CN105742814A - 一种开缝隙结构的人工电磁软表面及其构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在小型化的电磁软表面结构及其构建方法，属于微波技术领域。通过在金属条带上设置平行于金属过孔列的缝隙列，缝隙列由等距排列在一条直线上的缝隙构成，且每个金属过孔均有相对应的缝隙，金属过孔与对应缝隙的几何中心连线与金属过孔列垂直，金属过孔与缝隙不相交，缝隙和金属过孔均处于金属条带范围内。以实现很大程度地降低金属条带的宽度，使结构更加小型化，而且用于贴片天线间的去耦效果良好。

Description

一种开缝隙结构的人工电磁软表面及其构建方法

技术领域

本发明涉及一种在小型化的电磁软表面结构及其构建方法，属于微波技术领域。

背景技术

人工电磁软表面可以看作是一种一维的电磁带隙EBG(ElectromagneticBandGap)结构,即在该表面上的某个特定的方向上具有阻碍电磁波能量传播的特性。这种结构与蘑菇型电磁带隙结构相比，具有结构更紧凑,滤波效果好的特性，更有利于小型化的应用。所以人工电磁软表面受到人们的青睐，已经被广泛的应用的阵列天线间的去耦，天线效率的增强，以及天线的后向辐射的控制。

传统的人工电磁软表面结构为：底层为金属接地平板，中间为介质基板，上层为金属条带，金属条带通过一排等距在一条直线上的的金属过孔与金属接地平板相导通，如图1所示。

现在的主要问题在于，当应用于阵列天线的去耦时，由于阵列天线的尺寸设计越来越小，要求两个相邻的天线阵列单元间的距离越来越小，特别是天线工作在低介电常数的介质基板上时,使得传统的人工电磁软表面结构的应用受到限制。所以电磁软表面的小型化是一个关键的问题。

为解决上述问题，现有的技术主要有：(1)增加金属过孔的周期，但是周期的增加是有限的，而且周期过大，软表面带隙受到严重的影响。(2)传统软表面的金属条带边缘变成三角形锯齿边缘，或者变成具有突出的小矩形的边缘，这种方法可以使带隙向低频移动，带宽有所增加,但是这种方法也相当于增加了单个金属条带的宽度。

发明内容

针对上述存在问题或不足，为实现不影响其他参数效果的同时，且带宽增加的，本发明提供了一种开缝隙结构的人工电磁软表面。

该开缝隙结构的人工电磁软表面是基于传统的人工电磁软表面,包括底层的金属接地平板，介质基板的中间层和上层的金属条带，金属条带通过一排等距在一条直线上的的金属过孔与金属接地平板相导通，其特点在于：

还包括设置在金属条带上的缝隙列，缝隙列平行于金属过孔列由等距排列在一条直线上的缝隙构成，每个金属过孔均有相对应的缝隙，金属过孔与对应缝隙的几何中心连线与金属过孔列垂直，且金属过孔与缝隙不相交，缝隙和金属过孔均处于金属条带范围内；

所述缝隙的形状呈矩形C的形状，矩形C的开口边即缝隙开口边背离所在金属条带上的金属过孔列，且平行于所属金属条带上的金属过孔列；上述矩形C为一组对边平行于金属过孔列的矩形框，在背离金属过孔列的矩形框平行边中间开口即缝隙开口边。

其中金属条带的宽度为W,同一金属条带上的金属过孔的间距为P,金属过孔的直径为D，介质基板的厚度为h,缝隙的宽度为W1；以矩形C所在矩形框***矩形定：缝隙开口边所在矩形边的长度为L1，矩形的另一条边为L2,缝隙开口边的两条边长度均为L3,L1<P,L2>2W1,0<L3<L1/2。

当金属过孔列位于金属条带中间时，在每个金属条带上设置两列关于金属过孔列呈镜像对称的缝隙列，即金属过孔列两侧均设有缝隙列，金属过孔与对应的2个缝隙的几何中心呈3点一线且与该金属条带上的金属过孔列垂直，呈镜像的一对缝隙的最短距离为d1,d1>D,2L2+d1<W。

当金属过孔列不位于金属条带中间时，仅在每个金属条带上设置一列缝隙列，此缝隙列在金属过孔列到金属条带边缘距离更远的一侧；金属过孔列没有缝隙列一侧的金属条带边缘到缝隙的最短距离为d2,d2>D,L2+d2<W。如图3所示。

其构建方法为：

步骤一：在CST中建立一个具有n个周期的开缝隙结构的电磁软表面模型，n为正整数；该模型由三层构成，自上而下依次是开缝隙的金属条带，介质基板层和地层，每个开缝隙的金属条带通过一排等距的金属过孔与地层相连，在介质基板的上方再设置一个高度是介质基板厚度2到5倍的空气盒子，空气盒子的长宽皆与介质基板层相同，空气盒子底面与介质基板的上表面重合，在空气盒子的上表面与地层的下表面分别设置电边界Et＝0,在金属条带方向的两个侧面分别设置磁边界Ht＝0，在垂直于金属条带的两个方向的两个侧面分别设置波端口；设置频率范围，仿真得到传输系数S₂₁，再调整结构参数，使其带隙工作在要求的频率范围，初步确定开缝隙结构的电磁软表面的尺寸参数；

步骤二：在Ansoft-HFSS中，在同一块介质基板上设计两个大小相同贴片天线(如图5所示)；该模型分为三层，从上自下分别是，两个矩形的金属贴片，表面为矩形的介质基板和地层。两个金属贴片分别关于两条直线对称，这两条直线是介质基板矩形表面对边中点的连线，介质基板的厚度与材料与步骤一的电磁软表面的厚度与材料相同，两个金属贴片下表面分别通过同轴线馈电。再把该模型用一个空气盒子罩住，空气盒子的边缘到该模型的最短距离不小于四分之一工作波长，空气盒子表面设置为辐射边界条件，在地层的两个圆形开孔面分别设置集总波端口，设置归一化输入阻抗为50欧姆，设置工作频率范围，仿真得到S参数结果，并调整贴片天线的尺寸参数，使其工作在步骤一设计的开缝隙结构的电磁软表面带隙的频率范围，得到调整后的S参数，确定两个贴片天线的尺寸参数。

步骤三：在Ansoft-HFSS中，将步骤二设计的在同一介质基板上的两个贴片天线的模型中加载步骤一设计的开缝隙结构的电磁软表面，该电磁软表面加载在两个贴片天线之间，其金属条带的长度方向与两矩形金属贴片的相邻边平行，且该电磁软表面分别与两贴片天线的最短距离相等，仿真得到S参数，再优化该电磁软表面的结构参数，使两个波端口间的传输系数S₂₁、S₁₂在贴片天线的工作频率的中心点附近的值最小，得到优化后的S参数，确定该电磁软表面的尺寸参数。

本发明所设计的开缝隙结构的电磁软表面特点为：结构较为简单，加工难度低，能实现很大程度的小型化。

综上所述，本发明提供的人工电磁软表面结构可以很大程度地降低金属条带的宽度，使结构更加小型化，而且用于贴片天线间的去耦效果良好。

附图说明

图1是本发明传统的人工电磁软表面平面示意图，单位(mm)，(a)俯视图；(b)侧视图；

图2是本发明的开缝隙结构的电磁软表面(过孔在金属条带中间)示意图，单位(mm)，(a)俯视图，(b)侧视图，(c)缝隙局部图；

图3是本发明的开缝隙结构的电磁软表面(过孔在金属条带边上)示意图，单位(mm)，(a)俯视图，(b)侧视图，(c)缝隙局部图；

图4是两个周期的开缝隙结构的电磁软表面平面示意图，单位(mm)；

图5是两贴片天线未加载开缝隙结构的电磁软表面的模型示意图，单位(mm)，(a)俯视图，(b)侧视图；

图6是两贴片天线加载开缝隙结构的电磁软表面的模型示意图，单位(mm)，(a)俯视图，(b)侧视图；

图7是两贴片天线间加载开缝隙结构的电磁软表面得到的S参数与不加该结构得到的S参数的比较，(a)S₁₁与S₁₂；(b)S₂₁与S₂₂。

具体实施方式

步骤一：在CST中建立一个具有两个周期的开缝隙结构的电磁软表面(过孔在侧边)模型(如图4所示)，该模型由三层构成，自上而下依次是金属铜条带，FR4介质基板层，地层，每个金属条带通过一排等距的金属铜过孔与地相连，介质厚度h＝1.6mm，金属过孔直径D＝0.5mm,在金属条带的上方再设置一个高度是介质基板厚度的5倍的空气盒子，空气盒子的长宽皆与介质基板层相同，在空气层的上表面与地层的下表面分别设置电边界(Et＝0),在金属铜条带方向的两个侧面分别设置磁边界(Ht＝0)，在于金属铜条带垂直的两个方向的两个侧面分别设置波端口。设置频率范围2GHz～7GHz，仿真得到传输系数S₂₁，调整结构参数，使其带隙的中心频点工作在4.5GHz，结构参数取W＝4.2mm,g＝1.5mm,P＝6mm,L1＝5.5mm,W1＝0.4mm,L2＝1.6mm,L3＝1.7mm,d2＝1mm；

步骤二：在Ansoft-HFSS中，在同一块介质基板上设计两个大小相同贴片天线(如图5所示)，该模型分为三层，从上自下分别是，两个矩形的金属铜的贴片，表面为矩形的FR4介质基板，地层。这两个金属铜贴片分别关于两条直线对称，这两条直线是FR4介质基板矩形表面的对边中点的连线，介质基板的厚度与材料与步骤一设计的电磁软表面的厚度相同为h＝1.6mm，金属贴片的长度L0＝14.9mm,宽度W0＝20mm,间距G＝18mm,两个贴片天线通过同轴线馈电。在该模型用一个空气盒子罩住，空气盒子的边缘到该模型的最短距离不小于四分之一工作波长，在空气盒子表面设置辐射边界条件，在地层的两个圆形开孔面分别设置为集总波端口，设置归一化输入阻抗为50欧姆，设置工作频率范围3.5GHz～5.5GHz，仿真得到S参数；

步骤三：在Ansoft-HFSS中，在步骤二设计的在同一介质基板上的两个贴片天线的模型中加载步骤一设计的开缝隙结构的电磁软表面，该电磁软表面加载在两个天线之间，金属过孔列与两贴片天线的相邻两边平行，且该电磁软表面与两贴片天线的距离相等，，如图6所示。优化电磁软表面的结构参数，最后的参数为W＝4.1mm,g＝1.5mm,L1＝5.5mm,W1＝0.4mm,L2＝1.6mm,L3＝1.7mm,d2＝1mm，得到希望的S参数，把得到的结果与步骤二中得到的结果相比较，图7是仿真的比较结果。

从此仿真结果可以发现，在4.5GHz频率点附近，两个天线馈电端口间的传输系数S₂₁、S₁₂能达到10dB以上的减小，本发明的开缝隙结构的电磁软表面有较好的去耦效果。

Claims (4)

1.一种开缝隙结构的人工电磁软表面,包括底层的金属接地平板，介质基板的中间层和上层的金属条带，金属条带通过一排等距在一条直线上的的金属过孔与金属接地平板相导通，其特征在于：

还包括设置在金属条带上的缝隙列，缝隙列平行于金属过孔列由等距排列在一条直线上的缝隙构成，每个金属过孔均有相对应的缝隙，金属过孔与对应缝隙的几何中心连线与金属过孔列垂直，且金属过孔与缝隙不相交，缝隙和金属过孔均处于金属条带范围内；

所述缝隙的形状呈矩形C的形状，矩形C的开口边即缝隙开口边背离所在金属条带上的金属过孔列，且平行于所属金属条带上的金属过孔列；上述矩形C为一组对边平行于金属过孔列的矩形框，在背离金属过孔列的矩形框平行边中间开口即缝隙开口边；

其中金属条带的宽度为W，同一金属条带上的金属过孔的间距为P，金属过孔的直径为D，介质基板的厚度为h,缝隙的宽度为W1；以矩形C所在矩形框***矩形定：缝隙开口边所在矩形边的长度为L1，矩形的另一条边为L2,缝隙开口边的两条边长度均为L3,L1<P,L2>2W1,0<L3<L1/2。

2.如权利要求1所述开缝隙结构的人工电磁软表面，其特征在于：当金属过孔列位于金属条带中间时，在每个金属条带上设置两列关于金属过孔列呈镜像对称的缝隙列，即金属过孔列两侧均设有缝隙列，金属过孔与对应的2个缝隙的几何中心呈3点一线且与该金属条带上的金属过孔列垂直，呈镜像的一对缝隙的最短距离为d1,d1>D,2L2+d1<W。

3.如权利要求1所述开缝隙结构的人工电磁软表面，其特征在于：当金属过孔列不位于金属条带中间时，仅在每个金属条带上设置一列缝隙列，此缝隙列在金属过孔列到金属条带边缘距离更远的一侧；金属过孔列没有缝隙列一侧的金属条带边缘到缝隙的最短距离为d2,d2>D,L2+d2<W。

4.如权利要求1-3任一所述开缝隙结构的人工电磁软表面的构建方法，包括以下步骤：

步骤一：在CST中建立一个具有n个周期的开缝隙结构的电磁软表面模型，n为正整数；该模型由三层构成，自上而下依次是开缝隙的金属条带，介质基板层和地层，每个开缝隙的金属条带通过一排等距的金属过孔与地层相连，在介质基板的上方再设置一个高度是介质基板厚度2到5倍的空气盒子，空气盒子的长宽皆与介质基板层相同，空气盒子底面与介质基板的上表面重合，在空气盒子的上表面与地层的下表面分别设置电边界Et＝0,在金属条带方向的两个侧面分别设置磁边界Ht＝0，在垂直于金属条带的两个方向的两个侧面分别设置波端口；设置频率范围，仿真得到传输系数S₂₁，再调整结构参数，使其带隙工作在要求的频率范围，初步确定开缝隙结构的电磁软表面的尺寸参数；

步骤二：在Ansoft-HFSS中，在同一块介质基板上设计两个大小相同贴片天线；该模型分为三层，从上自下分别是，两个矩形的金属贴片，表面为矩形的介质基板和地层；两个金属贴片分别关于两条直线对称，这两条直线是介质基板矩形表面对边中点的连线，介质基板的厚度与材料与步骤一的电磁软表面的厚度与材料相同，两个金属贴片下表面分别通过同轴线馈电；再把该模型用一个空气盒子罩住，空气盒子的边缘到该模型的最短距离不小于四分之一工作波长，空气盒子表面设置为辐射边界条件，在地层的两个圆形开孔面分别设置集总波端口，设置归一化输入阻抗为50欧姆，设置工作频率范围，仿真得到S参数结果，并调整贴片天线的尺寸参数，使其工作在步骤一设计的开缝隙结构的电磁软表面带隙的频率范围，得到调整后的S参数，确定两个贴片天线的尺寸参数；

步骤三：在Ansoft-HFSS中，将步骤二设计的在同一介质基板上的两个贴片天线的模型中加载步骤一设计的开缝隙结构的电磁软表面，该电磁软表面加载在两个贴片天线之间，其金属条带的长度方向与两矩形金属贴片的相邻边平行，且该电磁软表面分别与两贴片天线的最短距离相等，仿真得到S参数，再优化该电磁软表面的结构参数，使两个波端口间的传输系数S₂₁、S₁₂在贴片天线的工作频率的中心点附近的值最小，得到优化后的S参数，确定该电磁软表面的尺寸参数。