专利名称：一种电控辐射方向图可重构天线的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种新型辐射方向图可重构天线的设计方法，具体地说是一种外加电压调节天线辐射方向图的新型天线。
背景技术：
这个世纪头十年，人造人工结构材料(Metamaterials)以其控制电磁波独特的能力引起科学家们越来越多的关注。例如人工结构材料的负介电常数和负磁导率等特性使得其在负折射率透镜，高方向性天线，超透镜和微波电磁隐身方面具有很诱人的应用前景。自从英国科学家J. B. Pendry分别自1996年和1999年提出周期性断线和周期性排列的开口环可以实现负介电常数和负磁导率的理论预言，掀起了各国对人工材料的研究热潮。但是这种人工材料的带宽很窄，严重限制了人工材料的应用。因此，人们迫切希望在不改变人工材料单元结构的基础上，能够通过外界手段实时地主动控制人工结构材料的电磁性质。于是，可控人工结构材料的研究应运而生。据报道，现在实现可控人工结构材料的方法有加载变容二极管、半导体温控、铁电和铁磁材料场控以及MEMS开关等方法。因此在相关文献中， 相移器、可控滤波器、以及可控天线都得到极大的发展。在现有几种可控方法中，电控方法是研究得最为成熟也是被认为最具有发展潜力的一种可控方法。2006年，浙江大学有研究小组利用反平行S环人工材料拓展到可控天线上，但是这种天线是基于S环负折射特性，对于单个电容值，其通带只有300MHz。因此，只工作在单频点f = 0. 9GHz。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有负折射率人工材料应用带宽窄的问题，提出一种电控辐射方向图可重构天线，可以在低于谐振频率相当宽的带宽范围之内工作，是一种宽带的可控天线，可以实现天线辐射方向图主瓣士 40度左右偏转。本发明的技术解决方案一种电控辐射方向图可重构天线，步骤如下(1)选择天线的工作频率f ；(2)确定人工结构材料整个单元结构尺寸，以及其组成单元的金属结构(这里选择中心开口的“工”字型金属结构)和基底材料。包括基底材料(介电常数r、磁导率)、开口的“工”字型结构的几何参数；(3)在“工”字型金属结构的中心开口处加上变容二极管，然后在传播方向叠放10 层材料，利用电磁仿真软件计算单元的透过谱(S21)并提取S21的位相，连续改变变容二极管的电容值，记录对应透过谱位相，绘制位相φ-电容C曲线；(4)沿三个相互垂直方向(水平、竖直、前后)周期排列“工”字型人工材料即可得到天线模型。竖直方向排布单元数为Μ(Μ> 4)，水平方向排布成N个区域(Ν> 10)，每个区域包括单元数为P (P ^ 1)。前后叠放的层数为10层。所有单元结构完全相同；(5)根据步骤3仿真得到位相φ -电容C曲线，设定N个线性渐变的位相(位相差为Δφ)和对应的电容。在N个区域在不同区域加载不同的反偏电压值。由于变容二极管的
4电容值与外加的反偏电压有关。于是，不同的区域选择不同电压值则对应不同电容值。最终确保水平面N个区域出射面的位相线性渐变；(6)制作上述天线，加载电容、导线外加电压源。将制作的天线放置产生类似平面波的天线口面上。通过控制不同区域的电压值，即可以重构天线方向图。所述步骤(1)中所选择的天线工作频率在微波波段。所述步骤O)的人工结构材料在X、Y、Z三个方向的排布周期px，py, Pz均在亚波长量级，小于天线波长的十分之一。所述步骤O)中金属为铝或者铜。所述步骤O)中的基底材料为具有非磁性的各种微波介质材料，其介电常数在 2-10之间，磁导率为1。所述步骤(3)中的变容二极管选择市场中常见的微波器件。由于不同变容二极管具有不同的参数，所以，具体的型号可以根据天线的工作频率和所需要的电容值，电压值确定。所述步骤(3)中的电磁仿真软件可选择ansoft HFSS或者CST软件。所述步骤(3)提取透过谱S21的位相可以通过计算单元的散射参数中的S21得到。 具体计算为先建好人工结构材料单元仿真模型，设置周期边界条件。在入射波的前后两个方向设置portl和port2.通过有限元法计算，即可以得到散射参数(包括反射谱幅度和位相，透过谱的幅度和位相)。这里只需要透过谱的位相信息。所述步骤(3)绘制位相φ-电容C曲线是在单元其它参数都不改变的前提下，通过仿真软件的参数扫描功能连续改变电容值，于是可以得到一系列的位相。所述步骤(4)天线模型为长方形块体材料。长方体长、宽、高分别为Px * N * P、 Py女MUO女Pz0所划分的不同区域只是一种人为的划分，除开所加电压不同外，其他结构完全相同。所述步骤(5)中的反偏电压是根据可变容易的电压V-电容特性和设定的线性渐变的N个位相确定的。具体的操作步骤为1.确定位相。2.根据位相φ-电容C曲线，确定所需的电容值。3.再根据可变电容器的电压V-电容C曲线选择偏置电压。所述步骤(5)中产生类似平面波天线包括喇叭天线或者波导缝隙天线。其口径应与人工材料口面一致。馈电口为标准的波导。其尺寸与工作的频率有关，可以通过相关微波资料查到。本发明与现有技术相比的优点在于(1)本发明的天线可以在宽频带范围内工作，工作相对带宽可以达到20%。因此是一种宽带的可控天线。通过改变不同区域出射面的位相差，可重构的辐射方向图可达到士40 度。(2)本发明采用了“工“型人工结构材料并在金属结构中间开口处加变容二极管， 当外加直流电压时，本身金属可以作为导线，大大减少外加导线时对材料电磁特性产生的影响。(3)本发明的可控天线工作频率远离谐振频点，材料的损耗低，天线的增益相对较
尚ο(4)本发明的天线采用的是电压控制的方法，只需控制不用区域上变容二极管上电压值，即可完成对天线辐射方向的控制，天线扫描速度快。其次天线结构也较简单，成本低。
图1为本发明的实现流程图；图2为本发明单元结构示意图，白色部分为金属，其余部分为基底材料；图2为本发明在频率为15GHz时，在传播方向上叠放10层材料后，所加载电容值对出射面的位相调制关系图；图3为本发明在天线H面上划分N各区域示意图；不同区域所加电容不同，同一区域内的所加电容相同，不同区域所加的电容满足其出射面上的位相线性渐变；图4为本发明天线立体图，它由H型单元分别沿三个不同方向周期排列形成。
具体实施例方式实施例1如图1所示，本发明实施例1的实现过程如下(1)选取工作频率为15GHz，对应的波长为20mm。(2)确定“工”字型人工结构材料单元Px = py = Pz = 2mm。等于波长的十分之一。(3)选取的金属材料为铜，基底材料为FR-4. (r = 4. 9, r = 1)，金属结构参数如图 2,各参数为 1 = 2mm, w = 0. 2mm, a = 1. 8mm, g = 0. 3mm, FR-4 的厚度 d = 0. 25mm，铜厚 t =0. 051mmo(4)于工作频率为15GHz，这里选择的变容二极管型号为BB910。当加载电压为 0.5V时，电容为38p。当加载电压为8V时，电容值为2. 3p。其电容值随所加电压的变大而变小。(5)选择CST软件进行仿真计算叠放10层单元的位相φ-电容C曲线，得到曲线如图3。(6)设置竖直方向单元数为5个，水平方向分为20个区域，每个区域包括2个单元，前后叠放10层材料。(7)设置线性渐变得位相差(Δφ=20°)，根据图3确定对应的电容值。再将所有的单元加上反偏电压。反偏电压的数值根据变容二极管的特性确定。(8)这里选取产生平面波的波源天线为波导阵列。波导尺寸为15. SmmX 7. 9mm，长度为20mm，波导壁厚为1mm。为了使波导阵列口面与由于天线的尺寸(80mmX 8. 5mmX 20mm) 一致。在水平方向排列5个波导。当改变不同区域所加的电压时，确使线性渐变位相差变化时，即可得到可重构的方向图。实施例2(1)选取工作频率为1. 5GHz，对应的波长为200mm。(2)确定“工”字型人工结构材料单元Px = Py = Pz = 20mm，等于波长的十分之一。(3)选取的金属材料为铜，基底材料为Rogers RT/duroid 5880. (r = 2. 2，r = 1)， 金属结构参数如图2，各参数为1 = 20mm, w = 0. 5mm, a = 19mm, g = 4mm，基底材料的厚度 d = 0. 5mm，铜厚 t = 0. 051mm。(4)工作频率为1. 5GHz，选择的变容二极管型号为BB134。当加载电压为0. 5V时，电容为27. 5p。当加载电压为IOV时，电容值为1. 7p。其电容值随所加电压的变大而变小。(5)选择CST软件进行仿真计算叠放10层单元的位相φ -电容C曲线。(6)同样，设置竖直方向单元数为5个，水平方向分为20个区域，每个区域包括2 个单元，前后叠放10层材料。(7)设置线性渐变得位相差(Δφ=20°)，根据图3确定对应的电容值。再将所有的单元加上反偏电压。反偏电压的数值根据变容二极管的特性确定。(8)这里选取产生平面波的波源天线为喇叭天线。波导尺寸为15. SmmX 7. 9mm，长度为20mm，波导壁厚为1mm，喇叭出射面口径为800mmX100。喇叭长度为400mm。当改变不同区域所加的电压时，确使线性渐变位相差变化时，即可得到可重构的方向图。
权利要求
1.一种电控辐射方向图可重构天线，其特征在于步骤如下(1)选择天线的工作频率f;(2)确定人工结构材料整个单元结构尺寸，以及其组成单元的金属结构和基底材料，所述金属结构选择开口的“工”字型金属结构；所述基底材料参数包括介电常数ρ磁导率；(3)在“工”字型金属结构的中心开口处加上变容二极管，然后在传播方向叠放10层人工结构材料，利用电磁仿真软件计算单元的透过谱S21并提取S21的位相，连续改变变容二极管的电容值，记录对应透过谱位相，绘制位相φ-电容C曲线；(4)沿三个相互垂直方向周期排列“工”字型人工材料即可得到天线模型，三个相互垂直方向为水平、竖直和前后，在竖直方向排布单元数为Μ，Μ> 4，水平方向排布成N个区域N > 10，每个区域包括单元数为P，P > 1 ；前后叠放的层数为10层，所有单元结构完全相同；(5)根据步骤C3)仿真得到位相φ-电容C曲线，设定N个线性渐变的位相，位相差为 Δφ和对应的电容，在N个区域在不同区域加载不同的反偏电压值，变容二极管的电容值与外加的反偏电压有关，不同的区域选择不同电压值则对应不同电容值，最终确保水平面N 个区域出射面的位相线性渐变；(6)制作上述天线，加载电容、导线外加电压源，将制作的天线放置产生类似平面波的天线口面上，通过控制不同区域的电压值，即可以重构天线方向图。
2.根据权利要求1所述的一种电控辐射方向图可重构天线，其特征在于所述步骤(1) 中所选择的天线工作频率在微波波段。
3.根据权利要求1所述的一种电控辐射方向图可重构天线，其特征在于所述步骤(2) 的人工结构材料在X、Y、ζ三个方向的排布周期Px，Py, Pz均在亚波长量级，小于天线波长的十分之一。
4.根据权利要求1所述的一种电控辐射方向图可重构天线，其特征在于所述步骤(2) 中金属为铝或者铜。
5.根据权利要求1所述的一种电控辐射方向图可重构天线，其特征在于所述步骤(2) 中的基底材料为具有非磁性的各种微波介质材料，其介电常数在2-10之间，磁导率为1。
6.根据权利要求1所述的一种电控辐射方向图可重构天线，其特征在于所述步骤(3) 提取透过谱S21的位相可以通过计算单元的散射参数中的S21得到，具体计算为先建好人工结构材料单元仿真模型，设置周期边界条件。在入射波的前后两个方向设置Portl和 port2.通过有限元法计算，即得到散射参数，散射参数包括反射谱幅度和位相，透过谱的幅度和位相。
7.根据权利要求1所述的一种电控辐射方向图可重构天线，其特征在于所述步骤(3) 绘制位相φ-电容C曲线是在单元其它参数都不改变的前提下，通过仿真软件的参数扫描功能连续改变电容值，得到的一系列的位相。
8.根据权利要求1所述的一种电控辐射方向图可重构天线，其特征在于所述步骤(4) 天线模型为长方形块体材料，长方体长、宽、高分别为Px * N * P、py * MUO女pz，
9.根据权利要求1所述的一种电控辐射方向图可重构天线，其特征在于所述步骤(5) 中的反偏电压是根据可变容易的电压V-电容特性和设定的线性渐变的N个位相确定的，具体的操作步骤为确定位相；然后根据位相φ_电容C曲线，确定所需的电容值；再根据可变电容器的电压V-电容C曲线选择偏置电压。
10.根据权利要求1所述的一种电控辐射方向图可重构天线，其特征在于所述步骤 (5)中产生类似平面波天线包括喇叭天线或者波导缝隙天线，其口径应与人工材料口面一致，馈电口为标准的波导。
全文摘要
一种电控辐射方向图可重构天线，(1)选择天线的工作频率f；(2)确定人工结构材料单元的在三个方向的排布周期，天线整体结构以及其组成单元的金属结构和基底材料。包括基底材料、金属结构的几何参数。(3)在金属结构的开口处加上变容二极管；(4)利用电磁仿真软件计算单元的透过谱S21位相，并连续改变变容二极管的电容值，记录对应的散射参数的位相，绘制位相-电容C曲线；(5)沿水平面面周期排列人工材料，将人工结构材料分成间距相等N个区域，每个区域结构尺寸相等，包含单元数也相等，只需要控制不用区域上加载在变容二极管上电压值，即可完成对天线方向图的可重构。本发明是一种宽带的可控天线，可以实现天线辐射方向图主瓣±40度左右偏转。
文档编号H01Q3/34GK102157792SQ20111003715
公开日2011年8月17日 申请日期2011年2月14日 优先权日2011年2月14日
发明者杜春雷, 王义富, 董小春, 邓启凌 申请人:中国科学院光电技术研究所