柔性巴特勒馈电网络的制作方法

本发明涉及一种馈电网络，具体涉及一种用于柔性电气和电子系统的基于人工表面等离激元的柔性巴特勒馈电网络

背景技术：

近年来提出了金属结构性表面构成的人工表面等离激元，这是一种类似于表面等离激元的电磁波，它能够支持微波、毫米波和太赫兹频段表面电磁波的传输。过去的几年中，人工表面等离激元在微波器件和集成电路中受到了广泛的关注。本发明是基于人工表面等离激元传输线设计的，该类型的柔性定向耦合器与传统微波定向耦合器的不同，摆脱了对金属地板的依赖，传输过程中可以将电磁波束缚在中心导带附近，适用于柔性微波器件的设计。

巴特勒网络因其结构简单，加工方便，在多波束天线领域得到了广泛应用。2018年，qshao,fcchen,qxchu,mjlancaster在《ieeetransactionsonmicrowavetheory&techniques》发表了论文《novelfiltering180°hybridcoupleranditsapplicationto2×4filteringbutlermatrix》提出一种2×4滤波巴特勒网络，为带滤波功能的巴特勒网络设计提供了新思路，目前已有的巴特勒网络形式包括悬置带线、复合左右手材料传输线、微带和集总参数元件等，但上述结构均包含两层金属和一层刚性介质板，网络尺寸和质量较大，这就给对天线阵列的设计提出更苛刻，更严格的要求。

技术实现要素：

本发明的发明目的在于提供一种基于人工表面等离激元的柔性巴特勒馈电网络，实现巴特勒馈电网络的小型化和柔性。

本发明的发明目的通过以下技术方案实现：

一种柔性巴特勒馈电网络，包含柔性介质层和附在柔性介质层上的导电层，导电层包含柔性定向耦合器a、柔性定向耦合器b、柔性定向耦合器c、柔性定向耦合器d、-45°柔性移相器a、-45°柔性移相器b、柔性跳线结构a、柔性跳线结构b；

柔性定向耦合器a、柔性定向耦合器b、柔性定向耦合器c、柔性定向耦合器d内均包含由人工表面等离激元组成的第一传输线、第二传输线，输入到第一传输线、第二传输线其中一个上的电磁波通过耦合使第一传输线、第二传输线输出相位差90°的电磁波；

柔性跳线结构a、柔性跳线结构b内均包含由人工表面等离激元组成的第一传输线、第二传输线，输入到第一传输线、第二传输线其中一个上的电磁波通过耦合从另一个上输出；

-45°柔性移相器a、-45°柔性移相器b内包含一根由人工表面等离激元组成的传输线，用于使输入的电磁波产生相位差45°后输出；

-45°柔性移相器a的传输线的一端与柔性定向耦合器a的第一传输线的一端连接，-45°柔性移相器a的传输线的另一端与柔性定向耦合器c的第一传输线的一端连接；

-45°柔性移相器b的传输线的一端与柔性定向耦合器b的第一传输线的一端连接，-45°柔性移相器b的传输线的另一端与柔性定向耦合器d的第一传输线的一端连接；

柔性定向耦合器a和柔性定向耦合器c的第二传输线的一端分别接到柔性跳线结构a的第一传输线的一端,柔性定向耦合器c的第二传输线的另一端连接柔性跳线结构b的第一传输线的一端

柔性定向耦合器b和柔性定向耦合器d的第二传输线的一端分别接到柔性跳线结构a的第二传输线的一端，柔性定向耦合器d的第二传输线的另一端连接柔性跳线结构b的第二传输线的一端。

本发明的有益效果在于：

柔性巴特勒馈电网络是基于人工表面等离激元的传输线设计的，输出相位稳定，不同弯折状态对馈电网络的特性并未产生较大影响，实现了馈电网络的小型化，质量轻且便于赋形，给予天线阵列更大的设计空间。

附图说明

图1为柔性巴特勒馈电网络的拓扑结构示意图。

图2为柔性巴特勒馈电网络的俯视图。

图3为柔性定向耦合器的拓扑结构示意图

图4柔性定向耦合器中的耦合示意图

图5为移相器的俯视图

图6端口及模式转换部分俯视图。

图7为s型单元结构俯视图

标号说明：

1—信号端口1、2—信号端口2、3—信号端口3、4—信号端口4、5—天线端口5、6—天线端口6、7—天线端口7、8—天线端口8，9—柔性定向耦合器a、10—柔性定向耦合器b、11—柔性定向耦合器c、12—柔性定向耦合器d、13—-45°柔性移相器a、14—-45°柔性移相器b、15—柔性跳线结构a、16—柔性跳线结构b。

31—共面波导馈电端口，32—模式转换结构。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本实施例所提供的一种柔性巴特勒馈电网络，包含柔性介质层和附在柔性介质层上的导电层，参见图1、图2所示，导电层包含柔性定向耦合器a、柔性定向耦合器b、柔性定向耦合器c、柔性定向耦合器d、-45°柔性移相器a、-45°柔性移相器b、柔性跳线结构a、柔性跳线结构b、四个信号端口、四个天线端口和八个模式转换结构。

柔性定向耦合器a、柔性定向耦合器b、柔性定向耦合器c、柔性定向耦合器d内均包含由人工表面等离激元组成的第一传输线、第二传输线，输入到第一传输线、第二传输线其中一个上的电磁波通过耦合使第一传输线、第二传输线输出相位差90°的电磁波。参见图3所示，假设第一传输线为主线，第二传输线为副线，主线的输入端口为输入端口，输出端口为直通端口，副线的输入端口为隔离端口，输出端口为耦合端口。因为耦合到副线的能量在耦合端口同相叠加，而在隔离端口反相相消，所以当电磁波从输入端口输入，一部分能量从直通端口输出，另外一部分耦合到耦合端口输出。因为耦合强度与耦合线间距成反比，所以通过设计如图4所示的平行耦合线间距，使得主线和副线的输出端口产生大小相同并且具有一定相位差的电磁波。耦合形式包括但不限于分支线耦合，平行线耦合等。当平行耦合线间距为2mm时，耦合度为3db。相比于传统的微波定向耦合器，基于spps的定向耦合器的工作模式为tm模，其中包含纵向分量。假设传输线1的输入功率为p0，那么通过理论分析推到可以用下述公式表示传输线1和传输线2中的功率随着耦合线长度的变化：

1.p1＝p0cos²(kz)e^-2αz

2.p2＝p0sin²(kz)e^-2αz

从公式中可以看出，spps的模式耦合理论结果与传统耦合线类似，都是一个与电长度相关的周期函数，存在最大值和最小值，在θ＝π/2处，平行耦合线的长度为λ/4，此时耦合端口的输出功率达到最大值，即耦合度达到最大值时需要的最小长度为λ/4。设计定向耦合器工作中心频率为8ghz，对应的线长为9mm。定向耦合器的直通端口和耦合端口相差为90°。

柔性跳线结构a、柔性跳线结构b的工作原理与柔性定向耦合器的工作原理类似，均包含由人工表面等离激元组成的第一传输线、第二传输线，不同之处在于平行耦合线间距不同，因为耦合强度与耦合间距成反比，跳线结构就是当具有一定耦合间距时，电磁波能够全部由输入主线耦合到副线并从副线的输出端口输出。柔性跳线结构a和柔性跳线结构b的工作中心频率为8ghz，为了实现0db的紧耦合，平行耦合线的间距为0.2mm，能够产生强于2mm耦合间距的0db耦合，实现电磁波传输线路的改变。

-45°柔性移相器a、-45°柔性移相器b内包含一根由人工表面等离激元组成的传输线，用于使输入的电磁波产生相位差45°后输出。在此选择具有一定电长度的传输线作为移相器。因为电磁波随着传输距离增加相位会产生变化，所以电磁波在输入移相器后会产生相位的变化。当定向耦合器的某一输出端口级联移相器，移相器会输出与定向耦合器另一输出端口具有稳定相位差的电磁波。

参见图6所示，信号端口和天线端口均为共面波导馈电端口31，馈电形式包括但不限于共面波导，双层渐变微带等形式。共面波导馈电端口包含中心导线和径向分布于中心导带两侧的地板。

参见图6所示，模式转换结构32用于实现共面波导馈电端口的tem模式与人工表面等离激元使用的tm模式之间的过渡。模式转换结构包含中心导线和径向分布于中心导带两侧的地板。中心导带和地板组成双导体传输结构，使得电磁波在地板和中心导带之间的缝隙传播，中心导带宽度为3mm，与两侧地板的缝隙宽度为0.2mm。中心导带采用s型的渐变单元过渡，深度从1mm渐变为2.4mm。地板的宽度为5.8mm，长度为35mm，采用抛物线的渐变形式，渐变形式包括但不限于抛物线，双曲线等曲线形式。因为中心导带和地板的渐变，这就完成了从准tem模式到tm模式的过渡。

如图7所示，人工表面等离激元采用周期为3mm，金属槽宽度为0.5mm，深度2.6mm的s型单元，单元形式包括但不限于s型单元、t型单元和h型单元等。

-45°柔性移相器a的传输线的一端与柔性定向耦合器a的第一传输线的一端连接，-45°柔性移相器a的传输线的另一端与柔性定向耦合器c的第一传输线的一端连接；

-45°柔性移相器b的传输线的一端与柔性定向耦合器b的第一传输线的一端连接，-45°柔性移相器b的传输线的另一端与柔性定向耦合器d的第一传输线的一端连接；

柔性定向耦合器a和柔性定向耦合器c的第二传输线的一端分别接到柔性跳线结构a的第一传输线的一端,柔性定向耦合器c的第二传输线的另一端连接柔性跳线结构b的第一传输线的一端

柔性定向耦合器b和柔性定向耦合器d的第二传输线的一端分别接到柔性跳线结构a的第二传输线的一端，柔性定向耦合器d的第二传输线的另一端连接柔性跳线结构b的第二传输线的一端。

每个信号端口和天线端口均连接一个模式转换结构的一端，柔性定向耦合器a的第一传输线和第二传输线的另一端、柔性定向耦合器b的第一传输线和第二传输线的另一端、柔性定向耦合器c的第一传输线的另一端、柔性定向耦合器d的第一传输线的另一端、跳线结构的第一传输线和第二传输线的另一端分别连接一个模式转换结构的另一端。

本实施例中各个端口的相位关系稳定，当信号分别从信号端口1、信号端口2、信号端口3和信号端口4输入时，天线端口5～8的相位差依次为-45°、135°、-135°、45°。

本实施例中柔性巴特勒网络自上而下依次为为电导率为σ＝5.8×10⁷s/m的金属铜，厚度为0.002；介电常数为3.5、厚度为0.05mm、损耗角正切为0.0027的聚酰亚胺。导电层包括但不限于金属、可调半导体材料、导电薄膜等；介质层包括但不限于聚酰亚胺，pet等柔性介质材料。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。