专利名称：一种可以实现高定向性、多频带的电磁波反射表面的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种可用于天线和微波电路的电磁波谐振表面材料，进一步涉及多个表面波带隙，特别是准周期结构上横电模式的表面波的完全抑制，以及天线的高方向性辐射和多频带辐射特性的材料。
背景技术：
现有技术中，电磁波谐振表面的下底板为金属，上底板由单一谐振单元周期排列构成，每个谐振单元的金属贴片通过金属化导孔与金属下底板相连。该谐振单元在某个频率处产生磁性谐振，此时，对于以谐振频率入射的平面波来说，由于这个表面产生的反射波和入射波同位相，这样可以使得天线非常靠近反射表面。此外由于金属化导孔结构的存在，该表面还存在以这个谐振频率为中心的一个表面波带隙，而表面波带隙的存在可以极大程度地抑制天线的后瓣和旁瓣，上述两个特点可以有效的减少天线衬底的尺寸，发射效率也得到提高。但是，由于该结构只有一个表面波带隙和一个同位相反射频率，因此天线只能在单一的频段内有效辐射，而且辐射的方向图也没有方向性。为了获得高方向性辐射的天线，现有技术中多是通过阵列天线来实现，但是天线阵列小型化时各个阵元间的互耦一直是难以解决的难题，同时移相电路的成本也非常昂贵。此外，也有将单个天线阵元放在一个腔体结构中来实现高方向性辐射。最近还有若干利用光子晶体谐振腔或者用左手性材料实现的谐振腔来实现高方向性天线的报道，但是必须将体积做的很大才行。总之，不利用阵列天线和腔体结构，采用现有的由单一谐振单元构成的平面型衬底无法实现单个天线的高方向性辐射。另外，在微波电路中，由于现有的电磁波谐振表面只具有一个表面波带隙，因此无法实现多个频段内的表面波的同时抑制或者某一模式的表面波的完全抑制，无法达到微波电路中的元器件的所需要的隔离效果。
发明内容
本发明的目的是公开了一种可以实现高定向性、多频带的电磁波反射表面，这种表面材料作为天线反射基板，可以实现单个天线的高方向性辐射和多频带辐射，达到无论将天线作为接收端或者发射端都可以大幅度提高灵敏度和探测距离；在微波电路中可解决元器件间的互耦问题，也可屏蔽要求的工作波段的微波。
为了达到上述目的，本发明的表面材料的结构特点是包括金属下底板和上表面，上表面由两种不同的谐振单元以周期结构或者准周期结构排列的方式平铺整个表面，每个谐振单元的金属贴片通过金属化导孔与金属下底板相连。对每个谐振单元来说，它各自拥有1-3个谐振频率，因此具有多带的磁响应特性。这两个谐振单元的金属贴片具有的特点如下2-3个不同的谐振单元以准周期结构排列的平面几何结构具有5、8、10、12度旋转对称性，不具有平移对称性，分别由不同角度的菱形构成，它们的面积大小不一样。
两个不同的谐振单元以周期结构排列的平面几何结构具有平移对称和2度，4度旋转对称性；或者平面形状和面积尺寸都不同；或者平面形状相同，面积尺寸不同。
本发明具有如下的效果和优点1.由于本发明主要涉及到由两种不同谐振单元构成的电磁波谐振表面，每个谐振单元至少拥有一个不同的磁谐振频率，在这些谐振频率处天线都可以理想的工作，因此可实现天线的多频带辐射。
2.由于准周期结构的电磁谐振表面特殊的旋转对称性，以及不同谐振单元导致的材料局部不均匀性，在表面波的抑制和同位相反射的共同作用下，使得天线获得了方向性系数高达D＝200-240范围，可简单实现天线小型化、高效率、低成本。
3.由于本发明由两种不同的谐振单元构成的电磁波谐振表面，表面波的多带隙特性以及准周期结构横电模式的表面波的完全抑制，在微波电路中可用来解决元器件在多个频段间的互耦问题。
4.由两种谐振单元构成电磁波谐振表面的多带隙特性，在天线领域，可以实现多个频段内对天线后瓣和旁瓣的有效抑制同时获得好的前向辐射。另外，在天线阵列设计中，以保证降低发射阵元间互耦和同时提高天线的前向增益。
图1为本发明的以五度对称性准周期排列的结构示意2为本发明的以八度对称性准周期排列的结构示意3为本发明的以三角形与五边形四度对称性周期排列的结构示意4为图3的以三角形谐振单元的结构示意5为图3的以五边形谐振单元的结构示意6为本发明的以正方形与五边形四度对称性周期排列的结构示意7为本发明的以两种大小不同正方形两度对称性周期排列的结构示意8为图1的以五度对称性准周期排列的表面波传输频谱9为图2的以八度对称性准周期排列的表面波传输频谱10为图3的三角形与五边形四度对称性周期排列的表面波传输频谱11为图6的表面波传输频谱12为图7的表面波传输频谱13为图1结构的表面在10.08GHz的H面辐射方向14为图1结构的表面在10.08GHz的E面辐射方向15为图2结构的表面在7.3GHz的H面辐射方向16为图2结构的表面在7.3GHz的E面辐射方向17为位于图5谐振单元中心的天线在9.04GHz的两主平面辐射方向18为位于图5谐振单元中心的天线在10.56GHz的两主平面辐射方向19为位于图4谐振单元中心的天线在10.56GHz的两主平面辐射方向图具体实施方式
实施例1
请参阅附图1。本发明为5度对称的准周期结构排列构成的电磁波反射表面，由上表面的金属贴片，下底板的金属底板以及连接上下金属层的金属化导孔构成，该结构不具有平移对称性，只具有旋转对称性。上表面的2种菱形边长同为7.366毫米，锐角分别为36度和72度的菱形构成，每个菱形谐振单元之间的间距为0.400毫米，金属化导孔直径为0.7毫米，板子厚为度1.6毫米，介电常数为2.2，整个样品的面积大小为190.0×190.0平方毫米。本发明采用单极子和偶极子天线分别进行TM、TE模式的表面波测量。在TM表面波测量中，两枚单极子天线分别作为发射和接收天线垂直于本发明的被测材料上，并非常贴近表面，同样的在TE表面波测量中，两枚偶极子水平贴近表面来获得该模式的表面波测量，测量的表面波传输频谱图如图8所示，其中直线为金属表面的TM表面波传输频谱曲线，圆圈标记的曲线和三角形标记的曲线分别为TM模式的表面波和TE表面波在5度准周期表面上的传输频谱测量结果，方块标记的曲线表示TE表面波在金属表面上的传输结果。从图8中可以发现在12GHz以下，TM表面波有三个明显的带隙出现，分别集中在5.1GHz，7.6GHz和10.2GHz，然而TE表面波在所有频率范围内都被抑制而不能传播。
将自制的工作在10GHz的偶极子天线放在偏离中心4毫米的位置，贴近表面来进行H面和E面两个主平面的辐射方向图测量，H面的方向图测量结果如图13所示，E面的方向图测量结果如图14所示，该方向图采用的坐标是线性功率比值。测量结果中发现，8.33GHz和10.08GHz这两个频率的正向传输频谱都比自由空间高出5.5dB，从方向图的测量结果中也可以看到一定的方向性，在8.33GHz获得的方向性系数D＝26，在10.08GHz获得的方向性系数D＝133，因此该结构具有高方向性辐射的特点。
实施例2请参阅附图2。本发明为八度对称的准周期排列构成的电磁波谐振表面，结构排列同图1，分别由锐角为45度和90度的菱形构成，菱形边长为7.62毫米，缝间距为0.508毫米，导孔直径为0.7毫米，厚度1.6毫米，介电常数为2.2，材料面积为204.6×204.6平方毫米。
表面波传输频谱的测量结果如图9所示，其中金属表面的TM表面波传输频谱如三角形标记的曲线所示，圆圈标记为8度准周期结构上的TM表面波传输频谱测量曲线，方块标记为TE表面波在8度准周期结构上的传输频谱曲线。图中可以看出在12GHz以下TM表面波有三个明显的带隙出现，分别集中在5.1GHz，7.6GHz和10.2GHz，测量中还发现TE表面波在所有频率范围的传输都得不到支持。
将自制的工作在10.8GHz的偶极子天线放在该结构的对称中心处，测量两个主平面H和E的方向图，其中H面的方向图测量结果如图15所示，E面的方向图测量结果如图16所示，该方向图坐标为线性功率比值。从正向传输频谱的测量中可以看出，在7.3GHz频率点的传输频谱比自由空间高出16.7dB，辐射方向图的测量结果中可以看出高方向性辐射的特性，E面和H面的3dB带宽分别为18度和10度，计算所得的方向性系数D＝240。
实施例3请参阅附图3、4和5。本发明的上表面由三角形和五边形两种谐振单元以图4和图5的对称结构周期排列构成，上表面的金属贴片通过金属化导孔与下底板的金属相连接，它们的面积比为1∶2，是由正方块谐振单元按此比例分割而成，其中正方单元的边长为6.6毫米，图中两种谐振单元的间距为0.6毫米，导孔直径为0.7毫米，板子厚度为1.6毫米，介电常数为2.2，材料面积为204.6×204.6平方毫米。
同样的采用自制的单极子天线和偶极子天线类似与上面的测量方法来进行表面波传输频谱测量，结果如图10所示。其中直线为金属表面的TM表面波测量结果，圆圈和三角形标记的曲线分别为TE和TM表面波在图3结构的表面上的测量结果。从图10可以看出，在TM表面波有两个明显的带隙出现，分别集中在6.3GHz-7.2GHz，8.8-10.8GHz，另外在12.3GHz左右也发现一些窄的带隙；TE表面波有三个明显的带隙出现，分别集中在5.4GGHz-7.8GHz，8.5GHz-10.8GHz和11.2GHz-12.4GHz。总之在15GHz以下发现两个完整的表面波带隙。
图17、18分别为天线在五边形谐振单元中心时的E面和H面辐射方向图测量结果，图19为天线在三角形谐振单元中心时的两个主平面辐射方向图测量结果。我们测量中选用的接收喇叭工作在6.5GHz-15GHz，在该实验条件下，可以看到9.04GHz和10.56GHz这两个频率都能有效的进行辐射，后瓣被很好的抑制，前向辐射有明显的提高。
实施例4请参阅附图6。本发明的上表面由五边形和方块两个不同的谐振单元构成，五边形的两直角边长分别为9和0.5毫米，正方形的边长为 毫米，两种单元的间距1毫米，导孔直径为0.7毫米，导孔分别位于方块的中心以及五边形两长直角边的对角线上，单元的周期为20毫米，介电常数为2.2，材料厚度为3毫米。
该结构的表面波传输频谱测量结果如图11所示，其中金属表面的TM表面波传输频谱如图中的直线所示，空心圆和三角形分别为TE和TM表面波在该结构上的测量结果。从图11可见，在15GHz以下TE和TM有三个明显的完整表面波带隙出现，TM的第一个带隙较窄，在4.2GHz-4.9GHz，宽约700MHz，第二个带隙在7.4GHz-9.5GHz，第三个在10.3GHz-12.7GHz；TE表面波的三个带隙出现在4.45GHz-6.46GHz，7.68GHz-9.5GHz和10GHz-13.72GHz。所以三个完整的表面波带隙为4.45GHz～4.9GHz，7.68GHz～9.5GHz，10.3GHz～12.7GHz。
实施例5请参阅附图7。由两种面积不同的方块构成，边长分别为6.6毫米和3.1毫米，缝间距为0.4毫米，导孔直径为0.7毫米，板子厚度1.6毫米，介电常数为2.2，具有两度旋转对称性。经测量获得图12的表面波传输频谱图，其中直线表示金属表面TM表面波传输曲线，圆圈标记表示在两个不同谐振单元上的TE表面波测量结果，空心三角表示在两个不同谐振单元上的TM表面波测量结果，图中可以看出两个完整表面波带隙落在5.1GHz-5.8GHz，8.89GHz-10.6GHz。
权利要求
1.一种可以实现高定向性、多频带的电磁波反射表面，包括金属下底板和上表面，其特征在于上表面由2-3个不同的谐振单元，以周期结构或者准周期结构排列的方式平铺整个表面，每个谐振单元由金属贴片和连接金属下底板的金属化导孔结构构成，每个谐振单元拥有1-3个谐振频率。
2.根据权利要求1所述的一种可以实现高定向性、多频带的电磁波反射表面，其特征在于所述的2-3个不同的谐振单元以准周期结构排列的平面结构具有5、8、10、12度旋转对称性，不具有平移对称性，分别由不同角度的菱形构成，它们的面积大小不一样。
3.根据权利要求1所述的一种可以实现高定向性、多频带的电磁波反射表面，其特征在于所述的两个不同的谐振单元以周期结构排列的平面几何结构具有平移对称和2度、4度旋转对称性；或者平面形状和面积尺寸都不同；或者平面形状相同，面积尺寸不同。
全文摘要
一种可以实现高定向性、多频带的电磁波反射表面，涉及可用于天线基板设计和微波电路隔离的电磁波谐振表面材料。其特征是该表面的上表面由两种不同的谐振单元以周期或者准周期结构排列构成，每个谐振单元由金属贴片和连接金属下底板的金属化导孔构成，且各自拥有不同的谐振频率。由此结构组成的表面在天线领域中可实现高方向辐射和多频带辐射特性，在阵列天线设计中可降低天线间的互耦同时提高前向辐射；在微波电路中可抑制各元器件间的互耦。本发明制作简单，天线基板的小型化、高效率、低成本，广泛用于微波电路和天线领域。
文档编号H01Q15/14GK1674356SQ200510024519
公开日2005年9月28日 申请日期2005年3月21日 优先权日2005年3月21日
发明者李宏强, 秦亚琴, 魏泽勇, 陈亮, 张冶文, 陈鸿 申请人:同济大学