一種可以實現高定向性、多頻帶的電磁波反射表面的製作方法

2023-12-01 17:39:21

專利名稱：一種可以實現高定向性、多頻帶的電磁波反射表面的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種可用於天線和微波電路的電磁波諧振表面材料，進一步涉及多個表面波帶隙，特別是準周期結構上橫電模式的表面波的完全抑制，以及天線的高方向性輻射和多頻帶輻射特性的材料。
背景技術：
現有技術中，電磁波諧振表面的下底板為金屬，上底板由單一諧振單元周期排列構成，每個諧振單元的金屬貼片通過金屬化導孔與金屬下底板相連。該諧振單元在某個頻率處產生磁性諧振，此時，對於以諧振頻率入射的平面波來說，由於這個表面產生的反射波和入射波同位相，這樣可以使得天線非常靠近反射表面。此外由於金屬化導孔結構的存在，該表面還存在以這個諧振頻率為中心的一個表面波帶隙，而表面波帶隙的存在可以極大程度地抑制天線的後瓣和旁瓣，上述兩個特點可以有效的減少天線襯底的尺寸，發射效率也得到提高。但是，由於該結構只有一個表面波帶隙和一個同位相反射頻率，因此天線只能在單一的頻段內有效輻射，而且輻射的方向圖也沒有方向性。為了獲得高方向性輻射的天線，現有技術中多是通過陣列天線來實現，但是天線陣列小型化時各個陣元間的互耦一直是難以解決的難題，同時移相電路的成本也非常昂貴。此外，也有將單個天線陣元放在一個腔體結構中來實現高方向性輻射。最近還有若干利用光子晶體諧振腔或者用左手性材料實現的諧振腔來實現高方向性天線的報導，但是必須將體積做的很大才行。總之，不利用陣列天線和腔體結構，採用現有的由單一諧振單元構成的平面型襯底無法實現單個天線的高方向性輻射。另外，在微波電路中，由於現有的電磁波諧振表面只具有一個表面波帶隙，因此無法實現多個頻段內的表面波的同時抑制或者某一模式的表面波的完全抑制，無法達到微波電路中的元器件的所需要的隔離效果。

發明內容
本發明的目的是公開了一種可以實現高定向性、多頻帶的電磁波反射表面，這種表面材料作為天線反射基板，可以實現單個天線的高方向性輻射和多頻帶輻射，達到無論將天線作為接收端或者發射端都可以大幅度提高靈敏度和探測距離；在微波電路中可解決元器件間的互耦問題，也可屏蔽要求的工作波段的微波。
為了達到上述目的，本發明的表面材料的結構特點是包括金屬下底板和上表面，上表面由兩種不同的諧振單元以周期結構或者準周期結構排列的方式平鋪整個表面，每個諧振單元的金屬貼片通過金屬化導孔與金屬下底板相連。對每個諧振單元來說，它各自擁有1-3個諧振頻率，因此具有多帶的磁響應特性。這兩個諧振單元的金屬貼片具有的特點如下2-3個不同的諧振單元以準周期結構排列的平面幾何結構具有5、8、10、12度旋轉對稱性，不具有平移對稱性，分別由不同角度的菱形構成，它們的面積大小不一樣。
兩個不同的諧振單元以周期結構排列的平面幾何結構具有平移對稱和2度，4度旋轉對稱性；或者平面形狀和面積尺寸都不同；或者平面形狀相同，面積尺寸不同。
本發明具有如下的效果和優點1.由於本發明主要涉及到由兩種不同諧振單元構成的電磁波諧振表面，每個諧振單元至少擁有一個不同的磁諧振頻率，在這些諧振頻率處天線都可以理想的工作，因此可實現天線的多頻帶輻射。
2.由於準周期結構的電磁諧振表面特殊的旋轉對稱性，以及不同諧振單元導致的材料局部不均勻性，在表面波的抑制和同位相反射的共同作用下，使得天線獲得了方向性係數高達D＝200-240範圍，可簡單實現天線小型化、高效率、低成本。
3.由於本發明由兩種不同的諧振單元構成的電磁波諧振表面，表面波的多帶隙特性以及準周期結構橫電模式的表面波的完全抑制，在微波電路中可用來解決元器件在多個頻段間的互耦問題。
4.由兩種諧振單元構成電磁波諧振表面的多帶隙特性，在天線領域，可以實現多個頻段內對天線後瓣和旁瓣的有效抑制同時獲得好的前向輻射。另外，在天線陣列設計中，以保證降低發射陣元間互耦和同時提高天線的前向增益。


圖1為本發明的以五度對稱性準周期排列的結構示意2為本發明的以八度對稱性準周期排列的結構示意3為本發明的以三角形與五邊形四度對稱性周期排列的結構示意4為圖3的以三角形諧振單元的結構示意5為圖3的以五邊形諧振單元的結構示意6為本發明的以正方形與五邊形四度對稱性周期排列的結構示意7為本發明的以兩種大小不同正方形兩度對稱性周期排列的結構示意8為圖1的以五度對稱性準周期排列的表面波傳輸頻譜9為圖2的以八度對稱性準周期排列的表面波傳輸頻譜10為圖3的三角形與五邊形四度對稱性周期排列的表面波傳輸頻譜11為圖6的表面波傳輸頻譜12為圖7的表面波傳輸頻譜13為圖1結構的表面在10.08GHz的H面輻射方向14為圖1結構的表面在10.08GHz的E面輻射方向15為圖2結構的表面在7.3GHz的H面輻射方向16為圖2結構的表面在7.3GHz的E面輻射方向17為位於圖5諧振單元中心的天線在9.04GHz的兩主平面輻射方向18為位於圖5諧振單元中心的天線在10.56GHz的兩主平面輻射方向19為位於圖4諧振單元中心的天線在10.56GHz的兩主平面輻射方向圖具體實施方式
實施例1
請參閱附圖1。本發明為5度對稱的準周期結構排列構成的電磁波反射表面，由上表面的金屬貼片，下底板的金屬底板以及連接上下金屬層的金屬化導孔構成，該結構不具有平移對稱性，只具有旋轉對稱性。上表面的2種菱形邊長同為7.366毫米，銳角分別為36度和72度的菱形構成，每個菱形諧振單元之間的間距為0.400毫米，金屬化導孔直徑為0.7毫米，板子厚為度1.6毫米，介電常數為2.2，整個樣品的面積大小為190.0×190.0平方毫米。本發明採用單極子和偶極子天線分別進行TM、TE模式的表面波測量。在TM表面波測量中，兩枚單極子天線分別作為發射和接收天線垂直於本發明的被測材料上，並非常貼近表面，同樣的在TE表面波測量中，兩枚偶極子水平貼近表面來獲得該模式的表面波測量，測量的表面波傳輸頻譜圖如圖8所示，其中直線為金屬表面的TM表面波傳輸頻譜曲線，圓圈標記的曲線和三角形標記的曲線分別為TM模式的表面波和TE表面波在5度準周期表面上的傳輸頻譜測量結果，方塊標記的曲線表示TE表面波在金屬表面上的傳輸結果。從圖8中可以發現在12GHz以下，TM表面波有三個明顯的帶隙出現，分別集中在5.1GHz，7.6GHz和10.2GHz，然而TE表面波在所有頻率範圍內都被抑制而不能傳播。
將自製的工作在10GHz的偶極子天線放在偏離中心4毫米的位置，貼近表面來進行H面和E面兩個主平面的輻射方向圖測量，H面的方向圖測量結果如圖13所示，E面的方向圖測量結果如圖14所示，該方向圖採用的坐標是線性功率比值。測量結果中發現，8.33GHz和10.08GHz這兩個頻率的正向傳輸頻譜都比自由空間高出5.5dB，從方向圖的測量結果中也可以看到一定的方向性，在8.33GHz獲得的方向性係數D＝26，在10.08GHz獲得的方向性係數D＝133，因此該結構具有高方向性輻射的特點。
實施例2請參閱附圖2。本發明為八度對稱的準周期排列構成的電磁波諧振表面，結構排列同圖1，分別由銳角為45度和90度的菱形構成，菱形邊長為7.62毫米，縫間距為0.508毫米，導孔直徑為0.7毫米，厚度1.6毫米，介電常數為2.2，材料面積為204.6×204.6平方毫米。
表面波傳輸頻譜的測量結果如圖9所示，其中金屬表面的TM表面波傳輸頻譜如三角形標記的曲線所示，圓圈標記為8度準周期結構上的TM表面波傳輸頻譜測量曲線，方塊標記為TE表面波在8度準周期結構上的傳輸頻譜曲線。圖中可以看出在12GHz以下TM表面波有三個明顯的帶隙出現，分別集中在5.1GHz，7.6GHz和10.2GHz，測量中還發現TE表面波在所有頻率範圍的傳輸都得不到支持。
將自製的工作在10.8GHz的偶極子天線放在該結構的對稱中心處，測量兩個主平面H和E的方向圖，其中H面的方向圖測量結果如圖15所示，E面的方向圖測量結果如圖16所示，該方向圖坐標為線性功率比值。從正向傳輸頻譜的測量中可以看出，在7.3GHz頻率點的傳輸頻譜比自由空間高出16.7dB，輻射方向圖的測量結果中可以看出高方向性輻射的特性，E面和H面的3dB帶寬分別為18度和10度，計算所得的方向性係數D＝240。
實施例3請參閱附圖3、4和5。本發明的上表面由三角形和五邊形兩種諧振單元以圖4和圖5的對稱結構周期排列構成，上表面的金屬貼片通過金屬化導孔與下底板的金屬相連接，它們的面積比為1∶2，是由正方塊諧振單元按此比例分割而成，其中正方單元的邊長為6.6毫米，圖中兩種諧振單元的間距為0.6毫米，導孔直徑為0.7毫米，板子厚度為1.6毫米，介電常數為2.2，材料面積為204.6×204.6平方毫米。
同樣的採用自製的單極子天線和偶極子天線類似與上面的測量方法來進行表面波傳輸頻譜測量，結果如圖10所示。其中直線為金屬表面的TM表面波測量結果，圓圈和三角形標記的曲線分別為TE和TM表面波在圖3結構的表面上的測量結果。從圖10可以看出，在TM表面波有兩個明顯的帶隙出現，分別集中在6.3GHz-7.2GHz，8.8-10.8GHz，另外在12.3GHz左右也發現一些窄的帶隙；TE表面波有三個明顯的帶隙出現，分別集中在5.4GGHz-7.8GHz，8.5GHz-10.8GHz和11.2GHz-12.4GHz。總之在15GHz以下發現兩個完整的表面波帶隙。
圖17、18分別為天線在五邊形諧振單元中心時的E面和H面輻射方向圖測量結果，圖19為天線在三角形諧振單元中心時的兩個主平面輻射方向圖測量結果。我們測量中選用的接收喇叭工作在6.5GHz-15GHz，在該實驗條件下，可以看到9.04GHz和10.56GHz這兩個頻率都能有效的進行輻射，後瓣被很好的抑制，前向輻射有明顯的提高。
實施例4請參閱附圖6。本發明的上表面由五邊形和方塊兩個不同的諧振單元構成，五邊形的兩直角邊長分別為9和0.5毫米，正方形的邊長為 毫米，兩種單元的間距1毫米，導孔直徑為0.7毫米，導孔分別位於方塊的中心以及五邊形兩長直角邊的對角線上，單元的周期為20毫米，介電常數為2.2，材料厚度為3毫米。
該結構的表面波傳輸頻譜測量結果如圖11所示，其中金屬表面的TM表面波傳輸頻譜如圖中的直線所示，空心圓和三角形分別為TE和TM表面波在該結構上的測量結果。從圖11可見，在15GHz以下TE和TM有三個明顯的完整表面波帶隙出現，TM的第一個帶隙較窄，在4.2GHz-4.9GHz，寬約700MHz，第二個帶隙在7.4GHz-9.5GHz，第三個在10.3GHz-12.7GHz；TE表面波的三個帶隙出現在4.45GHz-6.46GHz，7.68GHz-9.5GHz和10GHz-13.72GHz。所以三個完整的表面波帶隙為4.45GHz～4.9GHz，7.68GHz～9.5GHz，10.3GHz～12.7GHz。
實施例5請參閱附圖7。由兩種面積不同的方塊構成，邊長分別為6.6毫米和3.1毫米，縫間距為0.4毫米，導孔直徑為0.7毫米，板子厚度1.6毫米，介電常數為2.2，具有兩度旋轉對稱性。經測量獲得圖12的表面波傳輸頻譜圖，其中直線表示金屬表面TM表面波傳輸曲線，圓圈標記表示在兩個不同諧振單元上的TE表面波測量結果，空心三角表示在兩個不同諧振單元上的TM表面波測量結果，圖中可以看出兩個完整表面波帶隙落在5.1GHz-5.8GHz，8.89GHz-10.6GHz。
權利要求
1.一種可以實現高定向性、多頻帶的電磁波反射表面，包括金屬下底板和上表面，其特徵在於上表面由2-3個不同的諧振單元，以周期結構或者準周期結構排列的方式平鋪整個表面，每個諧振單元由金屬貼片和連接金屬下底板的金屬化導孔結構構成，每個諧振單元擁有1-3個諧振頻率。
2.根據權利要求1所述的一種可以實現高定向性、多頻帶的電磁波反射表面，其特徵在於所述的2-3個不同的諧振單元以準周期結構排列的平面結構具有5、8、10、12度旋轉對稱性，不具有平移對稱性，分別由不同角度的菱形構成，它們的面積大小不一樣。
3.根據權利要求1所述的一種可以實現高定向性、多頻帶的電磁波反射表面，其特徵在於所述的兩個不同的諧振單元以周期結構排列的平面幾何結構具有平移對稱和2度、4度旋轉對稱性；或者平面形狀和面積尺寸都不同；或者平面形狀相同，面積尺寸不同。
全文摘要
一種可以實現高定向性、多頻帶的電磁波反射表面，涉及可用於天線基板設計和微波電路隔離的電磁波諧振表面材料。其特徵是該表面的上表面由兩種不同的諧振單元以周期或者準周期結構排列構成，每個諧振單元由金屬貼片和連接金屬下底板的金屬化導孔構成，且各自擁有不同的諧振頻率。由此結構組成的表面在天線領域中可實現高方向輻射和多頻帶輻射特性，在陣列天線設計中可降低天線間的互耦同時提高前向輻射；在微波電路中可抑制各元器件間的互耦。本發明製作簡單，天線基板的小型化、高效率、低成本，廣泛用於微波電路和天線領域。
文檔編號H01Q15/14GK1674356SQ200510024519
公開日2005年9月28日 申請日期2005年3月21日 優先權日2005年3月21日
發明者李宏強, 秦亞琴, 魏澤勇, 陳亮, 張冶文, 陳鴻 申請人:同濟大學