CN121663164A - 一种功率可调高定向辐射天线结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及超材料天线领域，现有的波束控制或方向图重构方法通常依赖于机械系统、相控阵或可重构超表面，缺乏在不改变波束形状的前提下，动态、连续调节定向天线辐射功率的能力，本发明提供一种功率可调高定向辐射天线结构，金属波导A一端固定SMA连接器，另一端连接金属波导B；金属波导B为腔体式结构，在金属波导B内腔设置电调控结构，金属波导C的出射面的外侧设置若干等间距分布的开口，通过改变变容二极管的电容改变电开口谐振环的谐振特性，在不同调谐状态下，介电常数近零超材料天线都能保持其高定向性和稳定的辐射方向图，本发明能够显著增强介电常数近零超材料天线的辐射功率。

Description

一种功率可调高定向辐射天线结构

技术领域

本发明涉及超材料天线领域，具体涉及一种功率可调高定向辐射天线结构。

背景技术

电磁波辐射的操控是现代天线技术的基石。定向天线能够将辐射能量聚集在特定方向以获得高增益，在雷达系统、卫星通信和点对点链路等应用中不可或缺。随着无线系统的发展，对可重构天线的需求日益增长。因此，实现定向辐射的实时可调谐已成为一个重要的研究焦点。

现有的波束控制或方向图重构方法通常依赖于机械系统【1】、相控阵【2】或可重构超表面【3-5】。尽管这些方法能有效控制辐射方向或形成多波束，但它们通常缺乏在不改变波束形状的前提下，动态、连续调节定向天线辐射功率的能力。其他策略，如集成3D打印的梯度折射率透镜【6-8】或采用主动调谐的辐射元【9-11】，也未能实现对固定高定向性波束辐射功率的高效、直接控制。

近年来，近零介电常数超材料已成为操控电磁波的有力平台【12, 13】。在ENZ介质中，相速度趋于无穷大，波长被极大地拉长，从而产生了诸如均匀相位分布和高定向性辐射等显著现象【14-16】。这些特性启发了一类新型的基于ENZ的天线【17-19】。例如，ENZ通道被用于实现全向天线的阻抗匹配【17】；ENZ谐振腔被证明具有与其物理长度无关的谐振频率【18】；此外，利用ENZ介质还实现了灵活的波前塑造【19】。尽管取得了这些重大进展，此类基于ENZ的定向天线其辐射功率的动态调谐仍然是一个巨大挑战，因为它们的工作状态在制造后基本上是静态的。

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发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种基于介电常数近零超材料的可调定向天线结构，该发明主要用于实现定向天线辐射性能的调控，解决现有技术中无法动态调控介电常数近零超材料定向天线辐射的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种基于介电常数近零超材料的可调定向辐射天线结构，包括用于传输能量的金属波导A、金属波导B和金属波导C，以及用于调控定向天线辐射功率的电调控结构，金属波导A一端固定SMA连接器，另一端连接金属波导B；金属波导B为腔体式结构，在金属波导B内腔设置电调控结构，电调控结构的正面朝向SMA连接器一侧且与金属波导A和金属波导B的连接面平行，金属波导B远离金属波导A的一端设置金属波导C，金属波导C的出射面的外侧设置若干等间距分布的开口；金属波导B和金属波导C材质相同。

进一步，金属波导A内部填充材质的介电常数范围为2~2.1，高度为0.5λ，宽度为0.19λ，λ表示电磁波的波长。

进一步，金属波导B高度为0.5λ，腔体内部填充空气。

进一步，金属波导C为腔体式结构，腔体内部填充空气，高度与金属波导B高度相同，开口的宽度为1mm，相邻开口的间距范围为0.5λ~λ。

进一步，电调控结构在基板的正面以24周期性排列的负载变容二极管的电开口谐振环单元，基板的反面设置两条馈电线，分别连接正负极的馈电电缆。

进一步，基板使用泰康利TLY-5高频板，介电常数为2.2。

综上所述，发明具有以下有益效果：

本发明将电调控结构作为光子掺杂杂质，放置在介电常数近零超材料天线腔中，通过改变变容二极管的电容，进而改变电开口谐振环的谐振特性，根据光子掺杂理论整个介电常数近零超材料天线腔的等效磁导率也随之变化，通过外加电压可以实现对天线辐射功率的动态调控，同时能够保持天线辐射高定向性，实现了通过外加电压调节电容即可动态调节定向辐射功率。同时在不同调谐状态下，介电常数近零超材料天线都能保持其高定向性和稳定的辐射方向图。本发明能够显著增强介电常数近零超材料天线的辐射功率，在高效定向通信、雷达探测、相控阵天线等领域具有重要应用。

附图说明

图1为本发明提供的一种基于介电常数近零超材料的可调定向天线结构的示意图。

图2为本发明用于调控定向天线辐射功率的电调控结构示意图。

图3为调节电开口谐振环负载电容对定向天线辐射功率的影响。

图中，1.金属波导A，2.金属波导B，3.电调控结构，4.金属波导C，5.SMA连接器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

需要说明的是，为表述方便，下文中关于方向的表述与附图本身的方向一致，但并不对本发明的结构起限定作用。

如图1~3所示，本发明公开了一种基于介电常数近零超材料的可调定向辐射天线结构，包括用于传输能量的金属波导A1、金属波导B2和金属波导C4，以及用于调控定向天线辐射功率的电调控结构3，金属波导A1一端固定SMA连接器5，另一端连接金属波导B2；金属波导B2为腔体式结构，金属波导B2高度为0.5λ，腔体内部填充空气，金属波导B2在图1中XOY面的横截面积保持不变的情况下，能够选择任意形状，在金属波导B2内腔设置电调控结构3，金属波导B2在腔内设有用于放在电调控结构3的结构，电调控结构3的正面朝向SMA连接器5一侧且与金属波导A1和金属波导B2的连接面平行，如图1所示，电调控结构正面被y方向电磁波入射才能激发谐振；金属波导B2远离金属波导A1的一端设置金属波导C4，金属波导C4的出射面的外侧设置若干等间距分布的开口；金属波导B2和金属波导C4材质相同，选用良导体金属材质，金属波导C4为腔体式结构，腔体内部填充空气，高度与金属波导B2高度相同，开口的宽度为1mm，相邻开口的间距范围为0.5λ~λ。金属波导A1内部填充材质的介电常数范围为2~2.1，长度可根据实际需求进行调整，高度为0.5λ，宽度为0.19λ，λ表示电磁波的波长。

电调控结构3在基板的正面以24周期性排列的负载变容二极管的电开口谐振环单元，电开口谐振环单元（ESRR）是板正面的用于产生电谐振的设计的结构，电谐振结构即为电路板整体结构，基板的反面设置两条馈电线，分别连接正负极的馈电电缆。基板使用泰康利TLY-5高频板，介电常数为2.2。

实施例：

为了验证本发明内容的效果，本实施例进行了电磁数值模拟。在数值模拟中，设置了尺寸为400 mm481 mm26 mm的空气域作为仿真区域，并施加频率为5.77 GHz的TE₁₀模电磁波。利用如图1所示的可调定向辐射天线结构，其中金属波导A1材料为聚四氟乙烯，介电常数为2.1，尺寸为60 mm10 mm26 mm；金属波导B2和金属波导C3的内部高均为26 mm，天线工作频率为5.77GHz，相应波长为52mm，基于波导ENZ设计原理，天线高度为26mm即为波长的一半，以实现等效介电常数近零。其中金属波导C3出射面上以0.5个波长的距离为间距，在本实施例中以26 mm的间距等距排列19个高20 mm，宽1 mm的开口，以实现天线与自由空间的阻抗匹配。

如图2所示，电调控结构为在基板上以24周期性排列的负载变容二极管的电开口谐振环单元，基板使用Taconic TLY-5高频板，介电常数为2.2，顶层为电谐振结构和变容二极管，底层为相应电路和限流电阻，板的尺寸为60 mm1 mm26 mm。通过调节加载在电开口谐振环上变容二极管的电容，定向天线的辐射特性随之发生显著变化，当改变变容二极管电容，随着电容增大，天线对功率的增强效果先增后减，同时本发明仍能保持良好的高定向性。图3为调节电容值在1.9 pF至3.1pF之间变化，对应的辐射功率与无电调控结构的辐射功率对比结果，当变容二极管的电容值为2.2 - 3.1 pF时，天线的辐射增强效果显著。

本发明调节超材料天线的定向辐射功率、保持天线高定向性，金属波导A1内部填充聚四氟乙烯材料，外部由铜箔紧密包裹，能够精准地对电磁波进行定向引导；金属波导B2为整体结构的主体部分，内部填充空气，用于放置加载变容二极管的电谐振开口谐振环，保护超材料内部关键部件同时避免外部环境对目标辐射的干扰；电调控结构为在TLY-5高频板上周期性排列的加载变容二极管的电开口谐振环，通过外加电压调节变容二极管的电容，实现对天线辐射功率的动态调控；金属波导C4使天线与自由空间实现良好的阻抗匹配。本发明在高效定向通信、雷达探测、相控阵天线等领域具有重要应用。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于介电常数近零超材料的可调定向辐射天线结构，其特征在于，包括用于传输能量的金属波导A（1）、金属波导B（2）和金属波导C（4），以及用于调控定向天线辐射功率的电调控结构（3），所述金属波导A（1）一端固定SMA连接器（5），另一端连接金属波导B（2）；所述金属波导B（2）为腔体式结构，在金属波导B（2）内腔设置电调控结构（3），电调控结构（3）的正面朝向SMA连接器（5）一侧且与金属波导A（1）和金属波导B（2）的连接面平行，金属波导B（2）远离金属波导A（1）的一端设置金属波导C（4），金属波导C（4）的出射面的外侧设置若干等间距分布的开口；金属波导B（2）和金属波导C（4）材质相同。

2.根据权利要求1所述的可调定向辐射天线结构，其特征在于，所述金属波导A（1）内部填充材质的介电常数范围为2~2.1，高度为0.5λ，宽度为0.19λ，λ表示电磁波的波长。

3.根据权利要求1所述的可调定向辐射天线结构，其特征在于，所述金属波导B（2）高度为0.5λ，腔体内部填充空气。

4.根据权利要求1所述的可调定向辐射天线结构，其特征在于，所述金属波导C（4）为腔体式结构，腔体内部填充空气，高度与金属波导B（2）高度相同，开口的宽度为1mm，相邻开口的间距范围为0.5λ~λ。

5.根据权利要求1所述的可调定向辐射天线结构，其特征在于，所述电调控结构（3）在基板的正面以2 4周期性排列的负载变容二极管的电开口谐振环单元，基板的反面设置两条馈电线，分别连接正负极的馈电电缆。

6.根据权利要求5所述的可调定向辐射天线结构，其特征在于，所述基板使用泰康利TLY-5高频板，介电常数为2.2。