CN113224537A - 应用于无线输电的类f-p腔体超材料微带天线设计方法 - Google Patents

应用于无线输电的类f-p腔体超材料微带天线设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种应用于无线输电的类F‑P腔体超材料微带天线设计方法，包括以下步骤：S1：构建加载超材料的谐振腔天线；S2：利用散射参量提取法，计算超材料的S参数；S3：基于超材料的S参数，对谐振腔天线进行观测，得到合格的谐振腔天线；S4：利用矢量网络分析仪测试合格的谐振腔天线的S参数，得到谐振腔天线的回波损耗，完成微带天线设计。本发明的微带贴片天线加载了超材料后天线的方向性提高，增益提高，对于定向传输来说，天线反向的功率密度得到了抑制，并转化为正方向的功率密度。

Description

应用于无线输电的类F-P腔体超材料微带天线设计方法
技术领域
本发明属于天线设计技术领域，具体涉及一种应用于无线输电的类F-P腔体超材料微带天线设计方法。
背景技术
无线输电系统在近年来受到很多研究人员的青睐，也取得了很大的发展。目前的无线输电系统传输效率低，传输距离较短，在最近几年，超材料已经被大量的用到新型天线的设计中。研究学者们发现超材料可以调控电磁波的幅值，相位控制电磁波发射方向的特性等。从而可以通过在天线中集成超材料，来提高天线的增益和方向性等性能指标，并在不牺牲其他相对辐射特性的情况下可以大幅减小它们的几何尺寸。因此基于超材料的FP腔体微带天线可以完美的提高无线输电的效率。
但是现有天线设计方法设计出来的天线方向性和增益较低，对于定向传输来说，天线反向的功率密度得不到有效抑制，不能成功转化为正方向的功率密度。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有天线设计方法设计出来的天线方向性和增益较低的问题，提出了一种应用于无线输电的类F-P腔体超材料微带天线设计方法。
本发明的技术方案是：一种应用于无线输电的类F-P腔体超材料微带天线设计方法，包括以下步骤：
S1：构建加载超材料的谐振腔天线；
S2：利用散射参量提取法，计算超材料的S参数；
S3：基于超材料的S参数，对谐振腔天线进行观测，得到合格的谐振腔天线；
S4：利用矢量网络分析仪测试合格的谐振腔天线的S参数，得到谐振腔天线的回波损耗，完成微带天线设计。
进一步地，步骤S1中，构建谐振腔天线的具体方法为：在微带天线基板上加载类F-P腔体超材料，使其反射相位在微带天线工作频率处为0，得到天线剖面厚度小于
Figure BDA0003046930410000021
的谐振腔天线，其中，λ表示微带天线波长。
进一步地，步骤S2中，超材料的S参数包括透射系数S21和反射系数S11，透射系数S21和反射系数S11满足下列关系式：
Figure BDA0003046930410000022
Figure BDA0003046930410000023
进一步地，步骤S3包括以下子步骤：
S31：利用HFSS电磁仿真软件搭建矩阵波导模型，得到特征透射峰；
S32：在特征透射峰内，在谐振腔天线上方放置电磁透镜，利用电磁透镜观测谐振腔天线的透射系数S21和反射系数S11，并判断谐振腔天线是否合格，若合格则进入步骤S4，否则继续观测谐振腔天线的透射系数S21和反射系数S11，直至合格。
进一步地，步骤S31中，电磁透镜的第一长度L1为10.12mm，第二长度L2为8.78mm，第一宽度W1为0.3mm，第二宽度S1为0.28mm。
进一步地，步骤S32中，若电磁透镜观测透射系数S21和反射系数S11低于-10dB，则谐振腔天线合格，否则不合格。
本发明的有益效果是：本发明的微带贴片天线加载了超材料后天线的方向性提高，增益提高，对于定向传输来说，天线反向的功率密度得到了抑制，并转化为正方向的功率密度。
附图说明
图1为类F-P腔体超材料微带天线设计方法的流程图；
图2为本发明中法布里-珀罗谐振腔形天线示意图；
图3为本发明中超材料电磁透镜单元结构及尺寸示意图；
图4为本发明实施中负介电常数与负磁导率的示意图；
图5为本发明实施中加入超材料后的仿真结果示意图；
图6为本发明实施例中最大收束效果的平面为E面与H面的二面角分面示意图；
图7为本发明实施例中使用矢量网络分析仪测试天线的S参数示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作进一步的说明。
在描述本发明的具体实施例之前，为使本发明的方案更加清楚完整，首先对本发明中出现的缩略语和关键术语定义进行说明：
类F-P腔体：全名是法布里-珀罗谐振腔(Fabry–Pérot cavity)，也即平面平行腔(plane-parallel cavity(resonator))，是光学谐振腔的一种，由两个平行平面反射镜组成，常应用于半导体激光器。
如图1所示，本发明提供了一种应用于无线输电的类F-P腔体超材料微带天线设计方法，包括以下步骤：
S1：构建加载超材料的谐振腔天线；
S2：利用散射参量提取法，计算超材料的S参数；
S3：基于超材料的S参数，对谐振腔天线进行观测，得到合格的谐振腔天线；
S4：利用矢量网络分析仪测试合格的谐振腔天线的S参数，得到谐振腔天线的回波损耗，完成微带天线设计。
在本发明实施例中，步骤S1中，构建谐振腔天线的具体方法为：在微带天线基板上加载类F-P腔体超材料，使其反射相位在微带天线工作频率处为0，得到天线剖面厚度小于
Figure BDA0003046930410000041
的谐振腔天线，其中，λ表示微带天线波长。
在本发明实施例中，步骤S2中，超材料的S参数包括透射系数S21和反射系数S11，透射系数S21和反射系数S11满足下列关系式：
Figure BDA0003046930410000042
Figure BDA0003046930410000043
其中，
Figure BDA0003046930410000044
n表示折射率，z表示波阻抗，k表示空间自由波矢，d表示距离，f(m)表示天线本体的折射率。
在本发明实施例中，步骤S3包括以下子步骤：
S31：利用HFSS电磁仿真软件搭建矩阵波导模型，得到特征透射峰；
S32：在特征透射峰内，在谐振腔天线上方放置电磁透镜，利用电磁透镜观测谐振腔天线的透射系数S21和反射系数S11，并判断谐振腔天线是否合格，若合格则进入步骤S4，否则继续观测谐振腔天线的透射系数S21和反射系数S11，直至合格。
在本发明实施例中，如图3所示，步骤S31中，电磁透镜的第一长度L1为10.12mm，第二长度L2为8.78mm，第一宽度W1为0.3mm，第二宽度S1为0.28mm。
在本发明实施例中，步骤S32中，若电磁透镜观测透射系数S21和反射系数S11低于-10dB，则谐振腔天线合格，否则不合格。
在本发明实施例中，为对结果进行验证修订通过实验分别测试圆极化天线本体和加入超材料电磁透镜之后的方向性参数，接下来的测试频点将修正为2.45G与2.29G两个，圆极化天线本体与加入电磁透镜之后的天线模块都参与这两个频点的测试。
下面以实施例作为说明。
步骤(1)：超材料微带天线的原理以及设计：
1)如图2所示，通过改变微带天线基板的反射行为，在天线的基板处加载人工磁导体表面，使其反射相位在天线工作频率处接近0，得到天线剖面厚度为远小于
Figure DA00030469304149454423
的谐振腔天线；
2)通过等效电路的方法确实能够直接得到谐振频率，进而进行其他计算。但是结构单元的电路等效并不一定都像谐振环一样较为简单，这对于进一步优化结构使不利的。对于均匀入射的电磁波，引入平均能流密度，基于色散关系可以算出折射率、阻抗与S参数的关系，即散射参量提取法，折射率n和波阻抗z分别如公式：
Figure BDA0003046930410000051
Figure BDA0003046930410000052
散射参量提取法需要注意“±”的存在，在折射率实部接近0时，会不可避免地出现误差导致取值错误的情况，将折射率切换成对数运算最为准确。而从单纯地选取数据而言，应尽量保证选取较少跳动的S参数。根据此特点，选择S参数在区间内保持单调或简单的递增递减关系，在不考虑余项的情况下，近零折射率满足
Figure BDA0003046930410000053
进一步解此方程，可以得到
Figure BDA0003046930410000054
步骤(2)：系统仿真
1)确定单元基础参数之后超材料电磁透镜结构尺寸L1＝10.12mm，L2＝8.78mm，s1＝0.28mm，w1＝0.3mm，具体位置如图3所示；
2)在HFSS电磁仿真软件中搭建一个矩形波导模型，在通带中，可观测到特征透射峰，在此透射峰之内能够实现负介电常数与负磁导率。如下图4所示，对于本超材料而言，实现左手特性的区间2.4-2.5GHz；
3)在环境中搭建一个腔体天线模型，在天线上方放置电磁透镜，观测电磁透镜对参数的影响，首先可以观测到S参数发生改变，频点发生明显变化，由之前的2.4G变成2.26G和2.58G两点，在区间(2.27-2.28)的反射相位发生波动，趋近-180°，前者是由于电磁透镜的存在，引发谐振点偏移，后者是F-P腔体结构带来的，其中两个频点均为-10dB以下，满足对天线反射系数的要求，图5(a)和(b)为加入超材料后的仿真结果，其验证了理论的正确性，能够证明其对电磁波的负折射特性。
在进一步分析中，发现真正得到最大收束效果的平面为E面与H面的二面角分面，对应45°处，如图6所示，收敛区间在(64，129)中，较E面和H面有明显差别，这与天线本身的性质有关，由于圆极化天线在对角线附近选馈电位置，导致天线的方向性图稍有变化。根据计算，两个极大值为-4.8dB和-3.9dB，由此可以证明，近零折射电磁透镜产生预期效果。
步骤(3)：天线的实际性能测试；
1)使用矢量网络分析仪测试天线的S参数，结果如图7所示。图7(a)为未加超材料，图7(b)为加载超材料，圆极化天线的通频带在2.4G-2.5G之间，仿真结果中的频带在2.35GHz-2.45GHz之间，在2.45G处为-20dB左右，在通频带内的最小值小于-30dB。在加入电磁透镜之后，观测S参数。通频带在2.25G-2.31G和2.58G-2.62G两个区间内，最小值为2.28G的-11.4dB，也出现了数值变大的情况。此处同上述引发偏差的原因相同；
2)通过实验将分别测试圆极化天线本体和加入超材料电磁透镜之后的方向性参数，接下来的测试频点将修正为2.45G与2.29G两个，为证明确实是超材料电磁透镜的引入导致频点偏移，圆极化天线本体与加入电磁透镜之后的天线模块都参与这两个频点的测试，基于先前结果，无论是天线本体还是加入透镜的天线模块，均存在增益未达到仿真效果的现象，天线本体的仿真结果为3.5dB左右，加入透镜后的仿真结果为6.2dB左右。根据图中显示结果，天线本体在2.29GHz处增益只有-4.95dB，可以确定天线本身不具有此频点，因此可以断定是由于超材料引发的频点偏移，天线在加入透镜前后均保持右旋极化，其中天线本体最大增益1.37dB，前后比10.57。在加入透镜之后最大增益为4.83dB，前后比15.33，增益值提升了3.46dB，前后比提升4.76，方向性值也提升了1.41。
本实施例中，呈现的波束收敛结果并不像仿真中的结果，由此产生的后果便是超材料发生了性能上的微小变化，因此，制作的近零折射率电磁透镜可能发生了频率的偏移或者折射率的变大，从理论角度出发，近零点应为正近零点。由试验与仿真结果可以看出，所设计的超材料微带贴片天线是合理可行的，加载了超材料后天线的方向性提高，增益提高，对于定向传输来说，天线反向的功率密度得到了抑制，并转化为正方向的功率密度。
再进一步进行分析，将两个频点的方向性参数放置于一张图中进行对比，结果如下图所示。能够看到在区间(-90，90)之间，实际上获得了提升，而在(-60，60)之间较为明显，在(-180，90)与(90，180)之间有小幅度的收敛。收敛现象在2.45GHz处更加明显，但此频率下反射损耗过大。
本发明的工作原理及过程为：本发明提供了一种应用于无线输电的类F-P腔体超材料微带天线设计方法，该微带天线设计方法包括如下步骤：步骤1：超材料微带天线的原理以及设计：通过改变微带天线基板的反射行为，在天线的基板处加载人工磁导体表面，使其反射相位在天线工作频率处接近0，得到天线剖面厚度为远小于
Figure BDA0003046930410000081
的谐振腔天线；步骤2：利用散射参量提取法，计算超材料的单元基础参数；步骤3：基于超材料的单元基础参数，对谐振腔天线进行观测；步骤4：利用矢量网络分析仪测试谐振腔天线的S参数。
本发明的有益效果为：本发明的微带贴片天线加载了超材料后天线的方向性提高，增益提高，对于定向传输来说，天线反向的功率密度得到了抑制，并转化为正方向的功率密度。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.应用于无线输电的类F-P腔体超材料微带天线设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：构建加载超材料的谐振腔天线；
S2：利用散射参量提取法，计算超材料的S参数；
S3：基于超材料的S参数，对谐振腔天线进行观测，得到合格的谐振腔天线；
S4：利用矢量网络分析仪测试合格的谐振腔天线的S参数，得到谐振腔天线的回波损耗，完成微带天线设计。
2.根据权利要求1所述的应用于无线输电的类F-P腔体超材料微带天线设计方法，其特征在于，所述步骤S1中，构建谐振腔天线的具体方法为：在微带天线基板上加载类F-P腔体超材料，使其反射相位在微带天线工作频率处为0，得到天线剖面厚度小于
Figure FDA0003046930400000011
的谐振腔天线，其中，λ表示微带天线波长。
3.根据权利要求1所述的应用于无线输电的类F-P腔体超材料微带天线设计方法，其特征在于，所述步骤S2中，超材料的S参数包括透射系数S21和反射系数S11，透射系数S21和反射系数S11满足下列关系式：
Figure FDA0003046930400000012
Figure FDA0003046930400000013
4.根据权利要求1所述的应用于无线输电的类F-P腔体超材料微带天线设计方法，其特征在于，所述步骤S3包括以下子步骤：
S31：利用HFSS电磁仿真软件搭建矩阵波导模型，得到特征透射峰；
S32：在特征透射峰内，在谐振腔天线上方放置电磁透镜，利用电磁透镜观测谐振腔天线的透射系数S21和反射系数S11，并判断谐振腔天线是否合格，若合格则进入步骤S4，否则继续观测谐振腔天线的透射系数S21和反射系数S11，直至合格。
5.根据权利要求4所述的应用于无线输电的类F-P腔体超材料微带天线设计方法，其特征在于，所述步骤S32中，电磁透镜的第一长度L1为10.12mm，第二长度L2为8.78mm，第一宽度W1为0.3mm，第二宽度S1为0.28mm。
6.根据权利要求4所述的应用于无线输电的类F-P腔体超材料微带天线设计方法，其特征在于，所述步骤S32中，若电磁透镜观测透射系数S21和反射系数S11均低于-10dB，则谐振腔天线合格，否则不合格。
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WO2023235233A1 (en) * 2022-05-31 2023-12-07 X Development Llc Designing photonic integrated circuits based on arrays of inverse-designed components

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