CN102709693B - 高增益天线罩和天线系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高增益天线罩和天线系统。高增益天线罩包括超材料面板，超材料面板划分为多个区域；电磁波入射到所述超材料面板的第一表面并在与第一表面相对的第二表面射出；第i区域与第一表面的交集部分为第i区域的底面，第i区域与第二表面的交集部分为第i区域的顶面；设辐射源与第i区域底面上一点的连线与垂直于超材料面板的直线之间的夹角为θ，夹角θ唯一对应第i区域内的一曲面，第i区域底面上具有相同夹角θ的点的集合构成夹角θ唯一对应的曲面的边界；且夹角θ唯一对应的曲面上每一处的折射率均相同，曲面的母线为抛物线弧；每一区域的折射率随着夹角θ的增大逐渐减小。本发明的天线罩使得接收天线能够接收尽量多的信号，提高了信号强度和增益。

Description

高增益天线罩和天线系统

技术领域

本发明涉及电磁领域，更具体地说，涉及高增益天线罩和天线系统。

背景技术

超材料，俗称超材料，是一种新型人工合成材料，是由非金属材料制成的基板和附着在基板表面上或嵌入在基板内部的多个人造微结构构成的。基板可以虚拟地划分为矩形阵列排布的多个基板单元，每个基板单元上附着有人造微结构，从而形成一个超材料单元，整个超材料是由很多这样的超材料单元组成的，就像晶体是由无数的晶格按照一定的排布构成的。每个超材料单元上的人造微结构可以相同或者不完全相同。人造微结构是由金属丝组成的具有一定几何图形的平面或立体结构，例如组成圆环形、工字形的金属丝等。

由于人造微结构的存在，每个超材料单元具有不同于基板本身的电磁特性，因此所有的超材料单元构成的超材料对电场和磁场呈现出特殊的响应特性；通过对人造微结构设计不同的具体结构和形状，可以改变整个超材料的响应特性。

一般情况下，天线系统都会设置有天线罩。天线罩的目的是保护天线系统免受风雨、冰雪、沙尘和太阳辐射等的影响，使天线系统工作性能比较稳定、可靠。同时减轻天线系统的磨损、腐蚀和老化，延长使用寿命。但是天线罩除了保护天线功能之外，不能够兼具其他功能，功能很单一。例如在电磁波定向辐射的需求下，现有的天线罩不能满足此要求，需要更换天线才能实现，这样就会造成既有天线的浪费。而且现有的天线罩不能尽可能多地将天线辐射的电磁波调整到特定方向上，使得接收天线能够接收的信号有限，增益很低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有的天线罩功能单一，不具备电磁波定向辐射的缺陷，提供一种能够提供高增益并定向传播电磁波的高增益天线罩和天线系统。

为了达到上述目的，本发明采用的如下技术方案：所述高增益天线罩罩设于天线上，所述高增益天线罩包括超材料面板，所述天线的辐射源与所述超材料面板对立设置，且所述天线的辐射源等效点与所述超材料面板的中心之间的连线垂直于所述超材料面板；

所述超材料面板划分为多个区域；电磁波入射到所述超材料面板的第一表面并在与所述第一表面相对的第二表面射出；

第i区域与所述第一表面的交集部分为第i区域的底面，第i区域与所述第二表面的交集部分为第i区域的顶面；设辐射源与所述第i区域底面上一点的连线与垂直于超材料面板的直线之间的夹角为θ，夹角θ唯一对应第i区域内的一曲面，第i区域底面上具有相同夹角θ的点的集合构成夹角θ唯一对应的曲面的边界；且夹角θ唯一对应的曲面上每一处的折射率均相同，所述曲面的母线为抛物线弧；每一区域的折射率随着夹角θ的增大逐渐减小。

在本发明所述的高增益天线罩中，设辐射源与第i区域底面外圆周上一点的连线与垂直于超材料面板的直线之间的夹角为θ_i，i为正整数且越靠近超材料面板中心的区域对应的i越小；其中，夹角θ_i对应的曲面的母线的弧长为c(θ_i)，弧长c(θ_i)和夹角θ_i满足如下公式：

$c\left({\mathrm{\θ}}_i\right)=\frac{\mathrm{\λ}}{n_{\max (i+1)}-n_{\min \left(i\right)}};$

$s\×(\frac{1}{\cos {\mathrm{\θ}}_i}-\frac{1}{\cos {\mathrm{\θ}}_{i-1}})=c\left({\mathrm{\θ}}_{i-1}\right)n_{\max \left(i\right)}-c\left({\mathrm{\θ}}_i\right)n_{\min \left(i\right)});$

其中，θ₀＝0，c(θ₀)＝d；s为所述辐射源到所述超材料面板的距离；d为所述超材料面板的厚度；λ为电磁波的波长，n_max(i)、n_min(i)分别为第i区域的最大折射率和最小折射率，n_max(i+1)为第i+1区域的最大折射率。

在本发明所述的高增益天线罩中，相邻两个区域的最大折射率和最小折射率满足：n_max(i)-n_min(i)＝n_max(i+1)-n_min(i+1)。

在本发明所述的高增益天线罩中，第i区域的折射率满足：

$n_i\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{1}{c\left(\mathrm{\θ}\right)}(n_{\max \left(i\right)}\×d+s-\frac{s}{\cos \mathrm{\θ}});$

其中，d为所述超材料面板的厚度；θ为辐射源与第i区域底面上一点的连线与垂直于超材料面板的直线之间的夹角，c(θ)为夹角θ对应的曲面的母线的弧长。

在本发明所述的高增益天线罩中，弧长c(θ)满足如下公式：

$c\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{d}{2}[\frac{\log \left(\right|\tan \mathrm{\θ}|+\sqrt{1+{\tan }^2\mathrm{\θ}})+\mathrm{\δ}}{\left|\tan \mathrm{\θ}\right|+\mathrm{\δ}}+\sqrt{1+{\tan }^2\mathrm{\θ}}];$

其中，δ为预设小数。

在本发明所述的高增益天线罩中，以经过所述超材料面板第一表面的中心且垂直于所述超材料面板的直线为横坐标轴，以经过所述超材料面板第一表面的中心且平行于所述第一表面的直线为纵坐标轴，所述抛物线弧所在的抛物线方程为：

$y\left(x\right)=\tan \mathrm{\θ}(-\frac{1}{2d}{x}^2+x+s).$

在本发明所述的高增益天线罩中，夹角θ与抛物线弧m上每一点(x，y)的关系式 $\mathrm{\θ}(x,y)={\tan }^{-1}\left[\frac{2\mathrm{dy}}{2d(s+x)-x^2}\right].$

在本发明所述的高增益天线罩中，相邻三个区域的最大折射率和最小折射率满足：n_max(i+1)-n_min(i)＞n_max(i+2)-n_min(i+1)。

在本发明所述的高增益天线罩中，夹角θ和θ_i取值范围为

本发明还提供一种天线系统，包括天线，还包括如上所述的高增益天线罩，所述高增益天线罩罩设于所述天线上。

实施本发明的技术方案，具有以下有益效果：通过精确设计核心层的折射率分布，使得天线辐射源发出的电磁波经超材料面板后能够形成平面波，制造加工更加容易，成本更加低廉。将超材料面板的折射率的跳变设计为曲面状，从而大大减少跳变处的折射、衍射和反射效应，减轻了互相干涉带来的问题，使得超材料面板和使用超材料面板的天线具有更加优异的性能。本发明提供的天线罩使得本不具备定向功能的天线能够实现定向传播，满足定向需求。而且本发明的天线罩使得天线辐射出的不在接收天线接收方向上的辐射能量也能调整到合适的辐射方向上，尽可能多地将天线辐射的电磁波调整到接收天线的接收方向上，使得接收天线能够接收尽量多的信号，提高了信号强度和增益。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是依据本发明一实施例的高增益天线罩汇聚电磁波的示意图；

图2是图1所示的高增益天线罩中的超材料面板10的结构示意图；

图3示出了图2中的超材料面板10的侧视图；

图4是图3所示的抛物线弧段与θ的关系示意图；

图5是超材料面板10在yx平面上的折射率分布图。

图6是本发明的平面雪花状的金属微结构的示意图；

图7是图6所示的平面雪花状的金属微结构的一种衍生结构；

图8是图6所示的平面雪花状的金属微结构的一种变形结构；

图9是平面雪花状的金属微结构的拓扑形状的演变的第一阶段；

图10是平面雪花状的金属微结构的拓扑形状的演变的第二阶段；

图11是本发明的每一超材料面板片层其中一个超材料单元的透视示意图；

图12是本发明的超材料面板片层的结构示意图。

具体实施方式

图1是依据本发明一实施例的高增益天线罩汇聚电磁波的示意图，具有电磁波汇聚功能的高增益天线罩用于将辐射源20发射的电磁波转换为平面波。高增益天线罩罩设于天线上(为了更好地说明天线与天线罩的位置关系，天线仅以辐射源来示意)，高增益天线罩包括超材料面板10(天线罩还可以包括其他组分，为了清楚地描述本发明，仅示出了超材料面板10)，天线的辐射源20与超材料面板20对立设置，且天线的辐射源等效点与述超材料面板20的中心之间的连线垂直于超材料面板10，如图2所示。

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，通过设计超材料面板中每一点的电磁参数，就可对超材料面板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面板10的折射率分布使从辐射源20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2是图1所示的超材料面板10的结构示意图。超材料面板10划分为多个区域；电磁波入射到超材料面板10的第一表面A并在与第一表面A相对的第二表面B(如图3所示)射出。辐射源20的等效点视为超材料面板10的焦点。

其中第i区域与第一表面A的交集部分为第i区域的底面，第i区域与第二表面B的交集部分为第i区域的顶面。设辐射源与第i区域底面上一点的连线与经过超材料面板中心O且垂直于超材料面板的直线L之间的夹角为θ，夹角θ唯一对应第i区域内的一曲面，，所述曲面的母线为抛物线弧；第i区域底面上具有相同夹角θ的点的集合构成夹角θ唯一对应的曲面的边界，该边界即抛物线弧绕着直线L旋转得来的圆周；且夹角θ唯一对应的曲面上每一处的折射率均相同；每一区域的折射率随着夹角θ的增大逐渐减小。图2示出了两个区域(这里的区域是立体的概念，在图2中，就是两个圆环体)。这里引入区域的概念只是为了更好地描述超材料面板的折射率分布而进行的划分，实际上并不是实体的概念。图3示出了超材料面板10的侧视图，图中示出了两个区域的侧视图，仅用于示意，并不作为对本发明的限制。超材料面板10的厚度如图d所示，L表示垂直于超材料面板的直线。由图3可知，每一区域的侧视图为抛物线弧段，相同抛物线弧段上的折射率相同，也即该抛物线弧段绕L旋转所形成的曲面上的折射率相同。文中涉及的曲面为虚拟曲面，仅为了描述方便引出的一概念。

设辐射源20与第i区域底面外圆周上一点的连线与垂直于超材料面板10的直线L之间的夹角为θ_i，i为正整数且越靠近超材料面板中心的区域对应的i越小；其中，夹角θ_i对应的曲面的母线的弧长为c(θ_i)，弧长c(θ_i)和夹角θ_i满足如下公式：

$c\left({\mathrm{\θ}}_i\right)=\frac{\mathrm{\λ}}{n_{\max (i+1)}-n_{\min \left(i\right)}};$

$s\×(\frac{1}{\cos {\mathrm{\θ}}_i}-\frac{1}{\cos {\mathrm{\θ}}_{i-1}})=c\left({\mathrm{\θ}}_{i-1}\right)n_{\max \left(i\right)}-c\left({\mathrm{\θ}}_i\right)n_{\min \left(i\right)});$

其中，θ₀＝0，c(θ₀)＝d；s为辐射源20到超材料面板10的距离；d为超材料面板10的厚度；λ为电磁波的波长，n_max(i)、n_min(i)分别为第i区域的最大折射率和最小折射率，n_max(i+1)、n_min(i+1)为第i+1区域的最大折射率和最小折射率。夹角θ或θ_i取值范围为相邻两个区域的最大折射率和最小折射率满足：n_max(i)-n_min(i)＝n_max(i+1)-n_min(i+1)。

如图3所示，示出了两个区域101和102，θ₁是第一区域101底面外圆周上一点的连线与垂直于超材料面板10的直线L之间的夹角，θ₂是第二区域102底面外圆周上一点的连线与垂直于超材料面板10的直线L之间的夹角，设n_max(1)、n_min(1)已知，第1区域的θ₁以及n_max(2)可用下式计算得出：

$c\left({\mathrm{\θ}}_1\right)=\frac{\mathrm{\λ}}{n_{\max \left(2\right)}-n_{\min \left(1\right)}};$

$s\×(\frac{1}{\cos {\mathrm{\θ}}_1}-1)=c\left({\mathrm{\θ}}_0\right)n_{\max \left(1\right)}-c\left({\mathrm{\θ}}_1\right)n_{\min \left(1\right)}).$

第2区域的θ₂和n_max(3)可用下式计算得出：

$c\left({\mathrm{\θ}}_2\right)=\frac{\mathrm{\λ}}{n_{\max \left(3\right)}-n_{\min \left(2\right)}};$

$s\×(\frac{1}{\cos {\mathrm{\θ}}_2}-\frac{1}{\cos {\mathrm{\θ}}_1})=c\left({\mathrm{\θ}}_1\right)n_{\max \left(2\right)}-c\left({\mathrm{\θ}}_2\right)n_{\min \left(2\right)}).$

在本发明一实施例中，相邻三个区域的最大折射率和最小折射率满足：n_max(i+1)-n_min(i)＞n_max(i+2)-n_min(i+1)。

如图3所示，每一区域的最边界曲面的母线为抛物线弧段。图中侧视图的抛物线弧段即为每一区域最边界曲面的母线。为了更清楚地描述相同曲面上的折射率相同，对区域内部的曲面也进行阐述。每一区域的内边界曲面的折射率最大，外边界曲面的折射率最小。

如图2和图3所示，辐射源与第1区域101底面A1外圆周上一点的连线与L之间的夹角为θ₁，第1区域101最边界曲面Dm1的母线为m1，抛物线弧段m1的弧长为c(θ₁)，m1绕L旋转而成的曲面即为Dm1。辐射源与第2区域102底面A2外圆周上一点的连线与L之间的夹角为θ₂，第2区域102最边界曲面Dm2的母线为m2，抛物线弧段m1的弧长为c(θ₂)，m2绕L旋转而成的曲面即为Dm2。如图3所示，抛物线弧段m1、m2相对于L对称分布。曲面Dm1、Dm2上的折射率分布相同。

对于任一区域而言，设辐射源与第i区域底面上一点的连线与垂直于超材料面板的直线之间的夹角为θ，第i区域的折射率n_i(θ)随着θ的变化规律满足：

$n_i\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{1}{c\left(\mathrm{\θ}\right)}(n_{\max \left(i\right)}\×d+s-\frac{s}{\cos \mathrm{\θ}});$

其中，d为超材料面板10的厚度；θ为辐射源20与第i区域底面上一点的连线与垂直于超材料面板的直线L之间的夹角，c(θ)为夹角θ对应的曲面的母线的弧长，夹角θ唯一对应第i区域内的一曲面，且夹角θ唯一对应的曲面上每一处的折射率均相同。图3中，作为示例，夹角θ唯一对应第一区域101内的曲面，该曲面的母线为m。

弧长c(θ)满足如下公式：

$c\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{d}{2}[\frac{\log \left(\right|\tan \mathrm{\θ}|+\sqrt{1+{\tan }^2\mathrm{\θ}})+\mathrm{\δ}}{\left|\tan \mathrm{\θ}\right|+\mathrm{\δ}}+\sqrt{1+{\tan }^2\mathrm{\θ}}];$

其中，δ为预设小数。其中，δ为预设小数，比如0.0001，δ可以保证在夹角θ接近0的时候比值收敛。夹角θ取值范围为

如图4所示，以经过超材料面板10第一表面A的中心O且垂直于超材料面板10的直线为横坐标轴，以经过超材料面板10第一表面A的中心O且平行于第一表面A的直线为纵坐标轴，辐射源与A面上某一点O’的连线与x轴的夹角为θ，夹角θ对应的虚拟曲面的母线为虚线所示的抛物线弧m，夹角θ与抛物线弧m上每一点(x，y)满足如下关系式：

$\mathrm{\θ}(x,y)={\tan }^{-1}\left[\frac{2\mathrm{dy}}{2d(s+x)-x^2}\right].$

假设抛物线弧m所在抛物线的方程为y(x)＝ax²+bx+c。该抛物线经过点(0，s tanθ)，即y(0)＝c＝s tanθ。为了使得经过超材料面板10后电磁波平行射出，则需使电磁波经过超材料面板10第二表面B时抛物线弧m的切线是与x轴平行的，即保证y′(d)＝0。由于y′(x)＝2ax+b，因此y′(d)＝2ad+b＝0。另外还要保证电磁波到达超材料面板10第一表面A时，电磁波沿着夹角θ对应的切线方向传播，因此y′(0)＝tanθ。由以上几个条件可得到抛物线的方程为由此可得夹角θ与抛物线弧m上每一点(x，y)的关系式夹角θ唯一对应超材料面板内的一曲面，该曲面就是由母线m绕L(x轴)旋转而来的，夹角θ唯一对应的该曲面上每一处的折射率均相同。

超材料面板10可用于将辐射源发射的电磁波转换为平面波。其每一区域的折射率随着夹角的增大从n_max(i)减小到n_min(i)，如图3所示。可以理解的是，本发明提供的超材料面板10还可应用在平面波汇聚到天线接收器的情况，也即图1中的可逆情景。超材料面板10本身的构造无需改变，只需将辐射源放置在第二表面B一侧即可，而此时的原理一样，但是θ的定义中的辐射源就应该是处于第一表面A侧且位于超材料面板焦点(图1中的辐射源20的等效点)的虚拟辐射源位置。只要是应用本发明的原理而进行的各种应用场景都属于本发明的保护范围。

超材料面板10在实际的结构设计时，可以设计为多个超材料面板片层11(如图12所示)，每个片层包括片状的基板和附着在所述基板上的多个人造微结构或人造孔结构。多个超材料面板片层结合在一起后整体的折射率分布需要满足或近似满足上述公式，使得在同一曲面上的折射率分布相同，曲面的母线设计为抛物线弧。超材料面板片层压合的方法可以是直接热压，也可以是利用热熔胶连接，当然也可是其它机械式的连接，例如螺栓连接。当然，在实际设计时，可能设计成精确的抛物线弧比较困难，可以根据需要设计为近似的抛物线弧或者阶梯状，具体的精确程度可依据需要来选择。随着技术的不断进步，设计的方式也会不断更新，可能会有更好的超材料面板设计工艺来实现本发明提供的折射率排布。

本发明一实施例中，超材料面板片层11包括片状的基板13以及设置在基板13上的多个人造微结构12，如图12所示。基板13包括片状的前基板131及后基板132，所述多个人造微结构12夹设在前基板131与后基板132之间。优选地，超材料面板片层11的厚度为0.818mm，其中，前基板及后基板的厚度均为0.4mm，多个人造微结构的厚度为0.018mm。

本发明中，基板由陶瓷材料、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F4B复合材料、FR-4复合材料等。

对于人造微结构来说，每个所述人造微结构为由金属丝构成的金属微结构，即由至少一根金属丝组成的具有几何图案的平面或立体结构。金属丝可以为铜丝或银丝，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。超材料面板内多个人造微结构使得超材料面板的折射率随着夹角θ的增大而减小。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电磁波汇聚元件内的排布，就可以调整超材料面板的折射率分布，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。

为了更直观的表示超材料面板片层在yx面上折射率折射率分布规律，将折射率相同的单元连成一条线，并用线的疏密来表示折射率的大小，线越密折射率越大，则符合以上所有关系式的超材料面板的折射率分布如图5所示。

本发明还提供一种天线系统，包括天线及如上所述的高增益天线罩，所述高增益天线罩罩设于所述天线上。高增益天线罩的具体内容如上所述，此处不再赘述。

前文所述的超材料面板可以是图2所示的形状，当然也可以是其他需要的形状，例如圆形或椭圆形纵截面，只要是能够满足前文所述的折射率变化规律即可。

在实际应用时，为了使得天线罩的性能更好，减少反射，天线罩除了上文所述的超材料面板之外，还可以包括阻抗匹配层，即可以在超材料面板两侧均设置阻抗匹配层，阻抗匹配层可以由多个阻抗匹配层片层压合而成。

图6所示为平面雪花状的金属微结构的示意图，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J1及第二金属线J2，所述第一金属线J1与第二金属线J2的长度相同，所述第一金属线J1两端连接有相同长度的两个第一金属分支F1，所述第一金属线J1两端连接在两个第一金属分支F1的中点上，所述第二金属线J2两端连接有相同长度的两个第二金属分支F2，所述第二金属线J2两端连接在两个第二金属分支F2的中点上，所述第一金属分支F1与第二金属分支F2的长度相等。

图7是图6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F1及每个第二金属分支F2的两端均连接有完全相同的第三金属分支F3，并且相应的第三金属分支F3的中点分别与第一金属分支F1及第二金属分支F2的端点相连。依此类推，本发明还可以衍生出其它形式的金属微结构。

图8是图6所示的平面雪花状的金属微结构的一种变形结构，此种结构的金属微结构，第一金属线J1与第二金属线J2不是直线，而是弯折线，第一金属线J1与第二金属线J2均设置有两个弯折部WZ，但是第一金属线J1与第二金属线J2仍然是垂直平分，通过设置弯折部的朝向与弯折部在第一金属线与第二金属线上的相对位置，使得图8所示的金属微结构绕垂直于第一金属线与第二金属线交点的轴线向任意方向旋转90度的图形都与原图重合。另外，还可以有其它变形，例如，第一金属线J1与第二金属线J2均设置多个弯折部WZ。

本发明一实施例中，每一超材料面板片层包括两块基板，以及夹设在两块基板间且阵列排布的金属微结构，每一超材料面板片层可以划分为阵列排布的多个如图11所示的超材料单元D，每个超材料单元D包括前基板单元U、后基板单元V及设置在基板单元U、后基板单元V之间的人造微结构12，通常超材料单元D的长宽高均不大于五分之一波长，优选为十分之一波长，因此，根据天线的工作频率可以确定超材料单元D的尺寸。图11为透视的画法，以表示人造微结构的超材料单元D中的位置，如图11所示，所述人造微结构夹于基板单元U、后基板单元V之间，其所在表面用SR表示。

已知折射率其中μ为相对磁导率，ε为相对介电常数，μ与ε合称为电磁参数。实验证明，电磁波通过折射率非均匀的介质材料时，会向折射率大的方向偏折。在相对磁导率一定的情况下(通常接近1)，折射率只与介电常数有关，在基板选定的情况下，利用只对电场响应的人造微结构可以实现超材料单元折射率的任意值(在一定范围内)，在该天线中心频率(12.5GHZ)下，利用仿真软件，如CST、MATLAB等，通过仿真获得某一特定形状的人造微结构(如图6所示的平面雪花状的金属微结构)的介电常数随着拓扑形状的变化折射率变化的情况，即可列出一一对应的数据，即可设计出我们需要的特定折射率分布的超材料面板片层，进而得到超材料面板。同理可以得到阻抗匹配层片层的折射率分布，从而得到整个天线罩的折射率分布。

本发明中，超材料面板片层的结构设计可通过计算机仿真(CST仿真)得到，具体如下：

(1)确定金属微结构的附着基板(基板)。本明中，所述基板的前基板与后基板采用相同的FR-4复合材料制成，所述的FR-4复合材料制成具有一个预定的介电常数，例如介电常数为3.3的FR-4复合材料。

(2)确定超材料单元的尺寸。超材料单元的尺寸由天线的中心频率得到，利用频率得到其波长，再取小于波长的五分之一的一个数值作为超材料单元D的长度CD与宽度KD。本发明中，所述超材料单元D为如图2所示的长CD与宽KD均为2.5mm、厚度HD为0.818mm的方形小板。

(3)确定金属微结构的材料及拓扑结构。本发明中，金属微结构的材料为铜，金属微结构的拓扑结构为图6所示的平面雪花状的金属微结构，其线宽W各处一致；此处的拓扑结构，是指拓扑形状演变的基本形状。

(4)确定金属微结构的拓扑形状参数。如图6所示，本发明中，平面雪花状的金属微结构的拓扑形状参数包括金属微结构的线宽W，第一金属线J1的长度a，第一金属分支F1的长度b。

(5)确定金属微结构的拓扑形状的演变限制条件。本发明中，金属微结构的拓扑形状的演变限制条件有，金属微结构之间的最小间距WL(即如图9所示，金属微结构与超材料单元的长边或宽边的距离为WL/2)，金属微结构的线宽W，超材料单元的尺寸；由于加工工艺限制，WL大于等于0.1mm，同样，线宽W也是要大于等于0.1mm。本发明中，WL取0.1mm，W取0.3mm，超材料单元的尺寸为长与宽为2.5mm，厚度为0.818mm，此时金属微结构的拓扑形状参数只有a和b两个变量。金属微结构的拓扑形状的通过如图8至图9所示的演变方式，对应于某一特定频率(例如12.5GHZ)，可以得到一个连续的折射率变化范围。

具体地，所述金属微结构的拓扑形状的演变包括两个阶段(拓扑形状演变的基本形状为图6所示的金属微结构)：

第一阶段：根据演变限制条件，在b值保持不变的情况下，将a值从最小值变化到最大值，此演变过程中的金属微结构均为“十”字形(a取最小值时除外)。本实施例中，a的最小值即为0.3mm(线宽W)，a的最大值为(CD-WL)，即2.5-0.1mm，则a的最大值为2.4mm。因此，在第一阶段中，金属微结构的拓扑形状的演变如图8所示，即从边长为W的正方形JX1，逐渐演变成最大的“十”字形拓扑形状JD1，在最大的“十”字形拓扑形状JD1中，第一金属线J1与第二金属线J2长度均为2.4mm，宽度W均为0.3mm。在第一阶段中，随着金属微结构的拓扑形状的演变，与其对应的超材料单元的折射率连续增大((对应天线一特定频率)，当频率为12.5GHZ时，超材料单元对应的折射率的最小值n_min为1.91。

第二阶段：根据演变限制条件，当a增加到最大值时，a保持不变；此时，将b从最小值连续增加到最大值，此演变过程中的金属微结构均为平面雪花状。本实施例中，b的最小值即为0.3mm(线宽W)，b的最大值为(CD-WL-2W)，即2.5-0.1-2*0.3mm，则b的最大值为1.8mm。因此，在第二阶段中，金属微结构的拓扑形状的演变如图10所示，即从最大的“十”字形拓扑形状JD1，逐渐演变成最大的平面雪花状的拓扑形状JD2，此处的最大的平面雪花状的拓扑形状JD2是指，第一金属分支J1与第二金属分支J2的长度b已经不能再伸长，否则第一金属分支与第二金属分支将发生相交，b的最大值为1.8mm。此时，第一金属线与第二金属线长度均为2.4mm，宽度均为0.3mm，第一金属分支及第二金属分支的长度均为1.8mm，宽度为0.3mm。在第二阶段中，随着金属微结构的拓扑形状的演变，与其对应的超材料单元的折射率连续增大(对应天线一特定频率)，当频率为12.5GHZ时，超材料单元对应的折射率的最大值n_max为5.6。

通过上述演变得到超材料单元的折射率变化范围满足设计需要。如果上述演变得到超材料单元的折射率变化范围不满足设计需要，例如最大值太小，则变动WL与W，重新仿真，直到得到我们需要的折射率变化范围。

根据上文的折射率分布公式，将仿真得到的一系列的超材料单元按照其对应的折射率排布以后(实际上就是不同拓扑形状的多个人造微结构在基板上的排布)，即能得到本发明的超材料面板片层。

同理，可以得到本发明的阻抗匹配层片层。

附图中示意的天线罩的形状为平板状，在实际设计时也可以根据依据天线的具体需求来设计天线罩的形状，比如可以设计成圆球状或者与天线形状匹配的形状(共形的天线罩)等，本发明对此不作限制。

本发明通过精确设计核心层的折射率分布，使得天线辐射源发出的电磁波经超材料面板后能够形成平面波，制造加工更加容易，成本更加低廉。将超材料面板的折射率的跳变设计为曲面状，从而大大减少跳变处的折射、衍射和反射效应，减轻了互相干涉带来的问题，使得天线具有更加优异的性能。本发明提供的天线罩使得本不具备定向功能的天线能够实现定向传播，满足定向需求。而且本发明的天线罩使得天线辐射出的不在接收天线接收方向上的辐射能量也能调整到合适的辐射方向上，尽可能多地将天线辐射的电磁波调整到接收天线的接收方向上，使得接收天线能够接收尽量多的信号，提高了信号强度和增益。

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)

1.一种高增益天线罩，其特征在于，所述高增益天线罩罩设于天线上，所述高增益天线罩包括超材料面板，所述天线的辐射源与所述超材料面板对立设置，且所述天线的辐射源等效点与所述超材料面板的中心之间的连线垂直于所述超材料面板，所述高增益天线罩用于将辐射源发射的电磁波转换为平面波；

所述超材料面板划分为多个区域；电磁波入射到所述超材料面板的第一表面并在与所述第一表面相对的第二表面射出；

第i区域与所述第一表面的交集部分为第i区域的底面，第i区域与所述第二表面的交集部分为第i区域的顶面；设辐射源与所述第i区域底面上一点的连线与垂直于超材料面板的直线之间的夹角为θ，夹角θ唯一对应第i区域内的一曲面，第i区域底面上具有相同夹角θ的点的集合构成夹角θ唯一对应的曲面的边界；且夹角θ唯一对应的曲面上每一处的折射率均相同，所述曲面的母线为抛物线弧；每一区域的折射率随着夹角θ的增大逐渐减小。

2.根据权利要求1所述的高增益天线罩，其特征在于，设辐射源与第i区域底面外圆周上一点的连线与垂直于超材料面板的直线之间的夹角为θ_i，i为正整数且越靠近超材料面板中心的区域对应的i越小；其中，夹角θ_i对应的曲面的母线的弧长为c(θ_i)，弧长c(θ_i)和夹角θ_i满足如下公式：

$c\left({\mathrm{\θ}}_i\right)=\frac{\mathrm{\λ}}{n_{\max (i+1)}-n_{\min \left(i\right)}};$

$s\×(\frac{1}{\cos {\mathrm{\θ}}_i}-\frac{1}{\cos {\mathrm{\θ}}_{i-1}})=c\left({\mathrm{\θ}}_{i-1}\right)n_{\max \left(i\right)}-c\left({\mathrm{\θ}}_i\right)n_{\min \left(i\right)};$

其中，θ₀＝0，c(θ₀)＝d；s为所述辐射源到所述超材料面板的距离；d为所述超材料面板的厚度；λ为电磁波的波长，n_max(i)、n_min(i)分别为第i区域的最大折射率和最小折射率，n_max(i+1)为第i+1区域的最大折射率，θ_i-1为辐射源与第i-1区域底面外圆周上一点的连线与垂直于超材料面板的直线之间的夹角，c(θ_i-1)为夹角θ_i-1对应的曲面的母线的弧长。

3.根据权利要求2所述的高增益天线罩，其特征在于，相邻两个区域的最大折射率和最小折射率满足：n_max(i)-n_min(i)＝n_max(i+1)-n_min(i+1)。

4.根据权利要求2所述的高增益天线罩，其特征在于，第i区域的折射率满足：

$n_i\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{1}{c\left(\mathrm{\θ}\right)}(n_{\max \left(i\right)}\×d+s-\frac{s}{\cos \mathrm{\θ}});$

其中，d为所述超材料面板的厚度；θ为辐射源与第i区域底面上一点的连线与垂直于超材料面板的直线之间的夹角，c(θ)为夹角θ对应的曲面的母线的弧长。

5.根据权利要求4所述的高增益天线罩，弧长c(θ)满足如下公式：

$c\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{d}{2}[\frac{\log \left(\right|\tan \mathrm{\θ}|+\sqrt{1+{\tan }^2\mathrm{\θ}})+\mathrm{\δ}}{\left|\tan \mathrm{\θ}\right|+\mathrm{\δ}}+\sqrt{1+{\tan }^2\mathrm{\θ}}];$

其中，δ为预设小数。

6.根据权利要求4所述的高增益天线罩，以经过所述超材料面板第一表面的中心且垂直于所述超材料面板的直线为横坐标轴，以经过所述超材料面板第一表面的中心且平行于所述第一表面的直线为纵坐标轴，所述抛物线弧所在的抛物线方程为：

$y\left(x\right)=\tan \mathrm{\θ}(-\frac{1}{2d}{x}^2+x+s).$

7.根据权利要求6所述的高增益天线罩，夹角θ与抛物线弧m上每一点(x，y)的关系式 $\mathrm{\θ}(x,y)={\tan }^{-1}\left[\frac{2\mathrm{dy}}{2d(s+x)-x^2}\right].$

8.根据权利要求2所述的高增益天线罩，相邻三个区域的最大折射率和最小折射率满足：n_max(i+1)-n_min(i)＞n_max(i+2)-n_min(i+1)。

9.根据权利要求4所述的高增益天线罩，夹角θ和θ_i取值范围为

10.一种天线系统，包括天线，其特征在于，还包括如权利要求1至9任意一项所述的高增益天线罩，所述高增益天线罩罩设于所述天线上。