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    一種開縫隙結構的人工電磁軟表面及其構建方法技術

    技術編號:13306327 閱讀:79 留言:0更新日期:2016-07-10 01:32
    本發明專利技術涉及一種在小型化的電磁軟表面結構及其構建方法,屬于微波技術領域。通過在金屬條帶上設置平行于金屬過孔列的縫隙列,縫隙列由等距排列在一條直線上的縫隙構成,且每個金屬過孔均有相對應的縫隙,金屬過孔與對應縫隙的幾何中心連線與金屬過孔列垂直,金屬過孔與縫隙不相交,縫隙和金屬過孔均處于金屬條帶范圍內。以實現很大程度地降低金屬條帶的寬度,使結構更加小型化,而且用于貼片天線間的去耦效果良好。

    【技術實現步驟摘要】

    本專利技術涉及一種在小型化的電磁軟表面結構及其構建方法,屬于微波

    技術介紹
    人工電磁軟表面可以看作是一種一維的電磁帶隙EBG(ElectromagneticBandGap)結構,即在該表面上的某個特定的方向上具有阻礙電磁波能量傳播的特性。這種結構與蘑菇型電磁帶隙結構相比,具有結構更緊湊,濾波效果好的特性,更有利于小型化的應用。所以人工電磁軟表面受到人們的青睞,已經被廣泛的應用的陣列天線間的去耦,天線效率的增強,以及天線的后向輻射的控制。傳統的人工電磁軟表面結構為:底層為金屬接地平板,中間為介質基板,上層為金屬條帶,金屬條帶通過一排等距在一條直線上的的金屬過孔與金屬接地平板相導通,如圖1所示。現在的主要問題在于,當應用于陣列天線的去耦時,由于陣列天線的尺寸設計越來越小,要求兩個相鄰的天線陣列單元間的距離越來越小,特別是天線工作在低介電常數的介質基板上時,使得傳統的人工電磁軟表面結構的應用受到限制。所以電磁軟表面的小型化是一個關鍵的問題。為解決上述問題,現有的技術主要有:(1)增加金屬過孔的周期,但是周期的增加是有限的,而且周期過大,軟表面帶隙受到嚴重的影響。(2)傳統軟表面的金屬條帶邊緣變成三角形鋸齒邊緣,或者變成具有突出的小矩形的邊緣,這種方法可以使帶隙向低頻移動,帶寬有所增加,但是這種方法也相當于增加了單個金屬條帶的寬度。
    技術實現思路
    針對上述存在問題或不足,為實現不影響其他參數效果的同時,且帶寬增加的,本專利技術提供了一種開縫隙結構的人工電磁軟表面。該開縫隙結構的人工電磁軟表面是基于傳統的人工電磁軟表面,包括底層的金屬接地平板,介質基板的中間層和上層的金屬條帶,金屬條帶通過一排等距在一條直線上的的金屬過孔與金屬接地平板相導通,其特點在于:還包括設置在金屬條帶上的縫隙列,縫隙列平行于金屬過孔列由等距排列在一條直線上的縫隙構成,每個金屬過孔均有相對應的縫隙,金屬過孔與對應縫隙的幾何中心連線與金屬過孔列垂直,且金屬過孔與縫隙不相交,縫隙和金屬過孔均處于金屬條帶范圍內;所述縫隙的形狀呈矩形C的形狀,矩形C的開口邊即縫隙開口邊背離所在金屬條帶上的金屬過孔列,且平行于所屬金屬條帶上的金屬過孔列;上述矩形C為一組對邊平行于金屬過孔列的矩形框,在背離金屬過孔列的矩形框平行邊中間開口即縫隙開口邊。其中金屬條帶的寬度為W,同一金屬條帶上的金屬過孔的間距為P,金屬過孔的直徑為D,介質基板的厚度為h,縫隙的寬度為W1;以矩形C所在矩形框外圍矩形定:縫隙開口邊所在矩形邊的長度為L1,矩形的另一條邊為L2,縫隙開口邊的兩條邊長度均為L3,L1<P,L2>2W1,0<L3<L1/2。當金屬過孔列位于金屬條帶中間時,在每個金屬條帶上設置兩列關于金屬過孔列呈鏡像對稱的縫隙列,即金屬過孔列兩側均設有縫隙列,金屬過孔與對應的2個縫隙的幾何中心呈3點一線且與該金屬條帶上的金屬過孔列垂直,呈鏡像的一對縫隙的最短距離為d1,d1>D,2L2+d1<W。當金屬過孔列不位于金屬條帶中間時,僅在每個金屬條帶上設置一列縫隙列,此縫隙列在金屬過孔列到金屬條帶邊緣距離更遠的一側;金屬過孔列沒有縫隙列一側的金屬條帶邊緣到縫隙的最短距離為d2,d2>D,L2+d2<W。如圖3所示。其構建方法為:步驟一:在CST中建立一個具有n個周期的開縫隙結構的電磁軟表面模型,n為正整數;該模型由三層構成,自上而下依次是開縫隙的金屬條帶,介質基板層和地層,每個開縫隙的金屬條帶通過一排等距的金屬過孔與地層相連,在介質基板的上方再設置一個高度是介質基板厚度2到5倍的空氣盒子,空氣盒子的長寬皆與介質基板層相同,空氣盒子底面與介質基板的上表面重合,在空氣盒子的上表面與地層的下表面分別設置電邊界Et=0,在金屬條帶方向的兩個側面分別設置磁邊界Ht=0,在垂直于金屬條帶的兩個方向的兩個側面分別設置波端口;設置頻率范圍,仿真得到傳輸系數S21,再調整結構參數,使其帶隙工作在要求的頻率范圍,初步確定開縫隙結構的電磁軟表面的尺寸參數;步驟二:在Ansoft-HFSS中,在同一塊介質基板上設計兩個大小相同貼片天線(如圖5所示);該模型分為三層,從上自下分別是,兩個矩形的金屬貼片,表面為矩形的介質基板和地層。兩個金屬貼片分別關于兩條直線對稱,這兩條直線是介質基板矩形表面對邊中點的連線,介質基板的厚度與材料與步驟一的電磁軟表面的厚度與材料相同,兩個金屬貼片下表面分別通過同軸線饋電。再把該模型用一個空氣盒子罩住,空氣盒子的邊緣到該模型的最短距離不小于四分之一工作波長,空氣盒子表面設置為輻射邊界條件,在地層的兩個圓形開孔面分別設置集總波端口,設置歸一化輸入阻抗為50歐姆,設置工作頻率范圍,仿真得到S參數結果,并調整貼片天線的尺寸參數,使其工作在步驟一設計的開縫隙結構的電磁軟表面帶隙的頻率范圍,得到調整后的S參數,確定兩個貼片天線的尺寸參數。步驟三:在Ansoft-HFSS中,將步驟二設計的在同一介質基板上的兩個貼片天線的模型中加載步驟一設計的開縫隙結構的電磁軟表面,該電磁軟表面加載在兩個貼片天線之間,其金屬條帶的長度方向與兩矩形金屬貼片的相鄰邊平行,且該電磁軟表面分別與兩貼片天線的最短距離相等,仿真得到S參數,再優化該電磁軟表面的結構參數,使兩個波端口間的傳輸系數S21、S12在貼片天線的工作頻率的中心點附近的值最小,得到優化后的S參數,確定該電磁軟表面的尺寸參數。本專利技術所設計的開縫隙結構的電磁軟表面特點為:結構較為簡單,加工難度低,能實現很大程度的小型化。綜上所述,本專利技術提供的人工電磁軟表面結構可以很大程度地降低金屬條帶的寬度,使結構更加小型化,而且用于貼片天線間的去耦效果良好。附圖說明圖1是本專利技術傳統的人工電磁軟表面平面示意圖,單位(mm),(a)俯視圖;(b)側視圖;圖2是本專利技術的開縫隙結構的電磁軟表面(過孔在金屬條帶中間)示意圖,單位(mm),(a)俯視圖,(b)側視圖,(c)縫隙局部圖;圖3是本專利技術的開縫隙結構的電磁軟表面(過孔在金屬條帶邊上)示意圖,單位(mm),(a)俯視圖,(b)側視圖,(c)縫隙局部圖;圖4是兩個周期的開縫隙結構的電磁軟表面平面示意圖,單位(mm);圖5是兩貼片天線未加載開縫隙結構的電磁軟表面的模型示意圖,單位(mm),(a)俯視圖,(b)側視圖;圖6是兩貼片天線加載開縫隙結構的電磁軟表本文檔來自技高網...

    【技術保護點】
    一種開縫隙結構的人工電磁軟表面,包括底層的金屬接地平板,介質基板的中間層和上層的金屬條帶,金屬條帶通過一排等距在一條直線上的的金屬過孔與金屬接地平板相導通,其特征在于:還包括設置在金屬條帶上的縫隙列,縫隙列平行于金屬過孔列由等距排列在一條直線上的縫隙構成,每個金屬過孔均有相對應的縫隙,金屬過孔與對應縫隙的幾何中心連線與金屬過孔列垂直,且金屬過孔與縫隙不相交,縫隙和金屬過孔均處于金屬條帶范圍內;所述縫隙的形狀呈矩形C的形狀,矩形C的開口邊即縫隙開口邊背離所在金屬條帶上的金屬過孔列,且平行于所屬金屬條帶上的金屬過孔列;上述矩形C為一組對邊平行于金屬過孔列的矩形框,在背離金屬過孔列的矩形框平行邊中間開口即縫隙開口邊;其中金屬條帶的寬度為W,同一金屬條帶上的金屬過孔的間距為P,金屬過孔的直徑為D,介質基板的厚度為h,縫隙的寬度為W1;以矩形C所在矩形框外圍矩形定:縫隙開口邊所在矩形邊的長度為L1,矩形的另一條邊為L2,縫隙開口邊的兩條邊長度均為L3,L1<P,L2>2W1,0<L3<L1/2。

    【技術特征摘要】
    1.一種開縫隙結構的人工電磁軟表面,包括底層的金屬接地平板,介質基
    板的中間層和上層的金屬條帶,金屬條帶通過一排等距在一條直線上的的金屬
    過孔與金屬接地平板相導通,其特征在于:
    還包括設置在金屬條帶上的縫隙列,縫隙列平行于金屬過孔列由等距排列
    在一條直線上的縫隙構成,每個金屬過孔均有相對應的縫隙,金屬過孔與對應
    縫隙的幾何中心連線與金屬過孔列垂直,且金屬過孔與縫隙不相交,縫隙和金
    屬過孔均處于金屬條帶范圍內;
    所述縫隙的形狀呈矩形C的形狀,矩形C的開口邊即縫隙開口邊背離所在
    金屬條帶上的金屬過孔列,且平行于所屬金屬條帶上的金屬過孔列;上述矩形C
    為一組對邊平行于金屬過孔列的矩形框,在背離金屬過孔列的矩形框平行邊中
    間開口即縫隙開口邊;
    其中金屬條帶的寬度為W,同一金屬條帶上的金屬過孔的間距為P,金屬
    過孔的直徑為D,介質基板的厚度為h,縫隙的寬度為W1;以矩形C所在矩形框
    外圍矩形定:縫隙開口邊所在矩形邊的長度為L1,矩形的另一條邊為L2,縫隙
    開口邊的兩條邊長度均為L3,L1<P,L2>2W1,0<L3<L1/2。
    2.如權利要求1所述開縫隙結構的人工電磁軟表面,其特征在于:當金屬
    過孔列位于金屬條帶中間時,在每個金屬條帶上設置兩列關于金屬過孔列呈鏡
    像對稱的縫隙列,即金屬過孔列兩側均設有縫隙列,金屬過孔與對應的2個縫
    隙的幾何中心呈3點一線且與該金屬條帶上的金屬過孔列垂直,呈鏡像的一對
    縫隙的最短距離為d1,d1>D,2L2+d1<W。
    3.如權利要求1所述開縫隙結構的人工電磁軟表面,其特征在于:當金屬
    過孔列不位于金屬條帶中間時,僅在每個金屬條帶上設置一列縫隙列,此縫隙

    \t列在金屬過孔列到金屬條帶邊緣距離更遠的一側;金屬過孔列沒有縫隙列一側
    的金屬條帶邊緣到縫隙的最短距離為d2,d2>D,L2+d2<W。
    4.如權利要求1-3任一所述開縫隙結構的人工電磁軟表面的構建方法,包
    括以下步驟:
    步驟一:在CST中建立一個具有n個周期的開縫隙結構的電磁軟表面模型,...

    【專利技術屬性】
    技術研發人員:陳海燕鄧有杰周佩恒謝建良鄧龍江
    申請(專利權)人:電子科技大學
    類型:發明
    國別省市:四川;51

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