CN102751585B - 电磁波透镜、波束扫描装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种由超材料制成的电磁波透镜，所述电磁波透镜包括至少两个子透镜，每一子透镜由至少一片超材料片层构成，每一超材料片层包括一片状基材以及设置在基材上的多个人造微结构，当电磁波扫描波束依次扫描所述每一子透镜后呈不同方向汇聚传播。被汇聚的电磁扫描波束在行进方向一段距离后保持以一束窄波束传播，从而实现准确控制电磁波波束扫描传播方向且进一步减少对邻近电磁通讯覆盖区域的干扰。本发明还提供包含电磁波透镜的波束扫描装置及方法。

Description

电磁波透镜、波束扫描装置及方法

技术领域

本发明涉及一种超材料应用领域，尤其涉及一种由超材料制成的电磁波透镜、基于电磁波透镜实现立体多方位波束扫描装置及方法。

背景技术

最初，波束扫描应用于雷达领域，即雷达的发射机产生足够的电磁能量，经过收发转换开关传送给天线。天线将这些电磁能量辐射至大气中，集中在某一个很窄的方向上形成波束，向前传播。电磁波遇到波束内的目标后，将沿着各个方向产生反射，其中的一部分电磁能量反射回雷达的方向，被雷达天线获取后，将该部分电磁波的参数提供计算机以得出该目标所在的具体位置。随着无线电磁波通讯技术发展和应用的要求，波束扫描技术在无线通讯系统已经得到广泛的应用。例如，美国高通公司在中国已公告的第ZL00816333.2号发明专利，即具有基站波束扫描的无线通信系统，其中基站通过信号波束发送信号以使数据发送给用户站，该信号波束在基站的覆盖区域上进行扫描。对发送给基站的用户数据进行缓冲，直到信号波束的信号波束角度允许有效发送。基站可以随时间改变波束扫描速度或波束方向图案的形状以使系统效率和容量最大化。

进一步，为了降低波束扫描过程中对邻近覆盖区域的干扰，美国高通公司在中国已公告的第00814138.X号发明专利，即应用多具旋转天线的基站波束扫描方法与设备。

上述应用多具旋转天线的基站波束扫描方法包括第一预定数量定向天线的天线组件，其中将所述第一预定数量的定向天线装入所述天线组件，使所述天线的辐射图从所述天线组件的中心径向地向外指；以机械方法接至所述天线组件的电机，用于使所述天线组件绕其轴线旋转；和信号转换器，用于在每具所述定向天线与第二预定数量扇区连接之间的信号选路由。

上述而应用多具旋转天线的基站波束扫描设备的基站通过装在旋转天线组件上的多具定向天线收发无线信号。各定向天线发射的信号束以一个角度方向通过多个扇区覆盖区扫射。随着信号波束从一个扇区跨向另一扇区，与该信号束相关的正向和反向链路信号的路由就从现在的扇区切换到真正在进入的扇区。利用这种设备和方法可使在任何时刻覆盖一小部分各扇区的窄信号波束，向其扇区内的用户站发射信号。在信号波束内传播的反向链路信号很少受到来自该信号波束以外的信号干扰，这类反向链路信号比宽波束具有更低发射功率，从而减少了对邻近覆盖区域的干扰。

但是，上述应用多具旋转天线的基站波束扫描设备及方法需要使用多束天线向外做径向区域扫描辐射，而且电磁波波束在径向方向行进一段距离后将逐步发散，因此不能实现准确控制电磁波波束扫描传播方向，对在距离该基站波束扫描设备较远的相邻通讯覆盖区域存在电磁波干扰。同时，上述旋转天线只在径向的二维平面内进行转动，因此波束扫描的角度有限，不能实现立体多方位角度波束扫描。

发明内容

基于此，有必要提供一种由超材料制成的电磁波透镜，即利用电磁波透镜的折射、汇聚等功能，使电磁波穿过该透镜汇聚并在较长的距离始终保持以一束窄波束传播，从而实现准确控制电磁波波束扫描传播方向且进一步减少对相邻通讯覆盖区域的电磁干扰。

一种由超材料制成的电磁波透镜包括至少两子透镜，所述子透镜由至少一片人造微结构超材料片状基板构成；电磁波依次辐射扫描并穿过所述每一子透镜后汇聚传播。

还有必要提供一种包含上述电磁波透镜的波束扫描装置，其包括控制单元、电机驱动模组及安装于所述电机驱动模组的自由端的天线。所述控制单元根据预设指令或相应的控制命令驱动电机驱动模组的自由端运动，所述天线基于自由端运动而使电磁波波束方向进行连续改变，所述连续改变方向的电磁波波束依次经每一子透镜汇聚后多角度传播，实现电磁波立体多方位波束精确扫描。

另外，还有必要提供一种波束扫描方法，包括如下步骤：

提供一电磁波波束的发射源；

提供一电磁波透镜，所述电磁波透镜包括一第一子透镜和一第二子透镜；

使电磁波波束的发射方向从所述第一子透镜转向第二子透镜，所述电磁波波束穿过第二子透镜后汇聚并向外辐射。

还有必要提供一种波束扫描方法，包括如下步骤：

提供一电磁波波束的发射源；

提供一电磁波透镜，所述电磁波透镜包括至少两子透镜；

使电磁波波束的发射方向从所述一子透镜转向另一子透镜，所述电磁波波束穿过另一子透镜后汇聚并向外辐射。

相对于现有技术，利用电磁波透镜的折射、汇聚等功能，使电磁波穿过该电磁波透镜后汇聚传播，被汇聚的电磁扫描波束在行进方向一段距离后保持以一束窄波束传播，从而实现准确控制电磁波波束扫描传播方向且进一步减少对相邻通讯覆盖区域的电磁干扰。同时，通过使用上述波束扫描装置及方法，使连续改变方向的电磁波波束依次穿过所述每一子透镜后汇聚并多角度传播，实现电磁波束立体多方位角度波束扫描。

附图说明

图1为本发明一实施方式中扫描装置进行波束扫描的模块图。

图2为图1所示扫描装置进行波束扫描的一状态示意图。

图3为图1所示的电磁波透镜包含若干个由超材料制成的子透镜局部示意图。

图4为图3所示扫描装置进行波束扫描的另一状态示意图。

图5为图2所示子透镜的不同区域对电磁波的折射率分布示意图。

图6为图2所示子透镜对电磁波进行汇聚特性的示意图。

图7A为图3示的子透镜上‘工字形’人造微结构。

图7B为图3示的子透镜上‘雪花状’人造微结构。

图7C为图3示的子透镜上的另一种‘雪花状’的人造微结构。

图7D为图3示的子透镜上的人造微结构的一种具体形式‘雪花状’结构的又一种衍生结构。

图8是采用工字形结构的人造微结构在子透镜的每层基板中的排列示意图。

图9为本发明另一实施方式中扫描装置进行波束扫描一状态示意图。

图10为图12所示天线在立体坐标体系中位置描述的坐标图。

图11为图12所示扫描装置进行平移波束扫描示意图。

图12为图12所示扫描装置进行波束扫描另一状态示意图。

图13为本发明又一实施方式基于电磁波透镜的波束扫描方法流程图。

具体实施方式

下面结合相关附图及三个具体实施例对本发明做进一步的描述：

实施例一

图1为本发明一实施方式中扫描装置进行波束扫描的模块图，由扫描装置11和若干个无线通讯设备10组成的通讯系统100。

其中扫描装置11包括天线111、电磁波透镜112、电机驱动模组113及控制单元114。所述电机驱动模组113包括平动单元131和旋转单元132，所述天线111固定安装于电机驱动模组113的自由端(图中未示)上且随着旋转单元132转动而旋转，或随着平动单元131移动而平移。所述控制单元15根据预设指令或相应的控制命令分别控制对应的电机使旋转单元132转动和平动单元131平动，所述控制命令可由基站控制器产生。在本实施方式中，所述电磁波透镜112加工成一中空的腔体，所述天线111设置于所述腔体内且其产生的电磁波穿过电磁波透镜112向外多角度的扫描。

请参阅图2，所述电磁波透镜112设计为中空的球腔体，所述电磁波透镜12为球面状，所述天线111设置球腔体的球心。所述子透镜121可随机排列分布于球腔体上。所述天线111产生的电磁波穿过一子透镜121后形成汇聚的扫描电磁波束。

请参阅图3，表示由超材料制成电磁波透镜局部示意图。所述电磁波透镜112包括至少两个子透镜121。根据扫描装置11随机扫描需求可将子透镜121可随机排列分布或根据扫描装置11有规律扫描需求将所述子透镜121规则排布。进一步说明的是，所述子透镜121尺寸大小设置相同或不同。

请一并参阅图2和图4，为扫描装置11进行波束扫描的两个状态示意图。所述天线111基于自由端的运动而使电磁波波束方向进行连续改变，所述连续改变方向的电磁波波束依次经每一子透镜121汇聚后多角度传播。在本实施方式中，所述天线111基于旋转单元132旋转和平动单元131平动而旋转和平移时，所述天线111电磁波波束方向发生改变，即电磁波波束从一子透镜121穿过转向另一子透镜121穿过，从而使电磁波波束从一方向扫描至另一方向。由上可知，当旋转单元132和平动单元131分别做全方位且连续的旋转及平动时，所述天线111基于该球面电磁波透镜112对空间区域进行全角度波束扫描。

以下将对电磁波透镜112中的子透镜121做进一步介绍：

每一子透镜121由至少一片超材料片层构成，每一超材料片层包括一片状基材以及设置在基材上的多个人造微结构；电磁波依次扫描辐射所述每一子透镜121折射汇聚传播。

在本实施方式中，所述子透镜121可设计成对入射电磁波的折射率分布如图5所示，中心轴处的折射率为n₁，以中心轴AA′与超材料面板的交点为圆心，随着半径的逐渐增加折射率逐渐变小，而且随着半径的增大，折射率的变化量逐渐增大，其中n₁＞n₂＞n₃＞…＞n_p，(n_m-n_m-1)＞(n_m-1-n_m-2)，m为大于3小于等于q的自然数。

由上述描述可知，所述每一子透镜121的设计至关重要，下面利用超材料设计成所述子透镜121做具体说明，请参阅图6，由电磁波发射源(如天线111)S产生的电磁波经过所述子透镜121传播后可以平行射出。所述子透镜121由多片超材料片层构成，电磁波经过片状基板折射后传播汇聚的路径如图6所示，每片超材料片层包括片状基材和附着在该基材上的人造微结构，基材采用介电绝缘材料制成，可以为陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料、铁磁材料等，例如高分子材料可选用环氧树脂、聚四氟乙烯。人造微结构为以一定的几何形状附着在基材上的金属线，金属线可以是剖面为圆柱状或者扁平状的铜线、银线等，当然金属线的剖面也可以为其他形状，金属线通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻等工艺附着在基材上，每一超材料片层划分为多个单元(包括该单元中的基材和附着在该单元基材上的人造微结构)，每个单元都具有一个人造微结构，每一个单元都会对通过其中的电磁波产生响应，从而影响电磁波在其中的传输，每个单元的尺寸取决于需要响应的电磁波，通常为所需响应的电磁波波长的十分之一，否则空间中包含人造微结构的单元所组成的排列在空间中不能被视为连续。

在基材选定的情况下，通过调整人造微结构的图案、尺寸及其在基材上的空间分布，可以调整超材料上各处的等效介电常数及等效磁导率进而改变超材料各处的等效折射率。当人造微结构采用相同的几何形状时，某处人造微结构的尺寸越大，则该处的等效介电常数及等效磁导率越大，折射率也越大。本实施例采用的人造微结构的图案为工字形，如图7A所示，人造微结构在基材上的分布如图8所示，基板上雪花状的人造微结构的尺寸从中心向周围逐渐变小，在基板中心处，雪花状的人造微结构的尺寸最大，并且在距离中心相同半径处的雪花状人造微结构的尺寸相同，因此基板的等效介电常数及等效磁导率由中间向四周逐渐变小，中间的等效介电常数及等效磁导率最大，因而基板的折射率从中间向四周逐渐变小，中间部分的折射率最大。

进一步参阅图6，由馈源S发出的电磁波经过超材料面板汇聚后沿S1方向平行传出时，偏折角θ与折射率的关系为：Sinθ＝q·Δn(参见Metamaterials：Theory，Design，and Applications，Publisher：Springer，ISBN 1441905723，75页-76页)，其中q是沿轴向排列的人造微结构厚度，Δn表示相邻单元的折射率变化量，且0＜q·Δn＜1，由上述公式可知，超材料面板上相邻单元的折射率变化量大小相同时，对于传输到该位置的电磁波的偏折角相同，折射率变化量越大，偏折角越大。

材料的折射率与其介电常数及磁导率存在如下关系：其中k为比例系数，k取值为正负1，ε为材料的介电常数，u为材料的磁导率，通过对超材料空间中每一点的介电常数ε与磁导率μ的精确设计，可以实现由天线111发出的电磁波经超材料制成的子透镜121折射后平行射出，从而保证电磁波汇聚并在较长的距离始终保持以一束窄波束向前辐射，从而进一步降低干扰邻近电磁通讯覆盖区域。

若干人造微结构可通过人工仿真技术实现，即可由人工对具有特定电磁特性的人造微结构进行设计，将片状基板划分为多个单元，每个单元中的基材与附着在该单元上的人造微结构的等效介电常数ε与等效磁导率μ的选择方法为：

通过计算机仿真和实验测试，先预设发射源与超材料面板的距离，预选一个单元(包括该单元中的基材和附着在基材上具有一定几何形状的人造微结构)作为中心处的单元，将若干单元(包含不同几何参数的人造微结构)响应发射源发出的电磁波的电磁特性进行测量，存储测量得到的电磁响应曲线，确定各种不同单元结构的等效介电常数以及等效磁导率并存在于一个数据库中；然后根据公式Sinθ＝q·Δn，对于不同的偏转角度，确定折射率的变化量，确定不同半径处的折射率，根据折射率与介电常数和磁导率的关系从数据库中选择符合条件的单元结构。

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，人造微结构的图案可以是二维、也可以是三维结构，不限于该实施例中使用的“工”字形(如图7A所示)，可以为“工”字形的衍生结构，可以是图7B所示的在三维空间中各条边相互垂直的雪花状及图7C和图7D所示的雪花状的衍生结构，也可以是其他的几何形状，其中不同的人造微结构可以是图案相同，但是其设计尺寸不同；也可以是图案和设计尺寸均不相同。构成超材料的基板的数量根据需要可增可减，每一片基板的结构可以相同，也可以不同，只要满足由天线111发出的电磁波经过超材料面板传播后可以平行射出即可。

需要说明的是，电磁波透镜112上的每一子透镜121的可以设计相同汇聚折射特性，也可设计完全不同汇聚折射特性。在本实施方式中，电磁波透镜112包括12个正五边形子透镜121和20个正六边子透镜121拼接形成中空的类似足球型腔体结构。另外，可以理解的是：电磁波透镜112可设计不同形状，所述由子透镜121选用三角形，四边形及多边形或者他们之间组成拼接成各种中空的腔体结构，包括但不限于球腔体、半球腔体、球冠腔体、圆柱腔体、方形腔体等。

实施例二

关于基于电磁波透镜实现立体多方位波束扫描原理做进一步介绍：

请参阅图12，在本实施方式中，电磁波透镜112a采用一半球腔体结构，所述当天线111设置于半球腔体结构的圆底面S的圆心处，当所述天线111旋转一角度时，其产生的电磁波波束穿过一子透镜121并经所述子透镜121汇聚后向外形成一束扫描波束。

为了描述所述天线111产生每一束扫描电磁波的扫描方向。请一并参阅图13，将引入空间立体坐标体系来描述每一束电磁波的扫描方向，其中以所述半球腔体结构的圆底面S为xy平面，两条相互垂直的圆半径为立体坐标的x，y轴，垂直该圆底面S的球半径为z轴。假设天线111产生的扫描电磁波方向为υ，其在圆底面S上的投影m，从所述子透镜121中心引一垂线h垂直所述投影m，垂线h与投影m交点处为q，从q引一垂线n垂直于投影m并x轴相交。分别设投影m与电磁波方向υ夹角设为α，与x轴夹角设为β；x轴与电磁波方向υ夹角设为γ。根据上述方式可将该扫描电磁波方向参数υ＝f(0，0，α，β)。通过上述可以推导出描述天线111产生每一电磁波扫描方向的通式：υ＝f(a，b，α，β)其中0≤a，b≤R；-180□≤α，β≤180□，R为半球结构电磁波透镜的半径。

结合实施例一，所述控制单元114基于上述方程式来产生移动或旋转控制命令，然后通过电机驱动模组113驱动平动单元131移动或和旋转单元132旋转，促使天线111移动或和旋转以向各个方向产生扫描电磁波信号。例如，当需要电磁波从x轴方向扫描至υ方向，即控制天线111在圆底面S内转动β角度，然后垂直圆底面S向上抬起α角度即可。如图14所示，当天线111只是做平动时，所述电磁波扫描方向也依次穿过不同子透镜121来实现多角度波束扫描的目的。在其他实施方式中，可利用其他坐标体系来描述电磁波方向参数υ，如球坐标体系等。

如图15所示，由于天线111在不能位置或者角度向同一子透镜121上辐射电磁波，而经过子透镜121汇聚后向外辐射方向也不同，即穿过同一子透镜121的电磁波波束向外扫描方向不同，从而可以提高波束扫描分辨率。

实施例三

请参阅图13，基于电磁波透镜的波束扫描方法流程图。在本实施方式中，所述电磁波透镜应用一扫描装置中，所述扫描装置包括一电磁波发射源。在开启扫描装置后，电磁波发射源产生电磁波信号并穿过该电磁波透镜中的一子透镜(如步骤S11)，然后转换电磁波发射源的方向或和位置，即将电磁波波束的发射方向从所述子透镜转向另一子透镜，所述电磁波波束穿过另一子透镜后汇聚并向外辐射(如步骤S12)。连续重复上述步骤S12且使电磁波依次穿过每一子透镜后就完成一次扫描动作，从而实现波束扫描。

在上述施方式中，通过旋转和平移电磁波发射源两种方式来实现改变电磁波辐射方向。结合图1，由上可知，当旋转单元132和平动单元131分别做全方位且连续的旋转及平动时，所述天线111基于该球面电磁波透镜12对空间区域进行立体多交的波束扫描。

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 (11)

1.一种由超材料制成的电磁波透镜，其特征在于，所述电磁波透镜包括至少两个子透镜，所述子透镜对入射电磁波的折射率分布为：中心轴处的折射率为最大，随着半径的逐渐增加折射率逐渐变小，而且随着半径的增大，折射率的变化量逐渐增大，每一子透镜由至少一片超材料片层构成，每一超材料片层包括一片状基材以及设置在基材上的多个人造微结构，所述电磁波透镜为一中空的腔体，当电磁波扫描波束依次扫描所述每一子透镜后呈不同方向汇聚传播。

2.根据权利要求1所述的电磁波透镜，其特征在于，所述至少两子透镜随机或规则地拼接成所述电磁波透镜。

3.根据权利要求1所述的电磁波透镜，其特征在于，所述片状基材可选用陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料及铁磁材料中的任意一种材料制成。

4.根据权利要求2所述的电磁波透镜，其特征在于，所述人造微结构是以几何图案附着在所述片状基材上的金属线，所述几何图案为在工字形、工字形的衍生形、雪花状或雪花状的衍生形中的任意一种。

5.根据权利要求2所述的电磁波透镜，其特征在于，所述至少两子透镜随机或规则拼接成为中空的球腔体、半球腔体、球冠腔体、圆柱腔体及方形腔体。

6.一种包含权利要求1至5之一电磁波透镜的波束扫描装置，其包括控制单元、电机驱动模组及安装于所述电机驱动模组的自由端的天线，其特征在于，所述天线设置于所述腔体内，所述控制单元根据预设指令或相应的控制命令驱动电机驱动模组的自由端运动，所述天线基于自由端运动而产生电磁波扫描波束，所述电磁波扫描波束依次经每一子透镜汇聚后向不同方向汇聚传播。

7.根据权利要求6所述的波束扫描装置，其特征在于，所述电机驱动模组包括平动单元和旋转单元，所述天线分别随着旋转单元转动而旋转，或随着平动单元移动而平移，从而产生所述电磁波扫描波束。

8.一种波束扫描方法，其特征在于，包括如下步骤：

提供一电磁波发射源；

提供一电磁波透镜，所述电磁波透镜为一中空的腔体，所述电磁波透镜包括一第一子透镜和一第二子透镜，所述第一子透镜和第二子透镜对入射电磁波的折射率分布为：中心轴处的折射率为最大，随着半径的逐渐增加折射率逐渐变小，而且随着半径的增大，折射率的变化量逐渐增大；

将电磁波波束的发射方向从所述第一子透镜转变向第二子透镜，所述电磁波波束穿过第二子透镜后汇聚并向外辐射。

9.根据权利要求8所述的波束扫描方法，其特征在于，所述转变电磁波波束的发射方向包括旋转和平移所述电磁波发射源两种方式。

10.一种波束扫描方法，其特征在于，包括如下步骤：

提供一电磁波发射源；

提供一电磁波透镜，所述电磁波透镜为一中空的腔体，所述电磁波透镜包括至少两子透镜，所述子透镜对入射电磁波的折射率分布为：中心轴处的折射率为最大，随着半径的逐渐增加折射率逐渐变小，而且随着半径的增大，折射率的变化量逐渐增大；

将电磁波波束的发射方向从所述一子透镜转变向另一子透镜，所述电磁波波束穿过另一子透镜后汇聚并向另一方向传播。

11.根据权利要求10所述的波束扫描方法，其特征在于，所述转变电磁波波束的发射方向包括旋转和平移所述电磁波发射源两种方式。