方向圖可重構定向輻射天線的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種方向圖可重構定向輻射天線，至少兩組由磁性柱組成的磁性光子晶體陣列，一個輻射饋源，以及覆蓋于所述磁性柱上下表面的金屬板；所述磁性柱置于空氣環境中，外加軸向偏置磁場，所述輻射饋源位于光子晶體陣列的交界處；不同陣列的結構參數及磁性柱的材料不同。當外加磁場變化時，不同結構尺寸和材料成分的磁性光子晶體的能帶結構會發生變化，并且帶底頻率的變化速度不同。本發明的天線結構利用這一特性可通過改變外加磁場，動態切換輻射方向，同時還有定向性能好、結構簡單、易于實現、成本低廉等優勢。
【專利說明】
方向圖可重構定向輻射天線
技術領域
[0001 ]本發明涉及一種天線，具體是一種方向圖可重構天線，更具體是一種方向圖可重構的磁性光子晶體定向福射天線。
【背景技術】
[0002]天線是在無線電設備中用來發射或接收電磁波的部件。在衛星、雷達等領域，天線的定向輻射性能是重要指標之一。天線良好的定向性能極大地提高通信效率。此外，在一些現代通信系統中，天線需要動態切換輻射方向，以滿足多樣的通信需求，這種天線稱之為方向圖可重構天線，一般通過機械或者大型有源器件陣列的方式實現。這類天線往往結構復雜，體積龐大，切換輻射方向過程繁瑣，極大地限制了可應用的場景。同時兼具高定向性和高方向圖可重構性能，更是加劇了天線結構設計的復雜程度。
【發明內容】
[0003]發明目的:針對上述現有技術存在的問題和不足，本發明的目的是提供一種結構簡單、實現方便的高性能方向圖可重構定向輻射天線。
[0004]技術方案:為實現上述發明目的，本發明采用的技術方案為:
[0005]—種方向圖可重構定向輻射天線，包括:至少兩組由磁性柱組成的磁性光子晶體陣列，一個輻射饋源，以及覆蓋于所述磁性柱上下表面的金屬板;所述磁性柱置于空氣環境中，外加軸向偏置磁場，所述輻射饋源位于光子晶體陣列的交界處;不同陣列的結構參數及磁性柱的材料不同。
[0006]進一步地，所述磁性柱為軟磁鐵氧體磁性柱，或由軟磁鐵氧體與陶瓷介質組成的磁性柱;所述軟磁鐵氧體的材料為鎂錳鐵氧體、釔鐵石榴石鐵氧體或鎳鋅鐵氧體。
[0007]進一步地，所述磁性柱的形狀為圓柱體，沿軸向切面為分界面，一半為軟磁鐵氧體，一半為陶瓷介質;所述磁性柱的軸向切面法線方向垂直于定向福射方向。
[0008]進一步地，所述天線由兩組磁性光子晶體陣列組成，每組陣列為獨立的矩形陣列，所述輻射饋源位于兩矩形陣列的交界處。
[0009]進一步地，所述福射饋源與磁性柱的軸向平行。
[0010]工作原理:帶隙是光子晶體獨特的能帶結構。將工作頻率設置在光子晶體帶隙邊緣的帶底頻率處，使得電磁波只能從某一特定方向通過光子晶體向外輻射，而其余方向均被截止。將此特性應用于天線設計中，可以使天線定向福射性能大大提高，形成高定向性天線。當外加磁場變化時，不同結構尺寸和材料成分的磁性光子晶體的能帶結構會發生變化，并且帶底頻率的變化速度不同，將兩者拼接，可以實現在不同外加磁場的條件下，動態調整輻射方向。
[0011]有益效果:本發明提出一種由至少兩組磁性柱組成的磁性光子晶體構成的方向圖可重構定向福射天線。這種天線可通過改變外加磁場，動態切換福射方向，同時還有定向性能好、結構簡單、易于實現、成本低廉等優勢。
【附圖說明】
[0012]圖1為本發明的結構示意圖。
[0013]圖1中，1:輻射饋源，2、3:磁性柱，4、5:金屬蓋板。
[0014]圖2為本發明的光子晶體的截面結構示意圖。
[0015]圖3為本發明在外加磁場為5000e時的能帶結構仿真結果圖。
[0016]圖4為本發明天線在外加磁場為5000e時的遠場福射仿真結果圖。
[0017]圖5為本發明在外加磁場為20000e時的能帶結構仿真結果圖。
[0018]圖6為本發明天線在外加磁場為20000e時的遠場福射仿真結果圖。
【具體實施方式】
[0019]下面結合附圖和具體實施例，進一步闡明本發明，應理解這些實施例僅用于說明本發明而不用于限制本發明的范圍，在閱讀了本發明之后，本領域技術人員對本發明的各種等價形式的修改均落于本申請所附權利要求所限定的范圍。
[0020]本發明以兩類不同材料的磁性柱組成的磁性光子晶體矩形陣列為例詳細說明本發明的結構參數設計和實驗仿真結果，需要說明的是本發明并不限于此種結構，對于本領域技術人員，利用本發明的原理，可以根據實際需求采用多種磁性柱構成磁性光子晶體陣列，實現多個方向的定向輻射。如圖1所示，本發明實施例的方向圖可重構定向輻射天線，主要包括兩組由多個磁性圓柱(2，3)構成的磁性光子晶體陣列，和一個輻射饋源，即線源I。兩個陣列的磁性圓柱采用不同的鐵氧體材料制成，如鎂錳鐵氧體、釔鐵石榴石鐵氧體或鎳鋅鐵氧體等鐵氧體材料，進一步地為了降低輻射損耗并且提高天線與空氣的匹配性能，本實施例的磁性圓柱由鐵氧體材料與陶瓷介質混合而成。磁性圓柱固定在上下金屬板(4，5)內，線源I位于兩類光子晶體交界位置正中央，與磁性圓柱的軸向平行。沿磁性圓柱軸向加偏置磁場。
[0021]如圖2所示，磁性光子晶體為矩形點陣，al-bl，a2_b2分別為兩組磁性圓柱矩形單元兩邊的晶格常數，r為圓柱的半徑。本實施例的具體實例中，al = 8.7mm，bl = 7mm，a2 =9mm,b2 = 5mm，r = 2mm，磁性圓柱高10mm。右側下半圓柱采用乾鐵石植石鐵氧體(YIG)，上半圓柱采用陶瓷;左側下半圓柱采用鎂錳鐵氧體(MgMn)，上半圓柱采用陶瓷，磁性圓柱處于空氣環境中。釔鐵石榴石鐵氧體材料的介電常數為15.26(l-j0.0063)，鎂錳軟磁鐵氧體材料的介電常數為12.2(1-j0.006)，其中j表示虛數，它在微波段基本上為一個常數;陶瓷材料的介電常數為9.8。外加偏置磁場的調節范圍為50006-200006，在這一磁場范圍內，天線的輻射方向會發生變化。
[0022]圖3示出了在外加磁場為5000e時兩組磁性光子晶體能帶結構仿真示意圖。結果表明，對于長方晶格(a I = 8.7mm，b I = 7mm) YIG-陶瓷組合材料磁性光子晶體，在外加磁場為5000e時，其帶隙上邊界帶底頻率附近只存在一個沿Γ X方向的允許傳播通道，為12.68GHz，大于長方晶格(a 2 = 9 mm，b 2 = 5 mm) M g M η -陶瓷組合材料光子晶體的帶隙上邊界帶底頻率12.51GHz，此時當輻射饋源的工作頻率在12.51GHz附近時，能量只從MgMn-陶瓷組合材料磁性光子晶體一側向外福射。
[0023]圖4示出了天線的遠場輻射仿真結果圖。YIG-陶瓷組合材料磁性光子晶體陣列大小為28 X 15，MgMn-陶瓷組合磁性材料光子晶體陣列大小為38 X 15。有一線源在兩類光子晶體的交界處，外加偏置磁場為5000e，工作頻率為12.51GHz。仿真結果表明電磁波沿-X方向傳播，能量很集中，有良好的平面波波陣面，沒有副瓣，歸一化條件下背向輻射能量小于20dB。進一步計算結果表明，天線的方向性系數約為38.27，半功率點寬度均為約9.1°。
[0024]圖5示出了在外加磁場為20000e時兩組磁性光子晶體能帶結構仿真示意圖。結果表明，YIG-陶瓷組合材料磁性光子晶體，在外加磁場為20000e時，其帶隙上邊界帶底頻率附近只存在一個沿Γ X方向的允許傳播通道，為13.17GHz，小于MgMn-陶瓷組合材料磁性光子晶體的帶隙上邊界帶底頻率13.25GHz，此時當輻射饋源的工作頻率在13.17GHz附近時，能量只從HG-陶瓷組合材料磁性光子晶體一側向外福射。
[0025]圖6示出了天線的遠場輻射仿真結果圖。YIG-陶瓷組合磁性材料光子晶體陣列大小為28 X 15，MgMn-陶瓷組合材料磁性光子晶體陣列大小為38 X 15。有一線源在兩類光子晶體的交界處，外加偏置磁場為20000e，工作頻率為13.17GHz。仿真結果表明電磁波沿+X方向傳播，能量很集中，有良好的平面波波陣面，沒有副瓣，歸一化條件下背向輻射能量小于20dB。進一步計算結果表明，天線的方向性系數約為43.11，半功率點寬度均為約7.9°。
【主權項】
1.一種方向圖可重構定向輻射天線，其特征在于，包括:至少兩組由磁性柱組成的磁性光子晶體陣列，一個輻射饋源，以及覆蓋于所述磁性柱上下表面的金屬板;所述磁性柱置于空氣環境中，外加軸向偏置磁場，所述輻射饋源位于光子晶體陣列的交界處;不同陣列的結構參數及磁性柱的材料不同。2.根據權利要求1所述的方向圖可重構定向輻射天線，其特征在于，所述磁性柱為軟磁鐵氧體磁性柱，或由軟磁鐵氧體與陶瓷介質組成的磁性柱;所述軟磁鐵氧體的材料為鎂錳鐵氧體、釔鐵石榴石鐵氧體或鎳鋅鐵氧體。3.根據權利要求2所述的方向圖可重構定向輻射天線，其特征在于，所述磁性柱的形狀為圓柱體，沿軸向切面為分界面，一半為軟磁鐵氧體，一半為陶瓷介質;所述磁性柱的軸向切面法線方向垂直于定向輻射方向。4.根據權利要求1所述的方向圖可重構定向輻射天線，其特征在于，所述天線由兩組磁性光子晶體陣列組成，每組陣列為獨立的矩形陣列，所述輻射饋源位于兩矩形陣列的交界處。5.根據權利要求1-4任一項所述的方向圖可重構定向輻射天線，其特征在于，所述輻射饋源與磁性柱的軸向平行。
【文檔編號】H01Q1/36GK105846115SQ201610214163
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年4月7日
【發明人】肖超, 伍瑞新
【申請人】南京大學