4，其中上层介质基片1采用亚波长印刷周期超材料结构；所述印制图形2通过PCB工艺刻蚀于上层介质基片1底部，所述上层介质基片1和下层介质基片4通过半固化片3进行粘接。
进一步地，采用基于Kramers-Kronig关系的反演算法，提取超材料的等效本构参数，包括介电常数、磁导率和折射率，根据所提取的参数构建超材料宽带宽角扫描阻抗匹配层。
进一步地，该超材料宽带宽角扫描阻抗匹配层与紧耦合天线共面设计。
进一步地，通过调节印制图形2外围轮廓的长度、宽度及间隙，得到不同的工作带宽和扫描角度。
进一步地，所述基于Kramers-Kronig关系的反演算法，具体如下：
根据反射系数S11，透射系数S21唯一确定特征阻抗z，由于复折射率多值性只针对折射率n的实部，所以根据K-K关系由n的虚部来确定实部，n的实部的取值为最接近由K-K关系所确定的实部对应的分支。
下面结合附图和具体实施例，进一步说明本发明方案。
实施例
结合图1，本发明一种超材料宽带宽角扫描阻抗匹配层，包括上层介质基片1、印制图形2、半固化片3、和下层介质基片4；
所述印制图形2通过PCB工艺刻蚀于上层介质基片1，所述上层介质基片1和下层介质基片4通过半固化片3进行粘接。
进一步地，所述上层介质基片1采用亚波长印刷周期结构超材料。
进一步地，所述超材料宽带宽角扫描阻抗匹配层与紧耦合天线共面设计。
进一步地，通过调节印制图形2外围轮廓的长度、宽度及间隙，得到不同的工作带宽和扫描角度。
采用超材料介质匹配层来代替常规的介质匹配层，能够实现较好的宽角阻抗匹配效。针对传统介质匹配层成本高、体积大、介电常数固定、不易于天线共形设计、装配难度大的缺点，本发明的超材料宽带宽角阻抗匹配层，利用亚波长印刷周期结构超材料的介质等效属性，取代传统的宽角介质匹配层，以抑制阵列大角度扫描时阻抗失配所引起的盲区。基于不同入射角下和极化情况下超材料单元的传输系数，在其非谐振频段，采用基于Kramers-Kronig关系的反演算法提取超材料匹配层的等效本构参数(介电常数、磁导率和折射率)。将超材料介质匹配层与紧耦合天线共面设计，提升阵列集成度。
超材料因具有均匀介质属性，可用来作宽角匹配层，改善宽角扫描的失配。利用亚波长的周期结构构建超材料介质匹配层，利用基于Kramers-Kronig关系的反演算法电磁波的传输系数提取等效介质的本构参数，指导超材料匹配层的设计。采用双层的超材料结构可实现各向异性的介质属性，对E面和H面的扫描性能均进行改善。
超材料单元可等效均匀媒质，利用反演算法计算其等效本构参数来描述其对外界电磁场的宏观响应。电磁超材料等效本构参数提取算法通过S参数反演获得。由于传统的超材料等效本构参数反演算法的计算量较大，可采用基于Kramers-Kronig(K-K)关系的改进算法，该改进算法的基本过程为：根据S11，S21唯一确定特征阻抗z，由于复折射率多值性只针对折射率n的实部，所以可以根据K-K关系由n的虚部来确定其实部，n的实部的取值为最接近由K-K关系所确定的实部对应的分支。改进过程如下，
第一步，将n的实部与虚部分开：
Figure BDA0002785486140000041
Figure BDA0002785486140000042
上式表明n的虚部是不受分支m的影响的，因此可以唯一确定。
第二步，根据K-K关系得到n的实部：
Figure BDA0002785486140000043
其中P.V.是柯西主值。为了避免不当的K-K积分的奇异性，将积分分成两个部分，从而得到近似的K-K积分：
Figure BDA0002785486140000044
第三步，确定分支数m：
Figure BDA0002785486140000045
其中Round函数为最接近的整数，所以n最终取值为最接近由K-K关系所确定的分支m。
本实施例基于K-K关系的反演算法提取出所使用的超材料匹配层的等效介电常数、磁导率、折射率。如图2所示，左边为超材料单元的仿真模型，该双层矩形贴片单元印刷于介电常数2.2的Rogers5880基板上。单元S参数的获取通过HFSS波导模拟器进行。如图2所示，平行于基板的平面及其平行平面设置为理想电边界(PEC)，垂直于基板的平面及其平行平面设置为理性磁边界(PMC)，上平面和下平面及设置为输入和输出波端口。单元的参数尺寸如图所示。通过HFSS对单元模型进行仿真。单元仿真过程中，使用偶极子馈源。右边为普通介质加载的偶极子馈源仿真模型，介质为长方体，尺寸为8mm*8mm*4mm。设计完成，采用偶极子天线模拟阵列单元进行仿真。
图3(a)～(b)，为超材料单元的仿真S参数曲线图，给出了反射系数S11和透射系数S21的幅度和相位曲线。
图4和图5为利用基于K-K关系的反演算法提取的超材料单元的等效介电常数、等效磁导率和等效折射率，可看出在2-18GHz，该双层超材料单元的等效介电常数的实部在1.8-4之间变化，折射率在1.3-1.6之间变化。
根据反演出来的等效参数，将其加载与天线上层，图6(a)给出天线端口Smith圆图匹配效果，作为对比，图6(b)给出加载普通介质匹配层的不同扫描角(0°，30°，60°)下的匹配效果，可看出超材料匹配层具有比介质匹配层更优异的匹配效果。

Claims (5)

1.一种超材料宽带宽角扫描阻抗匹配层，其特征在于，包括上层介质基片(1)、印制图形(2)、半固化片(3)、和下层介质基片(4)，其中上层介质基片(1)采用亚波长印刷周期超材料结构；所述印制图形(2)通过PCB工艺刻蚀于上层介质基片(1)底部，所述上层介质基片(1)和下层介质基片(4)通过半固化片(3)进行粘接。
2.根据权利要求1所述的超材料宽带宽角扫描阻抗匹配层，其特征在于，采用基于Kramers-Kronig关系的反演算法，提取超材料的等效本构参数，包括介电常数、磁导率和折射率，根据所提取的参数构建超材料宽带宽角扫描阻抗匹配层。
3.根据权利要求1所述的超材料宽带宽角扫描阻抗匹配层，其特征在于，该超材料宽带宽角扫描阻抗匹配层与紧耦合天线共面设计。
4.根据权利要求1所述的超材料宽带宽角扫描阻抗匹配层，其特征在于，通过调节印制图形(2)外围轮廓的长度、宽度及间隙，得到不同的工作带宽和扫描角度。
5.根据权利要求2所述的超材料宽带宽角扫描阻抗匹配层，其特征在于，所述基于Kramers-Kronig关系的反演算法，具体如下：
根据反射系数S11，透射系数S21唯一确定特征阻抗z，由于复折射率多值性只针对折射率n的实部，所以根据K-K关系由n的虚部来确定实部，n的实部的取值为最接近由K-K关系所确定的实部对应的分支。
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