基于人工电磁材料的天线去耦与RCS缩减协同设计方法与流程 专利技术说明

医药医疗技术的改进;医疗器械制造及应用技术基于人工电磁材料的天线去耦与rcs缩减协同设计方法技术领域1.本发明属于新型人工电磁材料技术领域，更具体地，涉及一种基于共面紧凑型ebg结构、amc结构等人工电磁材料的天线去耦和rcs缩减协同设计方法背景技术：2.人工电磁材料是经特殊设计、用于实现自然界中常规媒质所不具备的超常电磁特性的人工复合媒质结构，一般为周期排列形式，且单元周期尺寸小于其工作波长，即通常为亚波长周期结构。通过设计单元排列形式、金属图案优化以及结合有源器件等方式，人工电磁材料得到了越来越广泛的应用，衍生的结构类型也逐渐增多，常见的包括频率选择表面(frequency selective surface，fss)、超材料(metamaterial，mm)、电磁带隙结构(electromagnetic band gap，ebg)、人工磁导体(artificial magnetic conductor，amc)等等。上述人工电磁材料，在天线领域被广泛应用于提升阻抗匹配特性、降低天线互耦、提升天线增益、降低天线rcs等。3.ebg结构具有在特定的频段内，实现电磁波传输的抑制效应，产生“带隙”效果，因此，可加载于天线之间，在干扰路径上抑制电磁波传输，从而实现天线去耦，提升天线间隔离度。然而，当前采用ebg去耦的方法，常常忽略了天线的雷达波隐身性能，即无法兼顾散射特性。另一方面，通过在天线周围加载超材料吸波体，产生谐振吸波效应；或者利用由amc组成的棋盘网格，产生相位相消效应，均可降低天线的散射特性，但目前的天线rcs缩减设计中，均尚未考虑到阵列天线中单元之间的互耦，缺乏rcs缩减和天线去耦的统筹协同设计方法。技术实现要素：4.针对上述天线电磁干扰抑制和散射特性无法兼顾的问题，本发明提出了一种采用ebg和amc两种人工电磁材料组合的方式，实现天线去耦与rcs缩减协同设计，通过合理设计两种人工电磁材料单元结构，并布局于天线之间，实现同时提高天线隔离度、降低天线rcs的目的。5.为实现上述目的，本发明提供了一种基于人工电磁材料的天线去耦与rcs缩减协同设计方法，包括：6.由ebg单元构成第一正方形子阵，由amc单元构成第二正方形子阵，且第一正方形子阵中的ebg单元数不小于3×3，第二正方形子阵中的amc单元不小于3×3；7.将第一正方形子阵与第二正方形子阵以斜对角的形式组合，且相邻的ebg单元或amc单元之间无缝紧贴；8.将组合完成的第一正方形子阵与第二正方形子阵加载于天线之间，天线与ebg单元或amc单元之间的间距不大于0.1λ，λ为天线中心工作波长。9.在一些可选的实施方案中，所述ebg单元的金属图案由中间的十字结构和四角的贴片结构组成，十字结构和贴片结构均印刷在第二fr4介质板上。10.在一些可选的实施方案中，所述amc单元的金属图案为方形贴片单元，且方形贴片单元印刷在第三fr4介质板。11.在一些可选的实施方案中，加载于天线之间的组合子阵包括4个，一个斜对角的2个子阵为第一正方形子阵，另外一个斜对角的2个子阵为第二正方形子阵。12.在一些可选的实施方案中，amc单元与ebg单元的反射相位差绝对值满足其中，和分别为两种单元的反射相位，范围为-180°～180°。13.在一些可选的实施方案中，amc单元的周期尺寸与ebg单元的周期尺寸相同或成整数倍关系。14.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：15.本发明采用ebg结构和amc结构两种人工电磁材料的方式，加载于天线之间，解决了阵列天线和rcs缩减协同设计的问题，可应用于相控阵天线、高耦合mimo阵列中。本发明基本原理简洁、方案清晰，设计的人工电磁材料简单、去耦和rcs缩减效果明显，具有较强的应用价值。附图说明16.图1是本发明实施例提供的一种原参考阵列天线结构示意图；17.图2是本发明实施例提供的一种ebg单元结构示意图；18.图3是本发明实施例提供的一种ebg单元结构色散图；19.图4是本发明实施例提供的一种amc单元结构示意图；20.图5是本发明实施例提供的一种ebg单元和amc单元的反射相位；21.图6是本发明实施例提供的一种加载ebg和amc的阵列天线结构示意图；22.图7是本发明实施例提供的一种阵列天线加载ebg和amc的s11比较结果；23.图8是本发明实施例提供的一种阵列天线加载ebg和amc的s21比较结果；24.图9是本发明实施例提供的一种阵列天线加载ebg和amc的rcs比较结果。具体实施方式25.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。26.在本发明实例中，“第一”、“第二”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述特定的顺序或先后次序。27.人工电磁材料是一种由人工设计构成、具有自然界常规材料不具备的特定性能的新型电磁周期结构。ebg是一种很早就提出的人工电磁材料结构，可以在特定的频段抑制表面波传播。最早的ebg结构是在介质衬底上周期性地分布金属贴片，中心由金属圆柱或金属化过孔将顶层的金属贴片和底层的金属地平面相连。因其外观特征，也被称为蘑菇型ebg结构。蘑菇型ebg结构的表面波抑制特性可以从等效电路的角度解释。在电磁波照射下，金属贴片之间的缝隙可以等效为电容，金属化过孔可以等效为电感，从而形成lc并联电路。在谐振频点处，阻抗为无穷大，因此在谐振频点及其附近频段内的表面波将被抑制。28.然而，蘑菇型ebg结构需要在介质中构造金属圆柱或金属化过孔设计，电感参数的设计灵活度较小，且加工难度较大，因此，提出了一种共面紧凑型ebg结构，即在最上面的金属层中设计周期型的金属图案，图案的每一个构成单元的连接支路以及单元与单元之间的空隙相互连接，该结构可以看作由各个单元的连接支路(等效电感部分)以及单元与单元之间的空隙(等效电容部分)级联而成的一维lc网络。与过孔型高阻抗表面型结构相比，由于不需要与地之间钻金属孔相连，共面紧凑型ebg结构制作更为简单，可以用标准的单片微波集成电路实现，具有很好的结构兼容性。29.人工磁导体amc是相对于理想电导体(perfect electric conductor，pec)的一种新兴人工电磁结构。在电磁波照射下，pec和amc的反射幅度均为1，反射相位则刚好相反，即分别为180°和0°。由于其同相反射特点，amc与pec组合成棋盘结构，可利用相位差实现相消干涉、降低rcs的效果。30.根据相消干涉理论，当两种不同单元结构以斜对角排列时，构成类似棋盘结构，若不同单元之间的相位差满足一定的关系时，反射电磁波产生相位相消干涉，抑制来波方向的电磁波，使其向其它的方向散射，实现电磁能量的空间扩展，从而达到减小目标镜像方向上rcs的目的。rcs缩减大小由两种单元结构的反射相位差决定，若实现整体结构的rcs缩减10db以上，两种单元结构的反射相位差的绝对值应满足：[0031][0032]其中和分别为两种单元结构的反射相位，范围为-180°～180°。[0033]在天线之间加载ebg结构，并且通过优化设计ebg的金属图案和几何参数，使得其带隙工作频带覆盖天线的工作频带，从而抑制天线间电磁干扰的表面波传输，实现天线去耦合设计。[0034]根据ebg单元结构的反射相位频响特性，优化设计amc单元，使得amc单元与ebg单元的反射相位差绝对值满足式(1)的关系，从而实现rcs缩减效果。为了更好地将ebg单元和amc斜对角排列，在设计中尽可能保持amc的周期尺寸与ebg的周期尺寸相同或成整数倍关系。[0035]将设计完成的ebg单元与amc单元以斜对角的形式组合，总共包含4个子阵，其中2个斜对角的子阵为ebg单元构成的正方形子阵，另外2个斜对角的子阵为amc单元构成的正方形子阵，且每一种正方形子阵单元数不小于3×3。相邻的ebg单元或amc单元之间无缝紧贴。[0036]将组合完成的ebg结构和amc结构加载于天线之间，天线与ebg单元或amc单元之间的间距不大于0.1λ(λ为天线中心工作波长)，提升天线间隔离度、缩减天线rcs。[0037]以下结合具体实施例对本发明方法进行详细说明。[0038]图1为本发明实施例的参考阵列天线结构示意图。阵列天线包含两个尺寸完全相同的微带贴片天线，即第一微带贴片天线1a和第二微带贴片天线1b，且第一微带贴片天线1a和第二微带贴片天线1b对称等大放置，第一微带贴片天线1a和第二微带贴片天线1b的边缘间距da＝100mm，第一微带贴片天线1a和第二微带贴片天线1b的金属贴片长度la＝11.9mm，宽度wa＝11mm，馈电采用的是sma同轴线3底馈的方式，馈电点距离金属贴片边缘的距离df＝7.85mm。第一微带贴片天线1a和第二微带贴片天线1b均印刷在第一fr4介质板2a上，fr4介质板的介电常数为4.4，厚度为1mm。第一fr4介质板2a的长度ls＝203.1mm，宽度ws＝96.3mm。[0039]图2为本发明实施例设计的紧凑型ebg单元结构示意图。ebg单元的周期pebg＝15mm，金属图案由中间的十字结构4和四角的贴片结构5组成，其中十字结构4的宽度wc＝2mm,长度lc＝10.1mm；四角的贴片结构5之间的间距ds＝0.37mm。十字结构4和贴片结构5均印刷在第二fr4介质板2b上，fr4介质板的介电常数为4.4，厚度为1mm。[0040]图3为本发明实施例设计的ebg单元结构色散图。根据色散曲线可知，在第二传播模式和第三传播模式之间，存在一个完整的阻带，频段范围为5.2ghz至6.0ghz。在本发明实施例中，ebg单元结构的阻带频带范围需覆盖阵列天线的工作频段，从而抑制第一微带贴片天线1a和第二微带贴片天线1b之间表面波的传输。[0041]图4为本发明实施例设计的贴片型amc单元结构示意图。amc单元的周期pamc＝15mm，金属图案为方形贴片单元6，其边长wp＝11.42mm。且方形贴片单元6印刷在第三fr4介质板2c上，fr4介质板的介电常数为4.4，厚度为1mm。[0042]图5为本发明实施例设计的ebg单元结构和amc单元结构的反射相位曲线。在阵列天线工作频段(5.5ghz附近)，ebg单元结构和amc单元结构的反射相位差为180°，根据相消干涉理论预测，ebg单元结构和amc单元结构组合成的棋盘对角结构将具有rcs缩减效果。在本发明实施例中，首先根据ebg单元的反射相位，对amc单元的贴片尺寸进行优化，从而使得二者的反射相位满足相消干涉理论的有效相位差条件。进而组合实现rcs缩减。[0043]图6为本发明实施例中，加载有ebg和amc的阵列天线结构示意图。在原参考阵列天线中，第一微带贴片天线1a和第二微带贴片天线1b之间，加载ebg结构7和amc结构8。2个斜对角的子阵为ebg单元构成的正方形子阵，另外2个斜对角的子阵为amc单元构成的正方形子阵，且每一种正方形子阵单元数均为3×3。相邻的ebg单元或amc单元之间无缝紧贴，天线与ebg单元或amc单元之间的间距dm＝5mm。[0044]图7为阵列天线加载ebg结构和amc结构前后，反射系数s11的对比结果。对比可知，加载ebg结构和amc结构后，s11相差不大，均在5.5ghz低于-15db。因此，加载ebg结构和amc结构后，天线仍具有较好的阻抗匹配特性。[0045]图8为阵列天线加载ebg结构和amc结构前后,阵列天线的耦合系数(s21)的对比结果。对比可知，加载ebg结构和amc结构后，在天线工作频段内耦合都得到了大幅度的减小。特别地，在5.5ghz处，隔离度由29.1db提升至36.7db，实现了天线间优异的去耦效果。[0046]图9为阵列天线加载ebg和amc前后,阵列天线的rcs的对比结果。对比可知，加载ebg结构和amc结构后，在天线工作频段内rcs都得到了大幅度的减小。特别地，在5.5ghz处，rcs由1.9dbsm下降至-3.4dbsm，实现了阵列天线优异的rcs缩减效果。[0047]本发明的基于人工电磁材料的天线去耦和rcs缩减协同设计方法，具体表现为采用具有阻带特性的共面紧凑型ebg结构和具有相位相消的贴片型amc加载于两天线之间，提升天线间的隔离度、降低天线的rcs。本发明可适用于相控阵天线、高耦合mimo阵列等相关领域。[0048]需要指出，根据实施的需要，可将本技术中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。[0049]本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。









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