光子晶體貼片天線

1、光子晶體貼片天線在軍事方面應(yīng)用光子晶體的概念圖1.1 一維、二維、三維光子晶體示意圖7圖1.2 二維光子晶體波導典型的透射譜圖光子晶體貼片天線微帶天線是二十世紀七十年代出現(xiàn)的一種新型天線形式，是指在一個薄介質(zhì)基片上，面附上金屬薄層作為接地板，另一面用光刻腐蝕等方法做出一定形狀的金屬貼片，并利用同軸探針或微帶線對貼片饋電的一種天線。將光子晶體巧妙地用在微帶天線上，利用光子晶體的特異性能，可以極大地提高其性能。圖1 利用光子晶體做天線的基底，能夠?qū)⑼ǔ８～@在單一介質(zhì)基底中的能量全部反射到自由空間，大幅度提高天線的輻射效率近年來出現(xiàn)的光子晶體貼片天線能較好地改善以高介電常數(shù)介質(zhì)為基片材料的微帶貼片天

2、線的性能。光子晶體貼片天線是指用運光子晶體材料的禁帶特性而制作的天線，通過在貼片天線中人為地引入光子晶體結(jié)構(gòu)，并利用光子晶體的禁帶效應(yīng)，抑制沿底板介質(zhì)傳播的表面波，增加天線藕合到空間的電磁波輻射功率。對表面波的抑制可以提高天線的效率，從而改善天線的性能。對于用光子晶體微帶天線的雷達系統(tǒng)而一言，這相當于增強了雷達發(fā)射機功率，因而可提高雷達探測距離。高性能反射鏡。頻率落在光子帶隙中的光子或電磁波不能在光子晶體中傳播，因此選擇沒有吸收的介電材料制成的光子晶體可以反射從任何方向的入射光，反射率幾乎為I00%。這與傳統(tǒng)的金屬反射鏡完全不同。傳統(tǒng)的金屬反射鏡在很大的頻率范圍內(nèi)可以反射光，但在紅外和光學波段

3、有較大的吸收。雷達、導彈、飛行器等的防護罩 傳統(tǒng)的微波天線制備方法是將天線直接制備在介質(zhì)基底上，這樣就導致絕大部分大量的能量被天線基底所吸收，不僅效率很低，而且天線定向性不好，機動性、移動性和易攜性差。而基于光子晶體的新型天線具有傳統(tǒng)天線無法達到的獨特性質(zhì)，如提高天線方向性系數(shù)、增加天線帶寬、消除表面波、減少天線系統(tǒng)尺寸等等，已越來越受到人們的重視。對電磁(光子)晶體天線的研究國外起步較早，并逐步走向?qū)嶋H應(yīng)用。以美國為例，美國宇航局Glenn研究中心主要任務(wù)之一是通訊技術(shù)的研究與開發(fā)，該中心在用與未來太空探索的天線技術(shù)中提出小型天線將發(fā)揮重要的作用，其中就包括光子晶體天線。另外，光子晶體天線在

4、軍事上將廣泛地用在全球定位系統(tǒng)、先進雷達系統(tǒng)和單兵通信裝備中，為作戰(zhàn)提供有力的通訊保障。事實表明，基于光子晶體的新型天線有許多獨特的性能，光子晶體天線在未來的通信等領(lǐng)域中將得到更大的發(fā)展。目前國內(nèi)外已經(jīng)開發(fā)出了多種光子晶體天線，為光子晶體天線的發(fā)展起到了重要的推動作用，也為光子晶體新型天線在眾多領(lǐng)域中的應(yīng)用，奠定了良好基礎(chǔ)。本項目在光子晶體方面的最前沿的科研成果的基礎(chǔ)上，研究基于光子晶體新型天線，研究的主要內(nèi)容是利用光子晶體的全反射原理的光子晶體基底天線和利用光子晶體禁帶結(jié)構(gòu)特性的光子晶體覆層天線。這兩類光子晶體天線不僅易與現(xiàn)有通信和雷達探測設(shè)備相結(jié)合，而且有完善的理論可循（參見圖1和圖2），

5、并且研制相對簡單，可望在短期內(nèi)得到推廣，以便提高通訊性能。圖2 層狀光子晶體喇叭天線(a)和二微光子晶體天線(b)的能量輻射分布結(jié)合我軍現(xiàn)役通信設(shè)備中某種型號的天線，依據(jù)該類天線的戰(zhàn)術(shù)性能參數(shù)和所期望達到的天線性能指標，借助光子晶體理論和天線理論，設(shè)計出符合要求的光子晶體天線模型。并用Rsoft設(shè)計公司的光子帶隙設(shè)計工具Band SOLVE 設(shè)計出光子帶隙符合要求的光子晶體，之后，應(yīng)用Ansoft公司推出的三維電磁仿真軟件HFSS（High Frequency Structure Simulator）軟件進行數(shù)值模擬。經(jīng)過反復修改設(shè)計，達到數(shù)值模擬結(jié)果與理論結(jié)果相符。根據(jù)所設(shè)計的光子晶體模型，

6、制備出所需的光子晶體天線樣品。測出光子晶體天線的帶隙結(jié)構(gòu)和相關(guān)的其他性能參數(shù)；選擇合適的微波饋線裝置，將光子晶體天線裝配到整個通信系統(tǒng)中；并通過實驗，繪制出天線的輻射圖，并測量或計算出天線的其他一些參數(shù)，將測量的數(shù)據(jù)與理論值進行比較，判斷天線性能改善的程度，分析原因，并進一步進行優(yōu)化設(shè)計，使天線的性能達到或者接近理論值；下一步就是將光子晶體天線裝備到通信系統(tǒng)中，在實際應(yīng)用中檢驗其性能，通過分析試運行中積累的數(shù)據(jù)，在進一步進行優(yōu)化設(shè)計，最終將光子晶體天線推廣使用。在光子晶體制作工藝上，己經(jīng)能夠容易地實現(xiàn)禁帶處于微波和毫米波段(頻率范圍在1-500GHz)的光子(電磁)晶體的制造?？赏ㄟ^控制介質(zhì)周

7、期結(jié)構(gòu)的對稱性、介質(zhì)中的連通性和占空比、相對折射率比值來控制光子能帶結(jié)構(gòu)，從而制備出所需要的光子晶體。禁帶處于這一頻段的光子晶體在作為天線的材料方面具有極為廣闊的運用前景。貼片與鉆孔交叉排列光子晶體天線研究本文主要研究的鉆孔貼片交叉型光子晶體，貼片天線的結(jié)構(gòu)如圖1所示,就是在天線的基底上鉆出周期性排列的圓孔以及在天線正面周期排列的貼片組成光子晶體結(jié)構(gòu)，基底的大小為360mm×360mm×8mm，圓孔的半徑為16mm，圓孔與貼片中心間相距為35.2mm,，基底介質(zhì)的相對介電常數(shù)為10,在介質(zhì)層上方加入26 mm×16 mm的貼片天線，激勵源采用Gaussian離散源

8、,它通過寬度為4.7 mm的微帶饋線給貼片天線饋電. 去掉光子晶體后的普通貼片天線的結(jié)構(gòu)如圖2所示,其結(jié)構(gòu)參數(shù)同圖1.圖1鉆孔貼片交叉型光子晶體貼片天線 圖2 普通貼片天線3.仿真結(jié)果及分析利用FDTD電磁仿真軟件對以上兩天線進行仿真分析，可以得到回波損耗（S11）和增益特性如圖3與,圖4所示.a) 鉆孔貼片交叉型光子晶體貼片天線S11 b) 普通貼片天線S11圖3天線回波損耗（S11）仿真結(jié)果對比從圖3可以看出,增加光子晶體結(jié)構(gòu)并通過仿真計算后，普通貼片天線最小回波損耗（S11）在頻率3.01GHZ約為 -20dB,鉆孔貼片交叉型光子晶體貼片天線最小回波損耗（S11）分別在頻率2.84GHZ

9、和3.76GHZ處約為-30dB,其最小回波損耗（S11）比普通貼片天線減少了約-106dB, 光子晶體交叉排列的2種結(jié)構(gòu)使天線最小回波損耗能夠出現(xiàn)在2個電磁波的諧振點處,有效地擴展了頻率使用范圍.從圖中也易知，PBG的加入也使得天線的帶寬增加了，兩者對比已列于表1中。當然，由圖3也可以發(fā)現(xiàn)，PBG的加入，使得天線的諧振頻率發(fā)生了偏移，主要原因是PBG的加入使得導波波長發(fā)生變化，而天線的尺寸保持不變，所以，諧振頻率會產(chǎn)生部分偏移。對于電壓駐波比，鉆孔貼片交叉型光子晶體貼片天線達到了1.070,即靠近理想值1，而對于普通型貼片天線則為1.2004.a) 鉆孔貼片交叉型光子晶體貼片天線增益（f=3

10、.76GHz） b) 鉆孔貼片交叉型光子晶體貼片天線增益（f=2.84GHz） c) 普通貼片天線增益 圖4天線增益性能仿真結(jié)果對比由圖4天線的增益圖容易看出,普通貼片天線的正向增益最大為-3dB,加入交叉型光子晶體后, 正向增益最大約為8dB,提高了11dB,說明光子晶體結(jié)構(gòu)可以較大提高貼片天線的增益.由以上的仿真計算歸納出表一：回波損耗（S11）帶寬（S11=-10dB）VSWR(電壓駐波比)最大增益鉆孔貼片交叉型光子晶體貼片天線-30dB(3.76 GHZ和2.84GHZ)2.28%1.07008 dB普通貼片天線-20db(3.01GHZ)1.92%1.2004-3dB表1 通過在貼片

11、天線中人為地引入光子晶體結(jié)構(gòu)后，不難發(fā)現(xiàn)，其特性表現(xiàn)為較低的回波損耗和較大的天線增益, 從理論的角度分析其原因也是容易理解的：在貼片天線的基底介質(zhì)上加入了光子晶體結(jié)構(gòu)之后，就會形成電磁(光子)禁帶，在禁帶頻率范圍內(nèi)的電磁波將受到束縛不能向任意方向傳播，利用光子晶體的禁帶效應(yīng)，可抑制沿基底底板介質(zhì)傳播的表面波，由此,將減少天線基底對電磁波的吸收，增加電磁波向自由空間的反射能量，從而減少了天線的回波損耗、增加了增益,其物理圖像由圖5能得到更直觀的說明.圖5 利用光子晶體禁帶效應(yīng)抑制天線基底的表面波的物理圖像為了進一步說明光子晶體禁帶效應(yīng)能抑制天線基底電磁表面波, 本文對鉆孔貼片交叉型光子晶體貼片天線和普通貼片天線這兩種天線繪制了基底表面的電場(Ez)分布圖（如圖6和圖7所示），兩圖歸一化到相同的最大值和最小值,其中Ez為垂直貼片方向的電場分量,顯然,圖7中的普通貼片天線表面波電場明顯比圖6的鉆孔貼片交叉型光子晶體貼片天線表面波電場強得多，直觀地說明了在貼片天線的基底中加入光子晶體結(jié)構(gòu)后, 能有效抑制天線基底電磁表面波。4.結(jié)論通過仿真分析，發(fā)現(xiàn)在禁帶范圍內(nèi), 光子晶體異質(zhì)的結(jié)構(gòu)使天線最小回波損耗分別出現(xiàn)在2個電磁波的諧振頻率處,有效地擴