CN101587990B

CN101587990B - 基于人工电磁材料的宽带圆柱形透镜天线

Info

Publication number: CN101587990B
Application number: CN200910032139A
Authority: CN
Inventors: 崔铁军; 马慧锋; 陈曦; 杨歆汨; 徐弘升; 程强
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2009-07-01
Filing date: 2009-07-01
Publication date: 2012-09-26
Anticipated expiration: 2029-07-01
Also published as: CN101587990A

Abstract

基于新型人工电磁材料的宽带圆柱形透镜天线由一系列新型人工电磁材料按照一定的规律排列而成，构成等效的折射率渐变的人工媒质。该新型透镜天线包括基于新型人工电磁材料1的圆柱形透镜2、作为激励的馈源3、抑制后向辐射的反射器4。新型人工电磁材料1的某一片印刷电路板的具体结构5为印刷在介质基板上的一系列“I”形状单元6，按照特定的规律排列。通过调节“I”形结构的大小，得到透镜所需的折射率分布。选取合适里想导体反射器4放置于馈源3的后面，用来减少由馈源产生的后向辐射，以便提高天线的增益和方向性。本发明具有高增益、宽频带、高定向性、易于加工、成本低、重量轻和便于集成等优点。

Description

基于人工电磁材料的宽带圆柱形透镜天线

技术领域

本发明涉及一种基于人工电磁材料的宽带圆柱形透镜天线，尤其涉及一种等效折射率分布随空间变化的新型人工媒质，通过设计不同的基本人工单元结构，实现折射率分布由1到

变化的宽带高增益圆柱形透镜，以实现移动站对卫星跟踪等方面的应用。

背景技术

Metamaterials做为一种新型人工电磁材料，其最大的特性就是在理论上可以用人工结构实现任意的等效介电常数和磁导率。2006年，美国杜克大学DavidSmith研究小组第一次成功地应用新型人工电磁材料实验验证了隐身大衣的理论(D.Schurig，et al.，Science 314，977，2006)，这对新型人工电磁材料的发展起着极大的推动作用，也引起了各国媒体的广泛关注。2009年初，美国杜克大学的David Smith研究小组与东南大学崔铁军教授研究小组合作，应用新型人工电磁材料成功地设计出基于人工媒质的隐身地毯(R.Liu，C.Ji，J.J.Mock，J.Y.Chin，T.J.Cui，and D.R.Smith，Science 323，366，2009)，再次引起国内外学术界和媒体的强烈反响。龙伯(Luneberg)透镜天线由R K Luneberg于1944年提出，距今已有六十多年的历史。由于龙伯透镜天线的球对称特性，可应用于移动接收站对卫星的跟踪等。本发明提出了应用新型人工电磁材料制作类似龙伯透镜的宽带圆柱形透镜天线，在保证高增益和高定向性等特性的前提下，克服了传统龙伯透镜天线的造价高、重量重和制作困难等缺点。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种基于人工电磁材料的宽带圆柱形透镜天线，该天线应用新型人工电磁材料实现折射率按一定规律分布的圆形透镜天线，其主要特点是频带宽、增益高和定向性好，同时具有易于加工、重量轻和造价低等优点。

技术方案：本发明的基于人工电磁材料的宽带圆柱形透镜天线由一系列不同长度的人工电磁材料并排排列组成一个横截面近似于圆形的人工媒质圆柱形透镜，馈源位于透镜的边缘处，理想导体反射器位于馈源的后面；每一片人工电磁材料的印刷电路板是由印刷在介质基板上的一系列大小不一的人工媒质的非谐振基本单元构成。

所述的圆柱形透镜，其折射率变化为

n = \sqrt{2 - {(r / R)}^{2}},

其中R为圆柱形透镜的半径，r为圆柱形透镜上任意一点到圆心的距离，0≤r≤R。

所述的非谐振基本单元，其长度可改变，以得到不同的等效折射率分布。

本发明的基于人工电磁材料的圆柱形透镜天线由新型人工电磁材料组成一个圆形的折射率渐变透镜，这种新型人工电磁材料由一系列不同尺寸的非谐振基本单元构成，改变这些基本单元的尺寸可以实现不同折射率的等效媒质。将这些新型人工电磁材料按一定的规律排列，以实现折射率渐变的透镜，在透镜的边缘处放置一馈源作为激励，在馈源的后面制作一个反射器，以减小馈源的后向辐射，提高天线的增益和定向性。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明具有制作简单和便于加工的特点。调整新型人工电磁材料基本结构单元尺寸，可以任意调节人工等效媒质的折射率和特性阻抗，实现透镜天线在设计上的简单化，同时该透镜天线仅仅由一系列的新型人工电磁材料基本单元排列而成，使得该透镜便于加工。

2、本发明具有宽频带的特点。在本发明中，由于使用的新型人工电磁材料基本结构为非谐振单元，由该基本单元构成的人工等效媒质的电磁特性对频率的响应不是很敏感，所以本发明具有宽频带特性。

3、本发明同时具有重量轻的特点。传统龙伯透镜天线是由具有不同折射率的球壳压制而成的，一般都比较笨重。本发明是由不同新型人工电磁材料基本单元按一定的规律排列，构成折射率渐变的透镜天线，其采用的工艺为印刷电路板工艺，此新型透镜天线将显著降低重量。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。其中，图1a为透镜天线的整体结构图，图1b为图1a中某一片印刷电路板详细结构图，图1c为本发明的单元结构。

图2是本发明的非谐振基本单元的等效媒质参数(介电常数、磁导率、波阻抗、折射率)随尺寸变化的情况。

图3是本发明的天线辐射方向图。其中，图3a为8GHz下仿真和测量结果的比较，图3b为7GHz、8GHz和8.5GHz下测量结果的比较。

具体实施方式

本发明中，基于新型人工电磁材料的宽带圆柱形透镜天线是用一系列非谐振基本单元按照一定规律排列构成的等效人工媒质实现的，整个天线包括基于新型人工电磁材料1的圆柱形透镜2、作为激励的馈源3、抑制后向辐射的反射器4。新型人工电磁材料1及其结构单元6是本发明的核心。可以通过调节新型人工电磁材料中的基本单元6的尺寸，得到不同等效参数的人工媒质，从而设计透镜天线所需的参数分布。馈源用点源馈入，作为天线的激励。发射器的作用是抑制由馈源产生的后向辐射，提高天线的增益和定向性。

图2为非谐振单元6的等效媒质参数随单元结构尺寸g变化时的分布规律，其中设计频率为f＝8GHz。从图2可以看出，当g由0.2mm变化到2.4mm时，等效介电常数由1.31变到2.38，等效磁导率由1变化到0.97，折射率由1.15变化到1.52，特性阻抗由0.96变化到0.7。由此可见，可以用该非谐振单元结构6实现折射率为

n = \sqrt{2 - {(r / R)}^{2}}

的分布。在实际设计过程中，透镜中折射率小于1.15的部分都设计成n＝1.15。图3为该发明的方向图，图3(a)为8GHz下的测量结果和仿真结果的比较，可见二者吻合很好，且有较高的方向性和增益；图3(b)给出了该发明在7GHz，8GHz和8.5GHz下测量方向图的比较。其结果表明，在不同频率上该发明都可以很好地工作。

Claims

1.一种基于人工电磁材料的宽带圆柱形透镜天线，其特征在于此透镜天线由一系列不同长度的人工电磁材料(1)并排排列组成一个横截面近似于圆形的人工媒质圆柱形透镜(2)，馈源(3)位于透镜的边缘处，理想导体反射器(4)位于馈源(3)的后面；每一片人工电磁材料(1)的印刷电路板(5)是由印刷在介质基板上的一系列大小不一的人工媒质的非谐振基本单元(6)构成；

所述的圆柱形透镜(2)，其折射率变化为

其中R为圆柱形透镜(2)的半径，r为圆柱形透镜(2)上任意一点到圆心的距离，0≤r≤R；

所述的非谐振基本单元(6)，其长度可改变，以得到不同的等效折射率分布。