一种使用石墨烯电磁带隙管扩大宽带平面天线阵列视场的结构及方法

技术领域

本发明涉及一种实现宽带平面天线阵列大视角的结构和方法，属于微波工程和技术领域。

背景技术

石墨烯是一种由单层碳原子组成的二维碳纳米材料，这种二维材料的发现极大的掀起了一场技术革命，如异乎寻常的结构和它优异的导电性和导热性能，与超过所有一般材料的韧度。但是它的优越性能在微波频段段并没有被很好的挖掘和利用。这是因为它在低频段体现了很高的电阻特性。本方案巧妙的利用了现阶段可以实现的石墨烯工程应用，如并不是着眼于利用单层碳原子结构，这本身并不适用于微波段，而是通过制备多层石墨烯的结构和与其它导体掺杂的方式，以提高其在微波段的导电特性。因而可以将其应用于天线辐射体结构本身，也可以用这种材料制成不同的电磁带隙(EBG)结构，调整电磁波在平面阵列和发射地之间的传播模式，增加了经过反射地的电磁波传播路径中的电长度。这种基于石墨烯材料的带隙结构可以极大的改善天线阵列的性能，特别是增大阵列天线在低工作频段的视场。石墨烯应用于天线辐射体本身一般适合于对天线的效率要求不是太高的场合。

发明内容

发明目的：本发明解决了宽带阵列天线设计时的关键难点问题，即实现大的扫描视角和同时保持很宽的工作带宽，实现这些目标取决于阵列天线设计的结构本身和所使用的材料，本发明通过在宽带平面天线阵列中增加新材料制备的特定的电磁带隙结构，有效扩大宽带平面阵列天线的视场并保持宽带特性。

技术方案：一种使用石墨烯电磁带隙管扩大宽带平面天线阵列视场的结构，包括天线馈电盘、平面天线阵、石墨烯电磁带隙管阵列和反射地，平面天线阵包括偶数个天线负载，天线负载为圆环状且成对设置，天线负载和天线馈电盘连接，石墨烯电磁带隙管阵列由石墨烯电磁带隙管周期性排列形成，放置在平面天线阵和与之平行的反射地之间，石墨烯电磁带隙管与反射地垂直，石墨烯电磁带隙管在垂直方向的位置根据平面天线阵列扫描视角的范围要求可调。

进一步地于，石墨烯电磁带隙管设置在天线负载的正下方。

进一步地，天线负载采用石墨烯材料。

进一步地，石墨烯电磁带隙管所使用的材料的方阻与天线负载所使用的石墨烯材料的方阻值可以不同。

进一步地，所述石墨烯材料的方阻大于1欧姆/平方。

进一步地，天线馈电盘的材料为传统的电路板上导电材料铜。

进一步地，石墨烯电磁带隙管可以直接放置在反射地上，或者悬挂于天线负载水平面，或者设置在反射地和天线负载水平面之间，当石墨烯电磁带隙管悬挂于天线负载水平面，或者设置在反射地和天线负载水平面之间时，在石墨烯电磁带隙管与天线负载和反射地的空间使用低介电常数材料管支撑。

进一步地，低介电常数材料可以为EPS泡沫板。

进一步地，石墨烯电磁带隙管的形状可以是方柱型或者圆柱型，石墨烯电磁带隙管与天线负载和反射地无焊接。

一种在宽带平面天线阵列中使用石墨烯电磁带隙管的方法，包括如下步骤：

步骤1、根据平面天线阵的辐射扫描特性确定阵元间距，为避免栅瓣，阵元间距为最高工作频率点对应的半波长；

步骤2、确定天线负载圆环的外直径和内直径；

步骤3、确定天线负载圆环所用材料的方阻；

步骤4、确定石墨烯电磁带隙管的外形尺寸；

步骤5、确定石墨烯电磁带隙管的排列，在水平方向均匀布置在天线馈电点的两侧，通过电磁优化确定石墨烯电磁带隙管之间的间距，通过迭代法调整间石墨烯电磁带隙管间距实现最大化带宽和扫描视场；

步骤6、确定石墨烯电磁带隙管在垂直方向的位置，以天线阵扫描到最大角度时阵元输入端实现最佳的输入阻抗匹配为优化的目标；

步骤7、确定石墨烯电磁带隙管所用材料的方阻。

有益效果：

本发明的一种使用石墨烯电磁带隙管扩大宽带平面天线阵列视场的结构通过在宽带平面天线阵列中增加新材料制备的特定的电磁带隙结构，改善天线阵列扫描到宽角度时阵元的阻抗匹配特性从而实现宽带天线阵列在整个工作频带的大视场。在平面天线阵列中加置石墨烯间隙管后，天线阵列在低频段的扫描视角增大到45°,占13％的工作频段其视场从30°增加到45°。最终实现在4:1的工作频率范围内，天线阵列的扫描角度为45°，驻波比小于2：1。

附图说明

图1为石墨烯电磁带隙结构与平面天线总体方案图；

图2为45度方向扫描时阵元反射系数，有无电磁带隙结构天线阵性能比较；

图3为45度方向扫描时阵元反射系数比较，电磁带隙管在垂直方向处于距离反射地的不同位置。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

本方案以二维平面的天线结构为例，天线辐射体除天线馈电盘使用常规导体除外，其余部分以石墨烯圆环作为负载。在宽带阵列天线的设计中，引入新材料和结构，解决宽带阵列天线在特定频点或者频段在高扫描角度时存在扫描盲区的问题。本发明利用新型材料石墨烯可以制备成不同电导率的特点，在天线设计的结构中采用两种具有不同电导特性的石墨烯，一种作为天线辐射单元本身的负载材料，另一种制作成石墨烯管作为电磁带隙(EBG)结构，周期性的使用于天线辐射体和天线辐射体一侧的反射地之间。如图1所示，使用石墨烯电磁带隙管扩大宽带平面天线阵列视场的结构包括天线馈电盘1、平面天线阵、石墨烯电磁带隙管阵列和反射地2，平面天线阵包括偶数个天线负载3，天线负载3为圆环状且成对设置，天线负载3和天线馈电盘1连接，石墨烯电磁带隙管阵列由石墨烯电磁带隙管4周期性排列形成，放置在平面天线阵和与之平行的反射地2之间，石墨烯电磁带隙管4与反射地2垂直，石墨烯电磁带隙管4在垂直方向的位置根据平面天线阵列扫描视角的范围要求可调石墨烯电磁带隙管4可以放置在反射地上，也可以悬空，或者悬挂于天线水平面，这两种材料不必是相同的电导率，通过合理的参数设计和组合，可以非常有效的提高天线阵列的视场和工作带宽。为设计天线阵列增加了额外的可选参数用于优化。不同的电磁带隙结构，如可制作成方管或者圆柱，带隙结构的放置可以组成不同的排列，并通过优化实现最大化的视场和带宽。在天线的电场辐射面45度方向上，天线阵列的阻抗匹配得到了极大的改善。以阵元间距为40mm为例，负载圆环的外径为15mm,负载圆环的内径为7.2mm。可以有效实现阵列天线在偏离天顶角45度的范围内，工作频率1-4GHz的阻抗匹配。

图2为天线阵列扫描到45度方向时阵列中心阵元的反射系数，在天线阵列中增加电磁带隙结构前后天线阵阵元阻抗匹配性能的比较，在4GHz的工作频段内，13％的频率(从1GHz到1.5GHz)其视场扩大到距离天顶角45度的范围。

图3为天线阵列扫描到45度方向时处于阵列中心阵元的反射系数，电磁带隙管在垂直方向处于离反射地不同的高度，可知电磁带隙结构在垂直方向不同位置时会影响阵列在高频段的性能，带隙结构离阵列越近，这种影响越小。

一种使用石墨烯电磁带隙管扩大宽带平面天线阵列视场的方法，包括如下步骤：

步骤1、利用偶极子圆环结构阵列天线的特点，确定阵元间距，即阵列内一个天线单元和相邻天线单元之间的间距，如以工作在4GHz为频率上限(f

D＝0.53λ

步骤2、确定天线负载3圆环的尺寸，圆环的外直径RD

RD

RD

步骤3、采用全波仿真软件如Ansys通过参数迭代优化确定天线负载3圆环所用材料的方阻，以在整个工作频段其反射系数低于-10dB为标准，当阵元间距D＝40mm时，RANT

步骤4、当阵列在电场辐射面扫描到45度时，用上边相同的标准通过电磁仿真优化确定电磁带隙(EBG)结构的尺寸，石墨烯电磁带隙管4的截面边长为4mm，高度h＝25mm；

步骤5、为获得最优的带宽和扫描视场，石墨烯电磁带隙管4之间的间距为20mm，是阵元间距的一半，在水平方向上均匀布置在天线馈电点的两侧；

步骤6、石墨烯电磁带隙管4在垂直方向的分布可以为离天线和反射地2的距离一样，分别为1.5mm或者合适的其它尺寸，取决于应用时的具体频率范围要求，比较石墨烯电磁带隙管4附着在反射地2或者悬空于反射地2的天线输入阻抗匹配特性，找最优的结果确定石墨烯电磁带隙管4在垂直方向的位置；

步骤7、当阵列在电场辐射面扫描到45度时，用上边相同的标准通过电磁仿真迭代优化法，确定石墨烯电磁带隙管4所用材料的方阻：REGB

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。