[发明专利]一种电磁软表面结构及其构建方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种在特定频带内可抑制表面波传播的电磁软表面结构及其构建方法，属于微波技术领域。可直接应用于减少微带天线间耦合。

背景技术

为了使手持无线通信设备的整个体积小型化和随着阵列天线的小型化，其中的天线将被放置的非常靠近。这将引起天线间强烈的耦合作用，从而恶化天线的性能。为了减小天线间耦合作用，研究人员提出了许多不同的方法。其中最常用的方法就是使用高阻抗表面(HIS)和电磁带隙结构(EBG)。然而这些方法往往很少考虑加入结构后对天线辐射模式的影响，并且天线间的间距一般相对较大从而使在中心频率处的耦合作用本身就很小。

电磁软表面结构具有抑制给定方向表面波传播的性质，可应用于减小天线间的耦合作用。相对于高阻抗表面和电磁带隙结构，其应用于减小天线间耦合，减小幅度更大，减小带宽更宽，两天线可放置更近，从而减小天线间间距，且加入电磁软表面结构后没有恶化天线辐射。目前电磁软表面的研究主要关注两方面：一是阻带带宽的展宽，二是小型化技术。现有改进电磁软表面的方法主要是在传统的矩形条带软表面边缘增加不同形状的锯齿形结构。Said A.Abushamleh等在2014年发表的最新关于电磁软表面的文章中，采用矩形条带边缘加相互交错矩形锯齿的电磁软表面结构。其所设计电磁软表面结构(含八个电磁软表面单元)在单元周期为8mm时，中心频率为6GHz,相对带宽为8.1％；当电磁软表面(含一个电磁软表面单元)应用于减缩两微带天线耦合作用时相对带宽为2％。

发明内容

本发明的目的是针对上述存在问题或不足，提供一种电磁软表面结构及其构建方法。

该电磁软表面结构由软表面贴片，介质层，地层及贯穿软表面贴片、介质层和地层的导电通孔，软表面贴片为矩形条带边缘加相互交错的矩形锯齿，软表面贴片和地层均为铜片,地层完全覆盖介质层底部，介质层完全覆盖软表面贴片底部且介电常数范围在2-6。所述矩形条带上沿矩形锯齿的下边缘即矩形条带宽边方向设有一个矩形槽，导电通孔位于同侧矩形锯齿上，L为矩形锯齿的长度，P为矩形锯齿的宽度，矩形槽沿矩形条带长边方向的长度为L1，矩形槽沿矩形条带宽边方向的长度为w1，w为矩形条带的宽度，w的取值范围为其中ε_r为介质层介电常数，λ₀为工作波长，L≤3mm，P小于两通孔间距离的一半。

所述L1为相邻2个矩形锯齿间同向的垂直距离，w1＜w。

其构建方法为：

步骤一：在使用多个电磁软表面单元进行仿真设计的情况下，使用波导传输法，在Ansoft-HFSS中建立上述电磁软表面结构模型，电磁软表面单元间的距离不小于3mm，仿真传输系数S₂₁，扫描优化得到阻带带隙位于中心频率附近范围的电磁软表面结构参数尺寸；

步骤二：在Ansoft-HFSS中建立两个大小相同的微带天线模型，在目标频率范围内仿真天线两端口间的传输系数，该模型由三部分构成，自上而下依次是两个微带天线，介质层，地层；微带天线贴片为铜片，两微带天线激励源选择集总端口Lumped Port，在天线模型外设置一个空气盒子，空气盒子各面与软表面结构相应各面距离不小于四分之一个工作波长，边界条件为辐射边界条件Radiation；

步骤三：在步骤二所建模型基础上加入步骤一优化得出软表面贴片的一个单元，仿真天线两端口间的传输系数；

步骤四：制作加载有电磁软表面的两微带天线，其中软表面贴片位于两微带天线中间，并在软表面结构上制作通孔，其中微带天线，地层，软表面贴片均为铜片，电磁软表面结构的通孔镀铜，介质层选用介电常数同仿真时所用介电常数；在两微带天线馈源所处位置上打通孔，焊接SMA接头，使用矢量网络分析仪(VNA)测试该电磁软表面结构实际抑制天线耦合的性能，即两天线间的传输系数，扫描频率范围选用仿真时选取测试范围。

本发明所设计电磁软表面结构特点为：整个软表面贴片为曲折型的条带从而增加了电磁波在一个电磁软表面单元两通孔之间的实际行程和相互作用达到增加带宽和小型化的目的，主要是通过对一个单元的设计提升软表面结构的性能。而Said A.Abushamleh等提出的软表面结构则是通过在矩形条带结构边缘增加锯齿的方法增加两个电磁软表面单元的容性作用而提高电磁软表面性能，主要是通过两个单元间的相互作用进行设计软表面结构。同其相比，本发明的相对带宽从8.1％提高到12.5％，且在应用于减缩微带天线耦合作用时相对带宽从2％提高到8％。并且当电磁软表面单元周期同为8mm时，本发明中心频率从6GHz降低到5GHz，从而实现了小型化。