專利名稱：使用光子帶隙作為反射腔體的阿基米德螺旋天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到一種電磁輻射系統(tǒng)——天線系統(tǒng)，是有關(guān)新材料光子晶體作為發(fā)射體的螺旋天線系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
天線廣泛地應(yīng)用于通訊、廣播、軍事等領(lǐng)域。由于不同的應(yīng)用領(lǐng)域及不同的應(yīng)用要求，天線也有多種類型。螺旋天線是一種寬頻帶天線，它也有多種形式，圓柱螺旋天線、圓錐螺旋天線、阿基米德螺旋天線等。在實(shí)際應(yīng)用中天線往往受尺寸的限制、相位一致性要求高，而且要求通用性和靈活性，因此天線要有能以令人滿意的方向圖、阻抗和極化特性，工作于很寬的頻帶范圍內(nèi)。線性振子天線是很窄的，增加振子直徑只能稍微展寬一些頻帶，一般很少能大于所設(shè)計(jì)的中心頻率的百分之幾。一般情況下天線的性能參數(shù)是隨頻率變化的。有一類天線，其幾何形狀完全由角度規(guī)定，性能與頻率無關(guān)，這類天線稱為非頻變天線。典型的天線有等角螺旋天線。阿基米德螺旋天線不是真正意義上的非頻變天線，但它也可以在很寬的頻帶內(nèi)工作，因?yàn)樗荒軡M足截?cái)嘁?，電流在工作區(qū)后并不明顯地減少，螺旋天線被截?cái)嗪蠓较驁D必受影響，因此必須在末端加載而避免波的反射。
典型的天線一般都裝在類似半導(dǎo)體襯板材料上，如GaAs或InP。然而看一看這種天線的基本電磁特性就會(huì)看到其不足。一般來說向三維角度輻射電磁能在輻射的電磁能當(dāng)中必定有一部分要向襯板輻射。在一快GaAs襯板上的平面天線向襯板輻射的磁能比向空間輻射的磁能大46倍。因此必定有很大一部分能量被襯板所吸收。
一般的背腔式阿基米德螺旋天線由于反射腔長(zhǎng)度的改變了螺旋天線的非頻變特性。需要在反射腔內(nèi)加吸收材料來減少諧振效應(yīng)。這樣引入了損耗導(dǎo)致最后天線產(chǎn)品的增益很低。而且在整個(gè)頻段范圍內(nèi)天線增益值變化很大。如果用光子晶體做螺旋天線的襯底，光子晶體頻率的選擇性和零相位反射的特點(diǎn)真正實(shí)現(xiàn)了螺旋天線的非變頻特性，而且形成了一種高性能的新型低剖面天線。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的就是提供一種新穎的低剖面寬帶天線。它采用雙臂阿基米德螺旋結(jié)構(gòu)，并采用了光子晶體作為襯底反射腔，從而達(dá)到在很寬的頻率范圍內(nèi)具有很大的天線效率。這種天線具有體積小、頻帶寬、靈活性好的特點(diǎn)。
本發(fā)明是一種雙臂阿基米德螺旋天線，兩臂的方程分別為ρ1＝ρ0+αφρ2＝ρ02+αφ式中ρ0是起始半徑，α為螺旋增長(zhǎng)率。
臂的寬度為W=ρ02-ρ01=απ2]]>螺旋的周長(zhǎng)為一個(gè)波長(zhǎng)附近的區(qū)域時(shí)，形成平面螺旋的主要輻射區(qū)。當(dāng)頻率發(fā)生變化時(shí)，主要輻射區(qū)隨之變動(dòng)，但方向圖基本不變因此螺旋天線具有寬帶特性。對(duì)應(yīng)最低工作頻率，天線必須有1.25波長(zhǎng)的周長(zhǎng)；對(duì)最高頻率，要由饋電間的間隔尺寸來確定，其間隔也必須小于λ/4。
當(dāng)二個(gè)螺旋臂相等，且臂寬等于兩螺旋臂的寬度時(shí)，天線有良好的方向圖、阻抗和極化特性。
為獲得最大的天線效率本發(fā)明的襯底采用新材料-光子晶體。光子晶體這種新型介質(zhì)在另一種介質(zhì)中周期排列所組成的周期結(jié)構(gòu)，能夠產(chǎn)生光子帶隙。被介質(zhì)包圍的由一維、二維、三維周期性單元組成的光子帶隙材料可以阻止電磁波在某個(gè)方向上或所有方向上的傳播。這表明光子帶隙結(jié)構(gòu)有獨(dú)特的頻率選擇特性，它的頻率選擇特性可通過控制周期性結(jié)構(gòu)的參數(shù)來實(shí)現(xiàn)。普通的平面天線由于襯底的透射原因，向空間發(fā)射的能量有很大損失。如果用光子晶體作襯底，由于電磁波能在襯底中傳播，能量幾乎全部射向空間。這就改變了天線的輻射特性，不用反射和吸收材料就很容易獲得所需要的單向輻射，而且由于光子晶體頻率選擇性和零相位反射的特點(diǎn)，真正實(shí)現(xiàn)了螺旋天線的非頻變特性。
本發(fā)明使用的襯底是一種蘑菇狀周期結(jié)構(gòu)的金屬介電平面光子帶隙電磁結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)由一層方型的金屬突起物在平面上周期排列形成。每個(gè)正方型的正中都有一個(gè)豎直的金屬孔與底層的金屬板相連通。在頂層與底層間是均勻連續(xù)的電介質(zhì)。


圖1光子帶隙平面螺旋天線示意2阿基米德平面螺旋天線圖3雙層正方形斑圖具體實(shí)施方法圖1是光子帶隙平面螺旋天線，圖中反射腔體(7)是光子帶隙反射腔體，天線(8)是雙臂阿基米德螺旋天線，雙臂阿基米德螺旋天線膠粘在光子帶隙襯板上。光子帶隙襯包括二個(gè)螺旋臂，即螺旋臂(1)和螺旋臂(2)，兩臂長(zhǎng)度相等，寬度相同螺旋寬度為兩個(gè)螺旋之間的寬度。隨著角度的變化，半徑增大，天線工作頻率下降。在螺旋周長(zhǎng)為一個(gè)波長(zhǎng)附近的區(qū)域里，形成平面螺旋的主要輻射區(qū)。當(dāng)頻率發(fā)生變化時(shí)，主要輻射區(qū)隨之變動(dòng)，這樣不同的發(fā)射區(qū)域所發(fā)射的電磁能的頻率也是不相同的，在本實(shí)施例中對(duì)應(yīng)最低工作頻率，天線必須有1.25波長(zhǎng)的周長(zhǎng)；對(duì)最高頻率，要由饋電間的間隔尺寸來確定，其間隔也必須小于λ/4。
圖3是用作反射腔體的一種蘑菇狀周期結(jié)構(gòu)的金屬介電平面光子帶隙電子結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)由一層方形的金屬突起物在平面上周期排列形成。每個(gè)正方型的正中都有一個(gè)豎直的金屬孔與底層的金屬板連通。頂層與底層之間的連接層是均勻的電介質(zhì)，其中金屬層為銅，介質(zhì)層是環(huán)氧玻璃布層壓板。從外觀上看，這樣的結(jié)構(gòu)像是在金屬層上生長(zhǎng)有許多規(guī)律排列的“蘑菇”。所采用的雙層正方型斑圖金屬介電平面如圖4所示。點(diǎn)6是上下金屬板相連接的金屬孔，上金屬板用介質(zhì)隔成一個(gè)個(gè)小金屬方塊，下層為整塊型金屬板。
本發(fā)明已經(jīng)具備了寬帶天線的特性，并且具有良好的方向圖、阻抗和極化特性。
權(quán)利要求
1一種寬頻帶天線，其特征為該寬頻帶天線包括了一個(gè)雙臂螺旋天線及一個(gè)光子帶隙反射腔體。
2按照權(quán)利要求1所述的雙臂螺旋天線，其特征在于2.1兩螺旋臂長(zhǎng)相等，兩螺旋臂的寬度相等；螺旋臂的寬度等于兩螺旋臂間的間隔寬度；2.2對(duì)應(yīng)最低工作頻率，天線必須有1.25λ(λ為波長(zhǎng))的周長(zhǎng)；對(duì)最高頻率，要由饋電間的間隔尺寸來確定，其間隔也必須小于λ/4(λ為波長(zhǎng))。
3按照權(quán)利要求1所述的光子帶隙反射腔體，其特征在于該光子帶隙反射腔體是一種蘑菇狀周期結(jié)構(gòu)的金屬介電平面光子帶隙電磁結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)由一層方型的金屬突起物在平面上周期排列形成。每個(gè)正方型的正中都有一個(gè)豎直的金屬孔與底層的金屬板相連通。在頂層與底層間是均勻連續(xù)的電介質(zhì)。
全文摘要
本發(fā)明是一種阿基米德寬帶螺旋天線，它采用雙臂阿基米德螺旋天線，其兩螺旋臂長(zhǎng)度、寬度相等，寬度等于兩螺旋臂間隔。由于在反射腔體中加入吸收材料，引入了損耗，導(dǎo)致天線產(chǎn)品的增益很低，于是采用新材料光子晶體。由于其頻率選擇性和零相位反射的特點(diǎn)，用光子晶體作為高性能反射板代替反射腔獲得單向輻射。本發(fā)明采用了蘑菇狀光子晶體反射腔，使用結(jié)果達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。
文檔編號(hào)H01Q1/36GK1710747SQ20041002522
公開日2005年12月21日 申請(qǐng)日期2004年6月17日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月17日
發(fā)明者徐琰, 張謨杰 申請(qǐng)人:上海無線電設(shè)備研究所