CN102157793A - 一种基于机械式移动的频率可重构天线 - Google Patents
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Abstract
一种基于机械式移动的频率可重构天线，步骤如下：(1)初步确定天线工作频率范围。(2)确定人工结构材料金属结构的形状为金属渔网结构。(3)确定人工结构材料单元周期、金属材料、基底材料以及金属结构尺寸和基底尺寸等几何参数；(4)对口字型材料在前后叠放两层。(5)在前后两层金属结构不发生相对位置移动时，利用电磁仿真软件对前后两个单元结构进行数值仿真，根据计算S参数并利用还原程序还原出材料的等效折射率；(6)当前后两层材料平行地发生相对移动时，记录S参数并还原折射率；(7)根据单元仿真的S参数还原折射率选择折射率近似为零的频点为工作频率；(8)将设计的人工结构材料单元在二维平面进行周期排列组装天线。本发明可得到高方向性的频率可重构的天线。
Description
技术领域
本发明涉及一种天线设计方法，具体地说是一种新型基于机械移动的工作频率可重构的天线设计方法。
背景技术
自从英国科学家Pendry和美国科学家Smith在人工材料开创性的研究工作后，具有负介电常数和负磁导率的人工结构材料吸引了大量研究人员的研究兴趣。正因为人工结构材料独特的电磁特性(负折射率、低折射率、高折射率)等特性，人工结构材料在微波波段具有巨大潜在的应用价值。因此，科学家们设计的各种各样的电磁谐振器。他们都类似开口环和金属断线的组合，例如S型、Ω型、H型谐振器。取得许多诱人可喜的研究成果。
但是早期的人工结构材料的研究大都是为了实现具有低损耗和宽波段的人工结构材料。但是，人工结构材料所固有的谐振使得其带宽都比较窄。为了解决这一难题，人们提出可控人工结构材料。可控方法是外界手段将人工材料的电磁特性调节到较高的或者较低的频率范围去。这种可控方法的提出极大地促进了可重构天线的发展。2006年，中国浙江大学有研究小组将反平行的S环加载电容，并将其应用到天线上，通过控制不同区域的电容值成功地控制天线主瓣方向的偏转。但是基于频率可重构人工结构材料天线的研究很少有报道。2002年，S.Enoch等人应用一种六片正方形金属网格材料置于单极子天线获得很好的方向性，他们将这种高方向性归结为材料的近零折射率。紧接着出现关于近零折射率的诸多报道。将近零折射引入到可控技术中，即可以设计出高方向性的频率可重构的高方向性天线。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对现在人工结构材料设计的天线工作在单频或者工作频率过窄普遍状况，提供一种基于机械式移动的频率可重构天线，它利用机械移动的方向来改变天线工作的谐振频率，进而得以多个离散频点工作的天线，如果选择天线工作频率为材料的近零折射率频带内，则可得到高方向性的频率可重构的天线。
本发明的技术解决方案：一种基于机械式移动的频率可重构天线，所述天线的制作步骤如下：
(1)初步确定天线工作频率范围；
(2)确定人工结构材料单元结构和几何参数。所指的单元即为金属结构；
(3)将前后的口字型人工材料前后叠放两层，并在前后两个口字型金属结构之间填充介电常数近似与空气相等的介质材料，起到固定支撑的作用；
(4)当前后两层材料不发生相对位置移动时，利用电磁场仿真软件计算单元的散射参数，并利用计算得到的散射参数还原折射率；选择天线的工作频率为还原折射率接近于零的频点，即可以设计出不发生相对位置移动时的高方向性天线；
(5)前后两层口字型金属之间发生相对移动时，重复上述步骤计算电磁散射参数并还原折射率，再次选择折射率近似为零的频率点。因为前后两层材料之间的等效电容发生变化，谐振频率也会相应地偏移。进而影响等效折射率，因此天线的工作频率也可以发生变化；
(6)对两层人工结构材料在二维平面进行周期性排列，则可组装出所需的天线，选取前后两层材料合适相对偏移量，根据偏移量可以设定天线工作频率，再进行加工测试，即实现了频率可重构天线。
所述步骤(1)中天线工作频率可重构的范围为12GHz-18GHz。
所述步骤(2)中的人工结构材料单元的周期远小于天线工作的波长，一般为波长的1/4以下。
所述步骤(2)中的人工结构材料单元结构为金属口字型结构，或者也称鱼网结构。
所述步骤(2)中金属材料为铜、金或银。
所述步骤(3)中的前后两个口字型金属结构之间的介质材料为泡沫材料，介电常数为1.08，略大于空气的介电常数1。
所述的步骤(4)中的电磁仿真软件采用CST、HFSS、或FDTD，采用的求解方法有时域有限差分、有限元方法或有限积分法。
所述的步骤(4)中还原折射率通过还原程序得到，具体还原方法可以参考D.R.Smith的文章(PHYSICAL LETTER E 71.036617(2005))。
所述的步骤(4)中的工作频率应为人工结构材料的等效折射率接近于零的频点，所述等效折射率可选为0.1-0.3之间。
所述步骤(6)金属结构的单元周期排列后天线的尺寸可排列成正方形，两个方向上排列单元个数应不少于10个。
所述的步骤(6)中天线的馈源选择喇叭天线或者阵列天线，其口面应与天线口面尺寸相同。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明通过前后两层材料在二维平面内发生相对移动时，由于材料等效耦合电容发生改变，其谐振频率也可以改变，由于天线的工作频率一般都工作在谐振频率下，即可以得出机械式移动的频率可重构天线，这种通过机械移动的方法实现了对人工电磁材料电磁特性的控制，在不改变结构材料几何参数的前提下，可以在相当宽的一段频带范围之内实现对电磁参数的连续控制。
(2)本发明的天线可以多个频点工作，由于对于每个工作频点，材料折射率都在0.1～0.5之间，为低折射率天线。根据折射定律可知，天线出射面都集中在法线方向，因此其天线辐射的方向性很高，相比原来天线，其方向性可以提高至少5个dB。
(3)本发明的频率可重构天线只需通过材料之间相互位置移动就可以实现无需加人工外加结构。而电控加载电容等可重构技术需要引入外加电压和导线，控制方法也比较繁琐。相比电控方法，此种机械式可重构技术相对简单制作成本低，容易实现。
附图说明
图1给出本发明的实现流程图；
图2为本发明的单元结构示意图；
图3为本发明的两层人工材料发生相对机械移动示意图；
图4为本发明未发生相对移动时利用计算散射参数还原折射率；
图5为本发明周期性排列组装天线结构示意图。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，本发明实现如下：
(1)选取天线工作频率范围为12GHz-18GHz，对应的中心波长为20mm。
(2)选取金属材料为铜，单元结构为口字型结构，如图2。选取前后两层材料的相对位移量为0时，通过仿真确定合适单元周期、金属线宽和厚度等几何参数，使材料在18GH时对应的折射率处在0.1-0.5之间。仿真可以通过Ansoft公司的HFSS软件仿真，先计算单元的电磁散射参数。再提取散射参数还原单元的等效折射率。最后优化的单元周期a＝5.85mm，金属线宽w＝0.85mm，金属h＝0.2mm。
(3)选取两层材料，金属网格之间的间隔为6.4mm，金属网格间隔之间填充介电常数为1.08的泡沫材料。
(4)当两层金属网格之间不发生相对移动时，利用Ansoft公司开发的HFSS软件进行仿真，并利用仿真得到的散射参数还原折射率。图4为两层人工材料未发生相对移动时还原的折射率。由于折射率虚部对应损耗，故选择天线工作频率为18GHz，相应的折射率实部为0.12，虚部为0。即为低折射材料。
(5)将通铜网单元进行在二维平面进行周期排列，设计的天线口径为正方形，在两个方向上的单元数均为20个单元，对应的尺寸为11.7cm×11.7cm。如图5所示。
(6)将设计人工材料即天线置于喇叭天线口面。保持喇叭口面与天线口面正相对。由于工作中心频率为12GHz-18GHz，故选择的波导为BJ140。E面尺寸为15.799mm，H面尺寸为7.899mm。喇叭口口径与材料口径相同，为11.7cm×11.7cm。此种天线的方向性E面半角可以提高到16°左右。
(7)当两层材料发生相对位置移动时，选择还原折射率为0.1左右的频点为工作频率，即可设计出在不同频率实现高方向性的天线，即频率可重构的天线。
实施例2
(1)选取天线工作频率范围为X波段，频率范围为8-12GHz，中心波长为30mm。
(2)选取金属材料为金属铝，单元结构同样为口字型结构。当未发生偏移时，为了使材料在11.5GH时对应的折射率处在0.1-0.5之间。最后优化的单元周期a＝7.6mm，金属线宽w＝0.9mm，金属h＝0.24mm。
(3)选取两层材料，金属网格之间的间隔为6.9mm，金属网格间隔之间填充介电常数为1.08的泡沫材料。
(4)当两层金属网格之间不发生相对移动时，通过HFSS软件进行仿真并还原等效折射率发现：选择频率11.5GHz时，对应的折射率实部为0.15，即为低折射材料。
(5)将通金属口字型金属单元在二维平面进行周期排列，同样设计的天线口径为正方形，在两个方向上的单元数均为20个单元，对应的尺寸为15.2cm×15.2cm。
(6)将设计人工材料即天线置于喇叭天线口面。保持喇叭口面与天线口面正相对。由于工作中心频率为8GHz-12GHz，故选择的波导为BJ100。E面尺寸为22.86mm，H面尺寸为10.16mm。喇叭口口径与材料口径相同，为15.2cm×15.2cm。仿真发现未加材料时，E面半宽为42度，而加上材料，半宽可以提高到18.2度左右。提高了将近24度。
(7)当两层材料发生相对位置移动时，选择还原折射率为0.1左右的频点为工作频率，即可设计出在不同频率实现高方向性的天线，即频率可重构的天线。
Claims (9)
1.一种基于机械式移动的频率可重构天线，其特征在于所述天线的制作步骤如下：
(1)初步确定天线工作频率范围；
(2)确定人工结构材料金属结构的形状为口字型金属结构；
(3)将口字型金属结构的人工结构材料前后叠放两层，并在前后两个口字型金属结构之间填充介电常数近似与空气相等的介质材料，起到固定支撑的作用；
(4)当前后两层口字型金属结构的人工结构材料不发生相对位置移动时，利用电磁场仿真软件计算单元的散射参数，并利用计算得到的散射参数还原折射率；选择天线的工作频率为还原折射率接近于零的频点，即可以设计出不发生相对位置移动时的高方向性天线；
(5)前后两层口字型金属结构的之间发生相对移动时，重复上述步骤计算电磁散射参数并还原折射率，再次选择折射率近似为零的频率，。因为前后两层材料之间的等效电容发生变化，谐振频率也会相应地偏移，进而影响等效折射率，因此天线的工作频率也可以发生变化；
(6)对两层两个口字型金属结构的人工结构材料在二维平面进行周期性排列，则可组装出所需的天线，选取前后两层材料合适相对偏移量，根据偏移量可以设定天线工作频率，再进行加工测试，即实现了频率可重构天线。
2.根据权利要求1所述的一种基于机械式移动的频率可重构天线，其特征在于：所述步骤(1)中天线工作频率可重构的范围为12GHz-18GHz。
3.根据权利要求1所述的一种基于机械式移动的频率可重构天线，其特征在于：所述步骤(2)中的人工结构材料单元的周期远小于天线工作的波长，一般为波长的1/4以下。
4.根据权利要求1所述的一种基于机械式移动的频率可重构天线，其特征在于：所述步骤(2)中金属材料为铜、金或银。
5.根据权利要求1所述的一种基于机械式移动的频率可重构天线，其特征在于：所述步骤(3)中的前后两个口字型金属结构之间的介质材料为泡沫材料，介电常数为1.08，略大于空气的介电常数1。
6.根据权利要求1所述的一种基于机械式移动的频率可重构天线，其特征在于：所述的步骤(4)中的电磁仿真软件采用CST、HFSS、或FDTD，采用的求解方法有时域有限差分、有限元方法或有限积分法。
7.根据权利要求1所述的一种基于机械式移动的频率可重构天线，其特征在于：所述的步骤(4)中的工作频率应为人工结构材料的等效折射率接近于零的频点，所述等效折射率可选为0.1-0.3之间。
8.根据权利要求1所述的一种基于机械式移动的频率可重构天线，其特征在于：所述步骤(6)口字型金属结构的单元周期排列后天线的尺寸可排列成正方形，两个方向上排列单元个数应不少于10个。
9.根据权利要求1所述的一种基于机械式移动的频率可重构天线，其特征在于：所述的步骤(6)中天线的馈源选择喇叭天线或者阵列天线，其口面应与天线口面尺寸相同。
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|---|---|
| CN (1) | CN102157793A (zh) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102593605A (zh) * | 2012-03-20 | 2012-07-18 | 四川大学 | 零折射率透镜及其构成的微波功率合成系统 |
| CN103762423A (zh) * | 2014-01-24 | 2014-04-30 | 中国科学院光电技术研究所 | 一种基于旋转相移表面技术的反射阵列天线波束扫描天线 |
| CN112257322A (zh) * | 2020-10-30 | 2021-01-22 | 中国科学院高能物理研究所 | 一种矩形e弯切角波导的仿真优化方法及装置 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005252567A (ja) * | 2004-03-03 | 2005-09-15 | Yokohama Rubber Co Ltd:The | 周波数選択板 |
| CN101777703A (zh) * | 2009-12-25 | 2010-07-14 | 中国科学院光电技术研究所 | 一种基于低折射率材料的高增益高功率天线 |
-
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Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005252567A (ja) * | 2004-03-03 | 2005-09-15 | Yokohama Rubber Co Ltd:The | 周波数選択板 |
| CN101777703A (zh) * | 2009-12-25 | 2010-07-14 | 中国科学院光电技术研究所 | 一种基于低折射率材料的高增益高功率天线 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Q.WU, ET AL.: "A novel flat lens horn antenna designed based on zero refraction principle of metamaterials", 《APPLIED PHYSICS》 * |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102593605A (zh) * | 2012-03-20 | 2012-07-18 | 四川大学 | 零折射率透镜及其构成的微波功率合成系统 |
| CN102593605B (zh) * | 2012-03-20 | 2014-07-30 | 四川大学 | 零折射率透镜及其构成的微波功率合成系统 |
| CN103762423A (zh) * | 2014-01-24 | 2014-04-30 | 中国科学院光电技术研究所 | 一种基于旋转相移表面技术的反射阵列天线波束扫描天线 |
| CN112257322A (zh) * | 2020-10-30 | 2021-01-22 | 中国科学院高能物理研究所 | 一种矩形e弯切角波导的仿真优化方法及装置 |
| CN112257322B (zh) * | 2020-10-30 | 2024-05-28 | 中国科学院高能物理研究所 | 一种矩形e弯切角波导的仿真优化方法及装置 |
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