CN102751589A

CN102751589A - 一种超材料制成的微波天线

Info

Publication number: CN102751589A
Application number: CN2011100996235A
Authority: CN
Inventors: 刘若鹏; 徐冠雄; 张洋洋
Original assignee: Kuang Chi Institute of Advanced Technology; Kuang Chi Innovative Technology Ltd
Current assignee: Kuang Chi Institute of Advanced Technology; Kuang Chi Innovative Technology Ltd
Priority date: 2011-04-20
Filing date: 2011-04-20
Publication date: 2012-10-24

Abstract

一种超材料制成的微波天线包括：一馈源；一超材料单元，用于将所述馈源产生的部分电磁波折射汇聚；及一吸波单元，用于将所述馈源产生的剩余部分电磁波吸收。从而减少了馈源的后向辐射的电磁波，使微波天线的前后比得以显著提高，保证了微波天线的高效率。

Description

一种超材料制成的微波天线

技术领域

本发明涉及一种微波天线，尤其涉及一种超材料制成的微波天线。

背景技术

工作于米波、分米波、厘米波、毫米波等波段的发射或接收天线，统称为微波天线。目前反射式微波天线基本上由反射器和馈源(FH，Feed Horn)组成，而按照反射器形状的不同可大致分为抛物面天线、喇叭抛物面天线、喇叭天线等。

如附图1所示，为抛物面天线截面的示意图，其构成包括两个基本要素：抛物反射面R和放置在抛物面焦点上的馈源S。由本领域技术人员的常识可知，所述馈源S在一定空间范围内产生“扁平的面包圈”的电磁辐射区域，在该电磁辐射区域的方向图中，其前后瓣的最大值之比称为前后比，该前后比越大，天线的后向辐射越小，从而可以提高天线性能。当上述反射式微波天线处于工作状态时，其馈源产生的电磁辐射波通过反射器的抛物反射面R向某一特定方向反射。但是，发射器在反射电磁波的同时，其反射器边沿R’处的边缘电流所产生辐射致使微波天线的后向辐射较大，即后瓣较大，降低了微波天线的前后比；同时馈源在反射器边沿R’处还形成衍射电磁波而形成后向辐射，进一步增大后瓣而降低了微波天线的前后比。

发明内容

基于此，有必要提供一种高前后比的超材料制成的微波天线。

一种超材料制成的微波天线包括：一馈源；一超材料单元，用于将所述馈源产生的部分电磁波折射汇聚；及一吸波单元，用于将所述馈源产生的剩余部分电磁波吸收。

所述微波天线还包括一天线腔体，所述天线腔体由一壳体和设置于所述壳体表面的吸波单元组成；天线腔体一侧设有开口，所述超材料单元设置于所述开口处以将馈源封闭于微波天线内。

进一步地，所述微波天线还包括一天线腔体，所述天线腔体截面部分呈抛物面状且两翼延伸形成一开口；超材料单元设置于所述开口处以将馈源包裹于所述微波天线内。

进一步地，所述超材料单元的折射率在垂直于该超材料面板的中心轴上最大，以中心轴为圆心，随着半径的增大，折射率逐渐变小且折射率的变化量逐渐增大，相同半径处的折射率相同，所述馈源位于所述超材料单元的中心轴向上。

进一步地，所述超材料单元由多个超材料片层叠加形成，每一超材料片层包括片状的基材以及附着在该基材上的多个人造微结构。

进一步地，所述基材选用为陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料、铁磁材料中的任意一种。

进一步地，所述每一超材料片层中心点处的折射率最大，以中心点为圆心，随着半径的增大，折射率逐渐变小且折射率的变化量逐渐增大，相同半径处的折射率相同。

进一步地，所述每一超材料片层上的人造微结构的几何形状相同，以中心点为圆心，相同半径上的人造微结构尺寸相同，随着半径逐渐增大所述人造微结构的尺寸逐渐变小。

进一步地，所述的人造微结构是附着在所述基材上的具有几何图案的金属线。

进一步地，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任意一种。

相对于现有技术，微波天线馈源产生的主要辐射方向电磁波经由超材料单元折射汇聚后传播，而剩余部分电磁波被吸收单元吸收；从而减少了馈源的后向辐射的电磁波，使微波天线的前后比得以显著提高，保证了微波天线的高效率。

附图说明

图1是现有技术中为抛物面天线的截面示意图。

图2为本发明中一实施方式中的微波天线截面结构示意图。

图3为本发明中另一实施方式中的微波天线截面结构示意图。

图4为图2或图3所示的馈源产生的电磁波由超材料单元汇聚示意图。

图5为图2或图3所示的超材料单元相对中心轴对称的折射率分布示意图。

图6A为图2或图3所示的超材料单元上‘工字形’人造微结构。

图6B为图2或图3所示的超材料单元上‘雪花状’人造微结构。

图6C为图2或图3所示的超材料单元上的另一种‘雪花状’的人造微结构。

图6D为图2或图3所示的超材料单元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7是采用工字形结构的人造微结构在超材料单元中每层基板中的排列示意图。

具体实施方式

下面结合相关附图及具体实施例对本发明做进一步的描述：

图2为本发明中一实施中的微波天线100截面结构示意图，该微波天线10包括馈源S、超材料单元10及天线腔体11。所述天线腔体11一侧设有开口20，所述超材料单元10设置于所述开口20处以将馈源S封闭于微波天线100内。所述天线腔体11包括一壳体12和一吸波单元13，所述吸波单元13用于吸收电磁波且涂敷于壳体12的内表面。在本实施方式中，壳体12由金属材料制成。

馈源S在其周围空间产生电磁辐射区域，在馈源方向图中，通常都包含有两个或多个瓣，其中辐射强度最大的瓣称为主瓣，其余的瓣称为副瓣或旁瓣。

超材料单元10用于将所述馈源S产生的大部分电磁波折射汇聚。所述被超材料单元10折射汇聚的电磁波包括主瓣方向的电磁辐射波及部分副瓣方向的电磁辐射波。

所述吸波单元13用于将所述馈源产生的剩余部分电磁波吸收并以另一种形式释放。所述剩余部分电磁波指包括后瓣方向的电磁辐射波及剩余部分副瓣方向的电磁辐射波。其中所述后瓣方向是指与主瓣方向完全相反的一个方向。

一般来说，分子和原子都具有一定的吸收能力。当高频电磁波能量对他们辐射时，他们吸收能量，跃迁，回跃，然后以另一种形式释放出来，如热能、光能等形式释放。所述吸波单元11可以由各种吸波涂料制成，其包括但不限于复合陶瓷材料、混凝土等建筑材料、铁氧体、金属超细粉末、金属氧化物磁性超细粉末涂料、陶瓷吸波涂料、纳米吸波涂料、导电高分子吸波涂料及稀土元素吸波涂料等。

请参阅图3，为本发明的另一实施，所述微波天线100’的天线腔体11’截面部分呈抛物面状。所述天线腔体11’的两翼延伸形成一开口20’。超材料单元10’设置于所述开口20’处以将馈源S包裹于所述微波天线100’内。其中所述吸波单元13’涂敷于该壳体12’内表面上。

在本实施方式中，所述超材料单元10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，超材料单元的设计至关重要，下面对超材料单元10做具体说明，由馈源S产生的电磁波经过图2或图3中的结构传播后可以平行射出，假设超材料单元10的结构如图4所示由4片片状基板堆叠而成，电磁波经过4片片状基板折射后传播的路径如图4所示，每一超材料片层包括片状的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，高分子材料例如可以是、环氧树脂或聚四氟乙烯。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，整个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4所示，人造微结构在基材上的分布如图5所示，由图5可知，基板上雪花状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由中间向四周逐渐变小，中间的等效介电常数最大，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。

如图4所示，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的厚度；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，超材料单元10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的精确设计，可以实现由发射源发出的电磁波经超材料折射后平行射出的汇聚特性。

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6A所示)，可以为“工”字形的衍生结构，可以是图6B所示的在三维空间中各条边相互垂直的雪花状及图6C和图6D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，只要满足由天线单元发出的电磁波经过超材料面板传播后可以平行射出即可。

通过使用上述超材料制成的微波天线，微波天线馈源产生的主要辐射方向电磁波经由超材料单元折射汇聚后传播，而剩余部分电磁波被吸收单元吸收；从而减少了馈源的后向辐射电磁波，使微波天线的前后比得以显著提高，保证了微波天线的高效率。

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

1.一种超材料制成的微波天线，其特征在于，所述微波天线包括：

一馈源；

一超材料单元，用于将所述馈源产生的部分电磁波折射汇聚；及

一吸波单元，用于将所述馈源产生的剩余部分电磁波吸收。

2.根据权利要求1所述的微波天线，其特征在于，所述微波天线还包括一天线腔体，所述天线腔体由一壳体和设置于所述壳体表面的吸波单元组成；天线腔体一侧设有开口，所述超材料单元设置于所述开口处以将馈源封闭于微波天线内。

3.根据权利要求1所述的微波天线，其特征在于，所述微波天线还包括一天线腔体，所述天线腔体截面部分呈抛物面状且两翼延伸形成一开口；超材料单元设置于所述开口处以将馈源包裹于所述微波天线内。

4.根据权利要求1所述的微波天线，其特征在于，所述超材料单元的折射率在垂直于该超材料面板的中心轴上最大，以中心轴为圆心，随着半径的增大，折射率逐渐变小且折射率的变化量逐渐增大，相同半径处的折射率相同，所述馈源位于所述超材料单元的中心轴向上。

5.根据权利要求4所述的微波天线，其特征在于，所述超材料单元由多个超材料片层叠加形成，每一超材料片层包括片状的基材以及附着在该基材上的多个人造微结构。

6.根据权利要求5所述的微波天线，所述基材选用为陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料、铁磁材料中的任意一种。

7.根据权利要求6所述的微波天线，其特征在于，所述每一超材料片层中心点处的折射率最大，以中心点为圆心，随着半径的增大，折射率逐渐变小且折射率的变化量逐渐增大，相同半径处的折射率相同。

8.根据权利要求7所述的微波天线，其特征在于，所述每一超材料片层上的人造微结构的几何形状相同，以中心点为圆心，相同半径上的人造微结构尺寸相同，随着半径逐渐增大所述人造微结构的尺寸逐渐变小。

9.根据权利要求8所述的微波天线，其特征在于，所述的人造微结构是附着在所述基材上的具有几何图案的金属线。

10.根据权利要求9所述的微波天线，其特征在于，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任意一种。