專利名稱：一種利用人工結(jié)構(gòu)材料實現(xiàn)天線波束寬度切換的天線罩的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用人工結(jié)構(gòu)材料實現(xiàn)天線波束寬度切換的天線罩，屬于天線制作技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)意義上，一旦天線的外形確定，其基本輻射性能就不會發(fā)生本質(zhì)變化，天線的輻射波束寬度不會改變。傳統(tǒng)的方法來實現(xiàn)波束寬度控制主要有兩種改變天線尺寸參數(shù)大小，或者利用相控陣天線實現(xiàn)相位補償改變輻射波束寬度。通過改變天線尺寸(不包括改變天線陣中單元相對位置的情況)實現(xiàn)波束控制具有不靈活、不實時、不易于切換控制等缺點，不適應(yīng)于現(xiàn)代科技對信號處理快速便捷的要求。利用相控陣天線實現(xiàn)波束寬度控制雖然可以靈活、實時的切換天線波束寬度，但其有效控制方法主要是在通過控制天線后端電路來實現(xiàn)，對于天線修檢、保養(yǎng)、維護等有較高要求。
近年來出現(xiàn)了一種新型的人工結(jié)構(gòu)材料，通過設(shè)計人造單元“粒子”并將其按一定方式空間排布的一種宏觀上具有特殊電磁特性的材料。與傳統(tǒng)意義上的材料相比，新型人工結(jié)構(gòu)材料的電磁特性是由其“粒子”結(jié)構(gòu)及其空間分布決定的。其特殊的電磁特性決定它可以更有效操控電磁波的傳播、輻射等。目前，人工結(jié)構(gòu)材料在天線方面的應(yīng)用研究主要集中在如何有效地提高天線的輻射性能，如提高增益、拓寬工作帶寬、實現(xiàn)極化轉(zhuǎn)化和波束偏轉(zhuǎn)等以及如何利用人工結(jié)構(gòu)材料做天線小型化、集成化。2010年,Tomislav Debogovic,Julien Perruisseau-Carrier和Juraj Bartolic提出一種利用部分反射表面天線實現(xiàn)波束寬度的動態(tài)調(diào)控。通過控制部分反射表面中每個單元結(jié)構(gòu)變?nèi)荻O管的電容大小，可以實現(xiàn)貼片天線輻射電磁波在E面和H面的波束寬度大小。實驗測試證明當電壓變化在f 20V之間，E面波束寬度變化約8. 5°，!1面變化約13°。由于設(shè)計原理基于Fabry-Perot效應(yīng)，所以該結(jié)構(gòu)工作帶寬窄。另外，由于該結(jié)構(gòu)反射較大，所以需要另外設(shè)計匹配電路。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決方案克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種利用人工結(jié)構(gòu)材料實現(xiàn)天線波束寬度控制的天線罩，通過設(shè)計改變外加電壓使得天線(陣)輻射出的電磁波在經(jīng)過天線罩不同列的時候具有透過或全吸收的特性，及電磁波傳播的“開關(guān)”功能，當“開關(guān)”狀態(tài)滿足一定排布的時候，可以有效的控制輻射電磁波波束寬度的大小。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種利用人工結(jié)構(gòu)材料實現(xiàn)天線波束寬度切換的天線罩，其特點在于上層微波介質(zhì)板上沿橫向尺度以a為周期印刷2n列相同尺寸的“H”型金屬線結(jié)構(gòu)，相鄰列彼此獨立，并沿天線罩橫向中心軸對稱；縱向尺度上以b為周期印刷m行“H”型金屬線結(jié)構(gòu)，相鄰行通過金屬線彼此連接；每個“H”型金屬線結(jié)構(gòu)沿橫向焊接微波二極管，并保證所有2n列金屬線結(jié)構(gòu)中微波二極管排列方向相同；下層微波介質(zhì)板上沿橫向尺度以a為周期印刷2n列相同尺寸的“H”型金屬線結(jié)構(gòu)，相鄰列彼此獨立，并沿天線罩橫向中心軸對稱；縱向尺度上以b為周期印刷m行“H”型金屬線結(jié)構(gòu)，相鄰行通過金屬線彼此連接；每個“H”型金屬線結(jié)構(gòu)沿橫向串聯(lián)式焊接微波二極管和貼片電阻，并保證所有列金屬線結(jié)構(gòu)中微波二極管排列方向相同。將上下兩層介質(zhì)板固定在一起，間距為h，其中λ/5〈 !〈λ/3，λ為天線罩工作頻率。至此構(gòu)成實現(xiàn)天線波束寬度切換的人工結(jié)構(gòu)材料。將上下兩層介質(zhì)板每列“H”型金屬線結(jié)構(gòu)其中一條金屬臂外接相同正電壓，另一端接地。通過改變外加直流電壓，使得電磁波通過不同列時具有高透過率或高吸收率。將該人工結(jié)構(gòu)材料作為天線罩置于天線陣列上方，合理設(shè)計外加直流電壓的分布，就可實現(xiàn)透過波束寬度切換的目的。所述的“H”型金屬線結(jié)構(gòu)的數(shù)量由人工結(jié)構(gòu)材料天線罩覆蓋的天線口徑來確定，使人工結(jié)構(gòu)材料大小能夠覆蓋整個天線。如天線的口徑尺寸為LaXWa，則要求2XnXa彡La,mXb彡Wa,其中La表示天線口徑的橫線尺寸,Wa表示天線口徑的縱向尺寸。所述天線罩的工作頻率4與“!1”金屬線結(jié)構(gòu)的尺寸及焊接的微波二極管電容值大小有關(guān)。
所述天線罩上下兩層微波介質(zhì)板間距h的取值范圍和工作頻率有關(guān)，一般λ/5〈1ι〈λ/3。所述微波二極管的固有阻抗Rd應(yīng)盡量小，商用微波二極管一般滿足Rd〈5 Ω ;微波二極管的電容變化范圍應(yīng)盡量大，取值范圍要保證改變電容值C至少在某一頻點滿足電磁波透過/吸收兩種轉(zhuǎn)化。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果在于(I)本發(fā)明是可以有效控制天線輻射波束寬度的天線罩，無需對天線(陣)外形做尺寸參數(shù)變化，只需調(diào)節(jié)外加電壓大小，轉(zhuǎn)換電磁波透過/吸收狀態(tài)即可實現(xiàn)電線輻射電磁波波束寬度的有效控制。(2)本發(fā)明還具有設(shè)計新穎，結(jié)構(gòu)簡單、簡單新穎、成本低、實時操作、維修簡單的優(yōu)點。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)采用單面焊接微波二極管和貼片電阻的方式，制作過程簡單，和傳統(tǒng)的控制波束寬度的方法相比，具有設(shè)計方法簡單新穎、結(jié)構(gòu)簡單、成本低、實時操作、維修簡單的特點。


圖I為本發(fā)明的波束寬度切換原理示意圖；圖2為本發(fā)明天線罩的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為電磁波在經(jīng)過下層微波介質(zhì)板、上層微波介質(zhì)板及天線罩整體結(jié)構(gòu)時的特性，其中虛線表示電磁波透射行為，實現(xiàn)表示電磁波吸收行為；圖4為本發(fā)明“H”型金屬線結(jié)構(gòu)示意圖、天線罩整體結(jié)構(gòu)示意圖、上下層微波介質(zhì)板組合示意圖；1代表上層微波介質(zhì)板，2代表上層介質(zhì)板所印刷的“H”型金屬線結(jié)構(gòu)，3代表下層微波介質(zhì)板，4代表下層微波介質(zhì)板所印刷的“H”型金屬線結(jié)構(gòu)，5代表上下層微波介質(zhì)板之間的間距；6代表微波二極管，7代表貼片電阻；圖5為上下兩層單個“H”型金屬線結(jié)構(gòu)在不同電容值下的電磁仿真結(jié)果，Sll表示材料反射率，S21表示材料透射率；就頻率為3. 41GHz電磁波而言，當電容值為O. 63pF時，電磁波大部分被吸收，當電容值為I. 5pF或2. 67pF時，電磁波大部分透過；這樣就保證了電磁波在3. 41GHz可以實現(xiàn)電磁波的透射和吸收的轉(zhuǎn)換；
圖6為上下兩層單個“H”型金屬線結(jié)構(gòu)在不同參數(shù)下的電磁仿真結(jié)果。分別為橫向周期a，縱向周期b，貼片電阻阻值R及上下層微波介質(zhì)板間距h對天線罩電磁性能的影響；圖7仿真天線罩在不同開關(guān)狀態(tài)下3. 65GHz電磁波的E面遠場輻射方向圖；圖8為四種狀態(tài)下輻射電磁波的波束寬度隨頻率的變化曲線。
具體實施例方式圖I描述了本發(fā)明實現(xiàn)電磁波波束寬度控制的原理。假設(shè)材料對電磁波的透射具有“開/關(guān)”效應(yīng)，合理安排開關(guān)區(qū)域即可實現(xiàn)出射波波束寬度的控制。圖2給出了本發(fā)明所設(shè)計的天線罩的結(jié)構(gòu)示意圖。該天線罩分為結(jié)構(gòu)相似的上下兩層，通過合理控制不同列的電磁波透過“開/關(guān)”狀態(tài)，即可實現(xiàn)透射波波束寬度的控制。
圖3描述了電磁波在經(jīng)過下層微波介質(zhì)板、上層微波介質(zhì)板及天線罩整體結(jié)構(gòu)時的特性，其中虛線表示電磁波透射行為，實現(xiàn)表示電磁波吸收行為。具體來說，電磁波經(jīng)過上下兩層微波介質(zhì)板組成的“H”型金屬線結(jié)構(gòu)時具有以下性質(zhì)(I)當“H”型金屬線結(jié)構(gòu)處于“開”狀態(tài)時，電磁波如圖中虛線所示不會被反射，大部分通過結(jié)構(gòu)透射出去；(2)當“H”型金屬線結(jié)構(gòu)處于“關(guān)”狀態(tài)時，電磁波如圖中實線所示，經(jīng)過下層介質(zhì)板后部分反射，部分透射，透射的電磁波由于是在帶阻區(qū)域，被上層介質(zhì)板反射回來，一部分電磁波在兩層介質(zhì)板之間多次反射，最后相消，如圖中框(a)描述；一部分再此透過下層介質(zhì)板和被下層介質(zhì)板反射的電磁波相互干涉相消，如圖中框(b )中描述。在具體實施過程中，輻射天線由8個E面扇形喇叭天線組成。根據(jù)天線口徑大小，采用16X10個“H”型金屬線結(jié)構(gòu)，即n=8，m=10。上下層微波介質(zhì)板對應(yīng)列外加電壓一致，以xOz面為對稱面兩邊米取相冋電壓控制，其中每兩列為一組，分別標注為Gl、G2、G3、G4。在具體實施過程中，如圖4所示，在上層微波介質(zhì)板1(厚度為2mm介電常數(shù)為2. 5的Arlon 250)上刻蝕16列X 10行“H”型金屬線結(jié)構(gòu)，其中16列“H”型金屬線結(jié)構(gòu)沿天線罩橫向中心軸對稱，“H”型金屬線結(jié)構(gòu)2尺寸如下橫向周期a=27mm,縱向周期b=36mm,縱向金屬線寬w=2mm,橫向金屬線寬c=lmm，縱向金屬線間距d=6. 5mm,縫隙大小為gl=l. 2,縫隙處焊接微波二極管6，型號為SKYWORKS SMV1405-079LF,固有阻抗為O. 8 Ω，電感為O. 7nH，電容值變化范圍在O. 63^2. 67PF之間；在下層微波介質(zhì)板3(厚度為2mm介電常數(shù)為2. 5的Arlon 250)上刻蝕16列X 10行“H”型金屬線結(jié)構(gòu)，其中16列“H”型金屬線結(jié)構(gòu)沿天線罩橫向中心軸對稱，“H”型金屬線單元結(jié)構(gòu)4尺寸如下橫向周期a=27mm,縱向周期b=36mm,縱向金屬線寬w=2mm,橫向金屬線寬c=lmm，橫向焊接金屬線長度dl=l. 3_，兩個縫隙大小g2=lmm，在縫隙上焊接變?nèi)荻O管6和貼片電阻7貼片電阻阻值為11 Ω。將上下兩層“H”型金屬線單元結(jié)構(gòu)沿電場傳播方向排列，間距h=25mm，構(gòu)成天線罩單元結(jié)構(gòu)并對其進行數(shù)值仿真，結(jié)構(gòu)如圖5所示。針對3. 41GHz的電磁波，當微波二極管電容為O. 63PF時，電磁波被完全吸收，當電容為2. 67PF或I. 5pF時，電磁波幾乎完全透過。所以可以認為3. 41GHz為天線罩工作頻率，當電容值為O. 63pF時，處于狀態(tài)“關(guān)”，當電容值為2. 67pF或I. 5pF時處于“開”狀態(tài)。圖6分析了“H”型金屬線結(jié)構(gòu)主要參數(shù)對透射和吸收特性的影響。參數(shù)調(diào)節(jié)范圍的標準以Sll大于O. 33為準。Sll小于O. 33判斷為參數(shù)值在容許調(diào)節(jié)范圍內(nèi)。
構(gòu)建全模仿真，天線罩尺寸大小為432mmX360mm。仿真發(fā)現(xiàn)工作頻點發(fā)生漂移。天線罩單元結(jié)構(gòu)仿真得到的頻點為3. 41GHz，全模仿真漂到3. 65GHz。這是由于在仿真單元結(jié)構(gòu)時電磁邊界條件為無限周期，而在全模仿真時電磁邊界條件是有限大小。全模仿真時觀察點設(shè)為3. 65GHz，依次調(diào)節(jié)外加電壓大小，使得組G1、G2、G3、G4依次從吸收到透射電磁波，并記錄不同狀態(tài)下天線的E面遠場方向圖，如圖7所示。整理不同狀態(tài)下輻射電磁波的3dB波束寬度，繪制如圖8所示。圖8中可以明顯的看到通過外加電壓，進而改變二極管電容大小，可以實現(xiàn)輻射電磁波波束寬度的有效調(diào)節(jié)。波束寬度變化范圍大致在30° 15°之間。本發(fā)明未詳細闡述部分屬于本領(lǐng)域公知技術(shù)。顯然，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，參照上文所述的實施例還可能做出其它的實施方式。上文中的實施例都只是示例性的、而不是局限性的。所有的在本發(fā)明的權(quán)利要求技術(shù)方案的本質(zhì)之內(nèi)的修改都屬于其所要求保護的范圍。
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權(quán)利要求
1.一種利用人工結(jié)構(gòu)材料實現(xiàn)天線波束寬度切換的天線罩，其特征在于上層微波介質(zhì)板上，沿橫向尺度以a為周期印刷2n列相同尺寸的“H”型金屬線結(jié)構(gòu)，相鄰列彼此獨立，并沿天線罩橫向中心軸對稱；縱向尺度以b為周期印刷m行“H”型金屬線結(jié)構(gòu)，相鄰行通過金屬線彼此連接；每個“H”型金屬線結(jié)構(gòu)沿橫向焊接微波二極管，并保證所有2n列金屬線結(jié)構(gòu)中微波二極管排列方向相同；下層微波介質(zhì)板上，沿橫向尺度以a為周期印刷2n列相同尺寸的“H”型金屬線結(jié)構(gòu)，相鄰列彼此獨立，并沿天線罩橫向中心軸對稱；縱向尺度以b為周期印刷m行“H”型金屬線結(jié)構(gòu)，相鄰行通過金屬線彼此連接；每個“H”型金屬線結(jié)構(gòu)沿橫向串聯(lián)式焊接微波二極管和貼片電阻，并保證所有列金屬線結(jié)構(gòu)中微波二極管排列方向相同；將上下兩層微波介質(zhì)板固定在一起，間距為h，其中λ/5〈 !〈λ/3，λ為天線罩工作頻率；至此便構(gòu)成實現(xiàn)天線波束寬度切換的人工結(jié)構(gòu)材料；將上下兩層微波介質(zhì)板每列“H”型金屬線結(jié)構(gòu)其中一條金屬臂外接相同正電壓，另一條接地；通過改變外加直流電壓，使得電磁波通過不同列時具有高透射率或高吸收率，將該人工結(jié)構(gòu)材料作為天線罩置于天線陣列上方，通過調(diào)節(jié)外加直流電壓分布，就實現(xiàn)透過波束寬度可調(diào)的目的。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種利用人工結(jié)構(gòu)材料實現(xiàn)天線波束寬度切換的天線罩，其特征在于“Η”型金屬線結(jié)構(gòu)的數(shù)量由人工結(jié)構(gòu)材料天線罩覆蓋的天線口徑來確定，使人工結(jié)構(gòu)材料大小能夠覆蓋整個天線。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種利用人工結(jié)構(gòu)材料實現(xiàn)天線波束寬度切換的天線罩，其特征在于所述天線罩工作頻率4與“H”型金屬線結(jié)構(gòu)的尺寸及焊接的微波二極管電容值大小有關(guān)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種利用人工結(jié)構(gòu)材料實現(xiàn)天線波束寬度切換的天線罩，其特征在于所述微波二極管的固有阻抗Rd應(yīng)盡量小，滿足Rd〈5Q ;微波二極管的電容變化范圍應(yīng)盡量大，取值范圍要保證改變電容值C至少在某一頻點滿足電磁波透過/吸收兩種轉(zhuǎn)化。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種利用人工結(jié)構(gòu)材料實現(xiàn)天線波束寬度切換的天線罩，其特征在于所述貼片電阻阻值的選擇應(yīng)使得在工作頻率處天線罩的反射率盡可能小。
全文摘要
一種利用人工結(jié)構(gòu)材料實現(xiàn)天線波束寬度切換的天線罩，由印刷有相似“H”型金屬線結(jié)構(gòu)的兩層微波介質(zhì)板組成；上層微波介質(zhì)板沿橫向和縱向分別印刷2n列和m行“H”型金屬線結(jié)構(gòu)，在每個“H”型金屬線結(jié)構(gòu)中添加微波二極管；下層微波介質(zhì)板沿橫向和縱向分別印刷2n列和m行“H”型金屬線結(jié)構(gòu)；在每個“H”型金屬線結(jié)構(gòu)中添加微波二極管和貼片電阻。上下兩層微波介質(zhì)板構(gòu)成天線罩整體，兩層微波介質(zhì)板中“H”型金屬線結(jié)構(gòu)的第一行金屬線外加直流電壓，每一列單元中二極管具有相同的直流偏壓，每一列各單元之間為并聯(lián)關(guān)系通過改變外加直流電壓值，使得電磁波具有高透過或高吸收的特性。本發(fā)明將該結(jié)構(gòu)加載于天線上方，合理設(shè)計外加直流電壓分布，就能實現(xiàn)天線輻射波束的寬度切換；制作簡單、成本低。
文檔編號H01Q15/00GK102882001SQ20121036108
公開日2013年1月16日 申請日期2012年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月25日
發(fā)明者黃成 , 羅先剛, 趙澤宇, 蒲明博, 王民 申請人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所