CN102800992B - 一种卡塞格伦超材料天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种卡塞格伦超材料天线，包括旋转型抛物面、馈源、超材料以及双曲面，所述馈源用于发射电磁波；所述超材料置于所述的双曲面的实焦点处，所述超材料由基材以及基材上多个人造微结构组成，用于将电磁波散射至所述的双曲面；所述双曲面之虚焦点与所述旋转型抛物面的焦点重合，用于将所述散射的电磁波再反射回所述的旋转型抛物面；所述的旋转型抛物面用于将所述反射回的电磁波以平面波的方式定向发送至空间。本发明的卡塞格伦超材料天线由馈源发出的电磁波经过超材料后，散射一定的角度至所述的双曲面，由双曲面反射到天线的旋转型抛物面上，这样馈源及其支架对天线辐射的影响就被很大程度地消除了。

Description

一种卡塞格伦超材料天线

技术领域

本发明涉及天线领域，更具体地说，涉及一种卡塞格伦超材料天线。

背景技术

众所周知，卡塞格伦天线由三部分组成，即主反射器、副反射器和辐射源。其中主反射器为旋转型抛物面，副反射面为双曲面。在结构上，双曲面的一个焦点与抛物面的焦点重合，而辐射源位于双曲面的另一焦点上。卡塞格伦天线是由副反射器对辐射源发出的电磁波进行的一次反射，将电磁波反射到主反射器上，然后再经主反射器反射后获得相应方向的平面波波束，以实现定向发射。

当辐射器位于旋转双曲面的实焦点处时，发出的射线经过双曲面反射后的射线，就相当于由双曲面的虚焦点直接发射出的射线。因此只要是双曲面的虚焦点与抛物面的焦点相重合，就可使副反射面反射到主反射面上的射线被抛物面反射成平面波辐射出去。

卡塞格伦天线相对于抛物面天线来讲，它将馈源的辐射方式由抛物面的前馈方式改变为后馈方式，这使天线的结构较为紧凑，制作起来也比较方便。另外卡塞格伦天线可等效为具有长焦距的抛物面天线，而这种长焦距可以使天线从焦点至口面各点的距离接近于常数，因而空间衰耗对馈源辐射的影响要小，使得卡塞格伦天线的效率比标准抛物面天线要高。

卡赛格伦天线与普通抛物面天线相比，其主要优点在于：

(1)因为有副面和主面两个的先后反射，便于设计使得主面面场分布最佳化，以提高主面利用系数，改善天线增益。

(2)由于照射器是放置在靠近主面顶点处，可方便地从主面后面伸出，大大缩短了馈线长度，不仅使得结构紧凑，而且使得接收机高频部分可以直接放在主面后面成为可能，这在低噪声系统中有重要意义。

(3)由于双镜面天线用短焦距抛物面实现了长焦距抛物面的性能，所以卡赛格伦天线能以缩短了的天线纵向尺寸，去解决存在于单镜面天线中的焦距大时性能好但结构复杂的矛盾。

(4)由于双曲面反射是扩散型的，所以，双镜面系统中，返回馈源的能量较单镜面天线要小，从而减弱了对馈源匹配的影响。

事物总是一分为二的，卡塞格伦天线的缺点是小尺寸的副面的边缘绕射效应较大，容易引起主面面场的振幅起伏与相位畸变，加上副面的遮当，会使天线增益有所下降、旁瓣电平有所上升；特别是在现有技术中，由于馈源及其支撑杆挡在旋转型抛物面的前面，馈源发射电磁波的过程中，电磁波不可避免的要穿过馈线，造成不需要的反射和损耗，降低了天线的性能。

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不利影响，提供一种提供消除不利影响、易于实现以及成本低的卡塞格伦超材料天线。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种卡塞格伦超材料天线，包括旋转型抛物面、馈源、超材料以及双曲面，所述旋转型抛物面、馈源、超材料、双曲面依次顺序相对设置，所述馈源用于发射电磁波；所述超材料置于所述的双曲面的实焦点处，所述超材料由基材以及基材上多个人造微结构组成，用于将电磁波散射至所述的双曲面；所述双曲面之虚焦点与所述旋转型抛物面的焦点重合，用于将所述散射的电磁波再反射回所述的旋转型抛物面；所述的旋转型抛物面用于将所述反射回的电磁波以平面波的方式定向发送至空间。

在本发明所述的卡塞格伦超材料天线中，所述超材料与所述的馈源为集合整体，所述的集合整体置于所述的双曲面的实焦点处。

在本发明所述的卡塞格伦超材料天线中，所述超材料由多个片状基板堆叠形成，所述片状基板由基材以及附着于基材上的多个人造微结构组成，所有的人造微结构在空间中形成周期阵列。

在本发明所述的卡塞格伦超材料天线中，所述的人造微结构在空间中呈均匀性的周期阵列。

在本发明所述的卡塞格伦超材料天线中，在基材选定的情况下，通过改变人造微结构的图案、设计尺寸和/或人造微结构在空间中的排布获得想要的影响电磁波的等效折射率，从而决定所述电磁波的散射。

在本发明所述的卡塞格伦超材料天线中，所述基材由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制得。

在本发明所述的卡塞格伦超材料天线中，所述的人造微结构为具有图案的附着在基材上的金属线。

在本发明所述的卡塞格伦超材料天线中，所述金属线通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法附着在基材上。

在本发明所述的卡塞格伦超材料天线中，所述金属线为铜线或银线。

在本发明所述的卡塞格伦超材料天线中，所述金属线呈“工”字型以及“工”字型的衍生型。

在本发明所述的卡塞格伦超材料天线中，所述卡塞格伦超材料天线还包括连接杆，用于将所述的集合整体与所述的双曲面连接在一起。

在本发明所述的卡塞格伦超材料天线中，所述影响电磁波的等效折射率取值范围为：1.5至5.2。

在本发明所述的卡塞格伦超材料天线中，所述电磁波为厘米级电磁波。

实施本发明的卡塞格伦超材料天线，具有以下有益效果：

由馈源发出的电磁波经过超材料后，将辐射波束分开一定角度至双曲面，从而使从双曲面反射的波束绕过馈源、超材料以及连接杆，降低了损耗、提高了效率，这样馈源及其支架对天线辐射的影响就被很大程度地消除了。

附图说明

图1是现有技术卡塞格伦天线发射电磁波示意图；

图2是本发明实施例卡塞格伦超材料天线发射电磁波示意图；

图3为本发明超材料的示意图。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。

“超材料″是指一些具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。通过在材料的关键物理尺度上的结构有序设计，可以突破某些表观自然规律的限制，从而获得超出自然界固有的普通性质的超常材料功能。“超材料″重要的三个重要特征：

(1)“超材料″通常是具有新奇人工结构的复合材料；

(2)“超材料″具有超常的物理性质(往往是自然界的材料中所不具备的)；

(3)“超材料″性质往往不主要决定于构成材料的本征性质，而决定于其中的人工结构。

请参阅图1，现有技术的普遍使用卡塞格伦天线，包括：旋转型抛物面10、馈源20、连接杆30以及双曲面40。在结构上，双曲面40的一个虚焦点与旋转型抛物面10的实焦点重合，双曲面40焦轴与旋转型抛物面10的焦轴重合，而馈源20位于双曲面40的另一实焦点上。它是由双曲面40对馈源20发出的电磁波进行的一次反射，将电磁波反射到旋转型抛物面10上，然后再经旋转型抛物面10反射后获得相应方向的平面波波束，以实现定向发射。

当馈源20位于双曲面40的实焦点处时，由该实焦点发出的射线经过双曲面40反射后的射线，就相当于由双曲面40的虚焦点直接发射出的射线。因此只要是双曲面40的虚焦点与旋转型抛物面10的焦点相重合，就可使双曲面40反射到旋转型抛物面10上的射线被旋转型抛物面10反射成平面波辐射出去。

由图1可以看出，馈源20及其连接杆30挡在旋转型抛物面10的前面，馈源20发射电磁波的过程中，电磁波不可避免的要穿过馈源20，造成不需要的反射和损耗，降低了天线的性能。

请参阅图2及图3，在本发明实例中，一种卡塞格伦超材料天线，包括：包括旋转型抛物面10、馈源20、超材料25、连接杆30以及双曲面40。旋转型抛物面10、馈源20、超材料25、连接杆30以及双曲面40依次相对设置，在现有技术基础上进行改进的地方在于：在馈源20之前设置超材料25，馈源20用于发射电磁波；超材料25置于双曲面40的实焦点处，超材料25由基材1以及基材上多个人造微结构2组成，用于将电磁波散射至双曲面40；双曲面40之虚焦点与旋转型抛物面10的焦点重合，用于将所述散射的电磁波再反射回旋转型抛物面10；所述的旋转型抛物面10用于将所述反射回的电磁波以平面波的方式定向发送至空间。优选地，超材料25与馈源20为集合整体，集合整体置于双曲面40的实焦点处，这样的散射效果更佳，效率更高。

要达到馈源20发出的电磁波散射的效果，要求超材料25的电磁特性具有散射的特性，即，超材料25中部单元的等效介电常数ε与等效磁导率μ为最小值，与最小值相邻的各单元的等效介电常数ε与等效磁导率μ之积自小到大呈渐变趋势，通过累加效应，会渐渐发散从而绕开馈源20，由于电磁波会向折射率大的地方偏折后散射至双曲面40上，由双曲面40反射至旋转型抛物面10，由旋转型抛物面10以平面波的方式再定向反射至空间，从而达到本发明所需的效果。

优选地，超材料25的介电常数范围是从1.5到5.2，在该范围内，厘米级的微波，可以将波束分开60°的夹角。即：该卡塞格伦反射面天线，由馈源20发射出波束，经由超材料25将波束分开60°，在双曲面40进行一次反射，在旋转型抛物面10进行二次反射，然后平行射出，经测试，该天线的增益、效率和方向性都较普通天线有了较大提升。

电磁波的折射率跟物质的介电常数ε和磁导率μ的乘积反应有关系，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，而且折射率越大的位置偏折角度越大，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，可以改变电磁波的传播路径。

超材料可以对电场或者磁场，或者两者同时进行相应。对电场的响应取决于超材料的介电常数ε，而对磁场的响应取决于超材料的磁导率μ。通过对超材料空间中每一点的介电常数ε与磁导率μ的精确控制，我们可以实现通过超材料对电磁波的影响。

超材料的电磁参数在空间中的均匀或者非均匀的分布是超材料的重要特征之一。电磁参数在空间中的均匀分布为非均匀分布的一种特殊形式，但其具体特性，仍然是由空间中排列的各个单元结构的特性所决定。因此，通过设计空间中排列的每个结构的特性，就可以设计出整个新型超材料在空间中每一点的电磁特性，这种电磁材料系统将会具有众多奇异特性，对电磁波的传播可以起到特殊的引导作用。

由图3所示，作为本发明的实施例，为了获得更好的累加散射效果，本发明的超材料25由多个片状基板11堆叠而成，其中一个片状基板是由一个基材1和人造微结构2组成的，换句话说，超材料25由多个“小”的超材料堆叠而成的。一个基材1可以由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制得。作为一个实施例，选用聚四氟乙烯来制成基材。聚四氟乙烯的电绝缘性非常好，因此不会对电磁波的电场产生干扰，并且具有优良的化学稳定性、耐腐蚀性、使用寿命长、作为人造微结构附着的基材是很好的选择。

本实施例中，优选地，所述的人造微结构2为金属微结构，所述的每个金属微结构为一具有图案的附着在片状基板上的金属线。

作为一个实施例，所述金属线通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法附着在片状基板上。当然，也可以是三维激光加工等其它可行的加工方法。

作为一个实施例，所述金属线为铜线或银线。铜与银的导电性能好，对电场的响应更加灵敏。

作为本发明人造微结构的实施例，金属线的结构为“工”字型以及“工”字型的衍生型；另外还有许多对磁场响应的金属微结构，如在许多文献中都被引用到的开口谐振环结构。另外金属微结构还可以有很多变形图案，本发明并不能对此一一列举。

在基材选定的情况下，可以通过设计金属微结构2的图案、设计尺寸和/或金属微结构在空间中的排布获得想要的散射效果。这是因为，通过设计金属微结构的图案、设计尺寸和/或金属微结构在空间中的排布，即可设计出超材料所在空间中每一单元的电磁参数ε和μ。至于怎么得到金属微结构的图案、设计尺寸和/或金属微结构在空间中的排布，这个方法是多种的，举个例子，可以通过逆向的计算机仿真模拟得到，首先我们确定需要的散射分布，根据散射分布去设计超材料整体的电磁参数分布，再从整体出发计算出空间中每一点的电磁参数分布，根据这每一点的电磁参数来选择相应的金属微结构2的图案、设计尺寸和/或金属微结构2在空间中的排布(计算机中事先存放有多种金属微结构数据)，对每个点的设计可以用穷举法，例如先选定一个具有特定图案的金属微结构，计算电磁参数，将得到的结果和我们想要的对比，对比再循环多次，一直到找到我们想要的电磁参数为止，若找到了，则完成了金属微结构的设计参数选择；若没找到，则换一种图案的金属微结构，重复上面的循环，一直到找到我们想要的电磁参数为止。如果还是未找到，则上述过程也不会停止。也就是说只有找到了我们需要的电磁参数的金属微结构2后，程序才会停止。由于这个过程都是由计算机完成的，因此，看似复杂，其实很快就能完成。

实施本发明的卡塞格伦超材料天线，具有以下有益效果：

由馈源20发出的电磁波经过超材料25后，散射绕开一定的角度，投射到天线的双曲面40上，由双曲面40反射回旋转型抛物面10将电磁波变成平面电磁波发射出去，由于反射波绕开了馈源10和超材料25以及连接杆30，这样馈源20及其支架30对天线辐射的影响就被很大程度地消除了。

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)

1.一种卡塞格伦超材料天线，其特征在于，包括旋转型抛物面、馈源、超材料以及双曲面，所述旋转型抛物面、馈源、超材料、双曲面依次顺序相对设置，所述馈源用于发射电磁波；所述超材料与所述的馈源为集合整体，所述的集合整体置于所述的双曲面的实焦点处，所述卡塞格伦超材料天线还包括连接杆，所述连接杆将所述的集合整体与所述的双曲面连接在一起，所述超材料由基材以及附着于基材上多个人造微结构组成，所述超材料中部单元的等效介电常数ε与等效磁导率μ为最小值，与最小值相邻的各单元的等效介电常数ε与等效磁导率μ之积自小到大呈渐变趋势，用于将电磁波散射至所述的双曲面，所述超材料的介电常数范围是1.5至5.2；所述双曲面之虚焦点与所述旋转型抛物面的焦点重合，所述双曲面焦轴与所述旋转型抛物面的焦轴重合，用于将所述散射的电磁波再反射回所述的旋转型抛物面；所述的旋转型抛物面用于将所述反射回的电磁波以平面波的方式定向发送至空间。

2.根据权利要求1所述的卡塞格伦超材料天线，其特征在于，所述超材料由多个片状基板堆叠形成，所述片状基板由基材以及附着于基材上多个人造微结构组成，所有的人造微结构在空间中形成周期阵列。

3.根据权利要求2所述的卡塞格伦超材料天线，其特征在于，所述的人造微结构在空间中呈均匀性的周期阵列。

4.根据权利要求1所述的卡塞格伦超材料天线，其特征在于，在基材选定的情况下，通过改变人造微结构的图案、设计尺寸和/或人造微结构在空间中的排布获得想要的影响电磁波的等效折射率，从而决定所述电磁波的散射。

5.根据权利要求1所述的卡塞格伦超材料天线，其特征在于，所述基材由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制得。

6.根据权利要求1所述的卡塞格伦超材料天线，其特征在于，所述的人造微结构为具有图案的附着在基材上的金属线。

7.根据权利要求6所述的卡塞格伦超材料天线，其特征在于，所述金属线通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法附着在基材上。

8.根据权利要求6所述的卡塞格伦超材料天线，其特征在于，所述金属线为铜线或银线。

9.根据权利要求6所述的卡塞格伦超材料天线，其特征在于，所述金属线呈“工”字型以及“工”字型的衍生型。

10.根据权利要求5所述的卡塞格伦超材料天线，其特征在于，所述电磁波为厘米级电磁波。