CN102780095A - 高方向性天线 - Google Patents

Abstract

本发明实施例涉及一种高方向性天线，所述天线包括常规天线和覆盖在常规天线上的具有电磁波汇聚功能的超材料，所述超材料由至少一个超材料片层构成，所述超材料片层包括基板以及开设在基板上的多个孔。本发明的高方向性天线，在常规天线的外面覆盖有超材料，天线产生的辐射首先要通过超材料，然后才能辐射到自由空间，通过在超材料的基板上打孔以调整超材料的电磁参数分布，使超材料具有汇聚电磁波的功能，进而使天线辐射的主瓣宽度变窄，可实现高方向性的天线。

Description

高方向性天线

技术领域

本发明涉及通信领域，尤其涉及一种高方向性天线。

背景技术

天线的方向性辐射模式(方向图)是衡量天线性能的重要图形，可以从天线方向图中观察到天线的各项参数，包括主瓣宽度，旁瓣电平，前后比，方向系数等。不同类型的天线具有各自不同特点的方向图。现有的技术中，为了获得高方向性的天线，需要进行精细而复杂的设计。但是，通常这样的设计是很复杂的，即使设计出来也是很难加工的。

发明内容

本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种高方向性天线，加工简单，可批量生产。

为解决上述技术问题，提供了一种高方向性天线，所述天线包括常规天线和覆盖在常规天线上的具有电磁波汇聚功能的超材料，所述超材料由至少一个超材料片层构成，所述超材料片层包括基板以及开设在基板上的多个孔。

上述技术方案至少具有如下有益效果：本发明的高方向性天线，在常规天线的外面覆盖有超材料，天线产生的辐射首先要通过超材料，然后才能辐射到自由空间，通过在超材料的基板上打孔以调整超材料的电磁参数分布，使超材料具有汇聚电磁波的功能，进而使天线辐射的主瓣宽度变窄，可实现高方向性的天线。

附图说明

图1是本发明的高方向性天线相对于常规天线其方向图改变的示意图。

图2是本发明的高方向性天线所采用的超材料的第一实施例的结构示意图。

图3是本发明的高方向性天线所采用的超材料的第二实施例的结构示意图。

图4是本发明的高方向性天线所采用的超材料的第三实施例的结构示意图。

图5是本发明的高方向性天线所采用的超材料的第四实施例的结构示意图。

图6是本发明的另一实施例的高方向性天线相对于常规天线其方向图改变的示意图。

具体实施方式

电磁波的折射率与

成正比关系，当一束电磁波由一种介质传播到另外一种介质时，电磁波会发生折射，当物质内部的折射率分布非均匀时，电磁波就会向折射率比较大的位置偏折，通过改变折射率在材料中的分布，可以达到改变电磁波的传播路径的目的。

在一块电磁参数分布均匀的材料上，通过在材料某些区域打小孔，由于空气会填入这些小孔，会导致该材料局部区域的电磁参数(介电常数和磁导率)减小，材料整体的折射率分布发生变化。根据上述原理，分析该材料的电磁参数和空气电磁参数的相互作用关系，通过控制小孔的数量和大小分布就可以调整材料局部区域的电磁参数分布，以此类推，根据各个区域要求的电磁参数分布，就可以实现材料宏观整体上的对电磁波的不同响应，本发明的高方向性天线采用通过上述原理制成的具有电磁波汇聚功能的超材料，其方向图的主瓣宽度较窄，具有较高的方向性。

图1是本发明的高方向性天线相对于常规天线其方向图改变的示意图。本发明的高方向性天线包括常规天线以及覆盖在常规天线上的具有汇聚电磁波功能的超材料10。超材料10由至少一个超材料片层构成，超材料片层包括基板1以及开设在基板1上的多个孔3。此处的常规天线是指未加超材料10的天线，可以是任意的现有的天线，其具有发射和接收电磁波的功能。本发明中的覆盖可以是完全覆盖，例如用超材料10制作一壳体将常规天线完全罩住，使得常规天线向各个方向发射的电磁波都通过超材料10；也可以采用图1中所示的部分覆盖，只在常规天线的方向图的主瓣方向设置具有电磁波汇聚功能的超材料10。本发明的高方向性天线所产生的辐射首先要通过超材料10，然后才能辐射到自由空间。作为公知常识我们可知，电磁波的能流密度(坡印廷)矢量

与分别决定于介电常数ε与磁导率μ(统称为电磁参数)，因此改变电磁参数(相当于

与

的改变)电磁波的能流密度矢量必然发生改变。因此，通过设计超材料10的电磁参数空间分布，能够获得想要的天线的远场辐射能流分布，从而获得想要的天线方向图。图中常规天线的一种方向图20经过本发明的具有电磁波汇聚功能的超材料10，其具有了另一种方向图30。改变后的方向图其主瓣宽度被压窄，即提高了主辐射方向的能量，天线的方向性提高。

图2～图5分别为本发明的高方向性天线所采用的超材料10的四个实施例的结构示意图。本发明所采用的超材料10由多个相互平行的片状的超材料片层堆叠形成。每个超材料片层包括片状的基板1，基板1分成多个呈矩形阵列分布的单元格2，在每个单元格2内均开设有孔3。单元格2的尺寸取决于需要响应的电磁波的频率，通常孔3的尺寸为所需响应的电磁波波长的十分之一。孔3可以为通孔，也可以采用盲孔的形式，孔3的具体形式本发明不做限制。本发明的高方向性天线所采用的超材料10的每个超材料片层的折射率分布均相同，且每个超材料片层的折射率平面分布满足第一规律：即，矩形阵列的所有行与所有列的中心位置处的折射率最大，每行或每列的折射率从该行或该列的两端向中心位置连续增大，且中心位置两边的折射率呈对称分布。当电磁波通过具有上述第一规律的超材料10后，电磁波向中心方向汇聚。

具有电磁波汇聚功能的超材料10有很多种实施方式，图2所示实施例中通过在基板1上打孔并在孔3内填充同一种介质实现对超材料10各个单元格3的等效电磁参数的调整。为了描述的更加清楚直观，本实施例中所有孔3的深度均相同，图中通过孔3的横截面积变化来体现孔3的体积变化规律。本实施例中每个基板1的孔3内均填充有同一种折射率小于基板1的折射率的介质，每个超材料片层的矩形阵列的每行或每列的中心位置处的单元格2内的孔3的体积最小，每行或每列的各单元格2内的孔3的体积从该行或该列的两端向中心方向连续减小，且中心位置处两边的孔3的体积大小呈对称分布。由于孔3中填充的介质的折射率小于基板1的折射率，所以孔3的体积越大与其对应的单元格2的等效折射率越小，所以本实施中的超材料10的每个超材料片层的折射率平面分布满足上述的第一规律，可以实现电磁波的汇聚。

图3所示为超材料10的第二实施例的结构示意图。本实施例中所有孔3的深度均相同，图中通过孔3的横截面积变化来体现孔3的体积变化规律。本实施例中每个基板1的孔3内均填充有同一种折射率大于基板1的折射率的介质，每个超材料片层的矩形阵列的每行或每列的中心位置处的单元格2内的孔3的体积最大，每行或每列的各单元格2内的孔3的体积从该行或该列的两端向中心方向连续增大，且中心位置处两边的孔3的体积大小呈对称分布。由于孔3中填充的介质的折射率大于基板1的折射率，所以孔3的体积越大与其对应的单元格2的等效折射率越大，所以本实施中的超材料10的每个超材料片层的折射率平面分布也同样满足上述的第一规律，进而可以实现电磁波的汇聚。

上述两个实施例中超材料10的每个基板1上的所有孔3内均填充有相同介质，所填充的介质与基板1不同。填充介质可采用空气、橡胶、玻璃、石英或其他高分子材料。空气的折射率小于固体介质的折射率，适用于图2所示实施例。根据基板1材料的不同，其他固体填充介质适用于不同的实施例。

图4所示为超材料10的第三实施例的结构示意图。本实施例中所有孔3的体积均相同，孔3的截面形状和深度均可以相同，也可以设置深度和截面形状不同的孔3，为了便于说明本实施例的所有孔3的横截面积均相同且为正方形。由于本实施例中，各孔3的体积均相同且基板1的电磁参数分布均匀，因此要实现电磁波汇聚功能，每个超材料片层的多个呈矩形阵列分布的孔3内所填充的不同介质的折射率需满足上述第一规律，即矩形阵列的所有行与所有列的中心位置处的孔3内填充的介质的折射率最大，每行或每列的各个孔3内所填充的介质的折射率从该行或该列的两端向中心位置连续增大，且中心位置两边的孔3内填充的介质的折射率呈对称分布。图中超材料片层由5×5的单元格2阵列形成，在任一行或任一列的单元格2的孔内依次填充空气、氯化钠、石英、氯化钠、空气，其他各行或各列根据上述第一规律依次填充折射率不同的介质，通过反复调整和设计可实现电磁波的汇聚。

上述为本发明的高方向性天线所采用的具有电磁波汇聚功能的超材料10的几个较佳实施方式。当填充介质相同时通过调整基板1上所开设的多个孔3的体积分布，可实现汇聚电磁波的超材料10；当基板1上开设的孔3的体积均相同时按照上述的第一规律在多个孔3内填充不同的介质也可以实现汇聚电磁波的超材料10。

图5所示实施例中孔3的形状、截面大小、深度以及填充介质均不完全相同，只要每个超材料片层的折射率平面分布满足上述第一规律就可实现电磁波的汇聚。

也就是说在基板1选定的情况下，可以通过设计孔3的形状、尺寸和/或多个孔3在空间中的排布以及空3内所填充的介质，设计出超材料片层的每一单元格2的等效介电常数ε和等效磁导率μ，进而获得满足第一规律的超材料10。

图6是本发明的另一实施例的高方向性天线相对于常规天线其方向图改变的示意图。在本实施例中高方向性天线在上述实施例所表述的天线的基础上还包括设置于常规天线的方向图的副瓣方向的反射板40，该反射板40可将非主辐射方向的电磁波反射到主瓣所在的主辐射方向，以进一步提高主辐射方向的能量，提高了天线的方向性。

具体实施时孔3可以为圆柱形、立方体形、圆锥形或圆台形等。基板1可以采用陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制得，其中高分子材料可采用聚四氟乙烯、FR-4或F4B等。可以通过注塑、冲压或数控打孔等方式在所述基板1上形成孔3，如果采用陶瓷材料制成的基板1，可通过高温烧结的方式制成具有多个孔3的基板1。由于空气介质填入孔3内，会导致该材料局部区域的电磁参数分布变化，通过调整孔3的体积进而实现电磁波汇聚功能的超材料10。也可以在孔3中填充其他介质改变基板1的等效折射率，如碘晶体、氧化铜、水晶、石英、聚苯乙烯、氯化钠、玻璃等，使超材料片层的折射率平面分布满足第一规律，进而实现电磁波汇聚功能的超材料10。通过设计孔3的位置、数量、大小分布以及填充介质的种类，可设计出多种不同结构的具有电磁波汇聚功能的超材料10，以实现高方向性的天线。

以上所述是本发明的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种高方向性天线，其特征在于，所述天线包括常规天线和覆盖在常规天线上的具有电磁波汇聚功能的超材料，所述超材料由至少一个超材料片层构成，所述超材料片层包括基板以及开设在基板上的多个孔。

2.如权利要求1所述的高方向性天线，其特征在于，所述超材料由多个相互平行的片状的超材料片层堆叠形成。

3.如权利要求1或2所述的高方向性天线，其特征在于，所述基板分成多个呈矩形阵列分布的单元格，每个单元格内均开设有孔。

4.如权利要求3所述的高方向性天线，其特征在于，每个所述超材料片层的折射率分布均相同，且每个超材料片层的折射率平面分布满足第一规律，所述第一规律为：矩形阵列的所有行与所有列的中心位置处的折射率最大，每行或每列的折射率从该行或该列的两端向中心位置连续增大，且中心位置两边的折射率呈对称分布。

5.如权利要求4所述的高方向性天线，其特征在于，所述每个超材料片层的矩形阵列的每行或每列的中心位置处的单元格内的孔的体积最小，每行或每列的各单元格内的孔的体积从该行或该列的两端向中心方向连续减小，且中心位置处两边的孔的体积大小呈对称分布，每个孔内均填充有同一种介质且该介质的折射率小于基板的折射率。

6.如权利要求4所述的高方向性天线，其特征在于，所述每个超材料片层的矩形阵列的每行或每列的中心位置处的单元格内的孔的体积最大，每行或每列的各单元格内的孔的体积从该行或该列的两端向中心方向连续增大，且中心位置处两边的孔的体积大小呈对称分布，每个孔内均填充有同一种介质且该介质的折射率大于基板的折射率。

7.如权利要求4所述的高方向性天线，其特征在于，所述每个基板上开设的孔的体积均相同，孔内分别填充有不同的介质，每个超材料片层的矩形阵列的每行或每列的中心位置处的孔内填充的介质的折射率最大，每行或每列的各个孔所填充的介质的折射率从该行或该列的两端向中心位置连续增大，且中心位置处两边的孔内填充的介质的折射率大小呈对称分布。

8.如权利要求3所述的高方向性天线，其特征在于，所述孔的形状为圆柱形、立方体形或圆台形。

9.如权利要求3所述的高方向性天线，其特征在于，所述孔通过注塑、冲压或数控打孔的方式形成在所述基板上。

10.如权利要求1所述的高方向性天线，其特征在于，所述基板由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制得。

11.如权利要求3所述的高方向性天线，其特征在于，所述孔为通孔或盲孔。

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