專利名稱：一種基于低折射率材料的高增益高功率天線的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種天線，特別是一種基于低折射率人工結構材料的高增益高功率容
量的定向天線。
背景技術：
定向天線，顧名思義就是有一個或多個輻射與接收能力最大方向的天線。定向天 線能量集中，方向系數和增益相對于全向天線來說要高很多倍，同時具有很強的抗干擾性， 通常應用于遠距離點的點對點通信中，比如衛星與地面基站的通信。目前發展的比較成熟 的定向天線有螺旋聚束天線、八木-宇田天線，喇叭天線和貼片天線也有一定的定向性。這 些天線都各有個的優缺點，并在生產實踐中被廣泛應用。 上述的天線都是一種基于結構的設計思路，既通過設計天線的形態結構來增強天 線的方向性，有時候為了增加天線的方向性甚至在原有天線的基礎上加上平板反射器、夾 角反射器、拋物面反射鏡等結構。除了改變結構之外是否有其他的途徑來提高定向天線的 方向性呢？答案是肯定的。 隨著近年來亞波長人工結構材料的發展，各種性質的亞波長人工結構材料在實驗 室得到了驗證。2002年法國科學家Stefan Enoch等人發現一種低折射率亞波長人工結構 材料(以下簡稱低折射率材料)可以大大提高天線的方向性，當時他采用了單極子天線埋 在低折射率材料中作為饋源，通過實驗驗證了低折射率材料的存在大大提高了單極子天線 的方向性系數。隨后又有人提出采用貼片作為天線的饋源，將低折射率材料置于貼片上方 組成一種天線，實驗證明這種天線的方向性系數也得到了很大的提高。上述兩種基于低折 射率材料的定向天線除了方向性系數高之外，其結構簡單、易于加工、成本低，非常具有應 用潛力，很遺憾的是目前均離實際應用有一定得差距。前者采用單極子作為饋源難以固定， 而且回波損耗相當大，不能滿足工程需求。而后者由于貼片饋源是通過一層電解質與金屬 接地板隔開的，功率容量非常低(一般只有幾十瓦)，大大限制了此種天線的用途。怎樣在 增大天線方向性的同時兼顧天線的功率容量以及回波損耗成為這類天線發展中必須面對 的問題。
發明內容
本發明要解決的技術問題是針對現有的基于亞波長低折射率人工結構材料的定
向天線功率容量低、回波損耗大的缺點，提供一種基于低折射率材料的高增益高功率天線，
該天線采用波導代替以前的貼片和單極子作為天線饋源，采用雙層全金屬銅網結構構建等
效低折射率材料，在保證天線高增益的同時提高了天線的功率，減小天線的駐波比。
本發明的技術解決方案一種基于低折射率材料的高增益高功率天線，制作步驟
如下 (1)確定天線的工作頻率f ，根據工作頻率f選擇相應的波導、波導_同軸轉換器 及阻抗調配器，以實現電磁波模式轉換和阻抗的匹配。對于波導，選擇的主要參數是矩形波導的寬邊和窄邊的長度，以抑制高次模的傳播。由于矩形波導的尺寸已經標準化可以直接 從國標中選取合適的波導型號。波導_同軸轉換器選擇的標準是能夠支持高功率的傳送， 同時其工作的頻段也要覆蓋天線的工作頻率。阻抗調配器的選擇標準是有足夠大調節范 圍，能夠最終將天線的回波損耗調整到所需的范圍。在制作時可以將轉化器和調配器集成 到波導上以減小天線體積，為了提高功率容量還可以在波導內壁上鍍銀；
(2)根據天線的方向性系數D和天線口徑效率的要求，選擇天線口徑A，其中
^=7^ = 7~~，D為天線的方向性系數，、p為口徑效率； (3)根據天線的工作頻率f確定亞波長低折射率人工結構材料的幾何結構參數， 所謂的低折射率材料就是折射率大于零且接近于零的材料，包括銅網的周期a、空腔邊長 b，銅網厚度t及兩層銅網間距DiS_layer。所述亞波長低折射率人工結構材料采用雙層金 屬銅網結構，所述雙層金屬銅網結構材料的等效折射率為
其中
a In
a/
7T "p為結構的諧振頻率，c。為自由空間的光速。通過上面的公式可知欲得到低折射 率，結構的諧振頻率應該略小于天線的工作頻率，由此可大致確定諧振頻率的范圍。根據諧 振頻率op的取值得到金屬銅網結構的初始幾何結構參數，需要提出的是上述理論公式是 建立在銅網無限大，銅絲在xyz三個方向的周期均是a，且銅絲內的自由電子均參與等離子 體振蕩的前提下的，實際上銅網并不是無限大的，而且由于趨膚效應只有銅絲表面的自由 電子參與了等離子振蕩，制作時兩層銅網之間的間距(Disjayer)并不需要取周期a，而是 可以根據諧振頻率的需要選取，這樣該結構可以變化的參數又多出一個，方便后面的參數 優化，Disjayer的初值可以取a。正是由于上述原因，在確定初始參數后要再利用有限元 軟件對初始的幾何結構參數a、 b、 t和Disjayer進行優化，使得所述亞波長低折射率人工 結構材料的等效折射率盡可能的接近于零； (4)通過有限元軟件對亞波長低折射率人工結構材料與接地金屬板的距離 distance進行優化，得到一個最優解使得天線的方向性系數最大； (5)在微波暗室中測量天線的駐波比，在測量過程中調整天線的阻抗變換器，使得 天線的駐波比最小。 所述步驟(1)中的工作頻率f選擇ku波段，為12 18GHz 。 所述步驟(1)中的波導_同軸轉換器選用門鈕式，饋線與波導_同軸轉換器的接 頭選用標準N型接頭，以增大天線的功率容量。 所述步驟(1)中的阻抗調配器為適用于波導的調配器，包括單螺釘阻抗調配器，
三螺釘阻抗調配器或雙T接頭阻抗調配器，其中單、三螺釘阻抗調配器可直接在波導寬邊
上打螺紋孔插入可調螺釘即可，加工方便，但是帶寬窄。雙T接頭阻抗調配器加工復雜，但
是帶寬較寬。我們可以根據需要選擇合理的調配器。
所述步驟(2)中天線的口徑效率e ap為50% -80%。 所述步驟(3)中亞波長低折射率人工結構材料的幾何結構參數的優化具體過程 如下通過選定的諧振頻率Op得到一組初值，以初始參數建立有限元分析模型，采用有限 元法得到模型的散射參數，再利用散射參數反演法得到亞波長低折射率人工結構材料的等 效折射率，不斷的調整參數的值使反演得到的折射率盡量接近于零，得到一組較優解a、b、t 禾口 Dis_layer。 所述步驟(4)中對參數distance的優化方法如下以distance的初值A /2建立 天線的有限元分析模型，A為天線工作頻率對應的波長，采用有限元法計算天線的遠場得 到方向性系數，調整distance的大小直至在工作頻點f出天線的方向性系數最大。
本發明與現有技術相比的優點在于 (1)本發明通過使用低折射率的亞波長結構材料提高了天線的方向性。通過實 驗可知在天線口徑為132mmX 132mm的情況下天線的增益達到26. 41dB， 口徑效率達到 81. 17%。 (2)本發明通過使用波導作為饋源，并且采用兩層全金屬銅網結構作為等效低折 射率材料，和以前此類采用的基于PCB板低折射率材料以及用單極子和貼片作饋源的天線 相比，本發明可以制作大功率的定向天線。通過理論計算該類天線實驗樣機的允許峰值功 率為138 192kw，若規定天線波導表面的溫度不超過7(TC，則天線的平均功率約為451 625w，計算過程中VSWR取1. 1。 (3)本發明在波導饋源上加入阻抗調配器，可以減小天線的駐波比。通過實驗測的 天線樣機在15GHz時駐波比為1. 44，滿足工程上駐波比小于2的一般要求。
圖1為本發明天線總體結構圖； 圖2為本發明的波導饋源組成示意圖； 圖3為本發明的低折射率材料在CST中仿真模型圖； 圖4為本發明實例中仿真得到的材料的散射參數。(a)為散射參數的幅度，(b)為 散射參數的位相； 圖5為本發明實例中材料的等效參數。(a)為材料的等效折射率，(b)為等效阻 抗，(c)為等效介電常數，(d)為等效磁導率； 圖6為本發明中亞波長低折射率人工結構材料的結構示意圖。(a)為材料的三維 視圖；(b)為材料的前視圖；(c)為材料的局部放大圖； 圖7為本發明實例仿真得到的distance對天線方向性系數的影響；
圖8為本發明實例測量的天線的駐波比； 圖9為本發明中實例天線的方向圖。(a)為天線的E面方向圖，(b)為天線的H面 方向圖。
具體實施例方式
下面結合附圖及具體實施方式
詳細介紹本發明。但以下的實施例僅限于解釋本發 明，本發明的保護范圍應包括權利要求的全部內容，而且通過以下實施例本領域技術人員即可以實現本發明權利要求的全部內容。 如圖l所示，整個天線系統由三個部件組成。左邊為波導饋源，中間為金屬接地 板，接地板為去掉一面的銅皮盒子，中間開一個和波導等大小的矩形孔通過波導法蘭盤和 波導相連，金屬銅網放在盒子的空腔中。 如圖2所示，天線的饋源由三部分組成，包括波導-同軸轉換器、阻抗調配器和矩 形波導，前兩個器件直接集成到波導上。 如圖3所示，在對材料進行仿真的時候，可在CST中建立一個單元的模型，通過周 期性邊界條件將該模型在X、Y向延伸到無窮多個。在模型的前后兩個面上設兩個PORT 口， 通過仿真計算其散射參數。 如圖4所示，經過在CST軟件仿真得到了兩個port 口的散射參數，散射參數為復 數，左圖為幅度值，右圖為相位值。 如圖5所示，將圖4中的散射參數通過S參數反演法反演出材料的等效折射率等 參數，由圖可知該材料的等離子振蕩頻率為14. 58GHz，在15GHz時等效折射率為0. 1785。
如圖6所示，亞波長低折射率人工結構材料由若干層銅網依次排列而成，兩層銅 網之間是自由空間，以傳送大功率。實例中的亞波長低折射率人工結構材料采用兩層銅網 結構，每個銅網由17X17個單元組成。 如圖7所示，天線的方向性系數受參數distance的影響非常大。Distance越大， 天線最好方向性系數對應的頻點越低。從圖7中可以看出，對于工作頻率為15GHz的天線， distance = 10mm時方向性最好。 如圖8所示，在微波暗室中多次調節阻抗調配器并測量天線的駐波比，使得天線 的駐波比盡可能的小。圖8給出了調整后天線的駐波比，由圖可以看出在15GHz駐波比為 1. 440，小于工程上的一般要求2。 如圖9所示，(a) (b)分別為測量得到的天線E面和H面方向圖，由圖可知天線的E 面半寬為9. 14° ，H面半寬為IO。，方向性系數為26. 41dB，對應的口徑效率為81. 17%。
實施例1 (1)根據用戶需求選取天線的工作頻率為15GHz。選用的波導為標準的BJ140矩 形波導，其寬邊的長度為15. 8mm，窄邊的長度為7. 9mm。 (2)波導-同軸轉換器為門鈕式波導_同軸轉換器，其接頭選為標準的N型接頭， 轉換器流線型內導體表面鍍銀。此種接頭駐波比小帶寬較寬，而且支持較大的功率。
(3)阻抗調配器選用三螺阻抗調配器，該調配器調節范圍較大，而且很容易集成到 波導上，成本低。天線最后的輻射部分如圖2所示，將轉換器和阻抗調配器集成到波導上， 減小了器件的體積。 (4)給定天線的方向性系數為D = 25dB， 口徑效率取保守值60%，以此確定天線 的口徑約為130mmX130mm，在設計的過程中考慮到銅網與接地板有一定的間距，口徑取為 132mmX132mm。 (5)天線的工作頻率為15GHz，為了在該頻率得到低折射性質，由上面的理論分析 可知結構的等離子振蕩頻率fp需要略小于工作頻率。由于理論的分析并不是很準確，在確 定銅網結構的初始結構參數的時候等離子振蕩頻率可以取10 15GHz的值。通過估計得 到了一組初始參數a = Dis_layer = 6mm， b = 5. 3mm， t = 0. 5mm，此時通過理論計算得到的等離子諧振頻率為11. 74GHz 。 (6)對銅網結構的參數進行優化。在CST中建立如圖3所示的銅網模型，模型的結 構參數首先確定為(3)中的初始參數，模型在X， Y向設為周期性邊界條件，Z向設為open 邊界條件。平面波沿Z軸負向入射，通過仿真得到圖中portl和port2的散射參數。利用 這兩port 口的散射參數，運用S參數反演的方法即可得到材料的等效折射率，等效折射率 為零時對應的頻率即為等離子振蕩頻率。采用初始參數建立的模型的等離子振蕩頻率并不 滿足略小于15GHz的要求(略小于15GHz的要求可根據需求具體化，在本實例中界定為大 于14. 8GHz小于15GHz)，需要進行優化。優化過程如下改變a、b、Dis—layer和t的值，建 立新的模型仿真后計算出新結構對應的等離子振蕩頻率，若該頻率略小于15GHz則滿足要 求，若大于15GHz或者遠小于15GHz則重新改變參數繼續仿真，直到找到一組參數使得結構 的等離子振蕩頻率略小于15GHz。在優化的過程中需要注意以下幾點首先是銅網的厚度 t，厚度t可以保持0. 5mm不變，t不能太小，太薄的銅網很難加工；其次是銅線的線寬(a-b) 不能太小，否則切割時不能保證精度，而且很可能將銅線切斷；最后就是優化過程中如果 等離子振蕩頻率不滿足要求，需要改變結構參數的時候可以根據理論公式的單調性(a、 b、 Dis—layer增大時，fp減小)判斷出參數是要變大還是變小。經過數次優化，最后可以得到 一組優化結果(單位mm): (a， b， Dis_layer， t) = (6. 9， 5. 3， 7. 2， 0. 5) 在這組參數下，建立仿真模型得到的散射參數如圖4所示，利用S參數反演法計算 得出的材料的等效折射率、等效阻抗、等效介電常數和等效磁導率如圖5所示。由圖5可知 該結構的等離子振蕩頻率為14. 85GHz，在15GHz時材料的等效折射率為0. 1785，為低折射 率材料。最后需要的銅網結構如圖6所示。 (7)在CST軟件中建立天線的全尺寸模型，如圖7所示。接地板為用2mm厚的銅板 制成的開口金屬盒，金屬銅網位于盒子中間。接地板中間挖一個15.8X7. 9mm的矩形孔，波 導通過法蘭盤與之對準相連。電磁波通過波導饋入到天線的輻射部分。調整銅網與接地板 的間距distance,得到天線的方向性系數如圖7所示，由圖7可知當distance取10mm時， 天線在15GHz是的方向性系數最大，所以最終distance的值定為10mm。
(8)將加工好的天線放在微波暗室中，用網絡分析儀測量其駐波比。調節阻抗調配 器上的螺釘使得駐波比小于2，圖8為最后的測量駐波比的結果。 (9)將天線放在微波暗室內測量天線的方向圖，最后的測量的結果如圖9所示。
本發明未詳細闡述的部分屬于本領域的公知技術。
8
權利要求
一種基于低折射率材料的高增益高功率天線，其特征在于所述天線的制作步驟如下(1)確定天線的工作頻率f，根據工作頻率f選擇相應的波導、波導-同軸轉換器及阻抗調配器，以實現電磁波模式轉換和阻抗的匹配；(2)根據天線的方向性系數D和天線口徑效率的要求，選擇天線口徑A，其中D為天線的方向性系數，εap為口徑效率；(3)根據天線的工作頻率f確定亞波長低折射率人工結構材料的幾何結構參數，包括銅網的周期a、空腔邊長b，銅網厚度t及兩層銅網間距Dis_layer。所述亞波長低折射率人工結構材料采用雙層金屬銅網結構，所述雙層金屬銅網結構材料的等效折射率為 <mrow><mi>n</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>ω</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msqrt> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mfrac><msubsup> <mi>ω</mi> <mi>p</mi> <mn>2</mn></msubsup><msup> <mi>ω</mi> <mn>2</mn></msup> </mfrac></msqrt> </mrow>其中 <mrow><msubsup> <mi>ω</mi> <mi>p</mi> <mn>2</mn></msubsup><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><msubsup> <mi>c</mi> <mn>0</mn> <mn>2</mn></msubsup> </mrow> <mrow><msup> <mi>a</mi> <mn>2</mn></msup><mi>ln</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>a</mi> <mo>/</mo> <msqrt><mfrac> <mrow><mrow> <mo>(</mo> <mi>a</mi> <mo>-</mo> <mi>b</mi> <mo>)</mo></mrow><mi>t</mi> </mrow> <mi>π</mi></mfrac> </msqrt> <mo>)</mo></mrow> </mrow></mfrac> </mrow>ωp為結構的諧振頻率，c0為自由空間的光速。根據諧振頻率ωp的取值得到金屬銅網結構的初始幾何結構參數，再利用有限元軟件對初始的幾何結構參數a、b、t和Dis_layer進行優化，使得所述亞波長低折射率人工結構材料的等效折射率盡可能的接近于零；(4)通過有限元軟件對亞波長低折射率人工結構材料與接地金屬板的距離distance進行優化，得到一個最優解使得天線的方向性系數最大；(5)在微波暗室中測量天線的駐波比，在測量過程中調整天線的阻抗變換器，使得天線的駐波比最小。F2009102435454C00011.tif
2. 根據權利要求1所述的一種基于低折射率材料的高增益高功率天線，其特征在于 所述步驟(1)中的工作頻率f選擇ku波段，為12 18GHz。
3. 根據權利要求1所述的一種基于低折射率材料的高增益高功率天線，其特征在于 所述步驟(1)中的波導_同軸轉換器選用門鈕式，饋線與波導_同軸轉換器的接頭選用標 準N型接頭，以增大天線的功率容量。
4. 根據權利要求1所述的一種基于低折射率材料的高增益高功率天線，其特征在于 所述步驟(1)中的阻抗調配器為適用于波導的調配器，包括單螺釘阻抗調配器，三螺釘阻 抗調配器或雙T接頭阻抗調配器。
5. 根據權利要求1所述的一種基于低折射率材料的高增益高功率天線，其特征在于所述步驟(2)中天線的口徑效率、。為50%-80%。
6. 根據權利要求1所述的一種基于低折射率材料的高增益高功率天線，其特征在于所述步驟(3)中亞波長低折射率人工結構材料的幾何結構參數的優化具體過程如下通過選定的諧振頻率Op得到一組初值，以初始參數建立有限元分析模型，采用有限元法得到模 型的散射參數，再利用散射參數反演法得到亞波長低折射率人工結構材料的等效折射率，不斷的調整參數的值使反演得到的折射率盡量接近于零，得到一組較優解a、 b、 t和Dis_layer。
7.根據權利要求1所述的一種基于低折射率材料的高增益高功率天線，其特征在于 所述步驟(4)中對參數distance的優化方法如下以distance的初值A /2建立天線的有 限元分析模型，A為天線工作頻率對應的波長，采用有限元法計算天線的遠場得到方向性 系數，調整distance的大小直至在工作頻點f出天線的方向性系數最大。
全文摘要
一種基于低折射率材料的高增益高功率天線，該天線的設計方法如下(1)確定天線的工作頻率f；(2)根據工作頻率選擇相應的波導、波導-同軸轉換器、轉換器接頭以及阻抗調配器，以實現電磁波模式轉換和阻抗的匹配；(3)根據天線的幾何尺寸限制以及方向性系數D的要求選擇合適的口徑A；(4)確定亞波長低折射率人工結構材料的幾何參數，該種材料采用雙層金屬銅網結構，兩層銅網中間不加任何電介質，該結構的幾何參數主要有銅網的周期a、空腔邊長b，銅網厚度t以及兩層銅網間距Dis_layer；(5)通過仿真選擇合適的材料與接地金屬板的間距distance，通過實驗調整阻抗調配器，獲得最高的方向性系數和最小的駐波比。本發明在保證天線高增益的同時提高了天線的功率，減小了天線的駐波比。
文檔編號H01Q13/08GK101777703SQ20091024354
公開日2010年7月14日 申請日期2009年12月25日 優先權日2009年12月25日
發明者史浩飛, 史立芳, 杜春雷, 董小春, 袁桂山, 鄧啟凌 申請人:中國科學院光電技術研究所