CN102480032A - 一种偏馈式雷达天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种偏馈式雷达天线，该天线包括：馈源、超材料面板以及反射板，所述馈源位于所述超材料面板的另一侧且在超材料面板的非正对区域，所述超材料面板包括多个具有相同折射率分布的核心层，所述每一核心层包括多个超材料单元，所述超材料单元包括单元基材以及人造微结构。本发明的一种偏馈式雷达天线通过改变超材料面板内部的折射率分布情况，使得天线远场功率大大地增强了，进而提升了天线传播的距离，同时增加了天线的前后比，使得天线更具方向性；还有本发明采用了偏馈式雷达天线，使得馈源对电磁波的辐射不再遮拦，同时也避免了辐射的电磁波对馈源的影响。

Description

一种偏馈式雷达天线

技术领域

本发明涉及雷达天线领域，更具体地说，涉及一种使用超材料的偏馈式雷达天线。

背景技术

雷达天线通过反射器将馈源辐射的球面波变为平面波，从而实现定向接收或者发射电磁波，目前使用的反射器是抛物面形状，馈源位于反射器的焦点附近。

雷达天线的工作原理与光学反射镜相似，现有的雷达抛物面天线如图1所示，包括溃源1、抛物面反射器2和支架3，在抛物面反射器2的焦点处放置有发射或者接收电磁波的馈源1，利用抛物面反射器2的聚焦特性，由馈源1发出的球面波经抛物面反射器2反射后变换成平面波，形成沿抛物面轴向辐射最强的窄波束。

为了制造抛物反射面通常利用模具铸造成型或者采用数控机床进行加工的方法。第一种方法的工艺流程包括：制作抛物面模具、铸造成型抛物面和进行抛物反射面的安装。工艺比较复杂，成本高，而且抛物面的形状要比较准确才能实现天线的定向传播，所以对加工精度的要求也比较高。第二种方法采用大型数控机床进行抛物面的加工，通过编辑程序，控制数控机床中刀具所走路径，从而切割出所需的抛物面形状。这种方法切割很精确，但是制造这种大型数控机床比较困难，而且成本比较高。

超材料是一种具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构材料。超材料通过对微结构的有序排列，可以改变超材料中每点的相对介电常数和磁导率，实现物质的折射率分布的非均匀性从而控制电磁波在材料中的传播路径。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中制造抛物面天线生产工艺复杂的问题，提供一种偏馈式雷达天线，该天线提出了一种结构简单的具有平面反射板的雷达天线，这种平面结构的天线具有抛物面天线可以定向接收或者发射电磁波的优点，同时避免了生产抛物面天线时的复杂工艺。

为了达到上述目的，本发明采用的如下技术方案：

一种偏馈式雷达天线，所述天线包括：馈源，用于辐射电磁波；超材料面板，用于将所述馈源辐射出的电磁波从球面电磁波转化为平面电磁波，所述天线还包括位于超材料面板一侧的反射板，用于将电磁波反射到超材料面板进行汇聚折射并向远处辐射，所述馈源位于所述超材料面板的另一侧且在超材料面板的非正对区域，所述超材料面板包括多个具有相同折射率分布的核心层，所述每一核心层包括多个超材料单元，所述超材料单元包括单元基材以及人造微结构，所述超材料面板的每一核心层包括一个以所述馈源在每一核心层上的正投影为圆心的半圆形区域和多个与半圆形区域同心的半环形区域，在所述半圆形区域内，随着半径的增加折射率逐渐减小；在所述每一半环形区域内，随着半径的增加折射率也逐渐减小，且相连的两个区域的交界处发生折射率突变，即交界处的折射率位于半径大的区域时比位于半径小的区域时要大。

进一步地，所述超材料面板还包括分布于所述核心层一侧的多个渐变层，所述每一渐变层均包括片状的基板层、片状的第二填充层以及设置在所述基板层和第二填充层之间的空气层，所述第二填充层内填充的介质包括空气以及与所述基板层相同材料的介质。

进一步地，在所述半圆形区域内，圆心处的折射率为最大值n_max，且随着半径的增加折射率从最大值n_max逐渐减小到最小值n_min；在所述每一半环形区域内，随着半径的增加折射率也是从最大值n_max逐渐减小到最小值n_min。

进一步地，所述超材料单元还包括第一填充层，所述人造微结构位于所述单元基材和第一填充层之间，所述第一填充层内填充的材料包括空气、人造微结构以及与所述单元基材相同材料的介质。

进一步地，所述超材料面板的每一核心层的折射率以所述馈源在每一核心层上的正投影为圆心，随着半径r的变化规律如以下表达式：

$n\left(r\right)=n_{\max }-\frac{\sqrt{{\mathrm{ss}}^2+r^2}-\mathrm{ss}-\mathrm{k\λ}}{2d};$

式中n_max表示所述每一核心层中的最大折射率值，d表示所有核心层的总厚度，ss表示所述馈源到最靠近馈源位置的核心层的距离，n(r)表示所述每一核心层内半径r处折射率值，λ表示馈源辐射出电磁波的波长，其中，

$d=\frac{\mathrm{\λ}}{2(n_{\max }-n_{\min })},$ $k=\mathrm{floor}\left(\frac{\sqrt{{\mathrm{ss}}^2+r^2}-\mathrm{ss}}{\mathrm{\λ}}\right),$

n_min表示超材料面板中每一核心层内的最小折射率值，floor表示向下取整。

进一步地，所述超材料面板的每一渐变层内的折射率均匀分布的，且多个渐变层间折射率分布的变化规律如以下表达式：

$n_i={\left(\frac{n_{\max }+n_{\min }}{2}\right)}^{\frac{i}{m}},i=\mathrm{1,2,3},...,m,$

其中n_i表示第i层渐变层的折射率值，m表示渐变层的层数，n_min表示所述每一核心层内的最小折射率值，n_max表示所述每一核心层中的最大折射率值，其中第m层渐变层与核心层靠近，随着m值的变小逐渐远离核心层，第一层渐变层为最外层渐变层。

进一步地，所述人造微结构为由至少一根金属丝组成对电磁场有响应的平面结构或立体结构，所述金属丝为铜丝或银丝。

进一步地，所述金属丝通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法附着在所述单元基材上。

进一步地，所述人造微结构为在“工”字形、“工”字形的衍生形、雪花状或雪花状的衍生形任意一种。

进一步地，所述第一基板层和第二基板层均由陶瓷材料、环氧树脂、聚四氟乙烯、FR-4复合材料或F4B复合材料制得。

本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：一种偏馈式雷达天线，平面天线的结构简单，通过利用超材料对电磁波进行汇聚的特性，使得雷达天线不依赖电磁波汇聚设备的形状，省去了加工传统抛物面天线的复杂制造工艺，同时又可以实现传统抛物面天线定向接收或者发射电磁波的优点。还有本发明采用了偏馈式雷达天线，使得馈源对电磁波的辐射不再遮拦，同时也避免了辐射的电磁波对馈源的影响。

附图说明

图1是现有技术中抛物面雷达天线的结构示意图；

图2是本发明一种偏馈式雷达天线示意图；

图3是本发明一种偏馈式雷达天线示意图；

图4是本发明所述超材料面板的结构示意图；

图5是本发明所述核心层的结构示意图；

图6是本发明所述核心层的结构示意图；

图7是本发明所述超材料单元的结构示意图；

图8是本发明所述渐变层结构示意图；

图9是本发明核心层折射率变化示意图；

图10是本发明核心层折射率变化示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

图2和图3是本发明偏馈式雷达天线的结构示意图，该天线包括馈源10、超材料面板20以及反射板30，所述馈源10和发射板30分别位于所述超材料面板20的两侧，反射板30与超材料面板20紧贴相连，馈源10所在点在所述超材料面板20上的正投影为超材料面板20下底边的中点。

通常从馈源10辐射的电磁波是球面电磁波，但是球面电磁波的远场方向性能不好，对于远距离以球面电磁波为载体的信号传输有很大的局限性，而且衰减快，本发明通过在馈源10传输方向上设计一具有电磁波汇聚功能的超材料面板20，该超材料面板20将馈源10辐射出来的大部分电磁波从球面电磁波转换为平面电磁波，且在通过一次超材料面板20的电磁波经过反射板30反射再次通过超材料面板20折射汇聚并辐射出去，使得雷达天线的方向性更好，天线主瓣能量密度更高，能量更大，进而以该平面电磁波为载体的信号传输距离更远。

图4是图2所示的超材料面板20的结构示意图，超材料面板20包括多个核心层210以及分布在靠近所述馈源10一侧的多个渐变层220，每一核心层210均由多个超材料单元组成，所述超材料单元包括单元基材211、片状的第一填充层213以及设置在所述单元基材211和第一填充层213之间的多个人造微结构212，如图6以及如图7所示。所述第一填充层213内填充的材料可以是空气、人造微结构212以及与所述单元基材211相同材料的介质，比如，当需要所述超材料单元内的等效折射率变大时，可以在第一填充层213内填充金属微结构或者是填充具有较大折射率的介质；当需要所述超材料单元内的等效折射率变小时，可以在第一填充层213内填充空气介质或者是不填充任何介质。超材料面板20内的多个超材料核心层210堆叠在一起，且各个核心层210之间等间距排列地组装，或两两片层之间直接前、后表面相粘合地连接成一体。具体实施时，超材料面板20的核心层的数目以及各个核心层之间的距离可依据需求来进行设计。每个超材料核心层210由多个超材料单元阵列形成，整个超材料核心层210可看作是由多个超材料单元沿X、Y、Z三个方向阵列排布而成，如图5所示。

所述超材料面板20的多个核心层210通过改变其内部的折射率分布以实现通过所述超材料面板20后的电磁波等相位辐射，即实现从所述馈源10辐射出的球面电磁波转换为平面电磁波。本发明中每个超材料核心层210的折射率分布均相同，这里仅对一个超材料核心层210的折射率分布规律进行详细描述。通过对人造微结构212的拓扑图案、几何尺寸以及其在单元基材211和第一填充层213上分布的设计，使中间的核心层210的折射率分布满足如下规律：每一超材料核心层210包括一个以以馈源10在每一核心层210上的正投影为圆心的半圆形区域和多个半径大于半圆形区域且与半圆形区域同心的半环形区域，圆心处折射率最大，具有相同半径的半圆形区域或者半环形区域处折射率相同，在所述半圆形区域内，随着半径的增加折射率逐渐减小；在所述每一半环形区域内，随着半径的增加折射率也逐渐减小，且相连的两个区域的交界处发生折射率突变，即交界处的折射率在位于半径大的区域时比位于半径小的区域时要大。例如：所述半圆形区域和与半圆形区域相邻的半环形区域的交界处，如果该交界处位于半圆形区域时，它的折射率比其位于半环形区域时的折射率小；同理相邻的两个半环形区域也如此。如图10所示，给出了折射率在r方向上的变化图，即在半圆形区域内，折射率随着半径的增加从圆心处的最大值n_max逐进减小到最小值n_min，在半环形区域也如此，但是应知本发明的折射率变化并不以此为限。本发明设计目的为：使电磁波经过各超材料核心层210时，电磁波偏折角度被逐渐改变并最终平行辐射。通过公式Sinθ＝q·Δn，其中θ为所需偏折电磁波的角度、Δn为前后折射率变化差值，q为超材料功能层的厚度并通过计算机仿真即可确定所需参数值并达到本发明设计目的。

图9和图10所示为超材料核心层折射率分布在r方向上的视图。作为公知常识我们可知，电磁波的折射率与

成正比关系，其中μ为磁导率，ε为介电常数，当一束电磁波由一种介质传播到另外一种介质时，电磁波会发生折射，当物质内部的折射率分布非均匀时，电磁波就会向折射率比较大的位置偏折，因此，设计超材料面板20内核心层210各点的折射率使其满足上述折射率变化规律，需要说明的是，由于实际上超材料单元是一个立方体而非一个点，因此上述半圆形面域只是近似描述，实际上的折射率相同或基本相同的超材料单元是在一个锯齿形半圆周上分布的。其具体设计类似于计算机用方形像素点绘制半圆形、半椭圆形等平滑曲线时进行描点的编程模式(例如OpenGL)，当像素点相对于曲线很小时曲线显示为光滑，而当像素点相对于曲线较大时曲线显示有锯齿。

为使超材料核心层210实现图9和图10所示折射率的变化，经过理论和实际证明，可对所述人造微结构212的拓扑图案、几何尺寸以及其在单元基材211和第一填充层213上分布的设计，单元基材211采用介电绝缘材料制成，可以为陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料、铁磁材料等，高分子材料例如可以是、环氧树脂或聚四氟乙烯。人造微结构212为以一定的几何形状附着在单元基材211上能够对电磁波有响应的金属线，金属线可以是剖面为圆柱状或者扁平状的铜线、银线等，一般采用铜，因为铜丝相对比较便宜，当然金属线的剖面也可以为其他形状，金属线通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻等工艺附着在单元基材211上，所述第一填充层213可以填充不同材料的介质，可以与单元基材211相同的材料，也可以是人造微结构，还可以是空气，所述每一核心层210由多个超材料单元组成，每超材料单元都具有一个人造微结构，每一个超材料单元都会对通过其中的电磁波产生响应，从而影响电磁波在其中的传输，每个超材料单元的尺寸取决于需要响应的电磁波，通常为所需响应的电磁波波长的十分之一，否则空间中包含人造微结构212的超材料单元所组成的排列在空间中不能被视为连续。

在单元基材211的选定的情况下，通过调整人造微结构212的图案、尺寸及其在单元基材211上的空间分布和在第一填充层213填充不同折射率的介质，可以调整超材料上各处的等效介电常数及等效磁导率进而改变超材料各处的等效折射率。当人造微结构212采用相同的几何形状时，某处人造微结构的尺寸越大，则该处的等效介电常数越大，折射率也越大。

本实施例采用的人造微结构212的图案为工字形的衍生图案，由图5可知，雪花状人造微结构212的尺寸从以馈源10在每一核心层210上的正投影为圆心，随着半径的增加逐渐变小为最小值，然后又从最大值逐渐变小这样周期性变化，在所述圆心处，雪花状的人造微结构212的尺寸最大，并且在相同半径处的雪花状人造微结构212的尺寸相同，因此每一核心层210的等效介电常数随着半径的增加逐渐变小的周期性变化，圆心处的等效介电常数最大，因而每一核心层210的折射率随着半径的增加逐渐变小地周期性变化，圆心处的折射率最大。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，人造微结构212的图案可以是二维、也可以是三维结构，不限于该实施例中使用的“工”字形，可以为“工”字形的衍生结构，可以是在三维空间中各条边相互垂直的雪花状及雪花状的衍生结构，也可以是其他的几何形状，其中不同的人造微结构可以是图案相同，但是其设计尺寸不同；也可以是图案和设计尺寸均不相同，只要满足由天线单元发出的电磁波经过超材料面板20传播后可以平行射出即可。

本发明实施例中，所述超材料面板的每一核心层210的折射率以馈源10在每一核心层210上的正投影为圆心，随着半径r的变化规律如以下表达式：

$n\left(r\right)=n_{\max }-\frac{\sqrt{{\mathrm{ss}}^2+r^2}-\mathrm{ss}-\mathrm{k\λ}}{2d};$

式中n_max表示所述每一核心层210中的最大折射率值，d表示所有核心层的总厚度，ss表示所述馈源到最靠近馈源位置的核心层的距离，n(r)表示所述每一核心层210内半径r处折射率值，λ表示馈源辐射出电磁波的波长，其中， $d=\frac{\mathrm{\λ}}{2(n_{\max }-n_{\min })},$ $k=\mathrm{floor}\left(\frac{\sqrt{{\mathrm{ss}}^2+r^2}-\mathrm{ss}}{\mathrm{\λ}}\right),$ n_min表超材料面板中每一核心层210内的最小折射率值，floor表示向下取整。

通常当电磁波从一种介质传输到另一种介质的时候，由于阻抗不匹配的问题，会出现一部分电磁波反射，这样影响电磁波的传输性能，本发明中，当从馈源10辐射出来的电磁波入射到超材料面板20时同样会产生反射，为了减少反射对雷达天线的影响，我们在超材料面板20的核心层210一侧堆成设置多个超材料渐变层220，如图4所示。

如图8所示，每一超材料渐变层220均包括片状的基板层221、片状的第二填充层223以及设置在所述基板层221和第二填充层223之间的空气层222。所述基板层221可选用高分子聚合物、陶瓷材料、铁电材料、铁氧材料等。其中高分子聚合物优选FR-4或F4B材料。多个超材料渐变层220之间的折射率是不同的，为了匹配空气与核心层210的阻抗，通常是通过调整所述空气层222的宽度和通过在第二填充层223内填充含有不同折射率的介质来实现阻抗匹配，该介质也可以是与基板层221相同的材料也可以是空气，其中靠近空气的超材料渐变层220的折射率最接近空气且超核心层210方向折射率逐渐增加。

本发明中实施例中，所述超材料面板20的每一渐变层220内的折射率均匀分布的，且多个渐变层220间折射率分布的变化规律如以下表达式：

$n_i={\left(\frac{n_{\max }+n_{\min }}{2}\right)}^{\frac{i}{m}},i=\mathrm{1,2,3},...,m,$

其中n_i表示第i层渐变层220的折射率值，m表示渐变层220的层数，n_min表示所述每一核心层210内的最小折射率值，n_max表示所述每一核心层210中的最大折射率值，其中第m层渐变层220与核心层210靠近，随着m值的变小逐渐远离核心层210，第1层渐变层为最外层渐变层。

综上所述，本发明的一种偏馈式雷达天线通过改变超材料面板20内部的折射率分布情况，使得天线远场功率大大地增强了，进而提升了天线传播的距离，同时增加了天线的前后比，使得天线更具方向性；还有本发明采用了偏馈式雷达天线，使得馈源10对电磁波的辐射不再遮拦，同时也避免了辐射的电磁波对馈源10的影响。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未违背本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种偏馈式雷达天线，所述天线包括：馈源，用于辐射电磁波；超材料面板，用于将所述馈源辐射出的电磁波从球面电磁波转化为平面电磁波，其特征在于，所述天线还包括位于超材料面板一侧的反射板，用于将电磁波反射到超材料面板进行汇聚折射并向远处辐射，所述馈源位于所述超材料面板的另一侧且在超材料面板的非正对区域，所述超材料面板包括多个具有相同折射率分布的核心层，所述每一核心层包括多个超材料单元，所述超材料单元包括单元基材以及人造微结构，所述超材料面板的每一核心层包括一个以所述馈源在每一核心层上的正投影为圆心的半圆形区域和多个与半圆形区域同心的半环形区域，在所述半圆形区域内，随着半径的增加折射率逐渐减小；在所述每一半环形区域内，随着半径的增加折射率也逐渐减小，且相连的两个区域的交界处发生折射率突变，即交界处的折射率位于半径大的区域时比位于半径小的区域时要大。

2.根据权利要求1所述的一种偏馈式雷达天线，其特征在于，所述超材料面板还包括分布于所述核心层一侧的多个渐变层，所述每一渐变层均包括片状的基板层、片状的第二填充层以及设置在所述基板层和第二填充层之间的空气层，所述第二填充层内填充的介质包括空气以及与所述基板层相同材料的介质。

3.根据权利要求1所述的一种偏馈式雷达天线，其特征在于，在所述半圆形区域内，圆心处的折射率为最大值n_max，且随着半径的增加折射率从最大值n_max逐渐减小到最小值n_min；在所述每一半环形区域内，随着半径的增加折射率也是从最大值n_max逐渐减小到最小值n_min。

4.根据权利要求1所述的一种偏馈式雷达天线，其特征在于，所述超材料单元还包括第一填充层，所述人造微结构位于所述单元基材和第一填充层之间，所述第一填充层内填充的材料包括空气、人造微结构以及与所述单元基材相同材料的介质。

5.根据权利要求1～3任意一项所述的一种偏馈式雷达天线，其特征在于，所述超材料面板的每一核心层的折射率以所述馈源在每一核心层上的正投影为圆心，随着半径r的变化规律如以下表达式：

$n\left(r\right)=n_{\max }-\frac{\sqrt{{\mathrm{ss}}^2+r^2}-\mathrm{ss}-\mathrm{k\λ}}{2d};$

式中n_max表示所述每一核心层中的最大折射率值，d表示所有核心层的总厚度，ss表示所述馈源到最靠近馈源位置的核心层的距离，n(r)表示所述每一核心层内半径r处折射率值，λ表示馈源辐射出电磁波的波长，其中，

$d=\frac{\mathrm{\λ}}{2(n_{\max }-n_{\min })},$ $k=\mathrm{floor}\left(\frac{\sqrt{{\mathrm{ss}}^2+r^2}-\mathrm{ss}}{\mathrm{\λ}}\right),$

n_min表示超材料面板中每一核心层内的最小折射率值，floor表示向下取整。

6.根据权利要求1所述的一种偏馈式雷达天线，其特征在于，所述超材料面板的每一渐变层内的折射率均匀分布的，且多个渐变层间折射率分布的变化规律如以下表达式：

$n_i={\left(\frac{n_{\max }+n_{\min }}{2}\right)}^{\frac{i}{m}},i=\mathrm{1,2,3},...,m,$

其中n_i表示第i层渐变层的折射率值，m表示渐变层的层数，n_min表示所述每一核心层内的最小折射率值，n_max表示所述每一核心层中的最大折射率值，其中第m层渐变层与核心层靠近，随着m值的变小逐渐远离核心层，第一层渐变层为最外层渐变层。

7.根据权利要求1所述的一种偏馈式雷达天线，其特征在于，所述人造微结构为由至少一根金属丝组成对电磁场有响应的平面结构或立体结构，所述金属丝为铜丝或银丝。

8.根据权利要求7所述的一种偏馈式雷达天线，其特征在于，所述金属丝通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法附着在所述单元基材上。

9.根据权利要求7所述的一种偏馈式雷达天线，其特征在于，所述人造微结构为在“工”字形、“工”字形的衍生形、雪花状或雪花状的衍生形任意一种。

10.根据权利要求1或3所述的一种偏馈式雷达天线，其特征在于，所述第一基板层和第二基板层均由陶瓷材料、环氧树脂、聚四氟乙烯、FR-4复合材料或F4B复合材料制得。

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