CN102480033B - 一种偏馈式微波天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种偏馈式微波天线，其包括馈源、第一超材料面板以及贴附于第一超材料面板背部的反射面板。馈源发出的球面电磁波经过第一超材料面板后发生折射并被反射面板反射后再次经过第一超材料面板发生折射，并最终以平面电磁波传输出去。本发明采用超材料原理制作天线，使得天线脱离了常规的凸透镜形状、凹透镜形状以及抛物面形状的限制，采用本发明的天线，其形状可为平板状或任意形状且厚度更薄、体积更小、加工和制作更为方便，具有成本低廉、增益效果好的有益效果。

Description

一种偏馈式微波天线

技术领域

本发明涉及一种天线，尤其涉及一种由超材料制成的偏馈式微波天线。

背景技术

常规的微波天线一般由金属抛物面以及位于金属抛物面焦点的馈源构成，金属抛物面的作用为将外部的电磁波反射给馈源或者将馈源发射的电磁波反射出去。金属抛物面的面积以及金属抛物面的加工精度直接决定微波天线的各项参数，例如增益、方向性等。现有的偏馈微波天线由于其馈源的安装位置并不在与天线中心切面垂直且过天线中心的直线上，因此常规的偏馈微波天线没有馈源阴影的影响。但是现有偏馈微波天线的反射面仍然是由金属抛物面构成。

金属抛物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。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，正对现有技术的上述不足，提出一种结构简单、体积较小且增益较高的偏馈式微波天线。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是，提出一种偏馈式微波天线，包括馈源、第一超材料面板以及贴附于所述第一超材料面板背部的反射面板，所述第一超材料面板包括相互紧贴的第一核心超材料片层至第N核心超材料片层，每一核心超材料片层均包括第一基材以及周期排布于所述第一基材上的多个第一人造金属微结构，所述每一核心超材料片层按照折射率分布划分为多个带状区域，以一定点为圆心，所述多个带状区域上相同半径处的折射率相同，且每一带状区域上随着半径的增大折射率逐渐减小，相邻两个带状区域，处于内侧的带状区域的折射率的最小值小于处于外侧的带状区域的折射率的最大值，所述圆心与所述馈源的连线垂直于所述第一超材料面板且所述圆心不与所述第一超材料面板的中心点重合。

进一步地，所述第N核心超材料片层紧贴所述反射面板，且所述第N核心超材料片层上的所有带状区域具有相同的折射率变化范围，即每一带状区域的折射率均由最大值n_max连续减小到最小值n_min。

进一步地，所述第N核心超材料片层的折射率分布满足公式：

$n\left(r\right)=n_{\max }-\frac{\sqrt{r^2+s^2}-\sqrt{{(M_L+{\mathrm{seg}}_k)}^2+s^2}}{d};$

${\mathrm{seg}}_k=\sqrt{{(v_0+\mathrm{k\λ})}^2-s^2}-\sqrt{{v_0}^2-s^2};$

$k=\mathrm{floor}\left\{\frac{\sqrt{{\left(\right|r-M_L|+\sqrt{{v_o}^2-s^2})}^2+s^2}-v_0}{\mathrm{\λ}}\right\};$

$v_o=\sqrt{{M_L}^2+s^2};$

其中，n(r)表示第N核心超材料片层上半径为r处的折射率值、s为馈源到第一核心超材料片层的垂直距离、d为所有的核心超材料片层所具有的总厚度、λ为所述偏馈式微波天线的工作频率的波长值、M_L为所述圆心到所述核心超材料片层下边缘的垂直距离。

进一步地，第一核心超材料片层至第N-1核心超材料片层的折射率分布满足如下公式：

$n_i\left(r\right)=n_{\min }+\frac{i}{N}(n\left(r\right)-n_{\min })$

其中，i表示第一至第N-1核心超材料片层的序号，即表示数值1至N-1，N表示核心超材料片层的总层数。

进一步地，周期排布于所述第一基材上的多个第一人造金属微结构的排布规律为：所述每一核心超材料片层按照折射率分布划分为多个带状区域，以一定点为圆心，所述多个带状区域上相同半径处的第一人造金属微结构尺寸相同，且每一带状区域上随着半径的增大，对应半径的第一人造金属微结构尺寸逐渐减小；相邻两个带状区域，处于内侧的带状区域内的第一人造金属微结构尺寸的最小值小于处于外侧的带状区域内的第一人造金属微结构尺寸的最大值。

进一步地，所述偏馈式微波天线还包括用于将所述馈源辐射的电磁波发散的第二超材料面板，所述第二超材料面板由多个折射率分布相同的第二超材料片层构成，所述第二超材料片层包括第二基材以及周期排布于所述第二基材上的多个第二人造金属微结构；所述第二超材料片层的折射率分布规律满足：所述第二超材料片层上的折射率呈圆形分布，圆心位于所述第二超材料片层中心点，圆心处的折射率最小且随着半径的增大，对应半径的折射率亦增大且相同半径处折射率相同。

进一步地，所述第二人造金属微结构在所述第二基材上的排布规律为：所述第二人造金属微结构在所述第二基材上呈圆形分布，圆心位于所述第二基材中心点，圆心处的第二人造金属微结构尺寸最小，随着半径的增大，对应半径的第二人造金属微结构尺寸亦增大且相同半径处的第二人造金属微结构尺寸相同。

进一步地，所述第一人造金属微结构和所述第二人造金属微结构具有相同的几何形状。

进一步地，述几何形状为“工”字形，包括竖直的第一金属分支以及位于所述第一金属分支两端且垂直于所述第一金属分支的第二金属分支。

进一步地，所述几何形状为平面雪花型，包括相互垂直的两条第一金属分支以及位于所述第一金属分支两端且垂直于所述第一金属分支的第二金属分支。

本发明采用超材料原理制作天线，使得天线脱离了常规的凸透镜形状、凹透镜形状以及抛物面形状的限制，采用本发明的天线，其形状可为平板状或任意形状且厚度更薄、体积更小、加工和制作更为方便，具有成本低廉、增益效果好的有益效果。

附图说明

图1为构成超材料的基本单元的立体结构示意图；

图2为本发明偏馈式微波天线的结构示意图；

图3为本发明偏馈式微波天线中核心超材料片层为圆形时折射率分布示意图；

图4为本发明偏馈式微波天线中第二超材料片层的立体结构示意图；

图5是能对电磁波产生响应以改变超材料基本单元折射率的第一较佳实施方式的人造金属微结构的几何形状拓扑图案；

图5a为图5中人造金属微结构几何形状拓扑图案的衍生图案；

图6是能对电磁波产生响应以改变超材料基本单元折射率的第二较佳实施方式的人造金属微结构的几何形状拓扑图案；

图6a为图6中人造金属微结构几何形状拓扑图案的衍生图案。

具体实施方式

光，作为电磁波的一种，其在穿过玻璃的时候，因为光线的波长远大于原子的尺寸，因此我们可以用玻璃的整体参数，例如折射率，而不是组成玻璃的原子的细节参数来描述玻璃对光线的响应。相应的，在研究材料对其他电磁波响应的时候，材料中任何尺度远小于电磁波波长的结构对电磁波的响应也可以用材料的整体参数，例如介电常数ε和磁导率μ来描述。通过设计材料每点的结构使得材料各点的介电常数和磁导率都相同或者不同从而使得材料整体的介电常数和磁导率呈一定规律排布，规律排布的磁导率和介电常数即可使得材料对电磁波具有宏观上的响应，例如汇聚电磁波、发散电磁波等。该类具有规律排布的磁导率和介电常数的材料我们称之为超材料。

如图1所示，图1为构成超材料的基本单元的立体结构示意图。超材料的基本单元包括人造微结构1以及该人造微结构附着的基材2。本发明中，人造微结构为人造金属微结构，人造金属微结构具有能对入射电磁波电场和/或磁场产生响应的平面或立体拓扑结构，改变每个超材料基本单元上的人造金属微结构的图案和/或尺寸即可改变每个超材料基本单元对入射电磁波的响应。多个超材料基本单元按一定规律排列即可使得超材料对电磁波具有宏观的响应。由于超材料整体需对入射电磁波有宏观电磁响应因此各个超材料基本单元对入射电磁波的响应需形成连续响应，这要求每一超材料基本单元的尺寸为入射电磁波的十分之一至五分之一，优选为入射电磁波的十分之一。本段描述中，我们人为的将超材料整体划分为多个超材料基本单元，但应知此种划分方法仅为描述方便，不应看成超材料由多个超材料基本单元拼接或组装而成，实际应用中超材料是将人造金属微结构周期排布于基材上即可构成，工艺简单且成本低廉。周期排布即指上述我们人为划分的各个超材料基本单元上的人造金属微结构能对入射电磁波产生连续的电磁响应。

如图2所示，图2为本发明偏馈式微波天线的结构示意图。图2中，偏馈式微波天线包括馈源20、第一超材料面板10以及贴附于第一超材料面板10背部的反射面板40，本实施例中反射面板40为金属材质的反射面板。本实施例中，馈源20辐射的电磁波的频率为12.4G赫兹至18G赫兹。

第一超材料面板10包括相互紧贴的第一核心超材料片层至第N核心超材料片层，其中第N核心超材料片层紧贴反射面板40。各核心超材料片层包括片状的第一基材以及周期排布于第一基材上的多个第一人造金属微结构，每一第一人造金属微结构和其所附着的部分第一基材即构成了图1所示的核心超材料片层的基本单元。核心超材料片层按照折射率分布可划分为多个带状区域，以一定点为圆心，所述多个带状区域上相同半径处地折射率相同，且每一带状区域上随着半径的增大折射率逐渐减小，相邻两个带状区域，处于内侧的带状区域的折射率的最小值小于处于外侧的带状区域的最大值，该圆心与馈源的连线垂直于核心超材料片层，且该圆心不与核心超材料片层的中心点重合。本实施例中圆心设置于核心超材料片层的下边缘相距M_L的位置上，如此设置能避免馈源阴影的影响，提高天线增益，是较优选的实施方式。图2中，核心超材料片层呈方形，此时，M_L表示圆心O与核心超材料片层下边缘中点的距离。通常情况下，我们将核心超材料片层制成圆形，如图3所示，此时M_L表示圆心O与圆形的核心超材料片层下圆周的距离。同时在图3中，为表示核心超材料片层上的折射率分布情况，我们清楚的示意了核心超材料片层上的四个带状区域，分别以H1、H2、H3、H4表示。

本实施例中，核心超材料片层上的各个带状区域内的折射率变化范围相同，即均由核心超材料片层所具有的最大折射率n_max连续减小到最小值n_min。且随着半径的变化，贴近反射面板的核心超材料片层，即第N核心超材料片层的折射率分布满足公式：

$n\left(r\right)=n_{\max }-\frac{\sqrt{r^2+s^2}-\sqrt{{(M_L+{\mathrm{seg}}_k)}^2+s^2}}{d}---\left(1\right);$

${\mathrm{seg}}_k=\sqrt{{(v_0+\mathrm{k\λ})}^2-s^2}-\sqrt{{v_0}^2-s^2}---\left(2\right);$

$k=\mathrm{floor}\left\{\frac{\sqrt{{\left(\right|r-M_L|+\sqrt{{v_o}^2-s^2})}^2+s^2}-v_0}{\mathrm{\λ}}\right\}---\left(3\right);$

$v_o=\sqrt{{M_L}^2+s^2}---\left(4\right);$

其中，n(r)表示第N核心超材料片层上半径为r处的折射率值，也即第N核心超材料片层上半径为r的超材料基本单元的折射率值；此处半径指的是每一超材料基本单元的中心点到圆心O的距离，此处的超材料基本单元的中心点，指的是超材料基本单元与圆心O同一平面的一表面的中心点。

s为馈源20与第一核心超材料片层的垂直距离；

d为所有的核心超材料片层所具有的总厚度；

λ为偏馈式微波天线工作频率的波长值；

公式中，floor表示向下取整数；k表示带状区域的编号，当k＝0时，表示第一个带状区域H1；当k＝1时，表示与第一个带状区域H1相邻的第二个带状区域H2；依此类推。r的最大值确定了有多少个带状区域。每一核心层片层的厚度通常是一定的(通常是入射电磁波波长的十分之一)，这样，在核心层形状选定的情况下(可以是圆柱或方形)，核心层片层的尺寸就可以得到确定。

第一核心超材料片层至第N-1核心超材料片层的折射率分布满足如下公式：

$n_i\left(r\right)=n_{\min }+\frac{i}{N}(n\left(r\right)-n_{\min })$

其中，i表示第一至第N-1核心超材料片层的序号，即表示数值1至N-1，N表示核心超材料片层的总层数。

本发明还提供一种第二超材料面板30，第二超材料面板30的作用为将馈源发射的电磁波发散，以提高馈源的近距离辐射范围，使得微波天线整体的尺寸更为小型化。第二超材料面板30的位置可以紧贴馈源的发射端口亦可与馈源相隔一定距离。本实施例中，第二超材料面板30紧贴于馈源20的发射端口上。

第二超材料面板30由多片折射率分布相同的第二超材料片层300构成，如图4所示，图4为第二超材料片层300的立体结构示意图，为清楚介绍第二超材料片层300，图4采用透视图画法，第二超材料片层300包括第二基材301以及周期排布于第二基材上的多个第二人造金属微结构302，优选地，在多个第二人造金属微结构302上还覆盖有覆盖层303使得第二人造金属微结构302被封装，覆盖层303与第二基材材质302相等且厚度相等。本发明中，覆盖层303与第二基材302的厚度均为0.4毫米，而人造金属微结构层的厚度为0.018毫米，因此整个第二超材料片层的厚度为0.818毫米。

构成第二超材料片层300的基本单元仍如图1所示，但第二超材料片层300需具有发散电磁波的功能，根据电磁学原理，电磁波向折射率大的方向偏折。因此，第二超材料片层300上的折射率变化规律为：第二超材料片层300折射率呈圆形分布，圆心位于第二超材料片层中心点，圆心处的折射率最小且随着半径的增大，对应半径的折射率亦增大且相同半径处折射率相同。具有该类折射率分布的第二超材料片层300使得辐射源20辐射出来的电磁波被发散，以提高辐射源的近距离辐射范围，使得偏馈式微波天线具有更小的尺寸。

更具体地，本发明中，第二超材料片层300上的折射率分布规律可以为线性变化，即n_(R)＝n₀+KR，K为常数，R为圆形分布的第二人造金属微结构附着的超材料基本单元中心点与第二基材中心点的连线距离，n₀为第二基材中心点所具有的折射率值。另外，第二超材料片层300上的折射率分布规律亦可为平方率变化，即n_(R)＝n₀+KR²；或为立方率变化即n_(R)＝n₀+KR³；或为冥函数变化，即n_(R)＝n₀*K^R等。常数K和n₀均可根据实际需要通过简单的计算机仿真即可确定。

上面详细论述了第一超材料面板和第二超材料面板的整体折射率分布关系，由超材料原理可知，基材上附着的人造金属微结构的尺寸和图案直接决定超材料各点的折射率值。同时，根据实验可知，相同几何形状的人造金属微结构其尺寸越大时，对应的超材料基本单元折射率越大。

本发明中，为工业制造方便，第一人造金属微结构和第二人造金属微结构具有相同的几何形状。多个第一人造金属微结构在核心超材料片层上的排布规律为：核心超材料片层被划分为多个带状区域，以一不同于核心超材料片层中心点的定点为圆心，核心超材料片层上相同半径处的多个第一人造金属微结构具有相同的几何尺寸，且每一带状区域上随着半径的增大，人造金属微结构的几何尺寸逐渐减小；相邻的两个带状区域，处于内侧的带状区域的第一人造金属微结构尺寸的最小值小于处于外侧的带状区域的第一人造金属微结构几何尺寸的最大值。多个第二人造金属微结构在第二基材上的排布规律为：多个第二人造金属微结构在第二基材上以第二基材中心点为圆心呈圆形分布，且圆心处的第二人造金属微结构尺寸最小，随着半径的增大，对应半径的第二人造金属微结构尺寸亦增大且相同半径处的第二人造金属微结构尺寸相同。

满足上述第一超材料面板和第二超材料面板折射率分布要求的人造金属微结构的几何形状有多种，但基本都为能对入射电磁波产生响应的几何形状。由于改变入射电磁波磁场较为困难，因此目前多数人造金属微结构均为能对入射电磁波电场响应的几何形状，最典型的即为“工”字形人造金属微结构。下面详细描述几种人造金属微结构几何形状。第一超材料面板和第二超材料面板上可根据其需要的最大折射率和最小折射率调整人造金属微结构的尺寸以使其满足要求，调整的方式可通过计算机仿真亦可通过手工计算，由于其不是本发明重点，因此不作详细描述。

如图5所示，图5为能对电磁波产生响应以改变超材料基本单元折射率的第一较佳实施方式的人造金属微结构的几何形状拓扑图案。图5中，人造金属微结构呈“工”字形，包括竖直的第一金属分支1021以及分别垂直该第一金属分支1021且位于第一金属分支两端的第二金属分支1022，图5a为图5中人造金属微结构几何形状拓扑图案的衍生图案，其不仅包括第一金属分支1021、第二金属分支1022，每条第二金属分支两端还垂直设置有第三金属分支1023。

图6为能对电磁波产生响应以改变超材料基本单元折射率的第二较佳实施方式的人造金属微结构的几何形状拓扑图案。图6中，人造金属微结构呈平面雪花型，包括相互垂直的第一金属分支1021’以及两条第一金属分支1021’两端均垂直设置有第二金属分支1022’；图6a为图6所示人造金属微结构几何形状拓扑图案的衍生图案，其不仅包括两条第一金属分支1021’、四条第二金属分支1022’，四条第二金属分支两端还垂直设置有第三金属分支1023’。优选地，第一金属分支1021’长度相等且垂直于中点相交，第二金属分支1022’长度相等且中点位于第一金属分支端点，第三金属分支1023’长度相等且中点位于第二金属分支端点；上述金属分支的设置使得人造金属微结构呈各向同性，即在人造金属微结构所属平面内任意方向旋转人造金属微结构90°都能与原人造金属微结构重合。采用各向同性的人造金属微结构能简化设计、减少干扰。

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，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种偏馈式微波天线，其特征在于：包括馈源、第一超材料面板以及贴附于所述第一超材料面板背部的反射面板，所述第一超材料面板包括相互紧贴的第一核心超材料片层至第N核心超材料片层，每一核心超材料片层均包括第一基材以及周期排布于所述第一基材上的多个第一人造金属微结构，所述每一核心超材料片层按照折射率分布划分为多个带状区域，以一定点为圆心，所述多个带状区域上相同半径处的折射率相同，且每一带状区域上随着半径的增大折射率逐渐减小，相邻两个带状区域，处于内侧的带状区域的折射率的最小值小于处于外侧的带状区域的折射率的最大值，所述圆心与所述馈源的连线垂直于所述第一超材料面板且所述圆心不与所述第一超材料面板的中心点重合。

2.如权利要求1所述的偏馈式微波天线，其特征在于：所述第N核心超材料片层紧贴所述反射面板，且所述第N核心超材料片层上的所有带状区域具有相同的折射率变化范围，即每一带状区域的折射率均由最大值n_max连续减小到最小值n_min。

3.如权利要求2所述的偏馈式微波天线，其特征在于：所述第N核心超材料片层的折射率分布满足公式：

$n\left(r\right)=n_{\max }-\frac{\sqrt{r^2+s^2}-\sqrt{{(M_L+{\mathrm{seg}}_k)}^2+s^2}}{d};$

${\mathrm{seg}}_k=\sqrt{{(v_0+\mathrm{k\λ})}^2-s^2}-\sqrt{{v_0}^2-s^2};$

$k=\mathrm{floor}\left\{\frac{\sqrt{{\left(\right|r-M_L|+\sqrt{{v_o}^2-s^2})}^2+s^2}-v_0}{\mathrm{\λ}}\right\};$

$v_0=\sqrt{{M_L}^2+s^2};$

其中，n(r)表示第N核心超材料片层上半径为r处的折射率值、s为馈源到第一核心超材料片层的垂直距离、d为所有的核心超材料片层所具有的总厚度、λ为所述偏馈式微波天线的工作频率的波长值、M_L为所述圆心到所述核心超材料片层下边缘的垂直距离、floor表示向下取整数。

4.如权利要求3所述的偏馈式微波天线，其特征在于：第一核心超材料片层至第N-1核心超材料片层的折射率分布满足如下公式：

$n_i\left(r\right)=n_{\min }+\frac{1}{N}(n\left(r\right)-n_{\min })$

其中，i表示第一至第N-1核心超材料片层的序号，即表示数值1至N-1，N表示核心超材料片层的总层数。

5.如权利要求1至4任意一项所述的偏馈式微波天线，其特征在于：周期排布于所述第一基材上的多个第一人造金属微结构的排布规律为：所述每一核心超材料片层按照折射率分布划分为多个带状区域，以一定点为圆心，所述多个带状区域上相同半径处的第一人造金属微结构尺寸相同，且每一带状区域上随着半径的增大，对应半径的第一人造金属微结构尺寸逐渐减小；相邻两个带状区域，处于内侧的带状区域内的第一人造金属微结构尺寸的最小值小于处于外侧的带状区域内的第一人造金属微结构尺寸的最大值。

6.如权利要求1所述的偏馈式微波天线，其特征在于：所述偏馈式微波天线还包括用于将所述馈源辐射的电磁波发散的第二超材料面板，所述第二超材料面板由多个折射率分布相同的第二超材料片层构成，所述第二超材料片层包括第二基材以及周期排布于所述第二基材上的多个第二人造金属微结构；所述第二超材料片层的折射率分布规律满足：所述第二超材料片层上的折射率呈圆形分布，圆心位于所述第二超材料片层中心点，圆心处的折射率最小且随着半径的增大，对应半径的折射率亦增大且相同半径处折射率相同；所述第二超材料面板紧贴馈源的发射端口或与馈源相隔一定距离。

7.如权利要求6所述的偏馈式微波天线，其特征在于：所述第二人造金属微结构在所述第二基材上的排布规律为：所述第二人造金属微结构在所述第二基材上呈圆形分布，圆心位于所述第二基材中心点，圆心处的第二人造金属微结构尺寸最小，随着半径的增大，对应半径的第二人造金属微结构尺寸亦增大且相同半径处的第二人造金属微结构尺寸相同。

8.如权利要求6所述的偏馈式微波天线，其特征在于：所述第一人造金属微结构和所述第二人造金属微结构具有相同的几何形状。

9.如权利要求8所述的偏馈式微波天线，其特征在于：所述几何形状为“工”字形，包括竖直的第一金属分支以及位于所述第一金属分支两端且垂直于所述第一金属分支的第二金属分支。

10.如权利要求8所述的偏馈式微波天线，其特征在于：所述几何形状为平面雪花型，包括相互垂直的两条第一金属分支以及位于所述第一金属分支两端且垂直于所述第一金属分支的第二金属分支。

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