CN102723604B - 一种喇叭天线 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种喇叭天线，包括喇叭及设置在喇叭外侧开口中的超材料平板，所述超材料平板包括第一基板及附着在第一基板一侧表面上的多个人造微结构，所述人造微结构为由导电材料制成的丝线，所述人造微结构具有相交的第一主线及第二主线，所述第一主线两端连接有两个第一支线，所述第二主线两端连接有两个第二支线，每一所述第一支线的两端向里弯折延伸出两个第一折线，每一所述第二支线的两端向里弯折延伸出两个第二折线。根据本发明的喇叭天线，结构简单，成本低，增益高。
Description
技术领域
本发明涉及通信领域，更具体地说，涉及一种喇叭天线。
背景技术
喇叭天线，即波导终端张开成喇叭状的天线，由于喇叭天线结构简单和方向图易于控制，通常用作中等方向性天线，如标准喇叭，最常见的是用作反射面的馈源。当它用作独立天线时，一般都加上校正相位的反射面或透镜。喇叭-抛物反射面天线具有频带宽、副瓣低和效率高等特性，常用于微波中继通信。而透镜因其重量较重和结构复杂等原因，已很少用作喇叭的相位校正。但是抛物反射面的加工精度要求高、加工难度大，因此成本也较高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，针对现有的喇叭天线加工难度大、成本高的缺陷，提供一种结构简单的喇叭天线。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种喇叭天线，包括喇叭及设置在喇叭外侧开口中的超材料平板，所述超材料平板包括第一基板及附着在第一基板一侧表面上的多个人造微结构，所述人造微结构为由导电材料制成的丝线，所述人造微结构具有相交的第一主线及第二主线，所述第一主线两端连接有两个第一支线，所述第二主线两端连接有两个第二支线，每一所述第一支线的两端向里弯折延伸出两个第一折线，每一所述第二支线的两端向里弯折延伸出两个第二折线。
进一步地，所述第一主线及第二主线相互垂直平分，所述第一主线与第二主线的长度相同，所述两个第一支线长度相同，所述第一主线两端连接在两个第一支线的中点上，所述两个第二支线长度相同，所述第二主线两端连接在两个第二支线的中点上，所述第一支线与第二支线的长度相等。
进一步地，所述第一折线与第一支线所成的夹角为θ1，所述第二折线与第二支线所成的夹角为θ2，且有，
θ1＝θ2；θ1≤45°。
进一步地，所述第一折线与第一支线所成的夹角θ1及所述第二折线与第二支线所成的夹角θ2均为45度。
进一步地，所述人造微结构各处的厚度相同，其厚度为H2，0.01mm≤H2≤0.5mm；
所述人造微结构各处的线宽相同，其线宽为W，0.08mm≤W≤0.3mm；
所述第一折线与第二折线的距离为d1，0.08mm≤d1≤0.3mm；
所述第一折线的末端与第一主线平齐，所述第二折线的末端与第二主线平齐，所述第一折线与第二折线等长；
所述第一折线的末端与第一主线的距离为d2，0.08mm≤d2≤0.3mm；
所述第二折线的末端与第二主线的距离为d3，0.08mm≤d3≤0.3mm；
并且，相邻两个人造微结构之间的间隔为WL，0.08mm≤WL≤0.3mm；
相邻两个人造微结构之间的距离为L，1mm≤L≤30mm。
进一步地，所述超材料平板还包括覆盖在多个人造微结构上的第二基板。
进一步地，所述第一基板与第二基板厚度相同，其厚度为H1，0.1mm≤H1≤1mm。
进一步地，所述第一基板与第二基板的介电常数相同，其介电常数取值范围为2.5-2.8。
进一步地，所述第一基板及第二基板由陶瓷材料、F4B复合材料、FR-4复合材料或聚苯乙烯制成。
进一步地，所述人造微结构由铜线或者银线制成，所述人造微结构通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法附着在所述第一基板上。
进一步地，所述人造微结构由铟锡氧化物、碳纳米管或者石墨制成。
根据本发明的喇叭天线，在喇叭外侧开口中设置有超材料平板，该超材料平板能够实现一定频段内的零折射率，喇叭天线的波前相位由球面波被调制为均匀平面波，方向图波束角变窄、旁瓣降低，并且增益提高，同时该喇叭天线结构简单、成本低。
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是本发明第一实施例的喇叭天线的结构示意图；
图2是图1所示的喇叭天线其超材料平板的结构示意图(透视)；
图3是图1所示的喇叭天线去掉第二基板后的正视图；
图4是本发明第二实施例的喇叭天线的结构示意图；
图5是图4所示的喇叭天线其超材料平板的结构示意图(透视)；
图6是图4所示的喇叭天线去掉第二基板后的正视图；
图7是单个人造微结构的结构示意图；
图8是本发明第三实施例的喇叭天线其超材料平板的结构示意图；
图9是本发明第四实施例的喇叭天线其超材料平板的结构示意图；
图10是本发明一种尺寸的超材料平板仿真示意图；
图11是本发明另一种尺寸的超材料平板的仿真示意图；
图12是本发明的喇叭天线近场电磁分布仿真示意图；
图13是本发明的喇叭天线的远场仿真示意图。
具体实施方式
如图1至图3所示，为本发明第一实施例的喇叭天线，包括喇叭LB及设置在喇叭LB外侧开口中的超材料平板100，超材料平板100包括第一基板1、附着在第一基板1一侧表面上的多个人造微结构3及覆盖在多个人造微结构3上的第二基板2。所述人造微结构3具有相互垂直平分的第一主线31及第二主线32，所述第一主线31与第二主线32的长度相同，所述第一主线31两端连接有相同长度的两个第一支线Z1，所述第一主线31两端连接在两个第一支线Z1的中点上，所述第二主线32两端连接有相同长度的两个第二支线Z2，所述第二主线32两端连接在两个第二支线Z2的中点上，所述第一支线Z1与第二支线Z2的长度相等，每一所述第一支线Z1的两端向里弯折延伸出两个第一折线ZX1，每一所述第二支线Z2的两端向里弯折延伸出两个第二折线ZX2。
本实施例中，如图1所示，喇叭LB为角锥喇叭，相应的超材料平板100为图2所示的方形板。
图2为本实施例的超材料平板的透视图，即假定第一基板与第二基板透明，人造微结构不透明。
本实施例中，如图7所示，所述每个人造微结构中，所述第一折线ZX1与第一支线Z1所成的夹角为θ1，所述第二折线ZX2与第二支线Z2所成的夹角为θ2，且有，
θ1＝θ2；θ1≤45°。
优选地，所述第一折线ZX1与第一支线Z1所成的夹角θ1及所述第二折线ZX2与第二支线Z2所成的夹角θ2均为45度。即第一折线Z1与第二折线Z2平行。
本实施例中，如图2及图3所示，所述人造微结构各处的厚度相同，其厚度为H2，0.01mm≤H2≤0.5mm；
所述人造微结构各处的线宽相同，其线宽为W，0.08mm≤W≤0.3mm；
所述第一折线与第二折线的距离为d1，0.08mm≤d1≤0.3mm；
所述第一折线的末端与第一主线平齐，所述第二折线的末端与第二主线平齐，所述第一折线与第二折线等长；
所述第一折线的末端与第一主线的距离为d2，0.08mm≤d2≤0.3mm；
所述第二折线的末端与第二主线的距离为d3，0.08mm≤d3≤0.3mm；
并且，相邻两个人造微结构之间的间隔为WL，0.08mm≤WL≤0.3mm；如图3所示，WL即为相邻两个人造微结构的相对的两个第一支线的距离，也即相邻两个人造微结构的相对的两个第二支线的距离。
相邻两个人造微结构之间的距离为L，1mm≤L≤30mm；如图3所示，L即为相邻两个人造微结构的两个的第一支线(或两个第二支线)之间的距离；也即相邻两个人造微结构中心点之间的距离。L的长度与入射电磁波有关，通常L的长度小于入射电磁波的波长，例如L可以是入射电磁波的十分之一，这样可以对入射电磁波产生连续的响应。
本实施例中，所述人造微结构3为由导电材料制成的丝线。例如铜线、银线及其它金属线，采用金属材料制成的人造微结构，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所述第一基板1上。另外，人造微结构3还可以由其它非金属的导电材料制成，例如，铟锡氧化物、碳纳米管或者石墨等。
本发实施例中，所述第一基板1与第二基板2厚度相同，其厚度为H1，0.1mm≤H1≤1mm。并且，所述第一基板1与第二基板2的介电常数相同，其介电常数取值范围为2.5-2.8。
本实施例中，第一基板1及第二基板2可以由任意的介电材料制成，例如陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料。高分子材料，例如可以有F4B复合材料、FR-4复合材料或聚苯乙烯(PS)等。
本实施例中，采用一种具有如下参数的超材料平板进行仿真，
相邻两个人造微结构之间的距离L为2.5mm；
人造微结构的厚度H2为0.018mm；
人造微结构的线宽W为0.13mm；
第一折线与第一支线所成的夹角为θ1等于45度，第二折线与第二支线所成的夹角为θ2等于45度；
第一折线与第二折线的距离d1为0.13mm；
第一折线的末端与第一主线的距离d2为0.13mm，所述第二折线的末端与第二主线的距离d3为0.13mm；
相邻两个人造微结构之间的间隔WL为0.13mm；
第一基板与第二基板为介电常数为2.7的FR-4复合材料，损耗正切为0.002。
对具有上述参数的超材料平板进行仿真，即测试该超材料在不同频率下的折射率，得到折射率相对于频率的电磁响应曲线如图10所示。由图10可知，该超材料平板在11.2-12.8GHz这个频段内(Ku波段)其等效折射率基本为零，实现了零折射率，其中在12GHZ这一点上，折射率为0.05，应当注意，此处的零折射率指的是折射率基本为零。
根据Snell定律(n1sinθ1＝n2sinθ2)，当光线从零折射率材料(n1＝0)内部入射到自由空间(n2>0)时，不论入射角θ1为多少，出射角θ2必然等于零，因此折射光线沿分界面法线方向射出，当介质材料的等效折射率接近零时，放置在介质中的偶极子天线向自由空间辐射的电磁波的方向主要集中在介质-空气界面的法线方向，从而实现了天线的高方向性。
本实施例中具有上述参数的超材料平板在11.2-12.8GHz这个频段内具备零折射率的特性，因此将上述超材料平板设置在中心频率为12GHZ的喇叭的外侧开口中，可以改善喇叭天线波前相位，获得更高的增益。
如图12所示，为具有上述参数的超材料平板所构成的如图1所示的喇叭天线的近场电磁分布仿真示意图(采用中间频率为12GHZ的馈源)，从图中可以看出，喇叭天线的波前相位由球面波被调制为均匀平面波。
如图13所示，为具有上述参数的超材料平板所构成的如图1所示的喇叭天线的远场仿真示意图(采用中间频率为12GHZ的馈源)，从图中可以看出，较标准喇叭，本发明的喇叭天线，其方向图波束角变窄、旁瓣降低，并且增益提高。
本实施例中，采用另一种具有如下参数的超材料平板进行仿真，
相邻两个人造微结构之间的距离L为2.5mm；
人造微结构的厚度H2为0.018mm；
人造微结构的线宽W为0.15mm；
第一折线与第一支线所成的夹角为θ1等于45度，第二折线与第二支线所成的夹角为θ2等于45度；
第一折线与第二折线的距离d1为0.15mm；
第一折线的末端与第一主线的距离d2为0.15mm，所述第二折线的末端与第二主线的距离d3为0.15mm；
相邻两个人造微结构之间的间隔WL为0.15mm；
第一基板与第二基板为介电常数为2.7的PS塑料板，损耗正切为0.0002。
对具有上述参数的超材料平板进行仿真，即测试该超材料在不同频率下的折射率，得到折射率相对于频率的电磁响应曲线如图11所示。由图11可知，该超材料在13.5-15GHz这个频段内其等效折射率基本其等效折射率基本为零，实现了零折射率。
具有上述参数的超材料平板所构成的如图1所示的喇叭天线的近场电磁分布仿真示意图与图12类似，馈源采用13.5-15GHz这个频段的中间频率。
具有上述参数的超材料平板所构成的如图1所示的喇叭天线的远场仿真示意图与图13类似，，馈源采用13.5-15GHz这个频段的中间频率。
当然，还可以通过改变超材料平板的上述多个参数实现其它频段的零折射率，以形成不同频段的喇叭天线。
另外，如图4至图6所示，本发明还提供了第二实施例的喇叭天线，与第一实施例的区别在于，该实施例中，如图4所示，喇叭LB为圆锥喇叭，相应的超材料平板100为图5所示的圆形薄板。
同样地，图5为本实施例的超材料平板的透视图，即假定第一基板与第二基板透明，人造微结构不透明。
图8是本发明第三实施例的喇叭天线其超材料平板的结构示意图，与第一实施例的区别在于，本实施例中，超材料平板只由第一基板与人造微结构构成。
图9是本发明第四实施例的喇叭天线其超材料平板的结构示意图，与第二实施例的区别在于，本实施例中，超材料平板只由第一基板与人造微结构构成。
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 (9)
1.一种喇叭天线，其特征在于，包括喇叭及设置在喇叭外侧开口中的超材料平板，所述超材料平板包括第一基板及附着在第一基板一侧表面上的多个人造微结构，所述人造微结构为由导电材料制成的丝线，所述人造微结构具有相交的第一主线及第二主线，所述第一主线两端连接有两个第一支线，所述第二主线两端连接有两个第二支线，每一所述第一支线的两端向里弯折延伸出两个第一折线，每一所述第二支线的两端向里弯折延伸出两个第二折线，其中，所述超材料平板在选择的频段内为零折射率，
其中，所述第一主线及第二主线相互垂直平分，所述第一主线与第二主线的长度相同，所述两个第一支线长度相同，所述第一主线两端连接在两个第一支线的中点上，所述两个第二支线长度相同，所述第二主线两端连接在两个第二支线的中点上，所述第一支线与第二支线的长度相等，以及
所述第一折线与第一支线所成的夹角为θ1，所述第二折线与第二支线所成的夹角为θ2，且有，
θ1＝θ2；θ1≤45°。
2.根据权利要求1所述的喇叭天线，其特征在于，所述第一折线与第一支线所成的夹角θ1及所述第二折线与第二支线所成的夹角θ2均为45度。
3.根据权利要求2所述的喇叭天线，其特征在于，所述人造微结构各处的厚度相同，其厚度为H2，0.01mm≤H2≤0.5mm；
所述人造微结构各处的线宽相同，其线宽为W，0.08mm≤W≤0.3mm；
所述第一折线与第二折线的距离为d1，0.08mm≤d1≤0.3mm；
所述第一折线的末端与第一主线平齐，所述第二折线的末端与第二主线平齐，所述第一折线与第二折线等长；
所述第一折线的末端与第一主线的距离为d2，0.08mm≤d2≤0.3mm；
所述第二折线的末端与第二主线的距离为d3，0.08mm≤d3≤0.3mm；
并且，相邻两个人造微结构之间的间隔为WL，0.08mm≤WL≤0.3mm；
相邻两个人造微结构之间的距离为L，1mm≤L≤30mm。
4.根据权利要求1所述的喇叭天线，其特征在于，所述超材料平板还包括覆盖在多个人造微结构上的第二基板。
5.根据权利要求4所述的喇叭天线，其特征在于，所述第一基板与第二基板厚度相同，其厚度为H1，0.1mm≤H1≤1mm。
6.根据权利要求5所述的喇叭天线，其特征在于，所述第一基板与第二基板的介电常数相同，其介电常数取值范围为2.5-2.8。
7.根据权利要求6所述的喇叭天线，其特征在于，所述第一基板及第二基板由陶瓷材料、F4B复合材料、FR-4复合材料或聚苯乙烯制成。
8.根据权利要求1所述的喇叭天线，其特征在于，所述人造微结构由铜线或者银线制成，所述人造微结构通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法附着在所述第一基板上。
9.根据权利要求1所述的喇叭天线，其特征在于，所述人造微结构由铟锡氧化物、碳纳米管或者石墨制成。
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