CN102683863B - 一种喇叭天线 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种喇叭天线，该喇叭天线包括电磁波波导和喇叭，其特征在于，该喇叭天线还包括填充在喇叭内的非均匀超材料，该非均匀超材料的阻抗从低阻抗侧向高阻抗侧逐渐递增，通过在喇叭天线中填充非均匀的超材料，改变波导的阻抗，实现波导阻抗的逐渐递增或者逐渐减小，从而使实现阻抗匹配，减少反射，从而达到小型化喇叭天线的目的；并且，小型化后的喇叭天线的喇叭口径的相位分布与现有技术中非常长的小张角喇叭天线相比更均匀。

Description

一种喇叭天线

【技术领域】

本发明涉及天线领域，特别是涉及一种填充非均匀超材料的喇叭天线。

【背景技术】

超材料是指一些具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料；通过在材料的关键物理尺度上的结构有序设计，可以突破某些表观自然规律的限制，从而获得超出自然界固有的普通性质的超常材料功能；超材料可以对电场或者磁场，或者两者同时进行相应。对电场的响应取决于超材料的介电常数，而对磁场的响应取决于超材料的磁导率。

超材料具有重要的三个特征：

第一、超材料通常是具有新奇人工结构的复合材料；

第二、超材料具有超常的物理性质(往往是自然界的材料中所不具备的)；

第三、超材料性质往往不主要决定于构成材料的本征性质，而决定于其中的人工结构。

超材料由介质基材和设置上基材上的多个金属微结构组成，可以提供各种普通材料具有和不具有的材料特性。单个金属微结构大小一般小于1/10个波长，其对外加电场和/或磁场具有电响应和/或磁响应，从而具有表现出等效介电常数和/或等效磁导率，或者等效折射率和波阻抗。金属微结构的等效介电常数和等效磁导率(或等效折射率和波阻抗)由单元几何尺寸参数决定，可人为设计和控制。并且，金属微结构可以具有人为设计的各向异性的电磁参数。

在现有技术中，电磁波从喇叭天线发射到空气中时，因为电磁波波导的阻抗与空气的阻抗相差较大，造成的后果是电磁波反射较大，不能很好地将电磁波发射出去，所以喇叭天线在电磁波波导和空气之间设置一个喇叭状的过渡，以减少反射，喇叭天线为了使得反射最小化，其区域转换部分可以设计成指数律或者直线律张开，为了获得尽可能均匀的口径分布和较好的方向性，要求用非常长的小张角喇叭，对于频率较低的天线会造成天线的尺寸过大，给使用带来很多不便，难以满足器件小型化的要求。

具体的，如图1所示，电磁波波导11和空气之间设置一个喇叭状过渡12，从电磁波波导11到喇叭口径13之间的距离是不同的，例如L1、L2、L3的长度都不相同，最大差值为d，如图1中所示，所以，电磁波在喇叭口径13的相位是不均匀的；假如要使得电磁波在喇叭口径13的相位相对均匀，就需要将喇叭天线的喇叭状过渡12设计成非常长的小张角喇叭，如图2所示，所以天线的尺寸就会过大而不便于携带，难以满足器件小型化的要求。

【发明内容】

本发明提供一种喇叭天线，解决了现有喇叭天线尺寸过大，喇叭天线口径相位不均匀的问题。

本发明所采用的技术方案是：

一种喇叭天线，包括电磁波波导和喇叭，其特征在于，该喇叭天线还包括填充在喇叭内的非均匀超材料，该非均匀超材料的阻抗从低阻抗侧向高阻抗侧逐渐递增。

进一步的，非均匀超材料由多片均匀超材料叠加而成。

进一步的，在多片均匀超材料中，每一片均匀超材料的阻抗相同。

进一步的，均匀超材料包括基板以及设置在基板上的多个金属微结构。

进一步的，多个金属微结构在空间中形成阵列。

进一步的，金属微结构为具有特定形状的附着在片状基板上的金属线，并且形状为非旋转90度对称图案。

进一步的，金属线为铜线或银线。

进一步的，片状基板由陶瓷材料、环氧树脂或聚四氟乙烯制得。

本发明提供的喇叭天线，通过在喇叭天线中填充非均匀的超材料，改变波导的阻抗，实现波导阻抗的逐渐递增或者逐渐减小，从而使实现阻抗匹配，减少反射，从而达到小型化喇叭天线的目的；并且，小型化后的喇叭天线的喇叭口径的相位分布与现有技术中非常长的小张角喇叭天线相比更均匀。

【附图说明】

图1是现有技术中喇叭天线示意图；

图2是现有技术中喇叭天线另一示意图；

图3是本发明实施例喇叭天线填充的非均匀超材料的示意图；

图4是本发明实施例喇叭天线中均匀超材料的示意图；

图5是本发明实施例喇叭天线中非均匀超材料的示意图；

图6是本发明实施例喇叭天线示意图。

【具体实施方式】

本发明实施例提供了一种喇叭天线装置，下面结合附图对该装置进行详细说明。

超材料是利用了不同介质折射率不同的原理，在介质均匀的材料上设置多个金属微结构来改变该材料的折射率，而金属微结构的折射率则是通过控制介电常数和磁导率来进行控制；

阻抗匹配是微波电子学里的一部分，主要用于传输线上，来达至所有高频的微波信号皆能传至负载点的目的，不会有信号反射回来源点，从而提升能源效益。波导是由引导电磁波的一组物质边界或构件制成的传输线，我们知道，波导的阻抗与的值是成正比关系的，其中，μ为磁导率，ε为介电常数，即波导的阻抗与磁导率和介电常数是成正比关系的，所以改变磁导率和介电常数的值可以改变波导的阻抗，从而实现阻抗匹配，减小反射。

本发明实施例中一种喇叭天线的第一实施例包括：

本实施例的喇叭天线包括电磁波波导和喇叭，其中，喇叭内填充有非均匀的超材料，该非均匀的超材料的阻抗从低阻抗侧向高阻抗侧逐渐递增，使得电磁波需要从低阻抗侧向高阻抗侧，或者从高阻抗侧向低阻抗侧传播时，通过非均匀超材料这个过渡段，实现阻抗匹配；

非均匀超材料可以设计的很薄，在喇叭天线的电磁波波导的阻抗与空气阻抗的差值较大时，可以不再将喇叭天线的喇叭设计成非常长的小张角喇叭，而只需要在喇叭处填充较薄的非均匀超材料，使喇叭天线小型化。

在本实施例中，通过在喇叭天线中填充非均匀的超材料，改变波导的阻抗，实现波导阻抗的逐渐递增或者逐渐减小，从而使实现阻抗匹配，减少反射，从而达到小型化喇叭天线的目的。

请参阅图3，本发明实施例中一种喇叭天线的第二实施例包括：

喇叭天线包括有电磁波波导31、喇叭33、喇叭口径34，以及填充在喇叭33的非均匀超材料32；非均匀超材料32是由多片均匀超材料叠加而成，均匀超材料包括基板以及均匀设置在基板上的多个金属微结构，该金属微结构在空间中形成阵列；构成本发明中填充喇叭天线的非均匀超材料32的每一片均匀超材料的阻抗由低阻抗侧向高阻抗侧逐渐递增，本实施例中假设电磁波波导31的阻抗为50欧姆，空气的阻抗为377欧姆，则非均匀超材料32的阻抗从电磁波波导31侧向空气侧逐渐递增。

电磁波从电磁波波导31发射出，通过非均匀超材料32，然后发射到空气中，实现了阻抗匹配，减少了反射；因为非均匀超材料32比较薄，所以喇叭天线填充非均匀超材料后，可以大大缩短喇叭的长度，缩小喇叭天线的尺寸，使得喇叭天线便于携带和使用。

因为基板是很薄的板状材料，并且本发明实施例中需要叠加的均匀超材料的数量不会非常庞大，所以多片均匀的超材料叠加在一起仍然是比较薄的；所以，跟现有技术中非常长的小张角喇叭的喇叭口径相比，本实施例中的喇叭33的长度就会比较小，喇叭口径34就小了很多，所以，电磁波波导31到喇叭口径34之间的距离的最大的差值d3变小了，因此，喇叭口径34的相位分布变均匀了。

因为喇叭变小了，所以在设计的时候就可以适度地增加喇叭张角的大小，从而达到提高天线方向性的目的。

本实施例中的片状基板可以由陶瓷材料、环氧树脂或聚四氟乙烯制得，附着在片状基板上的金属线可以为铜线或者银线。

在本实施例中，通过在喇叭天线中填充非均匀的超材料，改变波导的阻抗，实现波导阻抗的逐渐递增或者逐渐减小，从而使实现阻抗匹配，减少反射，从而达到小型化喇叭天线的目的；并且，小型化后的喇叭天线的喇叭口径的相位分布与现有技术中非常长的小张角喇叭天线相比更均匀，所以在设计该小型化后的喇叭天线时，可以适当地增加喇叭张角的大小，从而提高喇叭天线的方向性，很好地解决了因为喇叭天线的张角过大导致的喇叭口径相位分布不均匀的问题。

下面是本发明的一个应用例，即结合图4至图6对喇叭天线做详细的描述，包括：

如图6，假设电磁波波导61的阻抗为50欧姆，空气的阻抗为377欧姆，在现有技术中，为了阻抗匹配，需要在电磁波波导61和空气之间设置一个非常长的小张角喇叭过渡，以减少电磁波反射。

在本应用例中，在喇叭62中填充金属微结构分布非均匀的超材料；该非均匀的超材料由多块金属微结构分布均匀的超材料叠加而成；均匀的超材料的结构如图4所示，片状基板41上均匀设置了多个金属微结构42，其中，金属微结构42的形状可以根据实际情况来设计，并不限于本实施例的“工”字形。

需要超材料的磁导率和介电常数达到多大的值，是可以通过对金属微结构的设置达到的，从而达到所需要的超材料的阻抗值；由多块金属微结构分布均匀的超材料叠加而成的非均匀的超材料的结构如图5所示：

均匀的超材料51的阻抗为100欧姆，均匀的超材料52的阻抗为150欧姆，均匀的超材料53的阻抗为200欧姆，均匀的超材料5n的阻抗为377欧姆；所以，电磁波就可以从该非均匀超材料的过渡层传播到空气，实现阻抗匹配，减少反射。

我们知道，超材料是通过在很薄的片状基板上设置有形状的金属线，即金属微结构，从而改变基板的磁导率和介电常数，通过设置基板上的金属微结构的材质、形状和密度等就可以控制基板的磁导率和介电常数的值，从而可以控制阻抗的值；因为基板是很薄的板状材料，并且本发明实施例中需要叠加的均匀超材料的数量不会非常庞大，所以多片均匀的超材料叠加在一起仍然是比较薄的；所以，跟现有技术中非常长的小张角喇叭的喇叭口径相比，本实施例中的喇叭62的长度N就会比较小，喇叭口径63就小了很多，所以，电磁波波导61到喇叭口径63之间的距离的最大的差值d6变小了，因此，喇叭口径63的相位分布变均匀了。

在本应用例中，通过在喇叭天线中填充非均匀的超材料，改变波导的阻抗，实现波导阻抗的逐渐递增或者逐渐减小，从而使实现阻抗匹配，减少反射，从而达到小型化喇叭天线的目的；并且，小型化后的喇叭天线的喇叭口径的相位分布与现有技术中非常长的小张角喇叭天线相比更均匀。

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 (5)

1.一种喇叭天线，包括电磁波波导和喇叭，其特征在于，所述喇叭天线还包括填充在喇叭内的非均匀超材料，所述非均匀超材料由多片均匀超材料叠加而成，所述多片均匀超材料中，每一片均匀超材料的阻抗相同，所述均匀超材料包括基板以及均匀设置在所述基板上的多个金属微结构，所述非均匀超材料的阻抗从低阻抗侧向高阻抗侧逐渐递增，所述阻抗与成正比关系，其中，μ为磁导率，ε为介电常数，通过设置基板上的金属微结构的材质、形状和密度控制所述基板的磁导率和介电常数的值。

2.根据权利要求1所述的喇叭天线，其特征在于，所述多个金属微结构在空间中形成阵列。

3.根据权利要求2所述的喇叭天线，其特征在于，所述金属微结构为具有特定形状的附着在所述片状基板上的金属线，所述形状为非旋转90度对称图案。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述金属线为铜线或银线。

5.根据权利要求1至权利要求4所述的装置，其特征在于，所述片状基板由陶瓷材料、环氧树脂或聚四氟乙烯制得。