CN102544745B - 一种混合透反射微波天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种混合透反射微波天线，包括一侧开口的外壳、设置在外壳另一侧的馈源以及封闭所述外壳开口的超材料，馈源与超材料同轴设置，超材料由多片厚度相等、折射率分布相同的超材料片层构成，超材料片层包括基材以及周期排布于基材上的多个人造微结构，所述超材料正对馈源的位置设置有锥形反射面，所述外壳上与超材料相对的位置还设置有反射元件，所述超材料片层的折射率分布通过初始相位法得到。本发明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，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，并且添加超材料后的混合透反射微波天线其厚度变薄、质量变轻且方向性得到较大增强。

Description

一种混合透反射微波天线

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种混合透反射微波天线。

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。

可见，传统的微波天线的需要加工成精度很高的抛物面，但是，加工这样精度高的抛物面，难度非常大，而且成本相当的高，并且体积庞大。

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，提出一种易于制作、体积较小的混合透反射微波天线。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是，提出一种混合透反射微波天线，包括一侧开口的外壳及设置在外壳另一侧的馈源，还包括封闭所述外壳开口的超材料，所述馈源与超材料同轴设置，所述超材料由多片厚度相等、折射率分布相同的超材料片层构成，所述超材料片层包括基材以及周期排布于基材上的多个人造微结构，所述超材料正对馈源的位置设置有锥形反射面，所述外壳上与超材料相对的位置还设置有反射元件，所述超材料片层的折射率分布通过如下步骤得到：

S1：在混合透反射微波天线未设置超材料的情况下，用空气填充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

得到超材料后表面中心点处的相位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为所述超材料所具有的最大折射率值，M为构成所述超材料的超材料片层的总层数；

S3：根据公式

得到超材料各点的折射率n(y)，

其中，y为超材料上任一点距超材料中心轴线的距离。

进一步地，所述超材料片层还包括填充层，同一超材料片层上的所有人造微结构被夹持在基材与填充层之间。

进一步地，所述填充层与基材由相同的材料制成，所述超材料片层的总厚度为0.818mm，其中填充层与基材的厚度均为0.4mm，人造微结构的厚度为0.018mm。

进一步地，同一超材料片层上的所有人造微结构具有相同的几何形状，且在基材上呈圆形排布，圆心处的人造微结构几何尺寸最大，相同半径处的人造微结构几何尺寸相同。

进一步地，所述人造微结构为平面雪花状的金属微结构，所述金属微结构具有相互垂直平分的第一金属线及第二金属线，所述第一金属线两端连接有相同长度的两个第一金属分支，所述第一金属线两端连接在两个第一金属分支的中点上，所述第二金属线两端连接有相同长度的两个第二金属分支，所述第二金属线两端连接在两个第二金属分支的中点上。

进一步地，所述超材料的中间位置具有一通孔，所述锥形反射面包括锥形的反射部及连接在反射部底部的连接部，所述连接部嵌入通孔中，所述反射部与连接部均为中空结构。

进一步地，所述超材料片层的折射率变化范围为1.89-5.8。

进一步地，所述馈源为矩形波导或圆形波导，其开口端正对锥形反射面的反射部。

进一步地，所述反射元件包括平板超材料及设置在平板超材料一侧表面的金属反射板，所述平板超材料包括片状的基材以及设置在基材上的多个人造微结构，所述平板超材料按照折射率分布可划分为多个共圆心的环形区域，所述环形区域内相同半径处的折射率相同，且在环形区域各自的区域内随着半径的增大折射率逐渐减小，相邻两个环形区域，处于内侧的环形区域的折射率的最小值小于处于外侧的环形区域的折射率的最大值。

进一步地，所述平板超材料对应于馈源开口处设置有中央通孔，中央通孔的形状与馈源的外形相适应，所述多个环形区域的圆心在中央通孔的中轴线与平板超材料纵向剖面相交的位置，所述平板超材料的折射率分布满足如下公式：

$n\left(r\right)=n_{\min }+(n_{\max }-n_{\min })*\sin (2\mathrm{\π}*\frac{n*r}{L});$

其中，L表示平板超材料的最大直径，n表示平板超材料上环形区域的个数。

根据本发明的混合透反射微波天线，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，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，并且添加超材料后的混合透反射微波天线其厚度变薄、质量变轻，损耗小，增益高。并且外壳上与超材料相对的位置上还设置有反射元件，这样，可以使得从锥形反射面反射回来的电磁波能够被再次反射至超材料后射出。

附图说明

图1是本发明混合透反射微波天线的结构示意图；

图2是本发明一种形式的超材料单元的透视示意图；

图3是本发明的一种形式的超材料片层的结构示意图；

图4是本发明的一种形式的超材料的正视图；

图5是本发明超材料折射率分布计算示意图；

图6是平面雪花状的金属微结构的衍生结构；

图7是本发明的混合透反射微波天线的远场图；

图8是本发明的平板超材料的折射率分布示意图。

具体实施方式

如图1至图3所示，根据本发明的混合透反射微波天线，包括一侧开口的外壳2、设置在外壳2另一侧的馈源1以及封闭所述外壳2开口的超材料10，所述馈源1与超材料10同轴设置，所述超材料10由多片厚度相等、折射率分布相同的超材料片层11构成，所述超材料片层11包括基材13以及周期排布于基材13上的多个人造微结构12，所述超材料10正对馈源1的位置设置有锥形反射面3，所述外壳上与超材料相对的位置还设置有反射元件200，所述超材料片层11的折射率分布通过初始相位法得到，初始相位法具体如下：

S1：如图5所示，在混合透反射微波天线未设置超材料的情况下，用空气填充超材料区域C并标注出各超材料片层的边界BJ，测试并记录所述馈源1辐射的电磁波在第i层超材料片层前表面的初始相位

初始相位

也可以通过仿真得到，其中，第i层超材料片层前表面中心点处的初始相位为

例如我们取第一层超材料片层111，则第一层超材料片层前表面SF1的初始相位为

第1层超材料片层前表面中心点处的初始相位为

S2：根据公式

得到超材料后表面Sb中心点处的相位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为所述超材料所具有的最大折射率值，M为构成所述超材料的超材料片层的总层数；

S3：根据公式

得到超材料各点的折射率n(y)，因为我们要求出射的电磁波为平面波，即出射面为等相面，即超材料后表面各点相位相同，另外，由于中心处的折射率最大，因此S2可以很容易得到超材料后表面中心点的相位Ψ，再令其它点的相位等于中心点的相位，通过可以反推得到n(y)，即得到了超材料的折射率分布。

上述中，y为超材料上任一点距超材料中心轴线的距离。

另外，在上述的方法中，还可做如下的优化：即S1中，选取每层的超材料片层的初始相位，即在S2中，计算得到多个Ψ，Ψ₁、Ψ₂、Ψ₃......，在S3中得到多个n(y)，对这多个n(y)进行测试，选出最优的一个n(y)。

本发明中，所述超材料10的多个超材料片层11紧密贴合，相互之间可以通过双面胶粘接，或者通过螺栓等固定连接。另外，所述超材料片层11还包括填充层15，同一超材料片层11上的所有人造微结构12被夹持在基材13与填充层15之间，填充层15可以空气，也可以是其它介质板，优选为与基材13相同的材料制成的板状件。如图2及图3所示，每一超材料片层11的可以划分为多个相同的超材料单元D，每一超材料单元D由一个人造微结构12、单元基材V及单元填充层W构成，每一超材料片层11在厚度方向上只有一个超材料单元D。每一超材料单元D可以是完全相同的方块，可以是立方体，也可是长方体，每一超材料单元D的长、宽、高几何尺寸不大于入射电磁波波长的五分之一(通常为入射电磁波波长的十分之一)，以使得整个超材料对电磁波具有连续的电场和/或磁场响应。优选情况下，所述超材料单元D为边长是入射电磁波波长十分之一的立方体。当然，填充层的厚度是可以调节的，其最小值可以至0，也就是说不需要填充层，此种情况下，单元基材V与人造微结构12组成超材料单元，即此时超材料单元D的厚度等于单元基材V的厚度加上人造微结构的厚度，但是此时，超材料单元D的厚度也要满足十分之一波长的要求，因此，实际上，在超材料单元D的厚度选定在十分之一波长的情况下，单元基材V的厚度越大，则单元填充层W的厚度越小，当然最优的情况下，即是如图2所示的情况，即单元基材V的厚度等于单元填充层W的厚度，且元单元基材V的材料与填充层W的相同。

作为一种实施例，所述超材料片层11的总厚度为0.818mm，其中填充层与基材的厚度均为0.4mm，人造微结构的厚度为0.018mm。

作为一个实施例，如图1及图4所示，所述超材料10呈圆柱形平板状，其直径为600mm。所述超材料10的中间位置具有一通孔4，所述锥形反射面3包括锥形的反射部31及连接在锥形反射面底部的连接部32，所述连接部32嵌入通孔4中，所述反射部31与连接部32均为中空结构，其中填充空气。从上述的初始相位法的公式(2)，我们知道，在d确定，折射率的最大值也确定的情况下，就可以得到n(y)的表达式，得到n(y)的表达式以后，如果我们限定y的最大值(其实就是超材料的直径)，就可以得到整个超材料片层的折射率，另外在有通孔4存在的情况下，y的最小值有限制，即y的最小值等于反射部底部的半径，本实施例中，反射部底部的半径为60mm。本实施例中，所述超材料片层的折射率变化范围取值为1.89-5.8。当然，也可以不需要通孔，此时，y从0开始到最大值，锥形反射面直接安装在超材料表面即可。

另外，所述馈源1为矩形波导或圆形波导，其开口端正对锥形反射面的反射部31。直接采用波导做馈源，成本低。

本发明中，如图1所示，馈源1发出的电磁波一部分直接通过超材料10出射，另一部分打在反射部31的锥面上，再反射到反射元件200上，通过反射元件200再一次反射，最后通过超材料射出。这样做的好处如下：

(1)馈源正对电磁波的位置如果不设锥形反射面，而采用与超材料一样的结构，则将有一部分电磁波反射回馈源处，导致能量损耗，同时干扰馈源的工作，设置锥形反射面恰好改变了电磁波反射方向，使得反射的电磁波不再进入馈源，馈源工作不受影响。

(2)反射元件5可以将锥形反射面反射的能量，再反射到超材料上，通过超材料后向远处传播，减少了能量损失。当然，在某些特殊要求下，外壳也可以采用吸波材料，不再反射，将反射能量吸收。

另外，从公式(2)，我们可以知道，y为超材料上任一点距超材料中心轴线的距离，同一个y值有多个点，将这些点连接起来，则构成一个圆，由此，可以知道，每一超材料片层的折射率呈圆形分布，相同半径(同一y值)的超材料单元具有相同的折射率，因此，我们可以使得，同一超材料片层11上的所有人造微结构12具有相同的几何形状，且在基材13上呈圆形排布，靠近圆心处的人造微结构12几何尺寸最大，相同半径处的人造微结构几何尺寸相同，这样设计，即可得到圆形的折射率分布。

本发明的人造微结构12优选为金属微结构，所述金属微结构由一条或多条金属线组成。金属线本身具有一定的宽度及厚度。本发明的金属微结构优选为具有各向同性的电磁参数的金属微结构，如图3所述的平面雪花状的金属微结构。

对于具有平面结构的人造微结构，各向同性，是指对于在该二维平面上以任一角度入射的任一电磁波，上述人造微结构在该平面上的电场响应和磁场响应均相同，也即介电常数和磁导率相同；对于具有三维结构的人造微结构，各向同性是指对于在三维空间的任一方向上入射的电磁波，每个上述人造微结构在三维空间上的电场响应和磁场响应均相同。当人造微结构为90度旋转对称结构时，人造微结构即具有各向同性的特征。

对于二维平面结构，90度旋转对称是指其在该平面上绕一垂直于该平面且过其对称中心的旋转轴任意旋转90度后与原结构重合；对于三维结构，如果具有两两垂直且共交点(交点为旋转中心)的3条旋转轴，使得该结构绕任一旋转轴旋转90度后均与原结构重合或者与原结构以一分界面对称，则该结构为90度旋转对称结构。

图2所示的平面雪花状的金属微结构即为各向同性的人造微结构的一种形式，所述的雪花状的金属微结构具有相互垂直平分的第一金属线121及第二金属线122，所述第一金属线121两端连接有相同长度的两个第一金属分支1211，所述第一金属线121两端连接在两个第一金属分支1211的中点上，所述第二金属线122两端连接有相同长度的两个第二金属分支1221，所述第二金属线122两端连接在两个第二金属分支1221的中点上。并且所述第一金属分支与第二金属分支的长度相等。

图6是图2所示的平面雪花状的金属微结构的一种衍生结构。其在每个第一金属分支1211及第二金属分支1221的两端均连接有第三金属分支123，四个第三金属分支123完全相同，并且相应的第三金属分支123的中点分别与第一金属分支及第二金属分支的端点相连。这样，图5所示的金属微结构也是一种形式的平面结构的各向同性的金属微结构。依此类推，还可以衍生出其它形式的金属微结构。

本发明中，所述超材料片层的基材由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料等制得。高分子材料可选用的有聚四氟乙烯、环氧树脂、F4B复合材料、FR-4复合材料等。例如，聚四氟乙烯的电绝缘性非常好，因此不会对电磁波的电场产生干扰，并且具有优良的化学稳定性、耐腐蚀性，使用寿命长。

本发明中，所述金属微结构为铜线或银线等金属线。上述的金属线可以通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法附着在基材上。当然，也可以采用三维的激光加工工艺。

如图1所示，所述反射元件200包括平板超材料201及设置在平板超材料一侧表面的金属反射板。金属反射板具有光滑的表面，例如可以是抛光的铜板、铝板或铁板等。平板超材料201与金属反射板固定一体后固定在外壳的内侧。当然，外壳若采用金属板件，则此时反射元件则由平板超材料201与外壳的一部分构成。图1所示的反射元件即采用了此种形式，可以把外壳与平板超材料201贴合的那部分202看成是金属反射板。这样，有利于天线的进一步小型、轻量化。

如图8所示，所述平板超材料201包括片状的基材2011以及设置在基材上的多个人造微结构(未示出)，所述平板超材料201按照折射率分布可划分为多个共圆心O的环形区域(H1，H2，H3，H4)，所述环形区域内相同半径处的折射率相同，且在环形区域各自的区域内随着半径的增大折射率逐渐减小，相邻两个环形区域，处于内侧的环形区域的折射率的最小值小于处于外侧的环形区域的折射率的最大值。

更为具体地，所述平板超材料201对应于馈源开口处设置有中央通孔2012，中央通孔2012的形状与馈源的外形相适应，即，如果馈源是矩形波导，中央通孔2012为方形孔；如果馈源是圆形波导，中央通孔2012为圆柱孔，所述多个环形区域的圆心O在中央通孔的中轴线与平板超材料纵向剖面相交的位置，所述平板超材料201的折射率分布满足如下公式：

$n\left(r\right)=n_{\min }+(n_{\max }-n_{\min })*\sin (2\mathrm{\π}*\frac{n*r}{L})---\left(3\right);$

其中，L表示平板超材料的最大直径，n表示平板超材料上环形区域的个数，r即为平板超材料上任一点的半径，n_min即为平板超材料的最小折射率，n_max即为平板超材料的最大折射率。由公式(3)确定的平板超材料能够发散电磁波。

采用此种特殊设计的反射元件，平板超材料对电磁波具有发散的作用，使得电磁波两次经过平板超材料时，均被发散，因此，相对于传统形式的PEC(理想电导体)反射面，在同等口径的情况下，馈源可以更加的靠近反射元件设置，有利于微波天线整体的小型化。

平板超材料201的结构与图4所示的汇聚超材料具有类似的结构。即都是则图2所示的超材料单元组成，只是折射率分布不同。

本实施例中，平板超材料201的人造微结构优选为金属微结构，所述金属微结构由一条或多条金属线组成。金属线本身具有一定的宽度及厚度。平板超材料201的人造微结构可以是如图2所述的平面雪花状的金属微结构。所述金属微结构为铜线或银线等金属线。上述的金属线可以通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法附着在基材上。当然，也可以采用三维的激光加工工艺。

本实施例中，所述平板超材料的基材2011由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料等制得。高分子材料可选用的有聚四氟乙烯、环氧树脂、F4B复合材料、FR-4复合材料等。例如，聚四氟乙烯的电绝缘性非常好，因此不会对电磁波的电场产生干扰，并且具有优良的化学稳定性、耐腐蚀性，使用寿命长。

图7是本发明的混合透反射微波天线的远场图，工作频率为13GHZ，可以看出，在厚度减小、成本降低的情况下，本发明的混合透反射微波天线方向性也不会太差，天线增益、半功率带宽都较好。

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)

1.一种混合透反射微波天线，包括一侧开口的外壳及设置在外壳另一侧的馈源，其特征在于：还包括封闭所述外壳开口的超材料，所述馈源与超材料同轴设置，所述超材料由多片厚度相等、折射率分布相同的超材料片层构成，所述超材料片层包括基材以及周期排布于基材上的多个人造微结构，所述超材料正对馈源的位置设置有锥形反射面，所述外壳上与超材料相对的位置还设置有反射元件，所述反射元件包括平板超材料及设置在平板超材料一侧表面的金属反射板，所述平板超材料对电磁波具有发散的作用；所述超材料片层的折射率分布通过如下步骤得到：

S1：在混合透反射微波天线未设置超材料的情况下，用空气填充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

得到超材料后表面中心点处的相位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为所述超材料所具有的最大折射率值，M为构成所述超材料的超材料片层的总层数；

S3：根据公式

得到超材料各点的折射率n(y)，

其中，y为超材料上任一点距超材料中心轴线的距离。

2.如权利要求1所述的混合透反射微波天线，其特征在于：所述超材料片层还包括填充层，同一超材料片层上的所有人造微结构被夹持在基材与填充层之间。

3.如权利要求2所述的混合透反射微波天线，其特征在于：所述填充层与基材由相同的材料制成，所述超材料片层的总厚度为0.818mm，其中填充层与基材的厚度均为0.4mm，人造微结构的厚度为0.018mm。

4.如权利要求2或3所述的混合透反射微波天线，其特征在于：同一超材料片层上的所有人造微结构具有相同的几何形状，且在基材上呈圆形排布，圆心处的人造微结构几何尺寸最大，相同半径处的人造微结构几何尺寸相同。

5.如权利要求4所述的混合透反射微波天线，其特征在于：所述人造微结构为平面雪花状的金属微结构，所述金属微结构具有相互垂直平分的第一金属线及第二金属线，所述第一金属线两端连接有相同长度的两个第一金属分支，所述第一金属线两端连接在两个第一金属分支的中点上，所述第二金属线两端连接有相同长度的两个第二金属分支，所述第二金属线两端连接在两个第二金属分支的中点上，所述第一金属分支与第二金属分支的长度相等。

6.如权利要求1所述的混合透反射微波天线，其特征在于：所述超材料的中间位置具有一通孔，所述锥形反射面包括锥形的反射部及连接在反射部底部的连接部，所述连接部嵌入通孔中，所述反射部与连接部均为中空结构。

7.如权利要求6所述的混合透反射微波天线，其特征在于：所述超材料片层的折射率变化范围为1.89-5.8。

8.如权利要求6所述的混合透反射微波天线，其特征在于：所述馈源为矩形波导或圆形波导，其开口端正对锥形反射面的反射部。

9.根据权利要求1所述的混合透反射微波天线，其特征在于：所述平板超材料包括片状的基材以及设置在基材上的多个人造微结构，所述平板超材料按照折射率分布可划分为多个共圆心的环形区域，所述环形区域内相同半径处的折射率相同，且在环形区域各自的区域内随着半径的增大折射率逐渐减小，相邻两个环形区域，处于内侧的环形区域的折射率的最小值小于处于外侧的环形区域的折射率的最大值。

10.根据权利要求9所述的混合透反射微波天线，其特征在于，所述平板超材料对应于馈源开口处设置有中央通孔，中央通孔的形状与馈源的外形相适应，所述多个环形区域的圆心在中央通孔的中轴线与平板超材料纵向剖面相交的位置，所述平板超材料的折射率分布满足如下公式：

$n\left(r\right)=n_{\min }+(n_{\max }-n_{\min })*\sin (2\mathrm{\π}*\frac{n*r}{L});$

其中，L表示平板超材料的最大直径，n表示平板超材料上环形区域的个数，r为平板超材料上任一点的半径，n(r)为平板超材料上半径r处的折射率，n_min为平板超材料的最小折射率，n_max为平板超材料的最大折射率。

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