[发明专利]一种电控辐射方向图可重构天线

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型辐射方向图可重构天线的设计方法，具体地说是一种外加电压调节天线辐射方向图的新型天线。

背景技术

这个世纪头十年，人造人工结构材料(Metamaterials)以其控制电磁波独特的能力引起科学家们越来越多的关注。例如人工结构材料的负介电常数和负磁导率等特性使得其在负折射率透镜，高方向性天线，超透镜和微波电磁隐身方面具有很诱人的应用前景。自从英国科学家J.B.Pendry分别自1996年和1999年提出周期性断线和周期性排列的开口环可以实现负介电常数和负磁导率的理论预言，掀起了各国对人工材料的研究热潮。但是这种人工材料的带宽很窄，严重限制了人工材料的应用。因此，人们迫切希望在不改变人工材料单元结构的基础上，能够通过外界手段实时地主动控制人工结构材料的电磁性质。于是，可控人工结构材料的研究应运而生。据报道，现在实现可控人工结构材料的方法有加载变容二极管、半导体温控、铁电和铁磁材料场控以及MEMS开关等方法。因此在相关文献中，相移器、可控滤波器、以及可控天线都得到极大的发展。在现有几种可控方法中，电控方法是研究得最为成熟也是被认为最具有发展潜力的一种可控方法。2006年，浙江大学有研究小组利用反平行S环人工材料拓展到可控天线上，但是这种天线是基于S环负折射特性，对于单个电容值，其通带只有300MHz。因此，只工作在单频点f＝0.9GHz。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对现有负折射率人工材料应用带宽窄的问题，提出一种电控辐射方向图可重构天线，可以在低于谐振频率相当宽的带宽范围之内工作，是一种宽带的可控天线，可以实现天线辐射方向图主瓣±40度左右偏转。

本发明的技术解决方案：一种电控辐射方向图可重构天线，步骤如下：

(1)选择天线的工作频率f；

(2)确定人工结构材料整个单元结构尺寸，以及其组成单元的金属结构(这里选择中心开口的“工”字型金属结构)和基底材料。包括基底材料(介电常数r、磁导率)、开口的“工”字型结构的几何参数；

(3)在“工”字型金属结构的中心开口处加上变容二极管，然后在传播方向叠放10层材料，利用电磁仿真软件计算单元的透过谱(S₂₁)并提取S₂₁的位相，连续改变变容二极管的电容值，记录对应透过谱位相，绘制位相-电容C曲线；

(4)沿三个相互垂直方向(水平、竖直、前后)周期排列“工”字型人工材料即可得到天线模型。竖直方向排布单元数为M(M＞4)，水平方向排布成N个区域(N＞10)，每个区域包括单元数为P(P≥1)。前后叠放的层数为10层。所有单元结构完全相同；

(5)根据步骤3仿真得到位相-电容C曲线，设定N个线性渐变的位相(位相差为)和对应的电容。在N个区域在不同区域加载不同的反偏电压值。由于变容二极管的电容值与外加的反偏电压有关。于是，不同的区域选择不同电压值则对应不同电容值。最终确保水平面N个区域出射面的位相线性渐变；

(6)制作上述天线，加载电容、导线外加电压源。将制作的天线放置产生类似平面波的天线口面上。通过控制不同区域的电压值，即可以重构天线方向图。

所述步骤(1)中所选择的天线工作频率在微波波段。

所述步骤(2)的人工结构材料在X、Y、Z三个方向的排布周期p_x，p_y，p_z均在亚波长量级，小于天线波长的十分之一。

所述步骤(2)中金属为铝或者铜。

所述步骤(2)中的基底材料为具有非磁性的各种微波介质材料，其介电常数在2-10之间，磁导率为1。

所述步骤(3)中的变容二极管选择市场中常见的微波器件。由于不同变容二极管具有不同的参数，所以，具体的型号可以根据天线的工作频率和所需要的电容值，电压值确定。

所述步骤(3)中的电磁仿真软件可选择ansoft HFSS或者CST软件。

所述步骤(3)提取透过谱S₂₁的位相可以通过计算单元的散射参数中的S₂₁得到。具体计算为：先建好人工结构材料单元仿真模型，设置周期边界条件。在入射波的前后两个方向设置port1和port2.通过有限元法计算，即可以得到散射参数(包括反射谱幅度和位相，透过谱的幅度和位相)。这里只需要透过谱的位相信息。

所述步骤(3)绘制位相-电容C曲线是在单元其它参数都不改变的前提下，通过仿真软件的参数扫描功能连续改变电容值，于是可以得到一系列的位相。