CN102544717B - 基于超材料的透镜天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线通信领域，提供一种基于超材料的透镜天线，该天线具体包括：同轴电缆、贴片天线馈源、超材料调制模块以及外壳，所述同轴电缆通过馈线与所述贴片天线馈源相连，且所述贴片天线馈源辐射电磁波信号，所述电磁波信号通过所述超材料调制模块进行调制，将进入超材料调制模块的电磁波信号调制为等相位辐射。本发明一种基于超材料的透镜天线采用超材料调制模块，通过调节超材料内部的介电常数和磁导率的分布规律，使得超材料内的折射率达到使通过其内的电磁波信号能够平行出射，最终使得透镜天线方向性更好，增益更大，也使得透镜天线的焦点距离馈源位置比较近，使得天线设计更加容易，天线更加小型化。

Description

基于超材料的透镜天线

技术领域

本发明涉及无线通信领域，尤其涉及基于超材料的透镜天线。

背景技术

在毫米波段的介质透镜天线的运用非常广泛，透镜天线的形状是根据几何光学中的费马原理和斯奈尔折射定理设计而成，由于单面透镜天线易于加工，所以被采用最多。

单面透镜天线如图1所示，根据费马原理，经过任意一点P的光程等于沿轴线的光程。假设透镜天线的介质的折射率为n，F点为馈源位置，可以得到：FP+n(PP₁)＝FP+n(OQ₁)，则FP＝FO+n(OQ)。若采用极坐标，坐标原点在透镜的焦点上，P点的坐标为

令FO＝f，应用光程相等的条件可以得到极坐标下的透镜剖面曲线方程为：

若采用直角坐标系，以O为原点，P的坐标为(x，y)则可以得到直角坐标系下的透镜剖面曲线方程为：

(n²-1)x²+2(n-1)fx-y²＝0。

通常透镜天线的馈源都不是点源，有的时喇叭馈源，也有的时贴片天线馈源(patch antenna array)，而贴片天线在不经过任何透镜或者超材料的情况下，天线的方向性比较不理想，天线的增益有时候也打不到实际需求。

传统的透镜天线中，由于透镜天线的焦距比较远，当实际需要透镜天线的口径固定的时候，这样就很难达到透镜天线的馈源位于透镜的焦点上，从而使得透镜天线的尺寸没有办法缩小，使得透镜天线应用到小区域里面带来了很大的难度。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中透镜天线因其焦距比较远而在小区域内没法使得透镜天线的馈源位于焦点上的缺陷，提供一种基于超材料的透镜天线，该天线采用超材料技术可以使得馈源离透镜的距离很近。

为了达到上述目的，本发明采用的如下技术方案：

基于超材料的透镜天线，所述透镜天线具体包括：同轴电缆、贴片天线馈源、超材料调制模块以及外壳，所述同轴电缆通过馈线与所述贴片天线馈源相连，且所述贴片天线馈源辐射电磁波信号，所述电磁波信号通过所述超材料调制模块进行调制，将进入超材料调制模块的电磁波信号调制为等相位辐射，所述超材料调制模块包括多个核心层以及对称分布在所述核心层两侧的多个渐变层，每一核心层和每一渐变层均包括片状的基板和设置在所述基板上的多个人造微结构，所述每一核心层的折射率分布均相同，每一核心层包括一个圆形区域，所述圆形区域内折射率随着半径的增大从n_p连续减小到n₀且相同半径处的折射率相同，分布在所述核心层同一侧的每一渐变层均包括一个圆形区域，每一渐变层内的所述圆形区域的折射率变化随着半径的增大从其最大折射率连续减小到n₀，相同半径处的折射率相同，两个相邻的渐变层的最大折射率表示为n_i和n_i+1，其中n₀＜n_i＜n_i+1＜n_p，i为正整数，n_i对应于距离所述核心层较远的渐变层。

进一步地，所述贴片天线馈源为单贴片天线馈源，所述单贴片天线馈源包括金属贴片、介质基板、馈点、馈线以及金属接地板，所述金属贴片和金属接地板分别位于所述介质基板的两侧，所述金属贴片和馈线通过馈点相连接。

进一步地，所述金属贴片和金属接地板的材料均包括铝、铜以及银。

进一步地，所述贴片天线馈源为同相馈电的四贴片阵天线馈源。

进一步地，每一核心层的所述多个人造微结构具有相同的几何形状，圆形区域内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。

进一步地，每一渐变层的所述多个人造微结构具有相同的几何形状，圆形区域内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，且两个相邻的渐变层中距离所述核心层较远的渐变层对应的同一区域内相同半径处的人造微结构的尺寸较小。

进一步地，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。

进一步地，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基板上。

进一步地，所述人造微结构为“工”字形、“十”字形或“H”形。

本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

(1)本发明一种基于超材料的透镜天线采用贴片天线做馈源，使得天线方向性更好。

(2)本发明一种基于超材料的透镜天线采用超材料调制模块，通过调节超材料内部的介电常数和磁导率的分布规律，使得超材料内的折射率达到使通过其内的电磁波信号能够平行出射，最终使得透镜天线方向性更好，增益更大。

(3)本发明一种基于超材料的透镜天线利用超薄超材料调制模块使得透镜天线的焦点距离馈源位置比较近，使得天线设计更加容易，天线更加小型化。

附图说明

图1是现有技术中透镜天线的原理图；

图2是本发明基于超材料的透镜天线的结构示意图；

图3是本发明所述单贴片天线馈源的结构示意图；

图4是本发明所述单贴片天线馈源的解剖结构示意图；

图5是本发明所述四贴片阵天线馈源结构示意图；

图6是本发明所述四贴片阵天线馈源的馈电方式示意图；

图7是本发明所述超材料调制模块的结构示意图；

图8是本发明所述核心层或者渐变层的内部结构示意图。

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。

实施例1

如图2所示，为基于超材料的透镜天线的结构示意图，所述透镜天线具体包括：同轴电缆1、贴片天线馈源2、超材料调制模块3以及外壳4，所述外壳4分别于贴片天线2和超材料调制模块3封闭连接，用于保护所述贴片天线2和超材料调制模块3，所述同轴电缆1通过馈线与所述贴片天线馈源2相连接，同轴电缆1通过贴片天线馈源2辐射电磁波信号，电磁波信号进入所述超材料调制模块3进行电磁波波束调制，使得电磁波出射超材料调制模块3后为等相位辐射，即将球面电磁波转换为平面电磁波，使该透镜天线的方向性更好，且增益也更好。

在本发明较佳实施例中，所述贴片天线馈源2采用单贴片天线馈源，如图3和4所示，所述单贴片天线馈源具体包括：金属贴片22、介质基板21、馈点24、馈线25以及金属接地板23，所述金属贴片22和金属接地板23分别位于所述介质基板21的两侧，所述金属贴片22和馈线25通过馈点24相连接。

所述金属贴片22和金属接地板23的材料可以选择相同的材料，也可以不同，通常它们选用的材料可以为铝或者铜或者银，由于铜的性价比比较高，优选铜。

作为公知常识我们可知，电磁波的折射率与

成正比关系，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，通过设计超材料中每一点的电磁参数，就可对超材料的折射率分布进行调整，进而达到改变电磁波的传播路径的目的。根据上述原理可以通过设计超材料调制模块3的折射率分布使从贴片天线馈源2发出的球面波形式发散的电磁波转变成适于远距离传输的平面波形式的电磁波。

图7是图2所示的超材料调制模块3的结构示意图，超材料调制模块3包括多个核心层以及对称分布在核心层两侧的多个渐变层，每一核心层和每一渐变层均包括片状的基板和设置在基板上的多个人造微结构。每个人造微结构以及其所附着的基板所占部分即为一个超材料单元。超材料调制模块3由多个超材料片层堆叠形成，这各个超材料片层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，超材料片层的数目可依据需求来进行设计。如图8所示，每个超材料片层由多个超材料单元阵列形成。通过对人造微结构的拓扑图案、几何尺寸以及其在基板上分布的设计，使中间的核心层的折射率分布满足如下规律：每一层的折射率分布均相同，每一核心层包括一个圆形区域，所述圆形区域内折射率随着半径的增大从n_p连续减小到n₀且相同半径处的折射率相同。

如图7所示，仅示出了7层，其中中间三层为核心层33，核心层两侧的两层均为渐变层31、32，且两侧的渐变层对称分布，即距离核心层相同距离处的渐变层特性相同。图7中的核心层和渐变层的数量仅为示例，可依据需要进行设置。其中，渐变层主要是为了实现折射率的缓冲作用，避免电磁波入射时折射率较大的变化，减少电磁波的反射，并起到阻抗匹配和相位补偿的作用。

以三层核心层，核心层两侧各两层渐变层为例，对于中间的三层核心层来说，每一层的折射率分布均相同，每一核心层包括一个圆形区域，所述圆形区域内折射率随着半径的增大从n_p连续减小到n₀且相同半径处的折射率相同。

与核心层的分布类似，渐变层的区别仅在于每一区域的最大折射率不同，核心层的最大折射率为n_p，渐变层的最大折射率为n_i，且不同的渐变层n_i不同。分布在核心层同一侧的每一渐变层均包括一个圆形区域，两个相邻的渐变层对应的圆形区域的最大折射率表示为n_i和n_i+1，其中n₀＜n_i＜n_i+1＜n_p，i为正整数，n_i对应于距离所述核心层较远的渐变层；每一渐变层对应的所述圆形区域内的折射率随着半径的增大从其最大折射率连续减小到n₀且相同半径处的折射率相同。也就是说，对于图7来说，核心层左侧的两层渐变层，其中最左边的渐变层最大折射率为n₁，另一渐变层最大折射率为n₂，而n₀＜n₁＜n₂＜n_p。同理，由于核心层两侧的渐变层是对称分布的，因此，最右边的渐变层与最左边的渐变层折射率排布相同，次右边的渐变层与次左边的渐变层折射率排布相同。

为了得到满足上述折射率变化关系的超材料调制模块3，本发明的基于超材料的透镜天线通过设计超材料内部的人造微结构，得到超材料内的介电常数ε和磁导率μ，进而对超材料调制模块3的折射率分布进行设计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超材料片层上的排布，就可以调整超材料调制模块的折射率分布，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。

所述每一核心层的所述多个人造微结构具有相同的几何形状，其圆形区域内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；所述每一渐变层的所述多个人造微结构具有相同的几何形状，其圆形区域内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，且两个相邻的渐变层中距离所述核心层较远的渐变层对应的同一区域内相同半径处的人造微结构的尺寸较小。

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。

实施例2

如图5所示，为本发明所述的四贴片阵天线馈源的结构示意图，四贴片阵26为矩阵分布，替代实施例1中单贴片天线馈源。图5是四贴片阵天线馈源的馈电方式，采用同相馈电的方式，使得四个贴片天线发出的电磁波信号是同相的。其他的实施方式与实施例1完全相同，不再赘述。

本发明通过设计超材料面板核心层和渐变层上及各自之间的折射率变化将辐射源发射的电磁波转换为平面波，从而提高了透镜天线的汇聚性能，大大减少了反射损耗，也就避免了电磁能量的减少，增强了传输距离，提高了透镜天线的性能。

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 (9)

1.基于超材料的透镜天线，其特征在于，所述透镜天线包括：同轴电缆、贴片天线馈源、超材料调制模块以及外壳，所述同轴电缆通过馈线与所述贴片天线馈源相连，且所述贴片天线馈源辐射电磁波信号，所述电磁波信号通过所述超材料调制模块进行调制，将进入超材料调制模块的电磁波信号调制为等相位辐射，所述超材料调制模块包括多个核心层以及对称分布在所述核心层两侧的多个渐变层，每一核心层和每一渐变层均包括片状的基板和设置在所述基板上的多个人造微结构，所述每一核心层的折射率分布均相同，每一核心层包括一个圆形区域，所述圆形区域内折射率随着半径的增大从n_p连续减小到n₀且相同半径处的折射率相同，分布在所述核心层同一侧的每一渐变层均包括一个圆形区域，每一渐变层内的所述圆形区域的折射率变化随着半径的增大从其最大折射率连续减小到n₀，相同半径处的折射率相同，两个相邻的渐变层的最大折射率表示为n_i和n_i+1，其中n₀<n_i<n_i+1<n_p，i为正整数，n_i对应于距离所述核心层较远的渐变层，其中，所述贴片天线馈源为单贴片天线馈源，所述单贴片天线馈源包括金属贴片、介质基板、馈点、馈线以及金属接地板，所述金属贴片和金属接地板分别位于所述介质基板的两侧，所述金属贴片和馈线通过馈点相连接。

2.根据权利要求1所述的基于超材料的透镜天线，其特征在于，所述金属贴片和金属接地板的材料均包括铝、铜以及银。

3.根据权利要求1所述的基于超材料的透镜天线，其特征在于，所述贴片天线馈源为同相馈电的四贴片阵天线馈源。

4.根据权利要求1所述的基于超材料的透镜天线，其特征在于，每一核心层的所述多个人造微结构具有相同的几何形状，圆形区域内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1所述的基于超材料的透镜天线，其特征在于，每一渐变层的所述多个人造微结构具有相同的几何形状，圆形区域内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，且两个相邻的渐变层中距离所述核心层较远的渐变层对应的同一区域内相同半径处的人造微结构的尺寸较小。

6.根据权利要求1或者5所述的基于超材料的透镜天线，其特征在于，所述人造微结构为由至少一根金属丝组成并具有几何形状的平面结构或立体结构。

7.根据权利要求6所述的基于超材料的透镜天线，其特征在于，所述金属丝为铜丝或银丝。

8.根据权利要求7所述的基于超材料的透镜天线，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基板上。

9.根据权利要求6所述的基于超材料的透镜天线，其特征在于，所述人造微结构为“工”字形、“十”字形或“H”形。

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