CN102810766B - 一种喇叭天线装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种喇叭天线装置，包括电磁波波导，还包括发散电磁波的超材料，所述超材料设置于所述电磁波波导的外部，所述超材料由基材以及若干人造微结构组成，所述基材分成若干晶格，所述人造微结构置于所述晶格中，所述超材料沿水平方向分成若干区段，所述区段单元的介电常数ε与磁导率μ之乘积中部单元处最小，两端从大到小呈渐变趋势，且所述渐变趋势向中部单元处趋近。本发明利用超材料发散电磁波来增大辐射张角，从而降低了成本、减小占用的空间。

Description

一种喇叭天线装置

技术领域

本发明涉及电磁波领域，更具体地说，涉及一种喇叭天线装置。

背景技术

众知周知，在现有技术中，电磁波从喇叭天线发射到空气中时，因为电磁波波导的阻抗与空气的阻抗相差较大，造成的后果是电磁波反射较大，不能很好地将电磁波发射出去，所以喇叭天线在电磁波波导和空气之间设置一个喇叭状的过渡，以减少反射，喇叭天线为了使得反射最小化，其区域转换部分可以设计成指数律或者直线律张开，为了获得尽可能均匀的口径分布和较好的方向性，要求用非常长的小张角喇叭，对于频率较低的天线会造成天线的尺寸过大，给使用带来很多不便，难以满足器件小型化的要求。

在通信系统中，通常增加喇叭口径来增加喇叭天线装置的辐射张角，但由此也带来了成本高、工艺复杂、占用空间较大等问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种成本低、简单、占用空间小的喇叭天线装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包括电磁波波导，还包括发散电磁波的超材料，所述超材料设置于所述电磁波波导的外部，所述超材料由基材以及若干人造微结构组成，所述基材分成若干晶格，所述人造微结构置于所述晶格中，所述超材料沿水平方向分成若干区段，所述区段单元的介电常数ε与磁导率μ之乘积中部单元处最小，两端从大到小呈渐变趋势，且所述渐变趋势向中部单元处趋近。

在本发明所述的喇叭天线装置中，所述超材料由多个超材料片状基板堆叠形成，所有的人造微结构在空间中形成周期阵列。

在本发明所述的喇叭天线装置中，所述所有的人造微结构在空间中呈均匀性的周期阵列。

在本发明所述的喇叭天线装置中，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内部的介电常数ε与磁导率μ结果分布。

在本发明所述的喇叭天线装置中，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。

在本发明所述的喇叭天线装置中，所述的人造微结构为具有图案的附着在基材上的金属线。

在本发明所述的喇叭天线装置中，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。

在本发明所述的喇叭天线装置中，所述金属线为铜线或银线。

在本发明所述的喇叭天线装置中，所述金属线呈二维雪花状、“工”字型或“工”字型的衍生型。

实施本发明的喇叭天线装置，具有以下有益效果：克服现有技术中增加喇叭口径来增加喇叭天线装置的辐射张角带来了成本高、占用空间大等不足，利用超材料发散电磁波来增大辐射张角从而降低成本、减小占用的空间。

附图说明

图1是本发明实施例一种喇叭天线装置结构示意图；

图2为本发明实施例中超材料结构示意图；

图3为本发明实施例中超材料折射率分布示意图；

图4至图6为本发明人造微结构的实施例示意图。

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与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及图2，在本发明实例中，一种喇叭天线装置，包括电磁波波导10，还包括发散电磁波的超材料20，超材料20设置于电磁波波导10的外部，较佳地，设置于喇叭天线装置的喇叭状过渡40的内部，超材料20由基材201以及若干人造微结构202组成，基材201分成若干晶格，人造微结构202置于所述晶格中，超材料20沿水平方向分成若干区段，所述区段单元的介电常数ε与磁导率μ之乘积中部单元处最小，两端从大到小呈渐变趋势，且所述渐变趋势向中部单元处趋近。

请参阅图2，以人造微结构202的大小代表介电常数ε与磁导率μ之乘积的大小不同，介电常数ε与磁导率μ之乘积的大小即反映折射率的大小。要实现本发明的目的，电磁波则由折射率小的区段向折射率大的区段发生发散效果，换句话说，折射率由小到大，电磁波会从折射率小的区段一直向折射率大的区段偏折，从而发生了电磁波的发散。

图2中，本发明实施例中的超材料20，为了更好的调制发散效果，实践中常用多个片状超材料20层压成多个超材料组合体30。

基材201分成若干晶格，“晶格”的概念来自固体物理，这里的“晶格”是指在超材料中每个人造微结构202所占用的尺寸。“晶格”尺寸取决于人造微结构202需要响应的折射率分布，通常人造微结构202的尺寸为所需响应的电磁波波长的十分之一。

人造微结构202置于晶格形成一个单元，所述单元的阻抗在基材201选定的情况下，改变人造微结构202的图案、设计尺寸和/或人造微结构在空间中的排列通过仿真而获得介电常数ε与磁导率μ之乘积。

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20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。

请参阅图4，作为本发明的实施例，中部单元折射率n₃最小，两端的折射率用n1、n2、n4、n5表示，且各区段折射率从大到小呈渐变趋势，其变化趋势渐向中部单元处趋近，即：n1≥n2≥n3；n3≤n4≤n5(n1、n2、n₃、n4、n5不同时取等号)，折射率如此分布导致电磁波向两端发散。

在本发明的喇叭天线装置中，基材201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。优选地，选用FR4、F4B、聚四氟乙烯，其中，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202附着的基材201是很好的选择。

在本发明的喇叭天线装置中，所述的人造微结构202为一具有图案的附着在基材201上的金属线。

在本发明的喇叭天线装置中，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201上。

在本发明的喇叭天线装置中，所述金属线为铜线或银线。

如图4至图6所示，作为具体的实施例，所述金属线呈三维雪花状，“工”字型或“工”字型衍生型。当然，这里只是举了三个简单的例子，金属线的图案还可以为其它的，本发明并不能对此一一列举，如：“十”字形、“王”字形、不等边三角形、平行四边形或不规则闭合曲线等等。

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发散的效果，这是因为，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，即可改变超材料所在空间中每一单元的电磁参数ε和μ，可以设计出空间中每一点的等效电磁参数，从而可以精确控制超材料所在空间中每一点的发散的效果，进而得到我们想要的发散。至于怎么得到人造微结构的图案、设计尺寸和/或人造微结构在空间中的排布，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，选择我们需要的发散的效果，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(计算机中事先存放有多种人造微结构数据)，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人造微结构，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，则完成了人造微结构的设计参数选择；若没找到，则换一种图案的人造微结构，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人造微结构后，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。

实施本发明的喇叭天线装置，具有以下有益效果：克服现有技术中增加喇叭口径来增加喇叭天线装置的辐射张角带来了成本高、占用空间大等问题，利用超材料发散电磁波来增大辐射张角从而降低成本、减小占用的空间。

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 (8)

1.一种喇叭天线装置，包括电磁波波导，其特征在于：还包括发散电磁波的超材料，所述超材料设置于所述电磁波波导的外部，且设置于所述喇叭天线装置的喇叭状过渡的内部，所述超材料由基材以及若干人造微结构组成，所述基材分成若干晶格，所述人造微结构置于所述晶格中，所述超材料沿水平方向分成若干区段，所述区段单元的介电常数ε与磁导率μ之乘积中部单元处最小，两端从大到小呈渐变趋势，且所述渐变趋势向中部单元处趋近；中部单元折射率最小，电磁波从折射率小的区段一直向折射率大的区段偏折，其中，所述超材料由多个超材料片状基板堆叠形成，所有的人造微结构在空间中呈均匀性的周期阵列。

2.根据权利要求1所述的喇叭天线装置，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内部的介电常数ε与磁导率μ乘积结果分布。

3.根据权利要求1所述的喇叭天线装置，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。

4.根据权利要求1所述的喇叭天线装置，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。

5.根据权利要求4所述的喇叭天线装置，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。

6.根据权利要求4所述的喇叭天线装置，其特征在于，所述金属线为铜线。

7.根据权利要求4所述的喇叭天线装置，其特征在于，所述金属线为银线。

8.根据权利要求4所述的喇叭天线装置，其特征在于，所述金属线呈三维雪花状、“工”字型或“工”字型的衍生型。