CN102255140A - 一种波束可控的透镜及维瓦尔第天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种波束可控的维瓦尔第天线，包括介质基板，覆在所述介质基板上的开口呈喇叭状的铜箔，在喇叭状开口处设置有一个圆柱状透镜，所述透镜沿纵向由两部分组成，第一部分的折射率为1～1.1；第二部分的折射率为x表示以所述透镜的圆心为坐标轴原点的横坐标的位置，y表示以所述透镜的圆心为坐标轴原点的纵坐标的位置；所述透镜的圆心沿坐标轴的横坐标方向平移14mm后与原来透镜所在空间形成的交界面为所述第一部分与第二部分的分界面。本发明制作简单，加工方便，传统的波束控制一般用多天线组成相控阵来实现，这将导致系统的复杂程度增加，制造繁琐；而利用打孔介质板可以方便地进行等效媒质的折射率调控，从而满足我们透镜的要求。
Description
技术领域
本发明属于天线和新型人工电磁材料领域，具体涉及一种用于微波频段波束方向可控的透镜及维瓦尔第天线。
背景技术
新型人工电磁材料(Metamaterials)是一种可以人工设计、满足特定等效介电常数和磁导率要求的电磁材料。十多年的发展使得新型人工电磁材料走出了实验室，在隐身、天线设计等方面具有广泛的应用前景。维瓦尔第天线是一种开口按照指数渐变分布的槽线天线，由于其平面结构和超宽带特性，使得其在实际问题中具有很多应用。传统的维瓦尔第天线的波束控制一般采用多天线组成相控阵来实现，这将导致系统的复杂程度增加，制造繁琐。
打孔介质单元(drilled-holes dielectric unit)是在普通的F4B或者FR4介质基板上打孔从而来改变这种材料的等效电磁参数(介电常数，折射率等)。由于介质块本身具有很宽的带宽，多以用这种单元结构来实现的新型电磁材料也具有很高的带宽。在具体实现上孔径的大小和介质块得厚度都会影响这种介质结构单元的等效电磁参数。一般，如果孔径越小，厚度越大的话，等效的折射率和介电常数也会越大。这种方式已经有很广的研究和应用。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于提供一种可以方便进行波束控制的维瓦尔第天线。
本发明的另一目的在于提供一种波束可控的透镜。
技术方案：本发明所述的波束可控的维瓦尔第天线，包括介质基板，覆在所述介质基板上的开口呈喇叭状的铜箔，在喇叭状开口处设置有一个圆柱状透镜，所述透镜沿纵向由两部分组成，第一部分的折射率为1～1.1；第二部分的折射率为
x表示以所述透镜的圆心为坐标轴原点的横坐标的位置，y表示以所述透镜的圆心为坐标轴原点的纵坐标的位置；所述透镜的圆心沿坐标轴的横坐标方向平移14mm后与原来透镜所在空间形成的交界面为所述第一部分与第二部分的分界面。
所述透镜是由两种半径不同的圆形打孔介质板交错层叠构成，通过改变打孔介质板的孔径大小得到不同的等效折射率从而实现第一部分和第二部分的折射率分布。
本发明所述的波束可控的透镜，为圆柱状，沿纵向由两部分组成，第一部分的折射率为1～1.1；第二部分的折射率为
x表示以所述透镜的圆心为坐标轴原点的横坐标的位置，y表示以所述透镜的圆心为坐标轴原点的纵坐标的位置；所述透镜的圆心沿坐标轴的横坐标方向平移14mm后与原来透镜所在空间形成的交界面为所述第一部分与第二部分的分界面。
所述透镜是由两种半径不同的圆形打孔介质板交错层叠构成，通过改变打孔介质板的孔径大小得到不同的等效折射率从而实现第一部分和第二部分的折射率分布。
本发明利用一种特制的透镜使维瓦尔第天线的波束方向得到控制，而且其他的性能也有一定程度的提高。通过在维瓦尔第天线开口处放置由人工电磁材料构成的透镜，随着透镜的转动，使得波束的方向会随着变化。该天线和透镜都具有制造简单、造价低等优点。
本发明与现有技术相比，其有益效果是：1、本发明制作简单，加工方便，传统的波束控制一般用多天线组成相控阵来实现，这将导致系统的复杂程度增加，制造繁琐；而利用打孔介质板可以方便地进行等效媒质的折射率调控，从而满足我们透镜的要求；2、本发明具有宽带特性，我们采用介质打孔方式作为组成单元，这种方式构造的人工媒质具有很高的带宽，而维瓦尔第天线本身也是超宽带的，这就使得两者的结合体也具有宽带特性；3、本发明同时具备便携、容易集成等优点，透镜的大小和维瓦尔第天线的宽度等同，可以和维瓦尔第天线很好的结合，具有携带方便、集成简单等优点。
附图说明
图1为波束可控的维瓦尔第天线结构示意图。
图2为透镜的结构示意图。
图3是透镜的俯视示意图。
图4为图3中第一部分和第二部分的关系示意图。
图5是本发明中使用的单元介质板结构。
图6是图5中单元结构改变打孔孔径D后，得到的等效折射率的曲线。D从0.2mm变化到1.9mm，单元结构9的等效折射率从1.61到1.19，单元结构8的等效折射率从1.405到1.10。
图7至图10是测试的E面方向图，图中包含透镜左转90度、左转45度、处在中间位置、右转45度、右转90度等情况的比较。图7、图8、图9、图10分别对应8GHz，9GHz，10GHz和11GHz时波束控制情况。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
一种波束可控的维瓦尔第天线，包括介质基板2，覆在所述介质基板2上的开口呈喇叭状的铜箔1，在喇叭状开口处设置有一个圆柱状透镜3；通过转动这个圆柱形透镜，同时保持维瓦尔第天线不动，来调节电磁波束的辐射方向。于此同时，该透镜还可以适当增加维瓦尔第天线的增益和定向性。由于维瓦尔第天线具有平面宽带特性，而利用打孔介质板制造的特殊透镜具有制造简单、造价低廉等特点，这两者的结合将是天线动态波束辐射方向上的具有实用价值的创新。
所述透镜3沿纵向由两部分组成，每部分对应不同的参数分布，第一部分7的折射率为1～1.1；第二部分6的折射率为
x表示以所述透镜3的圆心为坐标轴原点的横坐标的位置，y表示以所述透镜3的圆心为坐标轴原点的纵坐标的位置；所述透镜3的圆心沿坐标轴的横坐标方向平移14mm后与原来透镜所在空间形成的交界面为所述第一部分7与第二部分6的分界面。
所述透镜3是由很多层半径不同的圆形打孔介质板4、5交错层叠构成。打孔介质板的基本单元为单元结构8、9，其孔径大小可改变，以得到不同的等效折射率分布，通过调节打孔的孔径，来调节等效媒质的折射率。如图6所示为两种打孔介质板单元结构8、9的等效折射率随着打孔孔径的大小D而变化。单元结构9随着孔径D从0.2mm到1.9mm，其等效折射率从1.61到1.19；单元结构8随着孔径D从0.2mm到1.9mm，其等效折射率从1.405到1.10。
图7至图10的实验结果显示，随着透镜从左到右旋转90度，相应的波束辐射方向从左偏20度到右偏20度，很好地实现了波束控制这种功能。另外，该透镜还可以在设计频段上提高维瓦尔第天线的增益和定向性。具体的提高指标如表1所示。
表1维瓦尔第天线的增益和定向性的提高指标
如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。
Claims (4)
1.一种波束可控的维瓦尔第天线，包括介质基板(2)，覆在所述介质基板(2)上的开口呈喇叭状的铜箔(1)，其特征在于：在喇叭状开口处设置有一个圆柱状透镜(3)，所述透镜(3)沿纵向由两部分组成，第一部分(7)的折射率为1～1.1；第二部分(6)的折射率为
x表示以所述透镜(3)的圆心为坐标轴原点的横坐标的位置，y表示以所述透镜(3)的圆心为坐标轴原点的纵坐标的位置；所述透镜(3)的圆心沿坐标轴的横坐标方向平移14mm后与原来透镜所在空间形成的交界面为所述第一部分(7)与第二部分(6)的分界面。
2.根据权利要求1所述的波束可控的维瓦尔第天线，其特征在于：所述透镜(3)是由两种半径不同的圆形打孔介质板交错层叠构成。
3.一种波束可控的透镜，其特征在于：所述透镜(3)为圆柱状，沿纵向由两部分组成，第一部分(7)的折射率为1～1.1；第二部分(6)的折射率为
x表示以所述透镜(3)的圆心为坐标轴原点的横坐标的位置，y表示以所述透镜(3)的圆心为坐标轴原点的纵坐标的位置；所述透镜(3)的圆心沿坐标轴的横坐标方向平移14mm后与原来透镜所在空间形成的交界面为所述第一部分(7)与第二部分(6)的分界面。
4.根据权利要求1所述的透镜，其特征在于：所述透镜(3)是由两种半径不同的圆形打孔介质板(4、5)交错层叠构成。
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