CN102790286A - 一种天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种天线，包括天线单元，还包括具有偏折功能的超材料面板，用于使入射的电磁波偏折，所述超材料面板相对设置于所述天线单元的电磁波传播方向上。本发明通过在天线单元的电磁波传播方向上设置具有偏折功能的超材料面板，使得入射的电磁波发生偏折。采用此方案，无需调整天线的位置即可实现电磁波辐射方向的调整，免去了天线的安装和维护成本，也不存在因天线位置的改变带来的天线性能的下降。而且，可通过设计不同排布的超材料面板，来得到不同的偏折角度，调整比较灵活而且偏折角度不受限制。

Description

一种天线

技术领域

本发明涉及天线领域，更具体地说，涉及一种能够调整电磁波辐射方向的天线。

背景技术

随着近年来无线宽带移动通信的快速发展，为了避免系统升级过快造成的设备闲置，同时也为了更好的应用新的技术，出现了无线通信设备的2G/3G或3G/4G的双模组合，如GSM/TD-SCDMA、TD-SCDMA/LTE。不同模式之间的切换需要使用不同的天线，从而使得移动设备的安装、设计等时间被明显拖延，成本也明显增加。

通常，天线一经安装固定，其电磁波辐射方向也即确定。如果需要改变电磁波的辐射方向，通常通过机械方法来调整天线的固定位置。这种机械调整方法不但增加了安装和维护成本，还有可能在调整过程中对天线造成无法预料的损坏，影响天线的工作性能，另外，每当有改变辐射方向的需求时，都要重新调整天线的方向，不够灵活且偏折的角度也有一定限制。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述调整成本高、灵活性差以及调整角度受限的缺陷，提供一种能够调整电磁波辐射方向的天线。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种天线，包括天线单元，还包括具有偏折功能的超材料面板，用于使入射的电磁波偏折，所述超材料面板相对设置于所述天线单元的电磁波传播方向上。

实施本发明的技术方案，具有以下有益效果：通过在天线单元的电磁波传播方向上设置具有偏折功能的超材料面板，使得入射的电磁波发生偏折。采用此方案，无需调整天线的位置即可实现电磁波辐射方向的调整，免去了天线的安装和维护成本，也不存在因天线位置的改变带来的天线性能的下降。而且，可通过设计不同排布的超材料面板，来得到不同的偏折角度，调整比较灵活而且偏折角度不受限制。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是依据本发明优选实施例的天线结构示意图；

图2是图1所示的超材料面板的结构示意图；

图3是图2所示实施例使电磁波传播方向偏折的示意图；

图4是依据本发明另一实施例的人造微结构的示意图；

图5是依据本发明另一实施例的超材料面板的结构示意图；

图6是入射电磁波通过超材料面板后的偏折示意图；

图7是旋转超材料面板后的偏折示意图。

具体实施方式

图1是依据本发明优选实施例的天线100结构示意图。天线100包括天线单元101，还包括具有偏折功能的超材料面板102，超材料面板102相对设置于天线单元101的电磁波传播方向d上(如图1中的箭头所示)。

其中，超材料面板102的具体结构如图2所示。由图2知，超材料面板102由至少一个超材料片层构成，当超材料片层有多个时，其沿垂直于片层表面的方向堆叠并通过一定的组装或连接方式构成一个立体的整体。

如图2所示，每个片层包括片状的基材2和附着在所述基材2上的多个人造微结构3。基材由陶瓷、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制成。片状的基材2具有前、后两个相互平行的表面，使得基材2为一个等厚的片体。在任一平行于片状基材2前表面的平面上，设置两个相互垂直的方向，其中一个为第一方向X，另一个为第二方向Y，则垂直于基材2表面的方向也即超材料片层1堆叠的方向为第三方向Z。

基材2上附着有人造微结构3，包括有两种情况：一种是人造微结构3为平面结构，其附着在基材2前表面上；另一种是人造微结构3为三维立体结构，其附着在片状基材2内部。每个人造微结构3通常是由银、铜等金属丝线组成的，也可以由非金属丝线组成，通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法附着在基材上。这些丝线连接被刻在基材2表面或基材2内部并构成一定的几何图形。将基材2划分成很多个阵列排布且大小相等的立方体基材单元，例如为长、宽、高均为入射电磁波波长的十分之一的立方体，每个基材单元上附着有一个或多个人造微结构3，构成一个超材料单元4。因此每个超材料单元4含有一定量的构成人造微结构3的丝线。

已知一束电磁波入射到介质上会向折射率大的地方偏折，因此要实现电磁波的偏折，本发明的超材料面板沿一个方向如X方向其折射率是逐渐减小的，而Y方向和Z方向中的任一方向其折射率不变或者也逐渐减小。要使偏折的角度大，则折射率在该方向上的逐渐减小的变化率要大。本文的逐渐减小，是指下一参考点的数据小于或等于前一参考点的数据。这里的变化率大，是指三个前后排列的参考点中，第二参考点与第三参考点的差值大于第一参考点与第二参考点的差值。本文的折射率，是由公式

推算得出的，其中α为一个常数，ε为一个超材料单元4在某一电磁波频率下的介电常数，μ为此超材料单元4在该电磁波频率下的磁导率。

通过大量的试验和仿真得出规律，即基材2上的丝线密度大也即基材单元内丝线含量高的位置该基材单元整体体现的等效折射率大，因此要使元件沿X方向折射率逐渐减小，则应该至少沿X方向其基材单元内的丝线含量逐渐减小。这里的基材单元可以是常规的体积单位如立方毫米、立方厘米等，也可以是任一自定义的体积大小，例如上述每个超材料单元4为一个基材单元，整个超材料片层1既是由数以万计的超材料单元4构成的。

当每个超材料单元4含有一个人造微结构3时，当人造微结构3的尺寸沿X方向逐渐减小，则其基材单元的丝线含量也逐渐减小，折射率也逐渐减小，如图2、图3所示，此时，沿Y方向每个超材料单元4具有相同的尺寸大小，Y方向折射率不变。当然，本发明的电磁波偏折元件沿Y方向可依与X方向同样的原理实现折射率逐渐减小，Z方向亦然。

当各个超材料单元4所含的人造微结构3数量不等时，若每个人造微结构3的形状、尺寸完全相同，可以设计电磁波偏折元件使其沿X方向各超材料单元4的人造微结构3数量逐渐减小来实现丝线含量逐渐减少进而折射率逐渐减小。Y方向和Z方向亦然。

本发明的人造微结构3可以是任何形状的结构。对于平面结构，人造微结构3可以是如图2、图3所示的“工”字形，包括相互平行且相等的两个第一金属丝50、两端分别连接在所述两第一金属丝50中点且垂直于所述第一金属丝50的第二金属丝51。人造微结构3也可以是其他形状，比如“十”字形，如图4所示，包括垂直相交的两根长金属丝60和分别连接在每个长金属丝60两端且与之垂直的短金属丝61。当然，其他任意形状如封闭或者不封闭的平面曲线，例如三角形、四边形、“匚”字形、椭圆环等，都可以作为本发明的人造微结构3的丝线所构成的形状。

对于三维立体的人造微结构3，其优选实施例如图5所示，超材料面板包括多个相同超材料片层1，即Z方向的折射率不变。对于每个超材料片层1，沿X方向的折射率逐渐减小，Y方向的折射率不变。如图5所示，由于每个超材料单元4只含有一个人造微结构3，且形状均相似，因此，阵列排布在基材2内部的人造微结构3沿X方向尺寸逐渐减小、Y方向尺寸不变。其中，本实施例的人造微结构3包括两两垂直且相交于一点的三根正交金属丝70和分别垂直连接在每根正交金属丝70两端且被该正交金属丝70平分的端部金属丝71。

在其他实施例中，三维的人造微结构还可以是其他任意三维结构如任意空间曲线、五棱柱框、圆环等等。

需要说明的是，本发明的电磁波偏折元件，并不限定其所具有的所有人造微结构3必然形状相似，各个人造微结构3可以为各不相同的任意形状，例如该元件可以同时包括有“工”字形和圆环形的人造微结构3。

另外，人造微结构3并不一定如上述实施例一样比例缩小，可以通过逐渐减短人造微结构的某一根或几根丝线从而使超材料单元4的丝线含量逐渐减少从而达到折射率逐渐减小的目的，例如当所有人造微结构均为“工”字形，沿X方向逐渐减小每一列人造微结构的第二金属丝51的长度、第一金属丝50长度不变，沿Y方向、Z方向的各个人造微结构均相同。这种设计也可实现折射率沿X方向逐渐减小、Y方向和Z方向折射率不变的目的。

在本发明又一实施例中，超材料面板102可旋转地设置于天线单元101的电磁波传播方向d上，通过旋转超材料面板102使其与天线单元101形成一定夹角。

可以调整超材料面板102与天线单元101的夹角，使得天线单元101的电磁波入射方向d与超材料面板102所在平面的夹角等于经过超材料面板102偏折后电磁波出射方向与超材料面板102所在平面的夹角，这种情况下，电磁波的传播损耗最小，辐射强度也就最理想。如图6所示，入射电磁波通过超材料面板后偏折角度□，偏折后电磁波传播方向为不同于d的d’。为了使得电磁波的传播损耗最小，那么可以旋转超材料面板102使其与天线单元101形成一定夹角(图6中的虚线示出了超材料面板102经旋转后的位置)，也即入射电磁波与超材料面板102所在平面形成夹角β1，如图7所示，出射电磁波与超材料面板102所在平面形成夹角β2(而出射电磁波与入射电磁波的夹角，即偏折角是保持不变的，都为□)，偏折后电磁波传播方向为不同于d的d’。旋转超材料面板102使得β1＝β2，这样就能够达到电磁波的传播损耗最小的目的。

当然，如果需要的偏折角度□不同时，可以更换具有不同折射率排布的超材料面板。不同的折射率分布导致偏折角度□不同。

本发明通过在天线单元的电磁波传播方向上设置具有偏折功能的超材料面板，使得入射的电磁波发生偏折。采用此方案，无需调整天线的位置即可实现电磁波辐射方向的调整，免去了天线的安装和维护成本，也不存在因天线位置的改变带来的天线性能的下降。而且，可通过设计不同排布的超材料面板，来得到不同的偏折角度，调整比较灵活而且偏折角度不受限制。

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)

1.一种天线，包括天线单元，其特征在于，还包括具有偏折功能的超材料面板，用于使入射的电磁波偏折，所述超材料面板相对设置于所述天线单元的电磁波传播方向上。

2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述超材料面板可旋转地设置于所述天线单元的电磁波传播方向上，通过旋转所述超材料面板使其与所述天线单元形成一定夹角。

3.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述超材料面板由至少一个超材料片层构成，每个片层包括片状的基材和附着在所述基材上的多个人造微结构；所述超材料面板沿第一方向其折射率逐渐减小，而沿垂直于第一方向的第二方向、以及同时垂直于第一方向和第二方向的第三方向其折射率不变或者逐渐变小。

4.根据权利要求3所述的天线，其特征在于，所述基材划分为多个阵列排布且大小相同的基材单元。

5.根据权利要求4所述的天线，其特征在于，每个基材单元内附着有一个人造微结构，所述人造微结构沿所述第一方向其尺寸逐渐减小。

6.根据权利要求3所述的阵列天线，其特征在于，每个所述人造微结构为由至少一根金属丝组成的具有几何图案的平面或立体结构。

7.根据权利要求6所述的天线，其特征在于，所述金属丝为铜丝或银丝。

8.根据权利要求6所述的天线，其特征在于，所述金属丝通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法附着在所述基材上。

9.根据权利要求3所述的天线，其特征在于，所述基材由陶瓷、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制成。

10.根据权利要求3所述的天线，其特征在于，所述超材料面板包括多个超材料片层，所述多个超材料片层沿垂直于所述基材表面的方向堆叠而成为一体。

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