一種基于動態(tài)調(diào)控人工電磁結(jié)構(gòu)材料的相控陣天線的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種基于動態(tài)調(diào)控人工電磁結(jié)構(gòu)材料的相控陣天線，包括喇叭饋源和覆蓋在饋源上方的多層動態(tài)調(diào)控人工電磁結(jié)構(gòu)材料；每層材料是通過在介質(zhì)板正面印刷含有周期排列的環(huán)形縫隙的金屬貼片、在環(huán)形縫隙上下中心位置嵌入變?nèi)荻O管，在不同列的環(huán)形縫隙之間刻蝕出用于隔離直流的縫隙線，并且通過在介質(zhì)板反面印刷金屬引線、金屬化過孔的方式為不同行的環(huán)形縫隙內(nèi)的金屬貼片提供直流電壓；通過控制直流電壓源調(diào)節(jié)不同行或不同列之間變?nèi)荻O管的電容，使相鄰行或相鄰列區(qū)域的輻射位相遞增或遞減，動態(tài)調(diào)節(jié)位相差值即能實(shí)現(xiàn)天線波束的動態(tài)掃描。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，加電方便，插損低，成本低等優(yōu)勢，能實(shí)現(xiàn)E面和H面二維動態(tài)掃描。
【專利說明】一種基于動態(tài)調(diào)控人工電磁結(jié)構(gòu)材料的相控陣天線
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及相控陣天線領(lǐng)域，特別涉及一種基于動態(tài)調(diào)控人工電磁結(jié)構(gòu)材料的相控陣天線。
【背景技術(shù)】
[0002]相控陣天線具有波束方向可操控的特點(diǎn)，在對一個或者多個目標(biāo)跟蹤領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但是相控陣天線的造價昂貴、饋源網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜。因此，很多研究人員一直集中在尋找一種簡單的方法實(shí)現(xiàn)天線波束掃描，例如采用易操控、低損耗的相控陣材料實(shí)現(xiàn)波束掃描。
[0003]長期以來，電磁性能可調(diào)控的周期性人工電磁結(jié)構(gòu)材料，吸引著越來越多科研人員的關(guān)注。由于他們特有的性能，如介電常數(shù)和折射率可調(diào)控等，人工電磁結(jié)構(gòu)材料在高增益天線，超透鏡和微波斗篷中有巨大的應(yīng)用潛力。人們提出了各種諧振結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)并利用這些特殊的電磁性能。最近有源電控器件被用于電磁材料來動態(tài)控制輻射電磁波的性能，比如輻射極化的動態(tài)調(diào)控、輻射相位的動態(tài)調(diào)控、以及輻射頻率的動態(tài)調(diào)控等；其中相位可控材料可用于相控天線中。比如Raoul O和Ouedraogo等使用電控傳輸線,通過電控頻率掃描實(shí)現(xiàn)了一維大角度相控陣天線；加拿大科學(xué)家J.Y.Lau和S.V.Hum等利用陣列透鏡制備電控變折射率動態(tài)調(diào)控人工電磁結(jié)構(gòu)材料，通過低壓直流電控制超材料的折射率和傳輸相位，實(shí)現(xiàn)了 E-面的波束掃描。但上述實(shí)現(xiàn)波束掃描的動態(tài)調(diào)控人工電磁結(jié)構(gòu)材料具有的共性問題，插入損耗大，只能實(shí)現(xiàn)一維動態(tài)掃描。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了解決上述問題，本發(fā)明提出了一種基于動態(tài)調(diào)控人工電磁結(jié)構(gòu)材料的相控陣天線，采用了一種新的結(jié)構(gòu)和加電方式的相位可控材料，使得天線在E面和H面的連續(xù)波束掃描角寬度在60°以上。
[0005]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為:一種基于動態(tài)調(diào)控人工電磁結(jié)構(gòu)材料的相控陣天線，包括喇叭饋源和覆蓋在饋源上方的多層動態(tài)調(diào)控人工電磁結(jié)構(gòu)材料；其中，每層動態(tài)調(diào)控人工電磁結(jié)構(gòu)材料是通過在介質(zhì)板正面印刷含有周期排列的環(huán)形縫隙的金屬貼片、在環(huán)形縫隙上下中心位置嵌入變?nèi)荻O管，在不同列的環(huán)形縫隙之間刻蝕出用于隔離直流的縫隙線，并且通過在介質(zhì)板反面印刷的金屬引線、金屬化過孔的方式為不同行的環(huán)形縫隙內(nèi)的金屬貼片提供直流電壓；利用直流電壓源并列連接多層同行金屬引線的邊緣位置和同列環(huán)形縫隙外部金屬貼片的邊緣位置；通過控制直流電壓源調(diào)節(jié)不同行或不同列之間變?nèi)荻O管的電容，使相鄰行或相鄰列區(qū)域的輻射位相遞增或遞減，當(dāng)位相差值相等時，可以實(shí)現(xiàn)天線波束的偏轉(zhuǎn)，動態(tài)調(diào)節(jié)位相差值即能實(shí)現(xiàn)天線波束的動態(tài)掃描。
[0006]其中，所述環(huán)形縫隙為矩形環(huán)縫隙、圓環(huán)形縫隙或橢圓環(huán)縫隙的一種，其周期P的取值范圍為0.2 λ≤P≤0.8 λ 0 λ 0為相控陣天線中心波長。[0007]所述5層結(jié)構(gòu)相同的輻射方向動態(tài)調(diào)控人工電磁結(jié)構(gòu)材料的層間距為h，其取值范圍為0.05 λ ^≤h≤0.2 λ ^ λ ^為相控陣天線中心波長。
[0008]所述基底下表面的金屬引線寬度為d，其取值范圍為d≤0.1 λ μ λ0為相控陣天線中心波長。
[0009]所述環(huán)形縫隙內(nèi)部貼片的最大尺寸為dx，其取值范圍為0.1 λ?！躣x≤0.5，λ0為相控陣天線中心波長。
[0010]所述環(huán)形縫隙的縫隙寬度為g，其取值范圍為0.02 λ ≤g≤0.2 λ Μ λ ^為相控陣天線中心波長。
[0011]所述用于隔離直流的縫隙寬度為W，其取值范圍為w < 0.1 λ Μ λ0為相控陣天線中心波長。
[0012]本發(fā)明具有的有益效果在于:
[0013]本發(fā)明采用具有新的結(jié)構(gòu)和加電方式的相位可控材料加載于傳統(tǒng)喇叭天線，具有結(jié)構(gòu)簡單，加電方便，插損低，成本低等優(yōu)勢，而且實(shí)現(xiàn)的新型天線能實(shí)現(xiàn)E面和H面二維動態(tài)掃描，連續(xù)波束掃描角寬度大。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015]圖2為本發(fā)明的動態(tài)調(diào)控人工電磁結(jié)構(gòu)材料單元結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016]圖3為本發(fā)明的動 態(tài)調(diào)控人工電磁結(jié)構(gòu)材料單元結(jié)構(gòu)的等效電路示意圖；
[0017]圖4為實(shí)施例1中單層動態(tài)調(diào)控人工電磁結(jié)構(gòu)材料單元結(jié)構(gòu)材料的透過率曲線；
[0018]圖5為實(shí)施例1中單層動態(tài)調(diào)控人工電磁結(jié)構(gòu)材料單元結(jié)構(gòu)材料的傳輸相位和加載電壓隨變?nèi)荻壒茈娙葜档淖兓€；
[0019]圖6為實(shí)施例1中不同電容值情況下五層動態(tài)調(diào)控人工電磁結(jié)構(gòu)材料單元結(jié)構(gòu)材料的透過率曲線；
[0020]圖7為實(shí)施例1中不同電容值情況下五層動態(tài)調(diào)控人工電磁結(jié)構(gòu)材料單元結(jié)構(gòu)材料的傳輸相位曲線；
[0021]圖8為實(shí)施例1中，在5.3GHz處，不同電容值情況下五層動態(tài)調(diào)控人工電磁結(jié)構(gòu)材料單元結(jié)構(gòu)材料的傳輸相位與電容值的關(guān)系曲線；
[0022]圖9為實(shí)施例2中本發(fā)明在E面方向?qū)崿F(xiàn)四種偏轉(zhuǎn)角度的回波損耗Sll測試結(jié)果;
[0023]圖10為實(shí)施例2中本發(fā)明在E面方向?qū)崿F(xiàn)四種偏轉(zhuǎn)角度的增益測試結(jié)果；
[0024]圖11為實(shí)施例3中本發(fā)明在H面方向?qū)崿F(xiàn)四種偏轉(zhuǎn)角度的回波損耗Sll測試結(jié)果;
[0025]圖12為實(shí)施例3中本發(fā)明在H面方向?qū)崿F(xiàn)四種偏轉(zhuǎn)角度的增益測試結(jié)果?！揪唧w實(shí)施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖及【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅限于下面實(shí)施例，應(yīng)包括權(quán)利要求書中的全部內(nèi)容。而且本領(lǐng)域技術(shù)人員從以下的一個實(shí)施例即可實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求中的全部內(nèi)容。[0027]具體實(shí)現(xiàn)過程如下:
[0028]如圖1所示，該基于動態(tài)調(diào)控人工電磁結(jié)構(gòu)材料的相控陣天線，每層動態(tài)調(diào)控人工電磁結(jié)構(gòu)材料是通過在介質(zhì)板正面印刷含有周期排列的環(huán)形縫隙的金屬貼片、在環(huán)形縫隙上下中心位置嵌入變?nèi)荻O管，在不同列的環(huán)形縫隙之間刻蝕出用于隔離直流的縫隙線，并且通過在介質(zhì)板反面印刷金屬引線、金屬化過孔的方式為不同行的環(huán)形縫隙內(nèi)的金屬貼片提供直流電壓；利用直流電壓源并列連接多層同行金屬引線的邊緣位置和同列環(huán)形縫隙外部金屬貼片的邊緣位置；通過控制直流電壓源調(diào)節(jié)不同行或不同列之間變?nèi)荻O管的電容，使相鄰行或相鄰列區(qū)域的輻射位相遞增或遞減，當(dāng)位相差值相等時，可以實(shí)現(xiàn)天線波束的偏轉(zhuǎn)，動態(tài)調(diào)節(jié)位相差值即能實(shí)現(xiàn)天線波束的動態(tài)掃描。
[0029]上述環(huán)形縫隙為矩形環(huán)縫隙、圓環(huán)形縫隙或橢圓環(huán)縫隙的一種，其周期P的取值范圍 為相控陣天線中心波長。下面以環(huán)形縫隙為矩形環(huán)縫隙為例，介紹本發(fā)明。
[0030]如圖2所示，每層動態(tài)調(diào)控人工電磁結(jié)構(gòu)材料的亞波長單元結(jié)構(gòu)包括介質(zhì)基底層
1、印刷于基底下表面橫向(與喇叭饋源磁場方向平行)中心線上的金屬引線2、印刷于基底上表面的與結(jié)構(gòu)同心的金屬矩形貼片3和金屬矩形環(huán)貼片4、兩個貼片之間構(gòu)成的矩形環(huán)縫隙5的兩條橫向縫隙內(nèi)嵌入的變?nèi)荻O管6，連接上表面金屬矩形貼片中心和下表面金屬引線中心的金屬化過孔7，以及連接金屬矩形環(huán)貼片與金屬引線的直流電壓源；橫向相鄰單元結(jié)構(gòu)的金屬引線相互連接，縱向相鄰單元結(jié)構(gòu)的金屬矩形環(huán)貼片相互連接，橫向相鄰單元結(jié)構(gòu)的金屬矩形環(huán)貼片之間構(gòu)成用于隔離直流的縫隙8 ;直流電壓源并列連接5層同行金屬引線的邊緣位置和同列矩形孔外的金屬貼片的邊緣位置。
[0031]對于上述結(jié)構(gòu)構(gòu)造的相控陣天線，通過控制直流電壓源調(diào)節(jié)不同行或不同列之間變?nèi)荻O管的電容，可使相鄰行或相鄰列亞波長單元結(jié)構(gòu)的輻射位相遞增或遞減，當(dāng)位相差值相等時，可以實(shí)現(xiàn)天線波束的偏轉(zhuǎn)，動態(tài)調(diào)節(jié)位相差值即能實(shí)現(xiàn)天線波束的動態(tài)掃描。
[0032]為了深入理解輻射方向動態(tài)調(diào)控人工電磁結(jié)構(gòu)材料的設(shè)計(jì)原理，下面將結(jié)合亞波長單元結(jié)構(gòu)的等效電路和具體實(shí)施例來介紹本發(fā)明。
[0033]首先，介紹下輻射方向動態(tài)調(diào)控人工電磁結(jié)構(gòu)材料的位相調(diào)控原理。如圖3所示的亞波長單元結(jié)構(gòu)的等效電路圖，金屬矩形環(huán)和貼片之間的電諧振產(chǎn)生等效電容Ce，在矩形環(huán)和貼片之間焊接的變?nèi)荻O管由直流電壓調(diào)控，其電容值為Cv ;結(jié)合Ce，Cv以及矩形環(huán)沿I軸方向的邊產(chǎn)生的等效電感L可得到材料的等效阻抗為:
【權(quán)利要求】
1.一種基于動態(tài)調(diào)控人工電磁結(jié)構(gòu)材料的相控陣天線，其特征在于:包括喇叭饋源和覆蓋在饋源上方的多層動態(tài)調(diào)控人工電磁結(jié)構(gòu)材料；其中，每層動態(tài)調(diào)控人工電磁結(jié)構(gòu)材料是通過在介質(zhì)板正面印刷含有周期排列的環(huán)形縫隙的金屬貼片、在環(huán)形縫隙上下中心位置嵌入變?nèi)荻O管，在不同列的環(huán)形縫隙之間刻蝕出用于隔離直流的縫隙線，并且通過在介質(zhì)板反面印刷金屬引線、金屬化過孔的方式為不同行的環(huán)形縫隙內(nèi)的金屬貼片提供直流電壓；利用直流電壓源并列連接多層同行金屬引線的邊緣位置和同列環(huán)形縫隙外部金屬貼片的邊緣位置；通過控制直流電壓源調(diào)節(jié)不同行或不同列之間變?nèi)荻O管的電容，使相鄰行或相鄰列區(qū)域的輻射位相遞增或遞減，當(dāng)位相差值相等時，能夠?qū)崿F(xiàn)天線波束的偏轉(zhuǎn)，動態(tài)調(diào)節(jié)位相差值即能實(shí)現(xiàn)天線波束的動態(tài)掃描。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于動態(tài)調(diào)控人工電磁結(jié)構(gòu)材料的相控陣天線，其特征在于:所述環(huán)形縫隙為矩形環(huán)縫隙、圓環(huán)形縫隙或橢圓環(huán)縫隙中的一種，其周期P的取值范圍為0.2 λ0≤P≤0.8 λ 0,λ0為相控陣天線中心波長。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于動態(tài)調(diào)控人工電磁結(jié)構(gòu)材料的相控陣天線，其特征在于:所述多層動態(tài)調(diào)控人工電磁結(jié)構(gòu)材料的層間距為h，其取值范圍為0.05 λ 0 ≤h ≤ 0.2 λ 0, λ 0為相控陣天線中心波長。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于動態(tài)調(diào)控人工電磁結(jié)構(gòu)材料的相控陣天線，其特征在于:所述介質(zhì)板反面印刷的金屬引線寬度為山其取值范圍為d < 0.1 λ μ λ ^為相控陣中心波長。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于動態(tài)調(diào)控人工電磁結(jié)構(gòu)材料的相控陣天線，其特征在于:所述環(huán)形縫隙內(nèi)的金屬貼片的最大尺寸為dx，其取值范圍為0.1 λ?！躣x≤0.5λ0，λ0為相控陣天線中心波長。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于動態(tài)調(diào)控人工電磁結(jié)構(gòu)材料的相控陣天線，其特征在于:所述環(huán)形縫隙的縫隙寬度為g，其取值范圍為0.02 λ0≤g≤0.2 λ μ λ0為相控陣天線中心波長。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于動態(tài)調(diào)控人工電磁結(jié)構(gòu)材料的相控陣天線，其特征在于:所述用于隔離直流的縫隙寬度為《，其取值范圍為w ^0.1λ0, A0為相控陣天線中心波長。
【文檔編號】H01Q13/02GK103474775SQ201310403445
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月6日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月6日
【發(fā)明者】羅先剛, 黃成 , 馬曉亮, 王長濤, 蒲明博, 潘文波, 崔建華, 趙波 申請人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所