CN102570045B - 一种微波天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种微波天线，其包括一侧开口的外壳以及设置在外壳另一侧的馈源，还包括紧贴于馈源口径面的第一超材料以及封闭外壳开口的第二超材料，馈源、第一超材料以及第二超材料同轴设置；第一超材料将馈源辐射的电磁波分离成两束电磁波以使得馈源近场辐射范围增大，微波天线厚度变薄；第二超材料将电磁波转换为平面电磁波辐射、提高了天线方向性，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。 

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，提出一种方向性良好的微波天线。 

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，其包括一侧开口的外壳以及设置在外壳另一侧的馈源，还包括紧贴于所述馈源口径面的第一超材料以及封闭所述外壳开口的第二超材料，所述馈源、所述第一超材料以及所述第二超材料同轴设置；所述第一超材料包括第一基材以及周期排布于第一基材上的多个第一人造微结构，所述第一超材料包括一个圆形区域以及与所述圆形区域同心的多个环形区域，所述圆形区域和所述环形区域内折射率变化范围相同，均随着半径的增大，从所述第一超材料所具有的最小折射率n_min 连续增大到最大折射率n_max且相同半径处的折射率相同；所述第二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第二基材以及周期排布于第二基材上的多个第二人造微结构，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微结构具有相同的几何形状，且在第二基材上呈圆形排布，圆心处的第二人造微结构几何尺寸最大，相同半径处的第二人造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： 

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

其中，L表示第一超材料的长度，n_min表示所述第一超材料所具有的最小折射率值，n_max表示所述第一超材料所具有的最大折射率值，n表示L长度的第一超材料截取的折射率变化周期数，第一超材料上折射率由最小折射率变化到最大折射率为一个周期。 

进一步地，所述第一基材与所述第二基材材质相同，所述第一基材与所述第二基材由高分子材料、陶瓷材料、铁电材料、铁氧材料或者铁磁材料制成。 

进一步地，所述第一人造微结构与所述第二人造微结构材质和几何形状相 同。 

进一步地，所述第一人造微结构与所述第二人造微结构为具有“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，所述第一人造微结构与所述第二人造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，所述馈源为圆形波导，其开口端正对超材料的中心。 

本发明第一超材料将馈源辐射的电磁波分离成两束电磁波以使得馈源近场辐射范围增大，微波天线厚度变薄；第二超材料将电磁波转换为平面电磁波辐射、提高了天线方向性，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为馈源辐射的电磁波经过第一超材料后的远场图； 

图6为本发明第二超材料折射率分布计算示意图； 

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； 

图8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8a为图8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。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，微波天线包括一侧开口的外壳20及设置在外壳20另一侧的馈源10、紧贴于馈源10口径面的第一超材料30以及封闭所述外壳开口的第二超材料40。馈源10与第一超材料30以及第二超材料40同轴设置，本发明中馈源10采用圆形波导。第一超材料30将馈源10辐射的电磁波分离成两束电磁波以扩大馈源的辐射范围、提高微波天线的整体增益并使得微波天线厚度减薄；外壳由金属反射体制成，其将馈源发出的电磁波反射至超材料；第二超材料40将封闭腔体内辐射到第二超材料40表面的电磁波转化为平面电磁波辐射出去以提高微波天线的方向性。 

第一超材料30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30的折射率分布通过公式法计算得出。请参照图3、图4，其为第一超材料30在其横截面和纵截面的折射率分布示意图。图3中，第一超材料30包括一个圆形区域和与该圆形区域同心的多个环形区域，圆形区域和环形区域内折射率变化范围相同，均随着半径的增大，从第一超材料所具有的最小折射率n_min连续增大到最大折射率n_max且相同半径处的折射率相同。 

更进一步地，第一超材料上，以所述第一超材料中心点为圆心，半径为r 处的折射率分布为： 

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

其中，L表示第一超材料的长度，n表示L长度的第一超材料截取的折射率变化周期数，第一超材料上折射率由最小折射率变化到最大折射率为一个周期。 

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N(r)，且公式N(r)的实验仿真结果与实际测试结果相差不大。如图5所示，图5为馈源辐射的电磁波在经过第一超材料后的远场图。图5中，可以看到，在辐射角度0°到-50°以及0°到50°区间内，远场值有明显的峰值，即馈源辐射的球面电磁波在经过第一超材料后分离成以第一超材料中心轴线为对称线对称的两束电磁波，该两束电磁波偏离波束分离元件中心轴线的角度均为50°。 

第二超材料所响应的电磁波既有第一超材料分离出来的电磁波的主瓣和旁瓣又有被外壳反射来的杂波，因此对于系统较为复杂，如利用公式法得到第二超材料的折射率分布，则在实际应用中会存在较大误差。 

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6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第i层超材料片层前表面各处的初始相位

 其中，第i层超材料片层前表面中心点处的初始相位为

本文中，所述前表面是指靠近馈源的表面，后表面是指与前表面相对的远离馈源的表面。图3与图7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，即第二超材料上的折射率以 其中心点为圆心呈同心圆形分布，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。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，第二超材料中心轴线上各层超材料片层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第二超材料折射率分布，在源的情况复杂用常规公式法难以确定系数、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7所示，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7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，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8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8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8a为图8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。 

本发明利用上述方法设计第一超材料以及第二超材料并测试其辐射参数，其中第一超材料和第二超材料的最大折射率值和最小折射率值相同，最大折射率值均为5.99，最小折射率值均为1.89，第一超材料高度0.06米，第二超材料高度0.6米，第一超材料厚度为0.01米，第二超材料厚度为0.1米，馈源辐射的 电磁波频率为13GHZ，测试得到结果如下： 

远场最大值：53.72db，半功率波束宽度：2.2°，旁瓣：45.35db。 

从上述测试结果显示可以看出，超材料厚度较薄，不会增加微波天线厚度，同 时微波天线的远场值提高，方向性得到显著增强。 

上面结合附图对本发明的实施列进行了描述，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，包括一侧开口的外壳以及设置在外壳另一侧的馈源，其特征在于：还包括紧贴于所述馈源口径面的第一超材料以及封闭所述外壳开口的第二超材料，所述馈源、所述第一超材料以及所述第二超材料同轴设置；所述第一超材料包括第一基材以及周期排布于第一基材上的多个第一人造微结构，所述第一超材料包括一个圆形区域以及与所述圆形区域同心的多个环形区域，所述圆形区域和所述环形区域内折射率变化范围相同，均随着半径的增大，从所述第一超材料所具有的最小折射率n_min连续增大到最大折射率n_max且相同半径处的折射率相同；所述第二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第二基材以及周期排布于第二基材上的多个第二人造微结构，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’为所述第二超材料中心轴线上各层超材料片层的折射率，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微结构具有相同的几何形状，且在第二基材上呈圆形排布，圆心处的第二人造微结构几何尺寸最大，相同半径处的第二人造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：

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

其中，L表示第一超材料的长度，n_min表示所述第一超材料所具有的最小折射率值，n_max表示所述第一超材料所具有的最大折射率值，n表示L长度的第一超材料截取的折射率变化周期数，第一超材料上折射率由最小折射率变化到最大折射率为一个周期。

4.如权利要求1所述的微波天线，其特征在于：所述第一基材与所述第二基材材质相同，所述第一基材与所述第二基材由高分子材料、陶瓷材料、铁电材料、铁氧材料或者铁磁材料制成。

5.如权利要求1所述的微波天线，其特征在于：所述第一人造微结构与所述第二人造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：所述第一人造微结构与所述第二人造微结构为具有“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：所述第一人造微结构与所述第二人造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：所述馈源为圆形波导，其开口端正对第一超材料的中心。

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