[发明专利]一种利用人工结构材料实现天线波束宽度切换的天线罩

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用人工结构材料实现天线波束宽度切换的天线罩，属于天线制作技术领域。

背景技术

传统意义上，一旦天线的外形确定，其基本辐射性能就不会发生本质变化，天线的辐射波束宽度不会改变。传统的方法来实现波束宽度控制主要有两种：改变天线尺寸参数大小，或者利用相控阵天线实现相位补偿改变辐射波束宽度。通过改变天线尺寸（不包括改变天线阵中单元相对位置的情况）实现波束控制具有不灵活、不实时、不易于切换控制等缺点，不适应于现代科技对信号处理快速便捷的要求。利用相控阵天线实现波束宽度控制虽然可以灵活、实时的切换天线波束宽度，但其有效控制方法主要是在通过控制天线后端电路来实现，对于天线修检、保养、维护等有较高要求。

近年来出现了一种新型的人工结构材料，通过设计人造单元“粒子”并将其按一定方式空间排布的一种宏观上具有特殊电磁特性的材料。与传统意义上的材料相比，新型人工结构材料的电磁特性是由其“粒子”结构及其空间分布决定的。其特殊的电磁特性决定它可以更有效操控电磁波的传播、辐射等。目前，人工结构材料在天线方面的应用研究主要集中在如何有效地提高天线的辐射性能，如提高增益、拓宽工作带宽、实现极化转化和波束偏转等以及如何利用人工结构材料做天线小型化、集成化。2010年，Tomislav Debogovic，Julien Perruisseau-Carrier和Juraj Bartolic提出一种利用部分反射表面天线实现波束宽度的动态调控。通过控制部分反射表面中每个单元结构变容二极管的电容大小，可以实现贴片天线辐射电磁波在E面和H面的波束宽度大小。实验测试证明当电压变化在1~20V之间，E面波束宽度变化约8.5°，H面变化约13°。由于设计原理基于Fabry-Perot效应，所以该结构工作带宽窄。另外，由于该结构反射较大，所以需要另外设计匹配电路。

发明内容

本发明的技术解决方案：克服现有技术的不足，提供一种利用人工结构材料实现天线波束宽度控制的天线罩，通过设计改变外加电压使得天线（阵）辐射出的电磁波在经过天线罩不同列的时候具有透过或全吸收的特性，及电磁波传播的“开关”功能，当“开关”状态满足一定排布的时候，可以有效的控制辐射电磁波波束宽度的大小。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种利用人工结构材料实现天线波束宽度切换的天线罩，其特点在于：上层微波介质板上沿横向尺度以a为周期印刷2n列相同尺寸的“H”型金属线结构，相邻列彼此独立，并沿天线罩横向中心轴对称；纵向尺度上以b为周期印刷m行“H”型金属线结构，相邻行通过金属线彼此连接；每个“H”型金属线结构沿横向焊接微波二极管，并保证所有2n列金属线结构中微波二极管排列方向相同；下层微波介质板上沿横向尺度以a为周期印刷2n列相同尺寸的“H”型金属线结构，相邻列彼此独立，并沿天线罩横向中心轴对称；纵向尺度上以b为周期印刷m行“H”型金属线结构，相邻行通过金属线彼此连接；每个“H”型金属线结构沿横向串联式焊接微波二极管和贴片电阻，并保证所有列金属线结构中微波二极管排列方向相同。将上下两层介质板固定在一起，间距为h，其中λ/5<h<λ/3，λ为天线罩工作频率。至此构成实现天线波束宽度切换的人工结构材料。将上下两层介质板每列“H”型金属线结构其中一条金属臂外接相同正电压，另一端接地。通过改变外加直流电压，使得电磁波通过不同列时具有高透过率或高吸收率。将该人工结构材料作为天线罩置于天线阵列上方，合理设计外加直流电压的分布，就可实现透过波束宽度切换的目的。

所述的“H”型金属线结构的数量由人工结构材料天线罩覆盖的天线口径来确定，使人工结构材料大小能够覆盖整个天线。如天线的口径尺寸为La×Wa，则要求2×n×a≥La，m×b≥Wa，其中La表示天线口径的横线尺寸，Wa表示天线口径的纵向尺寸。

所述天线罩的工作频率f_O与“H”金属线结构的尺寸及焊接的微波二极管电容值大小有关。

所述天线罩上下两层微波介质板间距h的取值范围和工作频率有关，一般λ/5<h<λ/3。

所述微波二极管的固有阻抗R_d应尽量小，商用微波二极管一般满足R_d<5Ω；微波二极管的电容变化范围应尽量大，取值范围要保证改变电容值C至少在某一频点满足电磁波透过/吸收两种转化。

本发明与现有技术相比的有益效果在于：