[发明专利]一种基于机械式移动的频率可重构天线

说明书

技术领域

本发明涉及一种天线设计方法，具体地说是一种新型基于机械移动的工作频率可重构的天线设计方法。

背景技术

自从英国科学家Pendry和美国科学家Smith在人工材料开创性的研究工作后，具有负介电常数和负磁导率的人工结构材料吸引了大量研究人员的研究兴趣。正因为人工结构材料独特的电磁特性(负折射率、低折射率、高折射率)等特性，人工结构材料在微波波段具有巨大潜在的应用价值。因此，科学家们设计的各种各样的电磁谐振器。他们都类似开口环和金属断线的组合，例如S型、Ω型、H型谐振器。取得许多诱人可喜的研究成果。

但是早期的人工结构材料的研究大都是为了实现具有低损耗和宽波段的人工结构材料。但是，人工结构材料所固有的谐振使得其带宽都比较窄。为了解决这一难题，人们提出可控人工结构材料。可控方法是外界手段将人工材料的电磁特性调节到较高的或者较低的频率范围去。这种可控方法的提出极大地促进了可重构天线的发展。2006年，中国浙江大学有研究小组将反平行的S环加载电容，并将其应用到天线上，通过控制不同区域的电容值成功地控制天线主瓣方向的偏转。但是基于频率可重构人工结构材料天线的研究很少有报道。2002年，S.Enoch等人应用一种六片正方形金属网格材料置于单极子天线获得很好的方向性，他们将这种高方向性归结为材料的近零折射率。紧接着出现关于近零折射率的诸多报道。将近零折射引入到可控技术中，即可以设计出高方向性的频率可重构的高方向性天线。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对现在人工结构材料设计的天线工作在单频或者工作频率过窄普遍状况，提供一种基于机械式移动的频率可重构天线，它利用机械移动的方向来改变天线工作的谐振频率，进而得以多个离散频点工作的天线，如果选择天线工作频率为材料的近零折射率频带内，则可得到高方向性的频率可重构的天线。

本发明的技术解决方案：一种基于机械式移动的频率可重构天线，所述天线的制作步骤如下：

(1)初步确定天线工作频率范围；

(2)确定人工结构材料单元结构和几何参数。所指的单元即为金属结构；

(3)将前后的口字型人工材料前后叠放两层，并在前后两个口字型金属结构之间填充介电常数近似与空气相等的介质材料，起到固定支撑的作用；

(4)当前后两层材料不发生相对位置移动时，利用电磁场仿真软件计算单元的散射参数，并利用计算得到的散射参数还原折射率；选择天线的工作频率为还原折射率接近于零的频点，即可以设计出不发生相对位置移动时的高方向性天线；

(5)前后两层口字型金属之间发生相对移动时，重复上述步骤计算电磁散射参数并还原折射率，再次选择折射率近似为零的频率点。因为前后两层材料之间的等效电容发生变化，谐振频率也会相应地偏移。进而影响等效折射率，因此天线的工作频率也可以发生变化；

(6)对两层人工结构材料在二维平面进行周期性排列，则可组装出所需的天线，选取前后两层材料合适相对偏移量，根据偏移量可以设定天线工作频率，再进行加工测试，即实现了频率可重构天线。

所述步骤(1)中天线工作频率可重构的范围为12GHz-18GHz。

所述步骤(2)中的人工结构材料单元的周期远小于天线工作的波长，一般为波长的1/4以下。

所述步骤(2)中的人工结构材料单元结构为金属口字型结构，或者也称鱼网结构。

所述步骤(2)中金属材料为铜、金或银。

所述步骤(3)中的前后两个口字型金属结构之间的介质材料为泡沫材料，介电常数为1.08，略大于空气的介电常数1。

所述的步骤(4)中的电磁仿真软件采用CST、HFSS、或FDTD，采用的求解方法有时域有限差分、有限元方法或有限积分法。

所述的步骤(4)中还原折射率通过还原程序得到，具体还原方法可以参考D.R.Smith的文章(PHYSICAL LETTER E 71.036617(2005))。

所述的步骤(4)中的工作频率应为人工结构材料的等效折射率接近于零的频点，所述等效折射率可选为0.1-0.3之间。

所述步骤(6)金属结构的单元周期排列后天线的尺寸可排列成正方形，两个方向上排列单元个数应不少于10个。

所述的步骤(6)中天线的馈源选择喇叭天线或者阵列天线，其口面应与天线口面尺寸相同。

本发明与现有技术相比的有益效果是：