CN102544743B - 一种微波天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种微波天线，其包括馈源、紧贴于馈源口径面且形状与馈源口径面相适配的第一超材料、紧邻第一超材料上下表面设置的第二超材料以及与第一超材料、第二超材料构成封闭腔体的外壳，与第一超材料和第二超材料相对的外壳表面为金属反射面，馈源、第一超材料以及金属反射面的中心轴线重合。本发明馈源辐射的电磁波经过第一超材料发散后被金属反射面反射，第一超材料扩散的电磁波和金属反射面反射的电磁波经过第二超材料后以平面波辐射出去。第一超材料和反射面使得微波天线厚度变薄，第二超材料使得天线方向性增强。且本发明中构成第二超材料的超材料片层上的折射率分布通过初始相位法得到，其计算过程易于实现程序化、代码化，使用者仅需掌握代码的使用即可，便于大规模推广。

Description

一种微波天线

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种微波天线。

背景技术

微波天线是通信技术领域中较常用和较重要的一种天线，其用于点对点通信，工作频率通常为12GHZ至15GHZ。现有的微波天线通常采用喇叭天线作为馈源且成抛物面状，喇叭天线发出的电磁波经过抛物面状的外壳汇聚后向外辐射。

现有的微波天线受限于常规材料的物理限制，其厚度、远场值和方向性均不能突破常规天线的物理极限，此种情况下，微波天线的小型化、高增益化、高方向性化都存在极大难度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述不足，提出一种具有良好方向性和远场辐射响应并使得厚度减薄的微波天线。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是，提出一种微波天线，其包括馈源、紧贴于所述馈源口径面且形状与所述馈源口径面相适配的第一超材料、紧邻所述第一超材料上下表面设置的第二超材料以及与所述第一超材料、第二超材料构成封闭腔体的外壳，与第一超材料和第二超材料相对的外壳表面为金属反射面，所述馈源、所述第一超材料以及所述金属反射面的中心轴线重合；所述第一超材料包括第一基材以及在第一基材上周期排布的多个第一人造金属微结构，所述第一超材料的折射率以其中心点为圆心呈同心圆形分布，圆心处的折射率最小，相同半径处折射率相同，随着半径的增大折射率增大；所述第二超材料由多片超材料片层叠加构成，每片超材料片层包括第二基材以及在第二基材上周期排布的多个第二人造金属微结构，所述超材料片层的折射率分布通过如下步骤得到：

S1：在微波天线未设置第二超材料的情况下，用空气填充第二超材料区域并标注出各超材料片层的边界，测试并记录所述馈源辐射的电磁波在第i层超材料片层前表面的初始相位

其中，第i层超材料片层前表面中心点处的初始相位为

S2：根据公式

得到第二超材料后表面的相位Ψ，

其中，d为每层超材料片层的厚度，λ为馈源辐射的电磁波波长，n_max为所述第二超材料所具有的最大折射率值，M为构成所述第二超材料的超材料片层的总层数；

S3：根据公式

得到超材料片层各点的折射率n(y)，

其中，y为超材料片层上任一点距超材料片层中心轴线的距离。

进一步地，同一超材料片层上的所有第二人造金属微结构具有相同的几何形状，且在第二基材上呈圆形排布，紧邻第一超材料上下表面处的第二人造金属微结构几何尺寸最大，相同半径处的第二人造金属微结构几何尺寸相同。

进一步地，所述第一超材料上以其中心点为圆心，半径为r处的折射率分布为：

$n_1\left(r\right)=n_0+\frac{1}{d_1}*(L+r*{\sin \mathrm{\θ}}_1-\sqrt{L^2+r^2})$

其中，n₀为第一超材料中心点处折射率值，θ₁为电磁波经过第一超材料后的偏折角度，d₁为第一超材料厚度，L为馈源的等效点源距第一超材料前表面的垂直距离。

进一步地，所述θ₁的正弦值sinθ₁应大于等于

其中r₁为所述馈源口径面半径，ss为所述第一超材料后表面距所述金属反射面的距离。

进一步地，所述第一人造金属微结构与所述第二人造金属微结构材质和几何形状相同。

进一步地，所述第一人造金属微结构与所述第二人造金属微结构为具有“工”字形几何形状的金属微结构，所述金属微结构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两个第二金属分支。

进一步地，所述金属微结构还包括位于每一第二金属分支两端且垂直于所述第二金属分支的第三金属分支。

进一步地，所述第一人造金属微结构与所述第二人造金属微结构为具有平面雪花型的几何形状的金属微结构，所述金属微结构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。

进一步地，所述两条第一金属分支过中点垂直相交，所述第二金属分支中点与所述第一金属分支端点重合。

进一步地，述馈源为喇叭天线。

本发明馈源辐射的电磁波经过第一超材料发散后被金属反射面反射，第一超材料扩散的电磁波和金属反射面反射的电磁波经过第二超材料后以平面波辐射出去。第一超材料和反射面使得馈源近场辐射范围增大，微波天线厚度变薄，第二超材料使得天线方向性增强。且本发明中构成第二超材料的超材料片层上的折射率分布通过初始相位法得到，其计算过程易于实现程序化、代码化，使用者仅需掌握代码的使用即可，便于大规模推广。

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为本发明微波天线的结构示意图；

图3为本发明第一超材料横截面折射率分布示意图；

图4为本发明第一超材料纵截面折射率分布示意图；

图5为本发明第二超材料折射率分布计算示意图；

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；

图7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7a为图7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2以及该人造微结构附着的基材1。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。本发明中，基材可选用高分子材料、陶瓷材料、铁电材料、铁氧材料或者铁磁材料等，其中高分子材料优选为FR-4或F4B。人造金属微结构可通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻周期排布于所述基材上，其中蚀刻为较优工艺，其步骤为将金属片覆盖于基材上，而后利用化学溶剂去掉除预设人造金属图案以外的金属。

本发明中，利用上述超材料原理，设计好超材料整体的折射率分布，而后根据该折射率分布在基材上周期排布人造金属微结构以改变入射电磁波的电磁响应从而实现所需要的功能。

如图2所示，图2为本发明微波天线的结构示意图。图2中，微波天线包括用作馈源的喇叭天线10、紧贴于喇叭天线口径面上且形状与喇叭天线口径面相适配的第一超材料20、紧邻第一超材料20的上下表面设置的第二超材料30、与第一超材料20以及第二超材料30构成封闭腔体的外壳40，其中第一超材料20以及第二超材料30相对的外壳表面为金属反射面401。喇叭天线10、第一超材料20、金属反射面401三者的中心轴线重合。喇叭天线10辐射的电磁波经过第一超材料发散后被金属反射面401反射，第一超材料扩散的电磁波和金属反射面反射的电磁波经过第二超材料后以平面波辐射出去。本发明中，第一超材料20以及第二超材料30厚度相等。金属反射面长度应大于1/2第二超材料长度与第一超材料长度之和。

第一超材料20包括第一基材以及在第一基材上周期排布的多个第一人造金属微结构，第一超材料20的折射率分布通过公式法计算得出。请参照图4、图5，其为第一超材料20在其横截面和纵截面的折射率分布示意图。图4中，第一超材料30的折射率以其中心点为圆心呈同心圆形分布，圆心处的折射率最小，相同半径处折射率相同，随着半径的增大折射率增大。

第一超材料20将喇叭天线辐射的电磁波发散后需要保证经过金属反射面反射的电磁波绕开喇叭口径，防止电磁波被反射到喇叭天线内，造成能量损失、干扰馈源。记喇叭天线口径面的半径为r1，第一超材料20后表面距金属反射面401的距离为ss，则要求经第一超材料发散后的电磁波与水平线的夹角θ₁的正弦值sinθ₁应大于等于

喇叭天线发出的电磁波可等效为由一点源发出的电磁波，记该等效点源到第一超材料前表面的垂直距离为L，则根据光程近似相等原理，可得到第一超材料上，半径为r处的折射率分布为：

$n_1\left(r\right)=n_0+\frac{1}{d_1}*(L+r*{\sin \mathrm{\θ}}_1-\sqrt{L^2+r^2})$

其中，n₀为第一超材料中心点处折射率值，θ₁为电磁波经过第一超材料后的偏折角度，d₁为第一超材料厚度。

本发明中，第一超材料前表面是指靠近喇叭天线口径面的表面，第一超材料后表面是指与前表面相对的远离喇叭天线口径面的表面。光程近似相等即指近似认为电磁波在超材料内部是沿着水平线传播。

第一超材料所响应的电磁波仅仅为馈源辐射的电磁波，因此利用光程近似相等的原理可得到第一超材料的折射率分布公式n1(r)，且公式n1(r)的实验仿真结果与实际测试结果相差不大。

第二超材料所响应的电磁波既有第一超材料扩散的部分电磁波又有经金属反射面反射来的电磁波，系统较为复杂，不适于用公式法求解其折射率分布。

本发明利用初始相位法得到第二超材料各点的折射率分布以使得第二超材料实现将电磁波转化为平面电磁波的目的。本发明中，第二超材料由多片超材料片层叠加构成，每片超材料片层包括第二基材以及在第二基材上周期排布的多个第二人造金属微结构，各超材料片层厚度相等且折射率分布相同。

初始相位法中初始相位通过如下方式定义：如图5所示，设计初始阶段将第二超材料区域填充空气，第二超材料共有M层，标注出第二超材料区域内各超材料片层的边界。此时，第二超材料区域内部折射率为1，选取其中第i层超材料片层的前表面测试并记录各处的初始相位

其中，中心点处的初始相位为

本发明中，第二超材料前表面是指远离喇叭天线口径面的表面，第二超材料后表面是指与前表面相对的靠近喇叭天线口径面的表面。

图5和图3中，第二超材料仅显示了其纵截面，将第二超材料纵截面的折射率分布旋转一周即构成了第二超材料整体的折射率分布。因此，第二超材料横截面的折射率分布与第一超材料类似，仍是以其中心点成同心圆形分布，相同半径处的折射率相同。

本发明中，第二超材料需要使得电磁波以平面波形式辐射且超材料为平板状，因此需使得第二超材料后表面处，相位分布等相，即第二超材料后表面的相位不随y值变化而变化，其为固定值Ψ，该固定值Ψ为第二超材料后表面中心点处的相位，即第二超材料紧邻第一超材料上下表面处的相位。第二超材料上的折射率是人为设计，因此在设计时，由于技术限制，第二超材料的最大折射率值n_max与最小折射率值n_min为固定值。本发明中，第二超材料各层超材料片层紧邻第一超材料上下表面处的折射率为最大折射率n_max，根据公式：

可求得Ψ值。其中d为每层超材料片层的厚度，λ为馈源辐射的电磁波波长。

而后再根据公式：

得到超材料片层各点处的折射率n(y)值。y为超材料片层各点距其中心点距离。

本发明中，可通过在多个超材料片层前表面上分别取值，以得到多组折射率分布n(y)，将该些折射率分布对应的第二超材料应用到微波天线后，仿真测试各项数据参数并筛选出最优数据以最终确定n(y)的分布。

采用初始相位法得到超材料折射率分布，在源的情况复杂，用常规公式法难以确定系数、难以得到较满意结果或者甚至无法运用公式法时，初始相位法能轻松得到结果，且其最优结果较之常规公式法得到的最优结果，在各方面指标上都要优良。并且，初始相位法计算过程易于实现程序化、代码化，在形成代码后，使用者仅需掌握代码的使用即可，便于大规模推广。

满足上述第一超材料和第二超材料折射率分布要求的人造金属微结构的几何形状有多种，但都为能对入射电磁波产生响应的几何形状。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。第一超材料和第二超材料上各点折射率对应的人造金属微结构的尺寸可通过计算机仿真得出，也可通过人工计算得出。本发明中，为便于大规模生产，第一超材料和第二超材料的第一基材和第二基材材质相同，第一金属微结构和第二金属微结构几何形状相同。

如图6所示，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6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，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7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7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7a为图7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)

1.一种微波天线，其特征在于：包括馈源、紧贴于所述馈源口径面且形状与所述馈源口径面相适配的第一超材料、紧邻所述第一超材料上下表面设置的第二超材料以及与所述第一超材料、第二超材料构成封闭腔体的外壳，与第一超材料和第二超材料相对的外壳表面为金属反射面，所述馈源、所述第一超材料以及所述金属反射面的中心轴线重合；所述第一超材料包括第一基材以及在第一基材上周期排布的多个第一人造金属微结构，所述第一超材料的折射率以其中心点为圆心呈同心圆形分布，圆心处的折射率最小，相同半径处折射率相同，随着半径的增大折射率增大；所述第二超材料由多片超材料片层叠加构成，每片超材料片层包括第二基材以及在第二基材上周期排布的多个第二人造金属微结构，所述超材料片层的折射率分布通过如下步骤得到：

S1：在微波天线未设置第二超材料的情况下，用空气填充第二超材料区域并标注出各超材料片层的边界，测试并记录所述馈源辐射的电磁波在第i层超材料片层前表面的初始相位

其中，第i层超材料片层前表面中心点处的初始相位为

S2：根据公式

得到第二超材料后表面的相位Ψ，

其中，d为每层超材料片层的厚度，λ为馈源辐射的电磁波波长，n_max为所述第二超材料所具有的最大折射率值，M为构成所述第二超材料的超材料片层的总层数；

S3：根据公式得到超材料片层各点的折射率n(y)，

其中，y为超材料片层上任一点距超材料片层中心轴线的距离。

2.如权利要求1所述的微波天线，其特征在于：同一超材料片层上的所有第二人造金属微结构具有相同的几何形状，且在第二基材上呈圆形排布，紧邻第一超材料上下表面处的第二人造金属微结构几何尺寸最大，相同半径处的第二人造金属微结构几何尺寸相同。

3.如权利要求1所述的微波天线，其特征在于：所述第一超材料上以其中心点为圆心，半径为r处的折射率分布为：

$n_1\left(r\right)=n_0+\frac{1}{d_1}*(L+r*\sin {\mathrm{\θ}}_1-\sqrt{L^2+r^2})$

其中，n₀为第一超材料中心点处折射率值，θ₁为电磁波经过第一超材料后的偏折角度，d₁为第一超材料厚度，L为馈源的等效点源距第一超材料前表面的垂直距离。

4.如权利要求3所述的微波天线，其特征在于：所述θ₁的正弦值sinθ₁应大于等于其中r₁为所述馈源口径面半径，ss为所述第一超材料后表面距所述金属反射面的距离。

5.如权利要求1所述的微波天线，其特征在于：所述第一人造金属微结构与所述第二人造金属微结构材质和几何形状相同。

6.如权利要求5所述的微波天线，其特征在于：所述第一人造金属微结构与所述第二人造金属微结构为具有“工”字形几何形状的金属微结构，所述金属微结构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两个第二金属分支。

7.如权利要求6所述的微波天线，其特征在于：所述金属微结构还包括位于每一第二金属分支两端且垂直于所述第二金属分支的第三金属分支。

8.如权利要求5所述的微波天线，其特征在于：所述第一人造金属微结构与所述第二人造金属微结构为具有平面雪花型的几何形状的金属微结构，所述金属微结构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。

9.如权利要求8所述的微波天线，其特征在于：所述两条第一金属分支过中点垂直相交，所述第二金属分支中点与所述第一金属分支端点重合。

10.如权利要求1所述的微波天线，其特征在于：所述馈源为喇叭天线。

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