CN102480060A - 一种高透射天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高透射天线，包括辐射源和用于将所述辐射源发射的电磁波转换为平面波的电磁波汇聚元件，所述电磁波汇聚元件包括多个顶面为凹面且底面为平面的同心圆环体，每一圆环体的厚度随着半径的增大逐渐增大，使得辐射源发射的电磁波入射到所述凹面时产生的反射波与入射到所述底面时产生的反射波发生干涉而相互抵消。本发明通过设计超材料本身的厚度随折射率变化，使超材料薄膜本身能够衰减反射损耗，无需添加阻抗匹配层。不仅减少了反射干扰与损耗，还减少了超材料薄膜的厚度，降低了制作成本，同时也减少了天线的尺寸以及制作和安装的难度。

Description

一种高透射天线

技术领域

本发明涉及天线领域，更具体地说，涉及一种高透射天线。

背景技术

超材料是一种新型材料，是由非金属材料制成的基材和附着在基材表面上或嵌入在基材内部的多个人造微结构构成的。人造微结构是组成一定几何图形的圆柱形或扁平状金属丝，例如组成圆环形、I形的金属丝等。每个人造微结构及其附着或占据的部分基材构成一个单元，整个超材料即是由数十万、百万甚至上亿的这样的单元组成的，就像晶体是由无数的晶格按照一定的排布构成的，每个晶格即相当于上述的人造微结构及部分基材构成的单元。

由于人造微结构的存在，每个上述单元整体具有不同于基材本身的等效介电常数和等效磁导率，因此所有的单元构成的超材料对电场和磁场呈现出特殊的响应特性；同时，对人造微结构设计不同的具体结构和形状，可改变其单元的等效介电常数和等效磁导率，进而改变整个超材料的响应特性。

当电磁波经过同一介质时，基本没有能量的损失；而当电磁波经过不同介质的分界面时，会发生部分反射现象。通常两边介质的电磁参数(介电常数或者磁导率)差距越大反射就会越大。由于部分电磁波的反射，沿传播方向的电磁能量就会相应损耗，严重影响电磁信号传播的距离和传输信号的质量。现有的基于超材料的天线在设计时，为了避免折射率的变化使得在电磁波传播时产生反射，减少反射干扰与损耗，通常会在超材料面板上添加阻抗匹配层来减小反射的损耗，如图1所示，在超材料面板10上增设阻抗匹配层30，辐射源20发出的电磁波经过阻抗匹配层30和超材料面板10汇聚后以平面波射出。这样不仅增加了超材料薄膜的厚度，还会增加制作成本，同时增加了使用超材料实现的天线的尺寸以及制作和安装的难度。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述尺寸大、成本高的缺陷，提供一种高透射天线。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种高透射天线，包括辐射源和用于将所述辐射源发射的电磁波转换为平面波的电磁波汇聚元件，所述电磁波汇聚元件包括多个顶面为凹面且底面为平面的同心圆环体，每一圆环体的厚度随着半径的增大逐渐增大，使得辐射源发射的电磁波入射到所述凹面时产生的反射波与入射到所述底面时产生的反射波发生干涉而相互抵消。

在本发明所述的高透射天线中，每一圆环体的折射率随着半径的增大从n_m连续减小到n_n且相同半径处的折射率相同，所述电磁波汇聚元件的厚度d满足如下公式：

$d\left(r\right)=\frac{\mathrm{\λ}}{4(n_m-\frac{\sqrt{s^2+r^2}-\sqrt{s^2+L{\left(i\right)}^2}}{d_0})}$

其中，s为所述辐射源到所述电磁波汇聚元件的距离，λ为电磁波的波长，

n_m为每一圆环体的最大折射率，n_n为每一圆环体的最小折射率，L(i)为半径r所在的自内向外第i个圆环体的起始半径，且L(1)＝0。

在本发明所述的高透射天线中，每一圆环体内设有多个人造微结构，所述多个人造微结构使得每一圆环体的折射率随着半径的增大从n_m连续减小到n_n且相同半径处的折射率相同。

在本发明所述的高透射天线中，所述多个人造微结构具有相同的几何形状，且每一圆环体的人造微结构的尺寸随着半径的增大连续减小且相同半径处的人造微结构的尺寸相同。

在本发明所述的高透射天线中，所述人造微结构为由至少一根金属丝组成的平面结构或立体结构。

在本发明所述的高透射天线中，所述金属丝为铜丝或银丝。

在本发明所述的高透射天线中，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每一圆环体内。

在本发明所述的高透射天线中，所述电磁波汇聚元件还包括填充在所述多个同心圆环体的凹面上的填充体，所述填充体使得所述多个同心圆环体的顶面为平面且与底面平行，所述填充体各处的折射率相同。

在本发明所述的高透射天线中，所述填充体的折射率小于等于n_n。

在本发明所述的高透射天线中，所述填充体的折射率为1。

实施本发明的技术方案，具有以下有益效果：通过设计超材料本身的厚度随折射率变化，使超材料薄膜本身能够衰减反射损耗，无需添加阻抗匹配层。不仅减少了反射干扰与损耗，增强了透射性能，还减少了超材料薄膜的厚度，降低了制作成本，同时也减少了天线的尺寸以及制作和安装的难度。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是现有的包含阻抗匹配层的天线的结构示意图；

图2是依据本发明一实施例的高透射天线中电磁波汇聚元件的部分结构示意图；

图3是图2中电磁波汇聚元件200的截面示意图；

图4是折射率随半径变化的示意图；

图5是电磁波汇聚元件200在yz平面上的折射率分布图。

具体实施方式

电磁波在超材料薄膜内部的光程l＝n*d，d为超材料薄膜的厚度，n为折射率。当电磁波在经过超材料薄膜时会在超材料薄膜的两边各形成一次反射(进入超材料时与传播出超材料时在超材料薄膜的两个边界面上)。当电磁波在薄膜内的光程为波长的四分之一时，进入超材料薄膜时产生的反射波与传播出薄膜时产生的反射波正好相位相差π/2，从而这两束反射波会发生干涉而相互抵消。由能量守恒原理可知，反射能量与透射能量之和为一个定值，因此反射波相互抵消使得透过薄膜的电磁波能量增强，增强了透射性能。从而通过设计超材料本身的厚度随折射率变化，使超材料薄膜本身具有衰减反射损耗的作用，也就无需添加阻抗匹配层。

图2是依据本发明一实施例的高透射天线中电磁波汇聚元件的部分结构示意图。高透射天线包括辐射源和用于将所述辐射源发射的电磁波转换为平面波的电磁波汇聚元件(超材料制成)。为了描述简便起见，仅示出了电磁波汇聚元件200，这里的电磁波汇聚元件200不仅具有图1所示的超材料面板10的功能，还具有阻抗匹配层30的功能，辐射源未示出。本发明使用的辐射源可以采用现有技术中任何可用的辐射设备，如图1所示，具体结构不再赘述。由图可知，电磁波汇聚元件200包括多个顶面为凹面且底面为平面的同心圆环体，每一圆环体的厚度随着半径的增大逐渐增大，使得辐射源发射的电磁波入射到凹面时产生的反射波与入射到所述底面时产生的反射波发生干涉而相互抵消；每一圆环体的折射率随着半径的增大从n_m连续减小到n_n且相同半径处的折射率相同，折射率随半径变化的示意图如图4所示。为了更清楚地解释电磁波汇聚元件200的形状和结构，图中仅示出了每一圆环体的一半，由于每一圆环体是对称分布的，因此仅示出了半圆环体。为了方便描述，仅示出了三个圆环体，圆环体1～3，圆环体的个数可根据实际需求来设置，只要满足将电磁波转换为平面波即可。图中斜线部分示出了电磁波汇聚元件200在YX平面的截面，详见图3所示，图3中的31表示图2中圆环体1的截面，图3中的32表示图2中圆环体2的截面，图3中的33表示图2中圆环体3的截面。X方向即为厚度d所在的方向。

其中，电磁波汇聚元件200的厚度d满足如下公式：

$d\left(r\right)=\frac{\mathrm{\λ}}{4(n_m-\frac{\sqrt{s^2+r^2}-\sqrt{s^2+L{\left(i\right)}^2}}{d_0})}$

其中，s为所述辐射源到所述电磁波汇聚元件的距离，λ为电磁波的波长，

n_m为每一圆环体的最大折射率，n_n为每一圆环体的最小折射率，L(i)为半径r所在的自内向外第i个圆环体的起始半径，且L(1)＝0。如果要计算第1个圆环体(实际上是一圆体)的某一处的厚度，该处距离圆心的半径是r，那么上式中的L(i)＝L(1)；如果要计算第2个圆环体的某一处的厚度，该处距离圆心的半径是r，那么上式中的L(i)＝L(2)；如果要计算第3个圆环体的某一处的厚度，该处距离圆心的半径是r，那么上式中的L(i)＝L(3)。如图3所示，第1个圆环的起始半径L(1)＝0；第2个圆环的起始半径为L(2)；第3个圆环的起始半径为L(3)。

下面给出一组实验数据，入射电磁波的频率f＝15GHz，波长λ＝2cm，n_max＝6，n_min＝1，s＝20cm，L(1)＝0cm，L(2)＝9.17cm，L(3)＝13.27cm，L(4)＝16.61cm。在此例中，第一圆环体的宽度为9.17cm，第二圆环体的宽度为(13.27-9.17)cm，第三圆环体的宽度为13.27cm，L(4)＝(16.61-13.27)cm。

满足上述折射率变化关系的电磁波汇聚元件，对于从辐射源发出的球面波形式发散的电磁波，以折射率为n_m的超材料单元为圆心，随着半径的增大电磁波汇聚元件在yz平面上的折射率变化量逐渐增大，随着半径的增大入射的电磁波出射时偏折角度大，越靠近圆心所在的超材料单元入射的电磁波其出射偏折角越小。通过一定的设计和计算，使得这些偏折角依次满足一定的规律，即可实现球面电磁波平行出射。类似于凸透镜，只要知道各个表面点对光的偏折角度和材料的折射率，即可设计出相应的表面曲率特征使从透镜焦点入射发散光线平行出射。同理本发明的基于超材料的天线通过设计各个超材料单元的人造微结构，得到该单元的介电常数ε和磁导率μ，进而对超材料面板10的折射率分布进行设计使得各个相邻超材料单元的折射率的变化能实现电磁波特定的偏折角度，即可实现球面波形式发散的电磁波转变为平面形式的电磁波。

为了更直观的表示超材料片层在yz面上折射率折射率分布规律，将折射率相同的超材料单元连成一条线，并用线的疏密来表示折射率的大小，线越密折射率越大，则符合以上所有关系式的超材料片层的每一核心层折射率分布如图5所示，最大折射率为n_m，最小折射率为n_n。

在每一圆环体内设有多个人造微结构，所述多个人造微结构使得每一圆环体的折射率随着半径的增大从n_m连续减小到n_n且相同半径处的折射率相同。其具体的

多个人造微结构具有相同的几何形状，且每一圆环体的人造微结构的尺寸随着半径的增大连续减小且相同半径处的人造微结构的尺寸相同。

实验证明，相同图案的人造微结构，其几何尺寸与介电常数成ε正比，因此在入射电磁波确定的情况下，通过合理设计人造微结构的拓扑图案和不同尺寸的人造微结构在电磁波汇聚元件内的排布，就可以调整电磁波汇聚元件的折射率分布，进而实现球面波形式发散的电磁波转变为平面形式的电磁波。

实现上述折射率和折射率变化量分布关系的人造微结构有很多种可实现方式，对于平面结构的人造微结构，其几何形状可以是轴对称也可以非轴对称；对于三维结构，其可以是非90度旋转对称的任意三维图形。

人造微结构为由至少一根金属丝组成的平面结构或立体结构。金属丝为铜丝或银丝，可通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法附着在基板上。

前文所述的电磁波汇聚元件可以使图2所示的形状，当然也可以是其他需要的形状，只要是能够满足前文所述的折射率变化规律以及厚度变化规律即可。

为了便于电磁波汇聚元件的制作和安装，还可以在电磁波汇聚元件的多个同心圆环体的凹面上填充材料，构成填充体，使得所述多个同心圆环体的顶面为平面且与底面平行，且填充体各处的折射率均相同，其折射率可为小于等于n_n的数值，例如但不限于1。

本发明通过对电磁波汇聚元件自身的形状结构进行改变，使电磁波经过电磁波汇聚元件后，其反射损耗减小，使其本身具备衰减反射干扰及损耗的作用。

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)

1.一种高透射天线，包括辐射源和用于将所述辐射源发射的电磁波转换为平面波的电磁波汇聚元件，其特征在于，所述电磁波汇聚元件包括多个顶面为凹面且底面为平面的同心圆环体，每一圆环体的厚度随着半径的增大逐渐增大，使得辐射源发射的电磁波入射到所述凹面时产生的反射波与入射到所述底面时产生的反射波发生干涉而相互抵消。

2.根据权利要求1所述的高透射天线，其特征在于，每一圆环体的折射率随着半径的增大从n_m连续减小到n_n且相同半径处的折射率相同，所述电磁波汇聚元件的厚度d满足如下公式：

$d\left(r\right)=\frac{\mathrm{\λ}}{4(n_m-\frac{\sqrt{s^2+r^2}-\sqrt{s^2+L{\left(i\right)}^2}}{d_0})}$

其中，s为所述辐射源到所述电磁波汇聚元件的距离，λ为电磁波的波长，n_m为每一圆环体的最大折射率，n_n为每一圆环体的最小折射率，L(i)为半径r所在的自内向外第i个圆环体的起始半径，且L(1)＝0。

3.根据权利要求2所述的高透射天线，其特征在于，每一圆环体内设有多个人造微结构，所述多个人造微结构使得每一圆环体的折射率随着半径的增大从n_m连续减小到n_n且相同半径处的折射率相同。

4.根据权利要求3所述的高透射天线，其特征在于，所述多个人造微结构具有相同的几何形状，且每一圆环体的人造微结构的尺寸随着半径的增大连续减小且相同半径处的人造微结构的尺寸相同。

5.根据权利要求4所述的高透射天线，其特征在于，所述人造微结构为由至少一根金属丝组成的平面结构或立体结构。

6.根据权利要求5所述的高透射天线，其特征在于，所述金属丝为铜丝或银丝。

7.根据权利要求5所述的高透射天线，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每一圆环体内。

8.根据权利要求1所述的高透射天线，其特征在于，所述电磁波汇聚元件还包括填充在所述多个同心圆环体的凹面上的填充体，所述填充体使得所述多个同心圆环体的顶面为平面且与底面平行，所述填充体各处的折射率相同。

9.根据权利要求1所述的高透射天线，其特征在于，所述填充体的折射率小于等于n_n。

10.根据权利要求1所述的高透射天线，其特征在于，所述填充体的折射率为1。

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