CN102769188B - 一种喇叭天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种喇叭天线，包括波导终端以及从波导终端逐渐张开的喇叭口，所述喇叭口内侧表面附着有超材料，所述超材料包括一层或多层折射率分布相同的核心超材料片层，所述核心超材料片层包括基材以及排布于基材上的多个人造微结构，所述核心超材料片层上的折射率沿电磁波传播方向先逐渐减小至最小折射率，而后由最小折射率跳变至最大折射率并再次逐渐减小。本发明通过在喇叭天线喇叭口内侧表面设置超材料，增强喇叭天线增益，同时不增大喇叭天线体积，使用方便。

Description

一种喇叭天线

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种喇叭天线。

背景技术

喇叭天线是指由波导管终端渐变张开的圆形或矩形截面的微波天线。喇叭天线体积相对于抛物面形状的微波天线较小，且喇叭天线的方向性较好。由于喇叭天线结构简单以及方向图易于控制，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。

为了进一步地改善喇叭天线的增益和方向性，现有的方案通过在喇叭天线的喇叭面上增加汇聚电磁波的透镜形成喇叭透镜天线，该种方式成本较高且将喇叭天线体积较小的优势减弱。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述不足，提出一种喇叭天线。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是，提出一种喇叭天线，其包括波导终端以及从波导终端逐渐张开的喇叭口，所述喇叭口内侧表面附着有超材料，所述超材料包括一层或多层折射率分布相同的核心超材料片层，所述核心超材料片层包括基材以及排布于基材上的多个人造微结构，所述核心超材料片层上的折射率沿电磁波传播方向先逐渐减小至最小折射率，而后由最小折射率值跳变至最大折射率值并再次逐渐减小。

进一步地，以核心超材料片层中心点为原点建立XY坐标系，喇叭口口径面中心点坐标值为（x₀，y₀），核心超材料片层各点的折射率分布n(x，y)满足如下公式：

$n(x,y)=n_{\max }-\frac{(\mathrm{route}-\mathrm{ss}-\mathrm{\λ}*{\mathrm{num}}_{\mathrm{seg}})*(n_{\max }-n_{\min })}{\mathrm{\λ}};---\left(1\right)$

$\mathrm{route}=\sqrt{{\mathrm{dis}}^2+{(r-r_0)}^2}+(\frac{L}{2\sin \mathrm{\α}}-r)*\cos \mathrm{\α};---\left(2\right)$

r=x*cosα+y*sinα；（4）

r₀=x₀*cosα+y₀*sinα；（5）

${\mathrm{num}}_{\mathrm{seg}}=\mathrm{floor}\left(\frac{\mathrm{route}-\mathrm{ss}}{\mathrm{\λ}}\right);---\left(7\right)$

上述式（1）至式（7）中，floor函数表示向下取整函数，X₀、Y₀表示喇叭口口径面中心点坐标值，L表示核心超材料片层的长度，α表示波导终端与喇叭口的夹角，θ表示核心超材料片层的垂直线与水平线的夹角，λ为喇叭天线响应电磁波波长，n_max表示核心超材料片层的最大折射率值，n_min表示核心超材料片层的最小折射率值。

进一步地，所述人造微结构为由铜线或银线构成的金属微结构，所述金属微结构呈平面雪花状，所述金属微结构具有相互垂直平分的第一金属线及第二金属线，所述第一金属线与第二金属线的长度相同，所述第一金属线两端连接有相同长度的两个第一金属分支，所述第一金属线两端连接在两个第一金属分支的中点上，所述第二金属线两端连接有相同长度的两个第二金属分支，所述第二金属线两端连接在两个第二金属分支的中点上，所述第一金属分支与第二金属分支的长度相等。

进一步地，所述平面雪花状的金属微结构的每个第一金属分支及每个第二金属分支的两端还连接有完全相同的第三金属分支，相应的第三金属分支的中点分别与第一金属分支及第二金属分支的端点相连。

进一步地，所述平面雪花状的金属微结构的第一金属线与第二金属线均设置有两个弯折部，所述平面雪花状的金属微结构绕第一金属线与第二金属线的交点在金属微结构所处平面内向任意方向旋转90度的图形都与原图重合。

进一步地，所述超材料还包括设置于核心超材料片层外表面的多层折射率分布不同的阻抗超材料片层，各层阻抗超材料片层的阻抗值从最外层阻抗超材料片层至最内层阻抗超材料片层逐渐增加。

进一步地，所述超材料包括五层阻抗超材料片层，最外层阻抗超材料片层折射率分布均匀，为n_min；第二层阻抗超材料片层的折射率分布为：n₂(x，y)=(n_min)^4/5*[n(x，y)]^1/5；第三层阻抗超材料片层的折射率分布为：n₃(x，y)=(n_min)^3/5*[n(x，y)]^2/5；第四层阻抗超材料片层的折射率分布为：n₄(x，y)=(n_min)^2/5*[n(x，y)]^3/5；第五层阻抗超材料片层的折射率分布为：n₅(x，y)=(n_min)^1/5*[n(x，y)]^4/5。

进一步地，所述超材料包括两层核心超材料片层。

进一步地，每层核心超材料片层与每层阻抗超材料片层的厚度相等。

进一步地，所述超材料厚度为5.726毫米。

本发明通过在喇叭天线喇叭口内侧表面设置超材料，增强喇叭天线增益，同时不增大喇叭天线体积，使用方便。

附图说明

图1为一实施例中构成超材料的基本单元的立体结构示意图；

图2为本发明喇叭天线的纵剖视结构示意图；

图3为本发明一实施例中的人造微结构的拓扑图案；

图4为图3所示拓扑图案的一种衍生结构；

图5为图3所示拓扑图案的一种变形结构；

图6为平面雪花状的金属微结构的拓扑形状演变的第一阶段；

图7为平面雪花状的金属微结构的拓扑形状演变的第二阶段；

图8为没有设置超材料时喇叭天线远场dB值测试结果图；

图9为设置超材料后喇叭天线远场dB值测试结果图。

具体实施方式

光，作为电磁波的一种，其在穿过玻璃的时候，因为光线的波长远大于原子的尺寸，因此我们可以用玻璃的整体参数，例如折射率，而不是组成玻璃的原子的细节参数来描述玻璃对光线的响应。相应的，在研究材料对其他电磁波响应的时候，材料中任何尺度远小于电磁波波长的结构对电磁波的响应也可以用材料的整体参数，例如介电常数ε和磁导率μ来描述。通过设计材料每点的结构使得材料各点的介电常数和磁导率都相同或者不同从而使得材料整体的介电常数和磁导率呈一定规律排布，规律排布的磁导率和介电常数即可使得材料对电磁波具有宏观上的响应，例如汇聚电磁波、发散电磁波等。该类具有规律排布的磁导率和介电常数的材料称之为超材料。

如图1所示，图1为构成超材料的基本单元的立体结构示意图。超材料的基本单元包括人造微结构2以及该人造微结构附着的基材1。人造微结构可为人造金属微结构，人造金属微结构具有能对入射电磁波电场和/或磁场产生响应的平面或立体拓扑结构，改变每个超材料基本单元上的人造金属微结构的图案和/或尺寸即可改变每个超材料基本单元对入射电磁波的响应。优选地，人造微结构2上还可覆盖有覆盖层3，覆盖层3、人造微结构2以及基材1构成超材料的基本单元。多个超材料基本单元按一定规律排列即可使得超材料对电磁波具有宏观的响应。由于超材料整体需对入射电磁波有宏观电磁响应因此各个超材料基本单元对入射电磁波的响应需形成连续响应，这要求每一超材料基本单元的尺寸小于入射电磁波波长的五分之一，优选为入射电磁波波长的十分之一。本段描述中，人为的将超材料整体划分为多个超材料基本单元，但应知此种划分方法仅为描述方便，超材料可由多个超材料基本单元拼接或组装而成，也可将人造金属微结构排布于基材上即可构成，工艺简单且成本低廉。

本发明即利用上述超材料基本原理，通过设计超材料并将其贴附于喇叭天线喇叭口内侧表面以达到增强喇叭天线的增益和方向性同时不增加喇叭天线的体积。

本发明超材料包括一层或多层折射率分布相同的核心超材料片层。核心超材料片层包括基材以及排布于基材上的多个人造微结构，核心超材料片层具有固定的最大折射率值n_max和最小折射率值n_min，最大折射率值n_max和最小折射率值n_min可人为定义，并受到工艺条件的限制。沿电磁波传播方向，或者沿喇叭天线喇叭口渐变增大方向，核心超材料片层上的折射率首先逐渐减小至最小折射率值n_min，而后由最小折射率值n_min跳变至最大折射率值n_max并从最大折射率值n_max逐渐减小。

当喇叭天线喇叭口足够长时，核心超材料片层上的折射率变化可能存在多个周期，即沿电磁波传播方向，核心超材料片层上的折射率由折射率最小值跳变至折射率最大值后，由折射率最大值逐渐减小至折射率最小值后又跳变至折射率最大值，并再次由折射率最大值逐渐减小；依此反复。

进一步地，所述核心超材料片层上的折射率可通过如下方式计算得出。请参照图2，图2为内侧表面附着有超材料的喇叭天线的结构示意图。喇叭天线包括波导终端10以及从波导终端10逐渐张开的喇叭口20，喇叭口20内侧表面附着有超材料，超材料包括一层或多层核心超材料片层30。图2为纵剖视图，因此核心超材料片层30包括上层核心超材料片层31以及下层核心超材料片层32。本实施例中，仅计算上层核心超材料片层31的折射率分布，获得上层核心超材料片层31的折射率分布后，下层核心超材料片层32的折射率与上层核心超材料片层21的折射率分布以喇叭天线中轴线为对称轴对称分布。

本实施例中，以上层核心超材料片层31中心点O点为原点建立XY坐标系。喇叭口口径面中心点A点坐标值为（x₀，y₀）。根据喇叭天线的尺寸值可得出喇叭口口径面中心点坐标值，不同的喇叭天线尺寸对应不同的喇叭口口径面中心点坐标值。

波导终端10与喇叭口20的夹角记为α，上层核心超材料片层31的垂直线与水平线的夹角记为θ，上层核心超材料片层31的长度记为L。

上层核心超材料片层31在xy坐标轴中，各点的折射率分布n(x，y)满足如下公式：

$n(x,y)=n_{\max }-\frac{(\mathrm{route}-\mathrm{ss}-\mathrm{\λ}*{\mathrm{num}}_{\mathrm{seg}})*(n_{\max }-n_{\min })}{\mathrm{\λ}};---\left(1\right)$

$\mathrm{route}=\sqrt{{\mathrm{dis}}^2+{(r-r_0)}^2}+(\frac{L}{2\sin \mathrm{\α}}-r)*\cos \mathrm{\α};---\left(2\right)$

r=x*cosα+y*sinα；（4）

r₀=x₀*cosα+y₀*sinα；（5）

${\mathrm{num}}_{\mathrm{seg}}=\mathrm{floor}\left(\frac{\mathrm{route}-\mathrm{ss}}{\mathrm{\λ}}\right);---\left(7\right)$

上述式（1）至式（7）中，floor函数表示向下取整函数，X₀、Y₀表示喇叭口口径面中心点坐标值，L表示上层核心超材料片层的长度，α表示波导终端与喇叭口的夹角，θ表示上层核心超材料片层的垂直线与水平线的夹角，λ为喇叭天线响应电磁波波长，n_max表示上层核心超材料片层的最大折射率值，n_min表示上层核心超材料片层的最小折射率值。

获得上述折射率分布后，需要在基材上排布拓扑结构和/或尺寸不全相同的人造微结构以形成超材料，使得超材料的折射率分布满足n(x，y)分布。

如图3所示，其为本发明一实施例中的人造微结构的拓扑图案。该人造微结构拓扑结构为呈各向同性的平面雪花型。各向同性是指沿微结构中心点将微结构在微结构所在平面上，按任意方向旋转90°后得到的新图案都与原图案重合。采用各向同性的微结构能简化设计，其对垂直微结构所在平面入射的各个方向的电磁波均具有相同的电磁响应，具有很好的一致性。

平面雪花型的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4是图3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5是图3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7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。

得到微结构的具体拓扑图案后，可通过将微结构按照比例缩小、放大的方式获得整个超材料片层的折射率分布，也可通过以具体的一个微结构图案为基本图形，以通过演变获得基本图形的方式来获得整个超材料片层的折射率分布。

下面详细介绍以平面雪花型为基本图形，通过演变方式获得超材料片层折射率分布的具体步骤：

（1）确定微结构的附着基材。当超材料基本单元还包括覆盖层时，覆盖层的材质与基材材质相同。基材材质可选取FR-4、F4B或PS材料，无论选取何种材料，均可确定基材的折射率值。

（2）确定超材料单元的尺寸。超材料单元的尺寸由其所响应的电磁波频段的中心频点得到，利用该中心频点得到其波长，再取小于波长的五分之一的一个数值作为超材料单元的长度CD与宽度KD。

（3）确定微结构的材料及拓扑结构。本实施例中，微结构的材料为铜，微结构的拓扑结构为图3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图形。

（4）确定金属微结构的拓扑形状参数。如图3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3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一般应大于等于0.1mm，同样，线宽W也是要大于等于0.1mm。限制线宽和超材料单元的尺寸后，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6至图7所示的演变方式，对应于某一特定频率（例如10GHZ），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图形为图3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）。在第一阶段中，金属微结构的拓扑形状的演变如图6所示，其从边长为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。在第一阶段中，可确定第一超材料板和第二超材料板上的最小折射率值，也即当金属微结构形状为边长为W的正方形JX1时的折射率值。

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。在第二阶段中，金属微结构的拓扑形状的演变如图7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。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。在第二阶段中，可确定第一超材料板和第二超材料板上的最大折射率值，也即当金属微结构形状为最大的平面雪花状拓扑形状JD2时的折射率值。

在上述第一阶段和第二阶段的演变过程中，均需要保证演变过程中的微结构的拓扑图案为各向同性的拓扑图案。

通过上述演变得到超材料单元的折射率变化范围需满足设计需要。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。

进一步地，本发明为了减少电磁波穿过核心超材料片层时，因为阻抗相差过大而造成的电磁波反射增益损失，还在核心超材料片层上设置有多层阻抗超材料片层。各层阻抗超材料片层的折射率分布不相同，且从最外层至最内层，各层阻抗超材料片层的阻抗逐渐增加。

优选地，本发明从最外层至最内层包括第一至第五层阻抗超材料片层，其中第一层阻抗超材料片层上的折射率分布均匀，为n_min。第二层阻抗超材料片层的折射率分布为：n₂(x，y)=(n_min)^4/5*[n(x，y)]^1/5；第三层阻抗超材料片层的折射率分布为：n₃(x，y)=(n_min)^3/5*[n(x，y)]^2/5；第四层阻抗超材料片层的折射率分布为：n₄(x，y)=(n_min)^2/5*[n(x，y)]^3/5；第五层阻抗超材料片层的折射率分布为：n₅(x，y)=(n_min)^1/5*[n(x，y)]^4/5。可以想象地，本发明还可以设置其他层数的阻抗超材料片层，也可通过其他折射率渐变方式获得各层阻抗超材料片层与核心超材料片层的对应关系，例如可以为等比渐变、等差渐变等方式，只要达到从最外层阻抗超材料片层至最内层阻抗超材料片层的阻抗逐渐增加以减小电磁波入射到核心超材料片层时的电磁波反射增益损失。各层阻抗超材料片层的制备方式可参照核心超材料片层的制备方式，在此不再赘述。

本发明一实施例中，喇叭天线辐射的电磁波频率中心频点为10GHZ，超材料的最大折射率值为4.92，最小折射率值为1.28，采用5层阻抗超材料片层以及2层核心超材料片层。在没有超材料时，喇叭天线的远场图如图8所示，加上超材料后，喇叭天线的远场图如图9所示。从图8和图9对比可以看出，加上超材料后，远场最大值变为29.1601dB，半功率带宽为24.1519°。且本实施例中，每层核心超材料片层和每层阻抗超材料片层的厚度相等，均为0.818毫米，超材料总厚度仅为5.726毫米。具有占用面积小，改善效果好的有益效果。

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)

1.一种喇叭天线，包括波导终端以及从波导终端逐渐张开的喇叭口，其特征在于：所述喇叭口内侧表面附着有超材料，所述超材料包括一层或多层折射率分布相同的核心超材料片层，所述核心超材料片层包括基材以及排布于基材上的多个人造微结构，所述核心超材料片层上的折射率沿电磁波传播方向先逐渐减小至最小折射率，而后由最小折射率跳变至最大折射率并再次逐渐减小；依此反复；所述核心超材料片层包括上层核心超材料片层以及下层核心超材料片层，所述上层核心超材料片层的折射率与所述下层核心超材料片层的折射率分布以所述喇叭天线的中轴线为对称轴对称分布。

2.如权利要求1所述的喇叭天线，其特征在于：以核心超材料片层中心点为原点建立XY坐标系，喇叭口口径面中心点坐标值为(x₀，y₀)，核心超材料片层各点的折射率分布n(x,y)满足如下公式：

$n(x,y)=n_{\max }-\frac{(\mathrm{route}-\mathrm{ss}-\mathrm{\λ}*{\mathrm{num}}_{\mathrm{seg}})*(n_{\max }-n_{\min })}{\mathrm{\λ}};---\left(1\right)$

$\mathrm{route}=\sqrt{{\mathrm{dis}}^2+{(r-r_0)}^2}+(\frac{L}{2\sin \mathrm{\α}}-r)*\cos \mathrm{\α};---\left(2\right)$

r＝x*cosα+y*sinα；   (4)

r₀＝x₀*cosα+y₀*sinα；   (5)

${\mathrm{num}}_{\mathrm{seg}}=\mathrm{floor}\left(\frac{\mathrm{route}-\mathrm{ss}}{\mathrm{\λ}}\right);---\left(7\right)$

上述式(1)至式(7)中，floor函数表示向下取整函数，X₀、Y₀表示喇叭口口径面中心点坐标值，L表示核心超材料片层的长度，α表示波导终端与喇叭口的夹角，θ表示核心超材料片层的垂直线与水平线的夹角，λ为喇叭天线响应电磁波波长，n_max表示核心超材料片层的最大折射率值，n_min表示核心超材料片层的最小折射率值。

3.如权利要求2所述的喇叭天线，其特征在于：所述人造微结构为由铜线或银线构成的金属微结构，所述金属微结构呈平面雪花状，所述金属微结构具有相互垂直平分的第一金属线及第二金属线，所述第一金属线与第二金属线的长度相同，所述第一金属线两端连接有相同长度的两个第一金属分支，所述第一金属线两端连接在两个第一金属分支的中点上，所述第二金属线两端连接有相同长度的两个第二金属分支，所述第二金属线两端连接在两个第二金属分支的中点上，所述第一金属分支与第二金属分支的长度相等。

4.如权利要求3所述的喇叭天线，其特征在于：所述平面雪花状的金属微结构的每个第一金属分支及每个第二金属分支的两端还连接有完全相同的第三金属分支，相应的第三金属分支的中点分别与第一金属分支及第二金属分支的端点相连。

5.如权利要求3所述的喇叭天线，其特征在于：所述平面雪花状的金属微结构的第一金属线与第二金属线均设置有两个弯折部，所述平面雪花状的金属微结构绕第一金属线与第二金属线的交点在金属微结构所处平面内向任意方向旋转90度的图形都与原图重合。

6.如权利要求1至5任一项所述的喇叭天线，其特征在于：所述超材料还包括设置于核心超材料片层外表面的多层折射率分布不同的阻抗超材料片层，各层阻抗超材料片层的阻抗值从最外层阻抗超材料片层至最内层阻抗超材料片层逐渐增加。

7.如权利要求6所述的喇叭天线，其特征在于：所述超材料包括五层阻抗超材料片层，最外层阻抗超材料片层折射率分布均匀，为n_min；第二层阻抗超材料片层的折射率分布为：n₂(x,y)＝(n_min)^4/5*[n(x,y)]^1/5；第三层阻抗超材料片层的折射率分布为：n₃(x,y)＝(n_min)^3/5*[n(x,y)]^2/5；第四层阻抗超材料片层的折射率分布为：n₄(x,y)＝(n_min)^2/5*[n(x,y)]^3/5；第五层阻抗超材料片层的折射率分布为：n₅(x,y)＝(n_min)^1/5*[n(x,y)]^4/5。

8.如权利要求7所述的喇叭天线，其特征在于：所述超材料包括两层核心超材料片层。

9.如权利要求8所述的喇叭天线，其特征在于：每层核心超材料片层与每层阻抗超材料片层的厚度相等。

10.如权利要求9所述的喇叭天线，其特征在于：所述超材料厚度为5.726毫米。