CN102769206A - 一种喇叭透镜天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种喇叭透镜天线，其包括喇叭天线以及贴附于喇叭天线口径面上的平板超材料板，所述超材料板包括一层或多层核心超材料片层；所述核心超材料片层上以其中心点为圆心，半径r处的折射率分布n(r)满足如下公式：

本发明通过利用超材料原理设计喇叭透镜天线中的透镜，取代了现有的曲面形状的透镜，平板状的超材料透镜能很好的和喇叭天线口径面结合，便于运输和使用。

Description

一种喇叭透镜天线

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种喇叭透镜天线。

背景技术

天线是传送以及天线是传送及接收电磁波的窗口，天线经过特殊设计，能将发射端的射频能量以电磁波的方式有效地向空中辐射，又或者截取空中电磁波能量转变为接收端有用的射频信号。天线的大小和形状十分重要，因为这些特征决定了天线从空中获取微弱电磁波信号的能力。

喇叭天线是最常用的微波天线之一，它是一种波导管终端渐变张开的圆形或矩形截面的微波天线，通常是由一个长方形或圆柱形的金属管，一端封闭，另一端加上一个圆锥形或锥体形所组成，其广泛应用于卫星天线之上。

喇叭天线因为没有任何谐振元素，所以可以工作在较宽的频率范围，例如允许它从1GHz的运行到20GHz。喇叭天线的优点是损耗小、旁瓣小、前后比高，而且波束尖锐。但缺点是体积较大，如果以同一口径比较的话，它的方向性不及抛物面天线尖锐。

为解决其方向性不佳的问题，现有的喇叭天线在其口径面前方设置透镜形成喇叭透镜天线，使得电磁波信号集中成窄的射束。然而现有的透镜形状呈现凹透镜或凸透镜形状，其表面为曲面而喇叭天线口径面为平面，曲面的透镜不能很好的和平面的喇叭天线口径面结合，从而使得喇叭透镜天线整体体积过大，运输和使用均不方便。

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，提出一种形状为平板状，能很好的和喇叭天线口径面结合且能加强喇叭天线方向性的喇叭透镜天线。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是提出一种喇叭透镜天线，其包括喇叭天线以及贴附于喇叭天线口径面上的平板超材料板，所述超材料板包括一层或多层核心超材料片层；所述核心超材料片层上以其中心点为圆心，半径r处的折射率分布n(r)满足如下公式：

$n\left(r\right)=n_{\max }-\frac{1}{d}(\sqrt{r^2+{\mathrm{ss}}^2}-\mathrm{ss});$

$d=(\sqrt{{\left(\frac{L}{2}\right)}^2+{\mathrm{ss}}^2}-\mathrm{ss})/(n_{\max }-n_{\min });$

其中，n_max表示核心超材料片层上的最大折射率值，n_min表示核心超材料片层上的最小折射率值，L表示核心超材料片层的长度，ss表示喇叭天线等效点源距核心超材料片层内表面的垂直距离。

进一步地，所述核心超材料片层内外表面对称设置有第二阻抗匹配层，所述第二阻抗匹配层的折射率分布为：

n₁(r)=n_min+α₁[n(r)-n_min]；

其中，α₁为第二阻抗匹配层的匹配参数。

进一步地，α₁通过如下公式确定：

${\mathrm{\α}}_1=\frac{\sqrt{n_{\min }\×n_{\max }}-n_{\min }}{n_{\max }-n_{\min }}.$

进一步地，所述核心超材料片层和第二阻抗匹配层均包括基材以及周期排布于基材上的多个人造微结构。

进一步地，所述人造微结构为人造金属微结构，所述人造金属微结构拓扑图案呈各向同性。

进一步地，所述人造金属微结构呈平面雪花状，其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，所述平面雪花状的人造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。

进一步地，所述多个人造金属微结构以平面雪花状金属微结构为基本形状演变得到，平面雪花状金属微结构包括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；演变方式为：（1）从正方形金属块向其四边生长金属形成第一金属线及第二金属线，第一金属线与第二金属线逐渐生长成最大值；（2）第一金属线与第二金属线生长成最大值后从第一金属线两端以及第二金属线两端分别生长第一金属分支和第二金属分支，第一金属分支和第二金属分支逐渐生长成最大值。

进一步地，核心超材料片层最大折射率值为4.55，最小折射率值为1.85。

本发明通过利用超材料原理设计喇叭透镜天线中的透镜，取代了现有的曲面形状的透镜，平板状的超材料透镜能很好的和喇叭天线口径面结合，便于运输和使用。另外本发明透镜天线结构简单、成本较低。

附图说明

图1为构成超材料的基本单元的立体结构示意图；

图2为核心超材料片层的折射率分布示意图；

图3为核心超材料片层沿A-A方向剖切后应用于喇叭天线上的结构示意图；

图4为本发明一实施例中的人造微结构的拓扑图案；

图5为图4所示拓扑图案的一种衍生结构；

图6为图4所示拓扑图案的一种变形结构；

图7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8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9为本发明喇叭透镜天线一实施例中的远场测试结果图。

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周期排布于基材上即可构成，工艺简单且成本低廉。周期排布即指上述人为划分的各个超材料基本单元上的人造金属微结构能对入射电磁波产生连续的电磁响应。

本发明即利用上述超材料基本原理，通过设计超材料整体的折射率分布，并在平板状的超材料基材上周期排布人造微结构以实现上述折射率分布；从而实现普通曲面形状的透镜的汇聚电磁波、改良喇叭天线方向性的功能。

超材料板包括一层或多层核心超材料片层，本发明通过如下方式确定核心超材料片层的折射率分布：首先决定核心超材料片层上的最大折射率值n_max和最小折射率值n_min，并根据最大折射率值n_max和最小折射率值n_min得到核心超材料片层厚度d；核心超材料片层上的折射率分布以其中心为圆形呈同心圆形分布，相同半径处的折射率相同，随着半径的增大，折射率逐渐减小，其折射率分布示意图如图2所示。

如图3所示，图3为核心超材料片层沿A-A方向剖切后应用于喇叭天线上的结构示意图。喇叭天线口径面直径为L，同理核心超材料片层的最大长度也为L；喇叭天线的等效点源距核心超材料片层的内表面的垂直距离为ss。

核心超材料片层上距核心超材料片层中心点r处的折射率分布满足如下公式：

$n\left(r\right)=n_{\max }-\frac{1}{d}(\sqrt{r^2+{\mathrm{ss}}^2}-\mathrm{ss});$

$d=(\sqrt{{\left(\frac{L}{2}\right)}^2+{\mathrm{ss}}^2}-\mathrm{ss})/(n_{\max }-n_{\min });$

其中，r也表示图3中核心超材料片层上距其中轴线的距离；n_max表示核心超材料片层上的最大折射率值，n_min表示核心超材料片层上的最小折射率值，L表示核心超材料片层的长度，ss表示喇叭天线等效点源距核心超材料片层内表面的垂直距离。

为降低因为折射率突变带来的反射增益损失，实现阻抗匹配，本发明还在核心超材料片层内外表面对称设置有第一阻抗匹配层和第二阻抗匹配层。第一阻抗匹配层折射率分布均匀，均为n_min，第二阻抗匹配层折射率分布为：

n₁(r)=n_min+α₁[n(r)-n_min]；

其中，α₁为第二阻抗匹配层的匹配参数，可根据需要调整。在本实施例中，

${\mathrm{\α}}_1=\frac{\sqrt{n_{\min }\×n_{\max }}-n_{\min }}{n_{\max }-n_{\min }}.$

得到核心超材料片层和第一、第二阻抗匹配层的折射率分布后，需要在基材上周期排布人造微结构以实现对应的折射率分布。当然，可以想象地，由于第一阻抗匹配层折射率分布均匀，可通过常规方法得到其折射率分布，而无需采用超材料设计方法。

不同的人造微结构的拓扑形状和尺寸对应不同的折射率值，可通过利用计算机大规模运算的方式从数据库中选取每点对应的人造微结构的拓扑形状和尺寸。选取的人造微结构一方面需要满足各点折射率分布值的要求，另一方面也需要满足核心超材料片层和阻抗匹配层的最大和最小折射率值要求。

如图4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5是图4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6是图4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6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、放大的方式获得核心超材料片层和匹配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核心超材料片层和匹配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，通过演变方式获得核心超材料片层和匹配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。当超材料片层还包括覆盖层时，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4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4所示，本实施例中，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。本实施例中，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4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7至图8所示的演变方式，对应于某一特定频率（例如4GHZ），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4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7所示，其从边长为W的正方形JX1向其四边生长金属并逐渐演变成最大的“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，可确定核心超材料片层和阻抗匹配层上的最小折射率值，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8所示，即从最大的“十”字形拓扑形状JD1四个端点分别生长金属并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，可确定核心超材料片层和阻抗匹配层的最大折射率值，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。

通过上述方法得到超材料后将其贴附于喇叭天线口径面，形成喇叭透镜天线，测试本实施例中喇叭透镜天线的远场dB值，测试时，超材料最大折射率值为4.55，最小折射率值为1.85，超材料厚度约为5毫米，喇叭天线辐射的电磁波的中心频点为15GHZ，远场仿真结果图如图9所示。从图9中可知，本实施例中喇叭透镜天线的远场最大值可达到77.4675dB，半功率带宽可达到24.5672°，实现了通过平板超材料改善喇叭天线方向性的目的。

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)

1.一种喇叭透镜天线，其特征在于：包括喇叭天线以及贴附于喇叭天线口径面上的平板超材料板，所述超材料板包括一层或多层核心超材料片层；所述核心超材料片层上以其中心点为圆心，半径r处的折射率分布n(r)满足如下公式：

$n\left(r\right)=n_{\max }-\frac{1}{d}(\sqrt{r^2+{\mathrm{ss}}^2}-\mathrm{ss});$

$d=(\sqrt{{\left(\frac{L}{2}\right)}^2+{\mathrm{ss}}^2}-\mathrm{ss})/(n_{\max }-n_{\min });$

其中，n_max表示核心超材料片层上的最大折射率值，n_min表示核心超材料片层上的最小折射率值，L表示核心超材料片层的长度，ss表示喇叭天线等效点源距核心超材料片层内表面的垂直距离。

2.如权利要求1所述的喇叭透镜天线，其特征在于：所述核心超材料片层内外表面对称设置有第二阻抗匹配层，所述第二阻抗匹配层的折射率分布为：

n1(r)=n_min+α₁[n(r)-n_min]；

其中，α₁为第二阻抗匹配层的匹配参数。

3.如权利要求2所述的喇叭透镜天线，其特征在于：α₁通过如下公式确定：

${\mathrm{\α}}_1=\frac{\sqrt{n_{\min }\×n_{\max }}-n_{\min }}{n_{\max }-n_{\min }}.$

4.如权利要求1至3任一项所述的喇叭透镜天线，其特征在于：所述核心超材料片层和第二阻抗匹配层均包括基材以及周期排布于基材上的多个人造微结构。

5.如权利要求4所述的喇叭透镜天线，其特征在于：所述人造微结构为人造金属微结构，所述人造金属微结构拓扑图案呈各向同性。

6.如权利要求5所述的喇叭透镜天线，其特征在于：所述人造金属微结构呈平面雪花状，其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。

7.如权利要求6所述的喇叭透镜天线，其特征在于：所述平面雪花状的人造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。

8.如权利要求6所述的喇叭透镜天线，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。

9.如权利要求5所述的喇叭透镜天线，其特征在于：所述多个人造金属微结构以平面雪花状金属微结构为基本形状演变得到，平面雪花状金属微结构包括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；演变方式为：（1）从正方形金属块向其四边生长金属形成第一金属线及第二金属线，第一金属线与第二金属线逐渐生长成最大值；（2）第一金属线与第二金属线生长成最大值后从第一金属线两端以及第二金属线两端分别生长第一金属分支和第二金属分支，第一金属分支和第二金属分支逐渐生长成最大值。

10.如权利要求1至3任一项所述的喇叭透镜天线，其特征在于：核心超材料片层最大折射率值为4.55，最小折射率值为1.85。

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