一种利用人工结构材料实现天线波束宽度切换的天线罩制造技术

技术编号:8216806 阅读:380 留言:0更新日期:2013-01-17 18:49
一种利用人工结构材料实现天线波束宽度切换的天线罩,由印刷有相似“H”型金属线结构的两层微波介质板组成;上层微波介质板沿横向和纵向分别印刷2n列和m行“H”型金属线结构,在每个“H”型金属线结构中添加微波二极管;下层微波介质板沿横向和纵向分别印刷2n列和m行“H”型金属线结构;在每个“H”型金属线结构中添加微波二极管和贴片电阻。上下两层微波介质板构成天线罩整体,两层微波介质板中“H”型金属线结构的第一行金属线外加直流电压,每一列单元中二极管具有相同的直流偏压,每一列各单元之间为并联关系通过改变外加直流电压值,使得电磁波具有高透过或高吸收的特性。本发明专利技术将该结构加载于天线上方,合理设计外加直流电压分布,就能实现天线辐射波束的宽度切换;制作简单、成本低。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种利用人工结构材料实现天线波束宽度切换的天线罩,属于天线制作

技术介绍
传统意义上,一旦天线的外形确定,其基本辐射性能就不会发生本质变化,天线的辐射波束宽度不会改变。传统的方法来实现波束宽度控制主要有两种改变天线尺寸参数大小,或者利用相控阵天线实现相位补偿改变辐射波束宽度。通过改变天线尺寸(不包括改变天线阵中单元相对位置的情况)实现波束控制具有不灵活、不实时、不易于切换控制等缺点,不适应于现代科技对信号处理快速便捷的要求。利用相控阵天线实现波束宽度控制虽然可以灵活、实时的切换天线波束宽度,但其有效控制方法主要是在通过控制天线后端电路来实现,对于天线修检、保养、维护等有较高要求。 近年来出现了一种新型的人工结构材料,通过设计人造单元“粒子”并将其按一定方式空间排布的一种宏观上具有特殊电磁特性的材料。与传统意义上的材料相比,新型人工结构材料的电磁特性是由其“粒子”结构及其空间分布决定的。其特殊的电磁特性决定它可以更有效操控电磁波的传播、辐射等。目前,人工结构材料在天线方面的应用研究主要集中在如何有效地提高天线的辐射性能,如提高增益、拓宽工作带宽、实现极化转化和波束偏转等以及如何利用人工结构材料做天线小型化、集成化。2010年,Tomislav Debogovic,Julien Perruisseau-Carrier和Juraj Bartolic提出一种利用部分反射表面天线实现波束宽度的动态调控。通过控制部分反射表面中每个单元结构变容二极管的电容大小,可以实现贴片天线辐射电磁波在E面和H面的波束宽度大小。实验测试证明当电压变化在f 20V之间,E面波束宽度变化约8. 5°,!1面变化约13°。由于设计原理基于Fabry-Perot效应,所以该结构工作带宽窄。另外,由于该结构反射较大,所以需要另外设计匹配电路。
技术实现思路
本专利技术的技术解决方案克服现有技术的不足,提供一种利用人工结构材料实现天线波束宽度控制的天线罩,通过设计改变外加电压使得天线(阵)辐射出的电磁波在经过天线罩不同列的时候具有透过或全吸收的特性,及电磁波传播的“开关”功能,当“开关”状态满足一定排布的时候,可以有效的控制辐射电磁波波束宽度的大小。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是一种利用人工结构材料实现天线波束宽度切换的天线罩,其特点在于上层微波介质板上沿横向尺度以a为周期印刷2n列相同尺寸的“H”型金属线结构,相邻列彼此独立,并沿天线罩横向中心轴对称;纵向尺度上以b为周期印刷m行“H”型金属线结构,相邻行通过金属线彼此连接;每个“H”型金属线结构沿横向焊接微波二极管,并保证所有2n列金属线结构中微波二极管排列方向相同;下层微波介质板上沿横向尺度以a为周期印刷2n列相同尺寸的“H”型金属线结构,相邻列彼此独立,并沿天线罩横向中心轴对称;纵向尺度上以b为周期印刷m行“H”型金属线结构,相邻行通过金属线彼此连接;每个“H”型金属线结构沿横向串联式焊接微波二极管和贴片电阻,并保证所有列金属线结构中微波二极管排列方向相同。将上下两层介质板固定在一起,间距为h,其中λ/5〈 !〈λ/3,λ为天线罩工作频率。至此构成实现天线波束宽度切换的人工结构材料。将上下两层介质板每列“H”型金属线结构其中一条金属臂外接相同正电压,另一端接地。通过改变外加直流电压,使得电磁波通过不同列时具有高透过率或高吸收率。将该人工结构材料作为天线罩置于天线阵列上方,合理设计外加直流电压的分布,就可实现透过波束宽度切换的目的。所述的“H”型金属线结构的数量由人工结构材料天线罩覆盖的天线口径来确定,使人工结构材料大小能够覆盖整个天线。如天线的口径尺寸为LaXWa,则要求2XnXa彡La,mXb彡Wa,其中La表示天线口径的横线尺寸,Wa表示天线口径的纵向尺寸。所述天线罩的工作频率4与“!1”金属线结构的尺寸及焊接的微波二极管电容值大小有关。 所述天线罩上下两层微波介质板间距h的取值范围和工作频率有关,一般λ/5〈1ι〈λ/3。所述微波二极管的固有阻抗Rd应尽量小,商用微波二极管一般满足Rd〈5 Ω ;微波二极管的电容变化范围应尽量大,取值范围要保证改变电容值C至少在某一频点满足电磁波透过/吸收两种转化。本专利技术与现有技术相比的有益效果在于(I)本专利技术是可以有效控制天线辐射波束宽度的天线罩,无需对天线(阵)外形做尺寸参数变化,只需调节外加电压大小,转换电磁波透过/吸收状态即可实现电线辐射电磁波波束宽度的有效控制。(2)本专利技术还具有设计新颖,结构简单、简单新颖、成本低、实时操作、维修简单的优点。本专利技术的结构采用单面焊接微波二极管和贴片电阻的方式,制作过程简单,和传统的控制波束宽度的方法相比,具有设计方法简单新颖、结构简单、成本低、实时操作、维修简单的特点。附图说明图I为本专利技术的波束宽度切换原理示意图;图2为本专利技术天线罩的结构示意图;图3为电磁波在经过下层微波介质板、上层微波介质板及天线罩整体结构时的特性,其中虚线表示电磁波透射行为,实现表示电磁波吸收行为;图4为本专利技术“H”型金属线结构示意图、天线罩整体结构示意图、上下层微波介质板组合示意图;1代表上层微波介质板,2代表上层介质板所印刷的“H”型金属线结构,3代表下层微波介质板,4代表下层微波介质板所印刷的“H”型金属线结构,5代表上下层微波介质板之间的间距;6代表微波二极管,7代表贴片电阻;图5为上下两层单个“H”型金属线结构在不同电容值下的电磁仿真结果,Sll表示材料反射率,S21表示材料透射率;就频率为3. 41GHz电磁波而言,当电容值为O. 63pF时,电磁波大部分被吸收,当电容值为I. 5pF或2. 67pF时,电磁波大部分透过;这样就保证了电磁波在3. 41GHz可以实现电磁波的透射和吸收的转换;图6为上下两层单个“H”型金属线结构在不同参数下的电磁仿真结果。分别为横向周期a,纵向周期b,贴片电阻阻值R及上下层微波介质板间距h对天线罩电磁性能的影响;图7仿真天线罩在不同开关状态下3. 65GHz电磁波的E面远场辐射方向图;图8为四种状态下辐射电磁波的波束宽度随频率的变化曲线。具体实施例方式图I描述了本专利技术实现电磁波波束宽度控制的原理。假设材料对电磁波的透射具有“开/关”效应,合理安排开关区域即可实现出射波波束宽度的控制。图2给出了本专利技术所设计的天线罩的结构示意图。该天线罩分为结构相似的上下两层,通过合理控制不同列的电磁波透过“开/关”状态,即可实现透射波波束宽度的控制。 图3描述了电磁波在经过下层微波介质板、上层微波介质板及天线罩整体结构时的特性,其中虚线表示电磁波透射行为,实现表示电磁波吸收行为。具体来说,电磁波经过上下两层微波介质板组成的“H”型金属线结构时具有以下性质(I)当“H”型金属线结构处于“开”状态时,电磁波如图中虚线所示不会被反射,大部分通过结构透射出去;(2)当“H”型金属线结构处于“关”状态时,电磁波如图中实线所示,经过下层介质板后部分反射,部分透射,透射的电磁波由于是在带阻区域,被上层介质板反射回来,一部分电磁波在两层介质板之间多次反射,最后相消,如图中框(a)描述;一部分再此透过下层介质板和被下层介质板反射的电磁波相互干涉相消,如图中框(b )中描述。在具体实施过程本文档来自技高网
...

【技术保护点】
一种利用人工结构材料实现天线波束宽度切换的天线罩,其特征在于:上层微波介质板上,沿横向尺度以a为周期印刷2n列相同尺寸的“H”型金属线结构,相邻列彼此独立,并沿天线罩横向中心轴对称;纵向尺度以b为周期印刷m行“H”型金属线结构,相邻行通过金属线彼此连接;每个“H”型金属线结构沿横向焊接微波二极管,并保证所有2n列金属线结构中微波二极管排列方向相同;下层微波介质板上,沿横向尺度以a为周期印刷2n列相同尺寸的“H”型金属线结构,相邻列彼此独立,并沿天线罩横向中心轴对称;纵向尺度以b为周期印刷m行“H”型金属线结构,相邻行通过金属线彼此连接;每个“H”型金属线结构沿横向串联式焊接微波二极管和贴片电阻,并保证所有列金属线结构中微波二极管排列方向相同;将上下两层微波介质板固定在一起,间距为h,其中λ/5布,就实现透过波束宽度可调的目的。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员:黄成罗先刚赵泽宇蒲明博王民
申请(专利权)人:中国科学院光电技术研究所
类型:发明
国别省市:

网友询问留言 已有0条评论
  • 还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。

1