CN102810743B - 一种衰减天线表面爬行波的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种衰减天线表面爬行波的装置，所述装置包括：天线和超材料薄膜层；所述天线包括波导管和喇叭口，所述超材料薄膜层由多个超材料渐变层组成；所述超材料薄膜层分布于天线的波导管表面；所述每一超材料渐变层均包括片状的基板和设置在基板上的多个人造微结构。本发明通过在天线表面设置超材料薄膜层，并通过改变超材料薄膜层的折射率变化以衰减天线表面出现的爬行波，从而大大减少了爬行波对天线的影响，使天线的前后比得以显著提高，保证了天线的高效率。

Description

一种衰减天线表面爬行波的装置

技术领域

本发明涉及天线领域，更具体地说，涉及一种衰减天线表面爬行波的装置。

背景技术

电磁波的衍射现象，就是电磁波遇到比波长小的障碍物或者缝隙，会绕过去。但是电磁波会有一部分贴着障碍物或者缝隙的光滑表面继续传播，这样的电磁波就叫爬行波。爬行波有两个特点，就是如果电磁波在沿表面传播过程中遇到凸起、凹陷、棱边、不连续、缺口、缝隙、不同材质的交界，斜率改变，也就是遇到表面不连续的地方会有一部分电磁波按原路返回。爬行波的另一个特点就是如果电磁波遇到细长物体的终端，也会原路返回。

现有的天线中，当电磁波发射时会在天线表面产生爬行波，由于爬行波的存在会影响到天线的性能，例如：在雷达天线中，当雷达天线发射电磁波的同时会同时产生爬行波，这样我们很难识别接受回来的电磁波是从所需侦察物体反射回来的雷达波还是爬行波，给雷达扫描的精度带来了很大的影响。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的天线表面产生爬行波给天线的性能带来影响的缺陷，提供一种衰减天线表面爬行波的装置，该装置有效地衰减了天线表面产生的爬行波，大大减少了爬行波对天线的影响，使天线的前后比得以显著提高，保证了天线的高效率。

为了达到上述目的，本发明采用的如下技术方案：

一种衰减天线表面爬行波的装置，其特征在于，所述装置包括：天线和超材料薄膜层；所述天线包括波导管和喇叭口，所述超材料薄膜层用于衰减从天线表面出现的爬行波且由多个超材料渐变层组成；所述超材料薄膜层分布于天线的波导管靠近所述喇叭口的一表面，其中，所述多个超材料渐变层折射率变化是从靠近喇叭口处逐渐依次增大再变小。

进一步地，所述每一超材料渐变层均包括片状的基板和周期排布在基板上的多个人造微结构。

进一步地，所述每一超材料渐变层包括一个“回”字形区域，所述“回”字形区域包括四个相同的等腰梯形区域，在所述等腰梯形区域内从短底边到长底边的折射率逐渐变小。

进一步地，每一超材料渐变层的所述多个人造微结构具有相同的几何形状，且每一超材料渐变层的所述多个人造微结构的尺寸从等腰梯形区域的短底边到长底边位置逐渐减小。

进一步地，所述人造微结构为由至少一根对电磁波有响应的金属丝组成的平面结构或立体结构。

进一步地，所述金属丝为铜丝或银丝。

进一步地，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基板上。

进一步地，所述人造微结构为“工”字形、平面雪花状或“H”形。

进一步地，所述基板由陶瓷材料、环氧树脂、聚四氟乙烯、FR-4复合材料或F4B复合材料制得。

实施本发明的技术方案，具有以下有益效果：本发明通过在天线表面设置超材料薄膜层，并改变超材料薄膜层的折射率变化将逐渐衰减天线表面出现的爬行波，从而大大减少了爬行波对天线的影响，使天线的前后比得以显著提高，保证了天线的高效率。

附图说明

图1是本发明一种衰减天线表面爬行波的装置的结构示意图；

图2是本发明一种衰减天线表面爬行波的装置的结构分解示意图；

图3是本发明所述的超材料薄膜层结构示意图；

图4是本发明所述渐变层内“回”字形区域的人造微结构排布示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明，但是本发明的实施方式并不限于此。

超材料是一种以人造微结构为基本单元并以特定方式进行空间排布、具有特殊电磁响应的新型材料，其包括人造微结构和供人造微结构附着的基板。人造微结构为由至少一根对电磁波有响应的金属丝组成的平面结构或立体结构，多个人造微结构在基板上周期的阵列排布，每个人造微结构以及其所附着的基板所占部分即为一个超材料单元。基板可为任何与人造微结构不同的材料，这两种材料的叠加使每个超材料单元产生一个等效介电常数与磁导率，这两个物理参数分别对应了超材料单元的电场响应与磁场响应。超材料对电磁响应的特征是由人造微结构的特征所决定，而人造微结构的电磁响应很大程度上取决于其金属丝的图案所具有的拓扑特征和其几何尺寸。根据上述原理设计超材料空间中排列的每个人造微结构的拓扑图形和几何尺寸，就可对超材料中每一点的电磁参数进行设置，为使得超材料整体具有连续的电磁响应，超材料单元的尺寸须为入射电磁波波长的十分之一至五分之一，优选为十分之一，满足上述尺寸的超材料单元在超材料上的排布即称为周期排布。

如图1和图2所示，一种衰减天线表面爬行波的装置包括：超材料薄膜层100和天线200，所述天线200包括波导管201以及喇叭口202，所述超材料薄膜层100分布在波导管201靠近喇叭口202的一表面。

天线200发射电磁波的时候，会有一部分电磁波沿着喇叭口202爬行并往天线200传播方向相反的方向传播，通过超材料薄膜层100后，吸收爬行波，避免爬行波对天线200传输性能的影响。

所述超材料薄膜层100由多个超材料渐变层组成，所述每一超材料渐变层110均包括片状的基板111和周期排布在基板111上的多个人造微结构112。

如图3所示，矩形波导管201表面仅设置十层超材料渐变层110，可以根据需要设置不同层数的超材料渐变层110，超材料渐变层110主要是使得超材料中的阻抗匹配空气中的阻抗，使得爬行波进入超材料薄膜层100中。

电磁波在任何介质中传输时都会有一定程度的衰减，同样，在天线200表面出现的爬行波在超材料薄膜层100中通过设置超材料薄膜层100内的折射率变化规律而进行衰减。

电磁波阻抗公式为：

其中μ为介质磁导率，ε为介质介电常数。

假设空气中的阻抗是超材料渐变层210中的阻抗为(其中i＝1,2，……)，i＝1的超材料渐变层210为靠近喇叭口202的。通常一般的介质材料的磁导率都差不多一样，所以电磁波在超材料与空气交界面的阻抗匹配是通过超材料的介电常数来确定，超材料的介电常数越大，阻抗就越小，反之，阻抗就越大。

本实施例中，所述多个超材料渐变层210折射率变化是从靠近喇叭口处逐渐依次增大再变小，即Z₁到Z₅逐渐变大。所以通过调节超材料渐变层210中的介质常数，使得超材料渐变层210的阻抗与空气阻抗相匹配，这样爬行波就直接进入超材料渐变层210内而不再爬行到其他方向。从而达到衰减爬行波的目的。

每一超材料渐变层210包括一个“回”字形区域，所述“回”字形区域包括四个相同的等腰梯形区域，在所述等腰梯形区域内从短底边到长底边的折射率逐渐变小。

通常我们都知道折射率公式为超材料的折射率也如此，也就是超材料的折射率平方与材料的介电常数和磁导率成正比，常规的介质材料的磁导率一般变化不大，可以看成是一个恒定的值，所以超材料的折射率很大程度上只与超材料的介电常数相关，介电常数越大，超材料的折射率就越大。

经过理论和实际证明，超材料的介电常数与基板和基板内的人造微结构形状和尺寸有关，基板采用介电绝缘材料制成，可以为陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料、铁磁材料等，高分子材料例如可以是、环氧树脂或聚四氟乙烯。人造微结构为以一定的几何形状附着在基板上能够对电磁波有响应的金属线，金属线可以是剖面为圆柱状或者扁平状的铜线、银线等，一般采用铜，因为铜丝相对比较便宜，当然金属线的剖面也可以为其他形状，金属线通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻等工艺附着在基板上，整个超材料片层划分为多个单元(包括该单元中的基板和附着在该单元基板上的人造微结构)，每个单元都具有一个人造微结构，每一个单元都会对通过其中的电磁波产生响应，从而影响电磁波在其中的传输，每个单元的尺寸取决于需要响应的电磁波，通常为所需响应的电磁波波长的十分之一，否则空间中包含人造微结构的单元所组成的排列在空间中不能被视为连续。

在基板选定的情况下，通过调整人造微结构的图案、尺寸及其在基板上的空间分布，可以调整超材料上各处的等效介电常数及等效磁导率进而改变超材料各处的等效折射率。当人造微结构采用相同的几何形状时，某处人造微结构的尺寸越大，则该处的等效介电常数越大，折射率也越大。本实施例采用的人造微结构的图案为工字形，但不限于该实施例中使用的“工”字形，可以为“工”字形的衍生结构，可以是在三维空间中各条边相互垂直的雪花状及雪花状的衍生结构，也可以是其他的几何形状，其中不同的人造微结构可以是图案相同，但是其设计尺寸不同；也可以是图案和设计尺寸均不相同。构成超材料的基板的数量根据需要可增可减，每一片基板的结构可以相同，也可以不同，只要满足由天线单元发出的电磁波经过超材料面板传播后可以平行射出即可。

本发明通过设计多层超材料渐变层110之间的折射率变化以及设计在超材料渐变层110之内的折射率变化衰减天线表面出现的爬行波，从而大大减少了爬行波对天线的影响，使天线的前后比得以显著提高，保证了天线的高效率。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未违背本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种衰减天线表面爬行波的装置，其特征在于，所述装置包括：天线和用于衰减从天线表面出现的爬行波的超材料薄膜层；所述天线包括波导管和喇叭口，所述超材料薄膜层由多个超材料渐变层组成；所述超材料薄膜层分布于天线的波导管靠近所述喇叭口的一表面，其中，所述多个超材料渐变层折射率变化是从靠近喇叭口处逐渐依次增大再变小，每一超材料渐变层包括一个“回”字形区域，所述“回”字形区域由四个等腰梯形区域构成，在所述等腰梯形区域内从短底边到长底边的折射率逐渐变小。

2.根据权利要求1所述的一种衰减天线表面爬行波的装置，其特征在于，每一超材料渐变层均包括片状的基板和周期排布在基板上的多个人造微结构。

3.根据权利要求2所述的一种衰减天线表面爬行波的装置，其特征在于，每一超材料渐变层的所述多个人造微结构具有相同的几何形状，且每一超材料渐变层的所述多个人造微结构的尺寸从等腰梯形区域的短底边到长底边位置逐渐减小。

4.根据权利要求2或3所述的一种衰减天线表面爬行波的装置，其特征在于，所述人造微结构为由至少一根对电磁波有响应的金属丝组成的平面结构或立体结构。

5.根据权利要求4所述的一种衰减天线表面爬行波的装置，其特征在于，所述金属丝为铜丝或银丝。

6.根据权利要求4所述的一种衰减天线表面爬行波的装置，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基板上。

7.根据权利要求4所述的一种衰减天线表面爬行波的装置，其特征在于，所述人造微结构为“工”字形、平面雪花状或“H”形。

8.根据权利要求2所述的一种衰减天线表面爬行波的装置，其特征在于，所述基板由陶瓷材料、环氧树脂、聚四氟乙烯、FR-4复合材料或F4B复合材料制得。