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，因為它不能滿足截斷要求，電流在工作區(qū)后并不明顯地減少，螺旋天線被截斷后方向圖必受影響，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真正實現(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。
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為螺旋增長率。
臂的寬度為W=ρ02-ρ01=απ2]]>螺旋的周長為一個波長附近的區(qū)域時，形成平面螺旋的主要輻射區(qū)。當頻率發(fā)生變化時，主要輻射區(qū)隨之變動，但方向圖基本不變因此螺旋天線具有寬帶特性。對應(yīng)最低工作頻率，天線必須有1.25波長的周長；對最高頻率，要由饋電間的間隔尺寸來確定，其間隔也必須小于λ/4。
當二個螺旋臂相等，且臂寬等于兩螺旋臂的寬度時，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，真正實現(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。每個正方型的正中都有一個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螺旋臂，即螺旋臂(1)和螺旋臂(2)，兩臂長度相等，寬度相同螺旋寬度為兩個螺旋之間的寬度。隨著角度的變化，半徑增大，天線工作頻率下降。在螺旋周長為一個波長附近的區(qū)域里，形成平面螺旋的主要輻射區(qū)。當頻率發(fā)生變化時，主要輻射區(qū)隨之變動，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，在本實施例中對應(yīng)最低工作頻率，天線必須有1.25波長的周長；對最高頻率，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。每個正方型的正中都有一個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)隔成一個個小金屬方塊，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雙臂螺旋天線及一個光子帶隙反射腔體。
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對應(yīng)最低工作頻率，天線必須有1.25λ(λ為波長)的周長；對最高頻率，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)。
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。每個正方型的正中都有一個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，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)果達到了設(shè)計要求。
文檔編號H01Q1/36GK1710747SQ20041002522
公開日2005年12月21日 申請日期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 申請人:上海無線電設(shè)備研究所