CN102790288B - 定向天线 - Google Patents

Abstract

一种定向天线包括馈源、超材料单元、平板状的第一反射单元及第二反射单元，所述超材料单元包括至少一片超材料层，所述超材料层包括片状基材以及设置在片状基材上的多个孔；所述馈源辐射出的电磁波经超材料单元折射后而散射于第一反射单元上，第一反射单元将散射的电磁波经反射再次经超材料单元折射而散射射出，第二反射单元用于将散射射出的电磁波反射而平行传播。利用散射方式式电磁波绕开馈源而投射第二反射单元上，第二反射单元将电磁波反射而生成平面电磁波，可以很大程度地消除馈源及支架对天线辐射的影响。

Description

定向天线

技术领域

本发明涉及天线领域，更具体地说，涉及一种超材料定向天线。

背景技术

目前，雷达中的前馈主反射器天线就是主反射器为抛物面，馈源位于其焦点附近，能把馈源辐射的球面波变为平面波的定向天线。

它的工作原理与光学反射镜相似，是利用抛物主反射器的聚焦特性。由馈源发出的球面波经抛物面反射后就变换成平面波，形成沿抛物面轴向辐射最强的窄波束，抛物面天线的优点就是：在抛物反射天线的焦点处放置发射源，经过反射后的电磁波是平行波束，使天线定向传输，这是其他形状的天线难以做到的。

现有技术中，由于馈源及其支撑杆挡在主反射器的前面，对口径的遮挡会影响口径效率，影响电磁波的辐射。现有技术采用偏置抛物面天线来避免馈源及其支架对辐射的影响。如：一种为：其馈源仍置于旋转抛物面的焦点，但只取此抛物面一侧的一部分作为主反射器而使馈源不会遮挡主反射器口径的辐射，从而改善口径效率和波束旁瓣特性；另一种：偏置结构是喇叭-抛物面天线，它是由一个角锥或圆锥喇叭直接接到偏置抛物面上而成，也可利用球面的一部分作为主反射器。馈源通常置于球面半径R的1/2处，这时馈源所对的小部分球面较接近于以R/2为焦距的抛物面。

这些方法都要对主反射器进行改造，实施比较复杂。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的馈源及其支撑杆对天线辐射影响较难改造的缺陷，提供一种提供容易改造、简单、易于实现以及成本低的散射式定向天线。

一种定向天线包括馈源、超材料单元、平板状的第一反射单元及第二反射单元，所述超材料单元包括至少一片超材料层，所述超材料层包括片状基材以及设置在片状基材上的多个孔；所述馈源辐射出的电磁波经超材料单元折射后而散射于第一反射单元上，第一反射单元将散射的电磁波经反射再次经超材料单元折射而散射射出，第二反射单元用于将散射射出的电磁波反射而平行传播。

进一步地，所述超材料单元由多片超材料层叠加形成，所述孔呈阵列式排布于所述每一超材料层的片状基材上。

进一步地，所述片状基材可选用陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料及铁磁材料中的任意一种。

进一步地，所述馈源和第一反射单元分别设置于超材料单元两侧，所述超材料单元附着于第一反射单元上；所述第二反射单元设置于馈源的一侧，馈源位于超材料单元与第二反射单元之间。

进一步地，所述第一反射单元和第二反射单元均采用光滑金属镜面。

进一步地，所述孔的尺寸相同且排布密度由片状基材的中间区域向两端逐渐变疏。

进一步地，所述孔的尺寸由片状基材的中间区域向两端逐渐变小。

进一步地，所述孔的尺寸相同且填充有介质；其内填充介质的介电常数由片状基材的中间区域向两端逐渐变大。

进一步地，所述孔为圆柱孔、球形孔、方形孔、多面体孔或不规则形孔。

进一步地，所述孔内填充有空气、金属材料、橡胶、塑料及树脂材料中任意一种。

进一步地，所述第一反射单元呈平板状。

进一步地，所述第二反射单元呈弧面状或抛物面状。

实施本发明的超材料定向天线，由馈源发出的电磁波经过超材料单元和第一反射单元后，散射绕开馈源而投射到天线的第二反射单元上。第二反射单元将电磁波变成平面电磁波向空间传播，可以很大程度地消除馈源及支架对天线辐射的影响。

附图说明

图1本发明中第一实施例定向天线示意图。

图2为图1所示超材料单元及第一反射单元对电磁波散射的原理示意图。

图3为图2所示超材料单元的立体结构示意图。

图4为图3所示超材料单元中一实施方式的孔微结构单元示意图。

图5为图3所示超材料单元对电磁波散射的原理示意图。

图6为本发明超材料单元能将电磁波折射发散的另一实施方式主视图。

图7为本发明超材料能将电磁波折射发散的第三实施例主视图。

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：

请参阅图1，定向天线包括馈源100、超材料单元200、第一反射单元300及第二反射单元400。馈源100辐射出的电磁波经超材料单元200折射后而散射于第一反射单元300上，第一反射单元300将散射的电磁波反射再次经超材料单元200折射而散射射出，第二反射单元400用于将散射射出的电磁波反射后平行传播。

在本实施方式中，所述馈源100和第一反射单元300分别设置于超材料单元200两侧，所述超材料单元200附着于第一反射单元300上。所述第二反射单元400设置于馈源100的一侧，使馈源100位于超材料单元200与第二反射单元400之间。所述第一反射单元300和第二反射单元500均采用光滑金属镜面。其中所述第一反射单元呈平板状；所述第二反射单元呈弧面状或抛物面状。

请参阅如图3和图4，超材料单元200由多片超材料层叠加形成，每一片超材料层包括片状基材10以及设置在片状基材10上的多个孔20。片状基材10选用介电绝缘材料制成，包括但不限于陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料等。例如高分子材料可选用环氧树脂、聚四氟乙烯等相同性能的高分子材料。在本实施方式中，所述孔2为圆柱体且采用模具冲压打孔工艺设置于每一片片状基材11上。每一片超材料层可划分为多个(如图4所示)。在本实施方式中，所述孔20可以为通孔。在其他实施方式中，所述孔20可以任何其他不规则的立体空间但其都占据如图4所示孔微结构单元的一定体积。

本实施例以Y方向为第一方向，超材料立方体结构单元基材中形成的孔20的体积所占片状基材10体积的比值沿Y方向呈中间最大两边最小的趋势，沿X和Z方向保持不变从而导致折射率沿Y方向呈中间最小两边最大的趋势，当电磁波通过超材料后电磁波的传播方向分别向折射率大的两边偏折从而实现电磁波发散的功能。

另外，孔20中可填充介质以改变孔微结构单元的介电常数和磁导率。由于本实施例主要是通过改变孔20占立方体结构单元的体积大小来改变介电常数和磁导率，因此本实施例中填充于各孔20的介质是相同的但不同于基材材质，其可为空气、陶瓷、高分子材料、铁电材料或铁氧材料等。本实施例中填充的介质为空气。由于空气折射率肯定小于基材折射率，因此孔20所占孔微结构单元的体积比值变化趋势仍然是沿Y方向呈中间最大两边最小的趋势使得超材料整体折射率沿Y方向呈中间最小两边最大的趋势。但是当孔20中填充的介质的折射率大于基材折射率时，孔20体积越大将导致立方体结构单元折射率越大，因此此时孔20所占立方体结构单元的体积比值变化趋势为沿Y方向呈中间最小两边最大的趋势使得超材料整体折射率沿Y方向呈中间最小两边最大的趋势。基于上述孔20在片状基材10排布，馈源100散射出来的电磁波经过所述超材料后，进一步发散射出(如图5所示)。

改变孔20占立方体结构单元的体积有不同的实施方式。图3、图4、图5所示的即为第一实施方式。

图6为本发明超材料单元的第二实施方式主视图，该实施方式的超材料单元也能将电磁波折射发散。片状基材10中上形成有多个孔20，该些孔20的尺寸和横截面图案均相同。沿Y方向排布的片状基材10中的孔20的数量由中间向两端逐渐减少，即单位体积内的孔的数量减少。与第一实施方式相同的是，该些孔20内仍可填充不同于基材材质的介质，本实施方式中填充介质为空气。由于空气折射率肯定小于基材折射率，因此片状基板上的孔20数量变化趋势仍然是沿Y方向呈中间最多、两边最少的趋势使得超材料整体折射率沿Y方向呈中间最小、两边最大的趋势。但是当孔20中填充的介质的折射率大于基材折射率时，孔20数量越多将导致立方体结构单元折射率越大，因此此时立方体结构单元的孔20数量变化趋势为沿Y方向呈中间最少、两边最多的趋势使得超材料整体折射率沿Y方向呈中间最小、两边最大的趋势。采用改变孔20数量的方法来改变其所占立方体结构的体积使得超材料整体折射率更易于调节，并能节省打孔模具的开模费用。

可以想象地，孔20的立体形状包括但不限于为圆柱孔、球形孔、方形孔、多面体孔或不规则形孔等。同一块超材料片状基材10中形成的孔20的形状也不需要全部相同，只要满足本实施例的设计思想即通过改变孔20体积并在其内填充相同的介质使得超材料整体的折射率变化趋势为中间最小、两边最大的趋势即可。

同理，若想沿X方向和Z方向均达到发散电磁波的效果，只需应用沿Y方向立方体结构单元中孔20的分布趋势即可。

图7为本发明超材料能将电磁波折射发散的第三实施例主视图。本实施例中，片状基材中的孔20体积所占孔微结构单元体积的比值相同。孔20既可以是数量相同、尺寸相同、横截面图案相同，也可以是数量不同、横截面图案不同或尺寸不同，但只需要满足所有立方体结构单元基材中所有的孔20体积所占孔结构单元体积的比值均相同即可。本实施例中，以立方体结构单元基材中的孔20数量相同，均为一个，尺寸相同，横截面图案相同，均为圆形来作为较佳实施方式。本实施方式中，依然以Y方向为第一方向，仅描述折射率沿Y方向呈中间最小、两边最大的实施方式，沿X、沿Z或者沿三者的混合方向折射率呈中间最小、两边最大的实施方式可由沿Y方向折射率呈中间最小、两边最大的实施方式轻易推出。由于本实施例中片状基材10中的孔20数量仅为一个且尺寸均相同，因此能极大简化打孔步骤，并且通过调节填充的各类介质的折射率使得超材料整体折射率调节简单。

由于本实施方式中，各孔20占立方体结构单元的体积比例相同，因此沿Y方向排布的多个立方体结构单元的孔20内需填充不同的介质以改变立方体结构单元的介电常数和磁导率。要达到沿Y方向折射率呈中间最小、两边最大的目的需在沿Y方向排布的多个立方体结构单元的孔20内填充介电常数和磁导率呈中间最小、两边最大的介质。例如依次填充碘晶体、氧化铜、水晶、石英、聚苯乙烯、氯化钠、玻璃、空气、玻璃、氯化钠、聚苯乙烯、石英、水晶、氧化铜、碘晶体。如图7所示，孔20中阴影表示填充的介质，阴影密度越大表示该填充介质折射率越大。由于本实施例中基材中的孔20数量仅为一个且尺寸均相同，因此能极大简化打孔步骤，并且通过调节填充的各类介质的折射率使得超材料整体折射率调节简单。

将上述第一较佳实施例的各种实施方式和第二较佳实施例的各种实施方式结合起来能方便的组合出多种可行的实施例。例如孔20体积所占立方体结构单元体积不同且孔20内还填充有折射率不同的各类介质等。

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 (9)

1.一种定向天线，其特征在于，所述定向天线包括馈源、超材料单元、第一反射单元及第二反射单元，所述超材料单元包括至少一片超材料层，所述超材料层包括片状基材以及设置在片状基材上的多个孔；所述馈源辐射出的电磁波经超材料单元折射后而散射于第一反射单元上，散射的电磁波经第一反射单元反射再次经超材料单元折射而散射射出绕开馈源投射到天线的第二反射单元上，第二反射单元用于将投射的电磁波反射而平行传播；所述馈源和第一反射单元分别设置于超材料单元两侧，所述超材料单元附着于第一反射单元上；所述第二反射单元设置于馈源的一侧，馈源位于超材料单元与第二反射单元之间；所述第一反射单元呈平板状，所述第二反射单元呈弧面状或抛物面状。

2.根据权利要求1所述的定向天线，其特征在于，所述超材料单元由多片超材料层叠加形成，所述孔呈阵列式排布于所述每一超材料层的片状基材上。

3.根据权利要求1或2所述的定向天线，其特征在于，所述片状基材选用陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料及铁磁材料中的任意一种。

4.根据权利要求1所述的定向天线，其特征在于，所述第一反射单元和第二反射单元均采用光滑金属镜面。

5.根据权利要求1所述的定向天线，其特征在于，所述孔的尺寸相同且排布密度由片状基材的中间区域向两端逐渐变疏。

6.根据权利要求1所述的定向天线，其特征在于，所述孔的尺寸由片状基材的中间区域向两端逐渐变小。

7.根据权利要求1所述的定向天线，其特征在于，所述孔的尺寸相同且填充有介质；其内填充介质的介电常数由片状基材的中间区域向两端逐渐变大。

8.根据权利要求5、6或7所述的定向天线，其特征在于，所述孔为圆柱孔、球形孔、方形孔、多面体孔或不规则形孔。

9.根据权利要求7所述的定向天线，其特征在于，所述孔内填充有空气、橡胶、塑料及树脂材料中任意一种。