CN1710747A - 使用光子带隙作为反射腔体的阿基米德螺旋天线 - Google Patents

Abstract

本发明是一种阿基米德宽带螺旋天线，它采用双臂阿基米德螺旋天线，其两螺旋臂长度、宽度相等，宽度等于两螺旋臂间隔。由于在反射腔体中加入吸收材料，引入了损耗，导致天线产品的增益很低，于是采用新材料光子晶体。由于其频率选择性和零相位反射的特点，用光子晶体作为高性能反射板代替反射腔获得单向辐射。本发明采用了蘑菇状光子晶体反射腔，使用结果达到了设计要求。

Description

使用光子带隙作为反射腔体的阿基米德螺旋天线

技术领域：

本发明涉及到一种电磁辐射系统——天线系统，是有关新材料光子晶体作为发射体的螺旋天线系统。

背景技术

天线广泛地应用于通讯、广播、军事等领域。由于不同的应用领域及不同的应用要求，天线也有多种类型。螺旋天线是一种宽频带天线，它也有多种形式，圆柱螺旋天线、圆锥螺旋天线、阿基米德螺旋天线等。在实际应用中天线往往受尺寸的限制、相位一致性要求高，而且要求通用性和灵活性，因此天线要有能以令人满意的方向图、阻抗和极化特性，工作于很宽的频带范围内。线性振子天线是很窄的，增加振子直径只能稍微展宽一些频带，一般很少能大于所设计的中心频率的百分之几。一般情况下天线的性能参数是随频率变化的。有一类天线，其几何形状完全由角度规定，性能与频率无关，这类天线称为非频变天线。典型的天线有等角螺旋天线。阿基米德螺旋天线不是真正意义上的非频变天线，但它也可以在很宽的频带内工作，因为它不能满足截断要求，电流在工作区后并不明显地减少，螺旋天线被截断后方向图必受影响，因此必须在末端加载而避免波的反射。

典型的天线一般都装在类似半导体衬板材料上，如GaAs或InP。然而看一看这种天线的基本电磁特性就会看到其不足。一般来说向三维角度辐射电磁能在辐射的电磁能当中必定有一部分要向衬板辐射。在一快GaAs衬板上的平面天线向衬板辐射的磁能比向空间辐射的磁能大46倍。因此必定有很大一部分能量被衬板所吸收。

一般的背腔式阿基米德螺旋天线由于反射腔长度的改变了螺旋天线的非频变特性。需要在反射腔内加吸收材料来减少谐振效应。这样引入了损耗导致最后天线产品的增益很低。而且在整个频段范围内天线增益值变化很大。如果用光子晶体做螺旋天线的衬底，光子晶体频率的选择性和零相位反射的特点真正实现了螺旋天线的非变频特性，而且形成了一种高性能的新型低剖面天线。

发明内容

本发明目的就是提供一种新颖的低剖面宽带天线。它采用双臂阿基米德螺旋结构，并采用了光子晶体作为衬底反射腔，从而达到在很宽的频率范围内具有很大的天线效率。这种天线具有体积小、频带宽、灵活性好的特点。

本发明是一种双臂阿基米德螺旋天线，两臂的方程分别为

                   ρ₁＝ρ₀+αφ

                   ρ₂＝ρ₀₂+αφ

式中ρ₀是起始半径，α为螺旋增长率。

臂的宽度为：

$W={\mathrm{\ρ}}_{02}-{\mathrm{\ρ}}_{01}=\frac{\mathrm{\α\π}}{2}$

螺旋的周长为一个波长附近的区域时，形成平面螺旋的主要辐射区。当频率发生变化时，主要辐射区随之变动，但方向图基本不变因此螺旋天线具有宽带特性。对应最低工作频率，天线必须有1.25波长的周长；对最高频率，要由馈电间的间隔尺寸来确定，其间隔也必须小于λ/4。

当二个螺旋臂相等，且臂宽等于两螺旋臂的宽度时，天线有良好的方向图、阻抗和极化特性。

为获得最大的天线效率本发明的衬底采用新材料-光子晶体。光子晶体这种新型介质在另一种介质中周期排列所组成的周期结构，能够产生光子带隙。被介质包围的由一维、二维、三维周期性单元组成的光子带隙材料可以阻止电磁波在某个方向上或所有方向上的传播。这表明光子带隙结构有独特的频率选择特性，它的频率选择特性可通过控制周期性结构的参数来实现。普通的平面天线由于衬底的透射原因，向空间发射的能量有很大损失。如果用光子晶体作衬底，由于电磁波能在衬底中传播，能量几乎全部射向空间。这就改变了天线的辐射特性，不用反射和吸收材料就很容易获得所需要的单向辐射，而且由于光子晶体频率选择性和零相位反射的特点，真正实现了螺旋天线的非频变特性。

本发明使用的衬底是一种蘑菇状周期结构的金属介电平面光子带隙电磁结构。这种结构由一层方型的金属突起物在平面上周期排列形成。每个正方型的正中都有一个竖直的金属孔与底层的金属板相连通。在顶层与底层间是均匀连续的电介质。

附图说明

图1光子带隙平面螺旋天线示意图

图2阿基米德平面螺旋天线

图3双层正方形斑图

具体实施方法

图1是光子带隙平面螺旋天线，图中反射腔体(7)是光子带隙反射腔体，天线(8)是双臂阿基米德螺旋天线，双臂阿基米德螺旋天线胶粘在光子带隙衬板上。光子带隙衬包括二个螺旋臂，即螺旋臂(1)和螺旋臂(2)，两臂长度相等，宽度相同螺旋宽度为两个螺旋之间的宽度。随着角度的变化，半径增大，天线工作频率下降。在螺旋周长为一个波长附近的区域里，形成平面螺旋的主要辐射区。当频率发生变化时，主要辐射区随之变动，这样不同的发射区域所发射的电磁能的频率也是不相同的，在本实施例中对应最低工作频率，天线必须有1.25波长的周长；对最高频率，要由馈电间的间隔尺寸来确定，其间隔也必须小于λ/4。

图3是用作反射腔体的一种蘑菇状周期结构的金属介电平面光子带隙电子结构。这种结构由一层方形的金属突起物在平面上周期排列形成。每个正方型的正中都有一个竖直的金属孔与底层的金属板连通。顶层与底层之间的连接层是均匀的电介质，其中金属层为铜，介质层是环氧玻璃布层压板。从外观上看，这样的结构像是在金属层上生长有许多规律排列的“蘑菇”。所采用的双层正方型斑图金属介电平面如图4所示。点6是上下金属板相连接的金属孔，上金属板用介质隔成一个个小金属方块，下层为整块型金属板。

本发明已经具备了宽带天线的特性，并且具有良好的方向图、阻抗和极化特性。

Claims (3)

1一种宽频带天线，其特征为该宽频带天线包括了一个双臂螺旋天线及一个光子带隙反射腔体。

2按照权利要求1所述的双臂螺旋天线，其特征在于：

2.1两螺旋臂长相等，两螺旋臂的宽度相等；螺旋臂的宽度等于两螺旋臂间的间隔宽度；

2.2对应最低工作频率，天线必须有1.25λ(λ为波长)的周长；对最高频率，要由馈电间的间隔尺寸来确定，其间隔也必须小于λ/4(λ为波长)。

3按照权利要求1所述的光子带隙反射腔体，其特征在于：该光子带隙反射腔体是一种蘑菇状周期结构的金属介电平面光子带隙电磁结构。这种结构由一层方型的金属突起物在平面上周期排列形成。每个正方型的正中都有一个竖直的金属孔与底层的金属板相连通。在顶层与底层间是均匀连续的电介质。

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