【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于通信，尤其涉及一种基于金属带隙结构emnz媒质的强方向性天线阵列设计方法及系统。
技术介绍
1、强方向性天线阵列一般同时具有高增益、低旁瓣以及较窄的主瓣宽度等特点，可以最大限度地减少外部环境的干扰，在雷达、卫星通信、遥感等诸多领域有着重要应用。在目前现有的技术中对于天线阵列的馈电通常是基于并联馈电网络或串联馈电网络，但都需通过功率分配器或移相器对每个阵元所需的振幅和相位进行精确配置，馈电结构复杂，并且馈电网络占用空间大。也有部分天线在设计时通常采用高阶波导模式下的谐振腔激励对天线阵元进行馈电，可在一定程度上简化馈电网络，但仍存在一定缺陷，或是设计时需要考虑的参数过多，结构复杂，或是需要另外计算复杂的阻抗匹配以确保有效辐射，或是辐射效率、半功率波瓣宽度等关于强方向性天线的指标较低，极大地限制了天线技术的发展。
技术实现思路
1、针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种基于金属带隙结构emnz媒质的强方向性天线阵列设计方法。
2、本专利技术是这样实现的，一种基于金属带隙结构emnz媒质的强方向性天线阵列设计方法，该方法包括：
3、s1：设计了一个高度为半波长，总长度为5的铝制波导，调控工作频率为波导的截止频率，以使te10模式波馈入时可等效为enz波导；
4、s2：在截止波导形成enz的基础上，在波导内填充铝块以形成emnz，并合理设计填充铝块的大小和形状，同时在波导侧壁开缝以形成辐射空腔，实现天线阵列；
5、s3：在前
6、s4：以等间距十元天线阵列为基础，设计了一款不等间距十元天线阵，天线性能进一步提升；
7、s5：以等间距十元天线阵列为基本阵元，设计了一款7元平面天线阵列，有效形成了强方向性天线波束。
8、进一步包括以下技术特征：
9、为优化电场分布推导与阻抗匹配，本权利要求提出一种自适应电场分布优化算法，该算法通过迭代计算波导内部电场分布，并动态调整波导的几何参数，如开缝大小、形状和位置，以实现电场分布的均匀性和阻抗的最佳匹配。在每次迭代中，算法利用电磁仿真软件对调整后的波导进行电场分布和阻抗匹配的仿真验证，直至达到预设的优化目标，如电场分布的均匀度达到预设阈值或阻抗匹配误差低于预设值。通过该优化算法，可以显著提高天线的能量辐射效率。
10、进一步包括以下技术特征：
11、为进一步优化不等间距阵列设计，本权利要求提出一种基于智能优化算法的不等间距阵列设计方法。该方法首先设定阵列设计的优化目标，如抑制旁瓣、提高增益和方向性等，然后利用智能优化算法，如遗传算法、粒子群优化算法等，搜索满足优化目标的阵元间距组合。在搜索过程中，算法通过电磁仿真软件对不同的阵元间距组合进行仿真验证，评估其性能表现，并根据优化目标进行迭代优化，直至找到最优的阵元间距组合。通过该优化方法，可以进一步提高不等间距阵列的性能，实现更精确的波束控制和更高的增益。
12、进一步，所述s1具体包括：首先，当不考虑掺杂介质时，对于工作在te10模截止频率的波导，在微波频率范围内可等效为等离子体材料，其有效相对介电常数εeff可由drude色散模型表示：
13、
14、这里，εr是波导内介质的相对介电常数,f为入射频率，fp则是波导的截止频率，有：
15、
16、于是，有效相对介电常数εeff可被计算为：
17、
18、因此，当波导高度h为0.5λ，其内填充空气εr≈1时，该结构等效于横截面积为s0，具有相对磁导率μr0的均匀enz介质，其中磁场h0在其内均匀分布；此时，在enz区域内掺杂横截面积s1，相对磁导率为μr1的均匀金属介质，此时整个结构的有效相对磁导率μeff可被计算为：
19、
20、其中，ha为掺杂介质后的波导内的磁场，有ha＝h0；hd是所掺杂介质内的磁场，可被表示为
21、hd＝h0ψn(r) (5)
22、此处，ψn(r)是标量helmholtz的解，代表hd在掺杂介质内的磁场分布，而，当掺杂的介质为pec时，ψn(r)＝0，因此，式(4)可被写为
23、
24、此时波导空腔内填充介质为空气，μr0≈1；这意味着可以通过简单的调整所掺杂的pec介质与enz结构的横截面积之比，使得μeff表现为所需要的大小，而不是通过复杂的参数计算；因此，当s1足够接近s0时，可以得到可在大功率下工作的具有金属带隙结构的emnz媒质。
25、进一步，所述emnz天线阵列工作时的机理具体如下：
26、利用同轴线转波导对天线阵列进行馈电，波经由“├┤”型空气缝隙，传播至各阵元进行激励；在天线馈电网络一端形成“│”型空气缝隙的目的是为了减弱入射电磁波的反射，降低天线的s11；中间的“─”型缝隙形成了emnz电磁隧道，当波通过隧道时，对于隧道两端，有能量反射系数r，可计算为：
27、
28、其中，l1、l2分别为隧道两端a、b处的宽度，k0为自由空间中的波数，a表示隧道的面积，则当a1、a2相等时，有r＝0，电磁波可无损耗通过隧道，实现了emnz超耦合效应，使得波在波导空腔内部由可由馈电端完美隧穿到辐射端；另一端的空气缝隙则使波由中间至两边传输，对各辐射空腔进行激励；此前曾提到，ennz媒质内的电磁波在时间域上保持动态，在空间上表现为静态场，具有均匀的相位和振幅分布；即对于emnz媒质，有
29、
30、因此在媒质内存在有恒定的电场幅值e0，磁场幅值h0，不会因为空间状态的变化而发生变化；但事实上，当波被激励进入emnz媒质内后，尽管此时其具有无限大的相速度和波长，但仍然遵循相对论中的因果性原理，需要一定的时间构建稳态的空间静态场，在这段时间中，波仍然会沿着空腔内的空气缝隙传播，当到达隧道b端时，波的幅值并未发生变化，而当其向天线两端传播后，幅值会在经过空腔时向外辐射不断减小，相位则由于emnz材质无穷大的相速度，仅会在较小范围内波动，但仍可近似认为相同，从而最终在隧道b端的空气缝隙内形成相位相同，振幅锥形分布的空间静态场；
31、设定ei、hi代表±xi处的辐射空腔的电场与磁场(i＝1，2，，n)，并设定空腔内部场是均匀的，由于空腔的参数一样，所以其输入阻抗ei/hi，保持不变，证明各空腔中的电场与磁场与初始值相比的衰减幅度相同；根据之前的研究可知【60】，pec包裹的封闭空腔，边界处的切向电场为0，因此电场沿着金属边界的环路积分都为0；对于天线，有效的电场环路积分仅由馈电波导端口和辐射空腔处的电场贡献；设定电场e0，磁场h0分别是端口处的电场及磁场，沿着波导空腔内空气缝隙的边界运用法拉第电磁感应定律，可得：
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1.一种基于金属带隙结构EMNZ媒质的强方向性天线阵列设计方法，其特征在于，该方法包括：
2.如权利要求1所述基于金属带隙结构EMNZ媒质的强方向性天线阵列设计方法，形成ENZ波导：设计一个高度为半波长、长度为至少5个波长的金属波导，调控工作频率至波导的截止频率，以形成等效为具有零有效介电常数的ENZ波导；其中，ENZ波导的有效相对介电常数可由Drude色散模型表示，并通过填充空气或掺杂介质实现；
3.根据权利要求1所述的基于金属带隙结构EMNZ媒质的强方向性天线阵列设计方法，其特征在于，所述S1中ENZ波导的形成具体为：通过调控波导高度、内填介质以及工作频率，使波导在微波频率范围内等效为等离子体材料，其有效相对介电常数趋近于零，形成ENZ波导；在ENZ区域内掺杂金属介质，进一步形成EMNZ结构。
4.根据权利要求1所述的基于金属带隙结构EMNZ媒质的强方向性天线阵列设计方法，其特征在于，所述S3中阻抗匹配公式具体为：通过计算封闭EMNZ媒质的输入阻抗，并分析辐射空腔以及馈电波导的阻抗对天线性能的影响，调控ENZ波导的电抗以消除空腔的电感影响，
5.根据权利要求1所述的基于金属带隙结构EMNZ媒质的强方向性天线阵列设计方法，其特征在于，所述天线阵列的总场方向图通过调控阵元间距和阵元数量进行优化，具体为：通过调整阵元间距d和阵元数N来调控阵因子方向图函数，进而实现对天线总场方向图的优化，设计出具有良好性能的天线阵列。
6.一种实施如权利要求1-5任意一项所述基于金属带隙结构EMNZ媒质的强方向性天线阵列设计方法的基于金属带隙结构EMNZ媒质的强方向性天线阵列设计系统，其特征在于，该系统包括：
7.一种计算机设备，其特征在于，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如权利要求1-5任意一项所述基于金属带隙结构EMNZ媒质的强方向性天线阵列设计方法的步骤。
8.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如权利要求1-5任意一项所述基于金属带隙结构EMNZ媒质的强方向性天线阵列设计方法的步骤。
9.一种信息数据处理终端，其特征在于，所述信息数据处理终端用于实现如权利要求6所述基于金属带隙结构EMNZ媒质的强方向性天线阵列设计系统。
...【技术特征摘要】
1.一种基于金属带隙结构emnz媒质的强方向性天线阵列设计方法，其特征在于，该方法包括：
2.如权利要求1所述基于金属带隙结构emnz媒质的强方向性天线阵列设计方法，形成enz波导：设计一个高度为半波长、长度为至少5个波长的金属波导，调控工作频率至波导的截止频率，以形成等效为具有零有效介电常数的enz波导；其中，enz波导的有效相对介电常数可由drude色散模型表示，并通过填充空气或掺杂介质实现；
3.根据权利要求1所述的基于金属带隙结构emnz媒质的强方向性天线阵列设计方法，其特征在于，所述s1中enz波导的形成具体为：通过调控波导高度、内填介质以及工作频率，使波导在微波频率范围内等效为等离子体材料，其有效相对介电常数趋近于零，形成enz波导；在enz区域内掺杂金属介质，进一步形成emnz结构。
4.根据权利要求1所述的基于金属带隙结构emnz媒质的强方向性天线阵列设计方法，其特征在于，所述s3中阻抗匹配公式具体为：通过计算封闭emnz媒质的输入阻抗，并分析辐射空腔以及馈电波导的阻抗对天线性能的影响，调控enz波导的电抗以消除空腔的电感影响，实现天线与馈电波导之间的阻抗匹配，从而提高天线的辐射效率。
...
【专利技术属性】
技术研发人员：赵林，李家鑫，潘丽，冯慧婷，刘茜茜，
申请(专利权)人：中国人民解放军海军工程大学，
类型：发明
国别省市：
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