CN102820549A - 以旋转椭圆面为副反射面的超材料微波天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种以旋转椭圆面为副反射面的超材料微波天线，包括超材料面板、馈源及副反射面，所述超材料面板设置有位于其中心的中心孔，所述超材料面板包括核心层及设置在核心层一侧表面的反射板，所述核心层包括至少一个核心层片层，所述核心层片层包括片状的基材以及设置在基材上的多个人造微结构；所述馈源设置在中心孔上；所述副反射面是旋转椭圆面，其用于将从所述超材料面板汇聚过来的电磁波反射到所述馈源上。本发明天线的结构更加紧凑，且在效果上等效于具有长焦距的微波天线，同时调节口径面上的能量分布，从而提高天线的口径效率，得到了良好的远场辐射场响应；此外，其加工难度小，成本低。

Description

以旋转椭圆面为副反射面的超材料微波天线

技术领域

本发明涉及通信领域，更具体地说，涉及一种以旋转椭圆面为副反射面的超材料微波天线。

背景技术

微波是电磁波谱中介于超短波与红外线之间的波段，它属于无线电中波长最短(频率最高)的波段，其频率范围从300MHz(波长1m)至300GHz(波长0.1m)。工作于米波、分米波、厘米波、毫米波等波段的发射或接收天线统称为微波天线。在微波天线中，应用较广的有抛物面天线、喇叭抛物面天线、喇叭天线及透镜天线等。

例如，现有的卫星电视接收天线就是抛物面天线，所述抛物面天线负责将卫星信号反射到馈源和高频头内。馈源是在抛物面天线的焦点处设置的一个用于收集卫星信号的喇叭，又称波纹喇叭。其主要功能有两个：一是将天线接收的电磁波信号收集起来，变换成信号电压，供给高频头。二是对接收的电磁波进行极化转换。高频头LNB(亦称降频器)是将馈源送来的卫星信号进行降频和信号放大然后传送至卫星接收机。

LNB的工作流程就是先将卫星高频讯号放大至数十万倍后再利用本地振荡电路将高频讯号转换至中频950MHz-2050MHz，以利于同轴电缆的传输及卫星接收机的解调和工作。卫星接收机是将高频头输送来的卫星信号进行解调，解调出卫星电视图像或数字信号和伴音信号。接收卫星信号时，平行的电磁波通过抛物面天线反射后，汇聚到馈源上。通常，抛物面天线对应的馈源是一个喇叭天线。然而，由于抛物面天线的反射面的曲面加工难度大，精度要求也高，制造麻烦，且成本较高。此外，所述现有的抛物面天线体积较大、口径效率低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有的微波天线加工不易、成本高的缺陷，提供一种加工简单、制造成本低的以旋转椭圆面为副反射面的超材料微波天线。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种以旋转椭圆面为副反射面的超材料微波天线，其包括超材料面板、馈源及副反射面，所述超材料面板设置有位于其中心的中心孔，所述超材料面板包括核心层及设置在核心层一侧表面的反射板，所述核心层包括至少一个核心层片层，所述核心层片层包括片状的基材以及设置在基材上的多个人造微结构；

所述核心层片层按照折射率分布可划分为分布在中心孔周围且与所述中心孔共圆心的多个环形区域，所述环形区域内相同半径处的折射率相同，且在环形区域各自的区域内随着半径的增大折射率逐渐减小，相邻两个环形区域中处于内侧的环形区域的折射率的最小值小于处于外侧的环形区域的折射率的最大值；

所述馈源设置在中心孔上；所述副反射面是旋转椭圆面，该副反射面位于所述超材料面板的前方，并用于将从所述超材料面板汇聚过来的电磁波反射到所述馈源上。

进一步地，所述馈源相位中心置于所述旋转椭圆面的远端焦点上。

进一步地，所述核心层片层还包括覆盖人造微结构的填充层。

进一步地，所述核心层包括多个折射率分布相同且相互平行的核心层片层。

进一步地，所述超材料面板还包括设置在核心层另一侧的匹配层，以实现从空气到核心层的折射率匹配。

进一步地，所述中心孔的圆心为核心层片层的中心，所述多个环形区域的折射率变化范围相同，所述核心层片层的折射率n(r)分布满足如下公式：

$n\left(r\right)=n_{\max }-\frac{\mathrm{mod}(\sqrt{l^2+r^2}-l,\mathrm{\λ})}{2d};$

其中，n(r)表示核心层片层上半径为r处的折射率值；

l表示靠近旋转椭圆面一侧的、异于馈源相位中心的焦点与超材料前表面的距离；

d为核心层的厚度，

n_max表示核心层片层上的折射率最大值；

n_min表示核心层片层上的折射率最小值；

λ表示工作波长。

进一步地，所述匹配层包括多个匹配层片层，每一匹配层片层具有单一的折射率，所述匹配层的多个匹配层片层的折射率均满足以下公式：

$n\left(i\right)={((n_{\max }+n_{\min })/2)}^{\frac{i}{m}};$

其中，m表示匹配层的总层数，i表示匹配层片层的编号，其中，靠近核心层的匹配层片层的编号为m。

进一步地，所述每一匹配层片层包括材料相同的第一基板及第二基板，所述第一基板与第二基板之间填充空气。

进一步地，所述核心层的每一核心层片层的多个人造微结构形状相同，所述环形区域内相同半径处的多个人造微结构具有相同的几何尺寸，且在环形区域各自的区域内随着半径的增大人造微结构的几何尺寸逐渐减小，相邻两个环形区域，处于内侧的环形区域内几何尺寸最小的人造微结构的几何尺寸小于处于外侧的环形区域内几何尺寸最大的人造微结构的几何尺寸。

进一步地，所述人造微结构为平面雪花状的金属微结构。

本发明以旋转椭圆面为副反射面的超材料微波天线的有益效果：本发明利用超材料可进行汇聚电磁波的性质及利用旋转椭圆面作为副反射面，可使天线的结构更加紧凑，且在效果上等效于具有长焦距的微波天线，同时调节口径面上的能量分布，从而提高天线的口径效率，得到了良好的远场辐射场响应；此外，其加工难度小，成本低。

附图说明

图1是本发明的以旋转椭圆面为副反射面的超材料微波天线的结构示意图；

图2是本发明一种形式的超材料单元的透视示意图；

图3是本发明的核心层片层的折射率分布示意图；

图4是本发明的一种形式的核心层片层的结构示意图；

图5是本发明的匹配层的结构示意图。

具体实施方式

如图1至图5所示，根据本发明以旋转椭圆面为副反射面的超材料微波天线包括超材料面板100、馈源1及副反射面300。所述超材料面板100设置有位于其中心的圆形的中心孔Y，所述超材料面板100包括核心层10及设置在核心层10一侧表面的反射板200，所述核心层10包括至少一个核心层片层11，所述核心层片层11包括片状的基材13以及设置在基材13上的多个人造微结构12，所述核心层片层11按照折射率分布可划分为分布在中心孔Y周围且与所述中心孔Y共圆心的多个环形区域(图中分别用H1，H2，H3，H4，H5表示)。相邻两个环形区域中，处于内侧的环形区域的折射率的最小值小于处于外侧的环形区域的折射率的最大值。核心层片层11按照折射率划分为多个环形区域是为了更好的描述本发明，并不意味着本发明的核心层片层11具有此种实际结构。

本发明中，所述馈源1设置在超材料面板的中心孔Y上，并位于所述超材料面板的中轴线上，即馈源1与核心层片层11的中心的连线与超材料面板的中轴线重合。所述副反射面300是旋转椭圆面，该副反射面300位于所述超材料面板100的前方，所述馈源1相位中心置于所述旋转椭圆面的远端焦点上，所述旋转椭圆面的焦轴与超材料的对称轴重合。所述馈源1与超材料面板100均有支架支撑，图中并未示出支架，其不是本发明的核心，采用传统的支撑方式即可。另外馈源1优选为喇叭天线。图中的核心层片层11呈圆形，当然，也可以是其它形状。另外，图3中，也可以没有环形区域H4及H5，此时的H4及H5可以是均匀的折射率分布(即H4及H5的位置上不设置人造微结构)。另外，反射板为具有光滑的表面的金属反射板，例如可以是抛光的铜板、铝板或铁板等。

如图1至图4所示，所述核心层10包括多个折射率分布相同且相互平行的核心层片层11。多个核心层片层11紧密贴合，相互之间可以通过双面胶粘接，或者通过螺栓等固定连接。另外相邻的核心层片层11还包括填充层15，填充层15可以空气，也可以是其它介质板，优选为与基材13相同的材料制成的板状件。每一核心层片层11的基材13可以划分为多个相同超材料单元D，每一超材料单元D由一个人造微结构12、单元基材V及单元填充层W构成，每一核心层片层11在厚度方向上只有一个超材料单元D。每一超材料单元D可以是完全相同的方块，可以是立方体，也可是长方体，每一超材料单元D的长、宽、高几何尺寸不大于入射电磁波波长的五分之一(通常为入射电磁波波长的十分之一)，以使得整个核心层对电磁波具有连续的电场和/或磁场响应。优选情况下，所述超材料单元D为边长是入射电磁波波长十分之一的立方体。当然，填充层的厚度是可以调节的，其最小值可以至0，也就是说不需要填充层，此种情况下，基材与人造微结构组成超材料单元，即此时超材料单元D的厚度等于单元基材V的厚度加上人造微结构的厚度，但是此时，超材料单元D的厚度也要满足十分之一波长的要求，因此，实际上，在超材料单元D的厚度选定在十分之一波长的情况下，单元基材V的厚度越大，则单元填充层W的厚度越小，当然最优的情况下，即是如图2所示的情况，即单元基材V的厚度等于单元填充层W的厚度，且元单元基材V的材料与填充层W的相同。

本发明的人造微结构12优选为金属微结构，所述金属微结构由一条或多条金属线组成。金属线本身具有一定的宽度及厚度。本发明的金属微结构优选为具有各向同性的电磁参数的金属微结构，如图2所述的平面雪花状的金属微结构。

对于具有平面结构的人造微结构，各向同性，是指对于在该二维平面上以任一角度入射的任一电磁波，上述人造微结构在该平面上的电场响应和磁场响应均相同，也即介电常数和磁导率相同；对于具有三维结构的人造微结构，各向同性是指对于在三维空间的任一方向上入射的电磁波，每个上述人造微结构在三维空间上的电场响应和磁场响应均相同。当人造微结构为90度旋转对称结构时，人造微结构即具有各向同性的特征。

对于二维平面结构，90度旋转对称是指其在该平面上绕一垂直于该平面且过其对称中心的旋转轴任意旋转90度后与原结构重合；对于三维结构，如果具有两两垂直且共交点(交点为旋转中心)的3条旋转轴，使得该结构绕任一旋转轴旋转90度后均与原结构重合或者与原结构以一分界面对称，则该结构为90度旋转对称结构。

图2所示的平面雪花状的金属微结构即为各向同性的人造微结构的一种形式，所述的雪花状的金属微结构具有相互垂直平分的第一金属线121及第二金属线122，所述第一金属线121两端连接有相同长度的两个第一金属分支1211，所述第一金属线121两端连接在两个第一金属分支1211的中点上，所述第二金属线122两端连接有相同长度的两个第二金属分支1221，所述第二金属线122两端连接在两个第二金属分支1221的中点上。

已知折射率

其中μ为相对磁导率，e为相对介电常数，μ与e合称为电磁参数。实验证明，电磁波通过折射率非均匀的介质材料时，会向折射率大的方向偏折(向折射率大的超材料单元偏折)。因此，本发明的核心层对电磁波具有汇聚作用，卫星或基站等发出的电磁波首先通过核心层的第一次汇聚作用，经过反射板反射，再通过核心层的第二次汇聚作用，因此，合理设计核心层的折射率分布，可以使得卫星或基站等发出的电磁波依次经过第一次汇聚、反射板反射及第二次汇聚后，可以汇聚到副反射面上，再通过所述副反射面反射到馈源上。在基材的材料以及填充层的材料选定的情况下，可以通过设计人造微结构的形状、几何尺寸和/或人造微结构在基材上的排布获得超材料内部的电磁参数分布，从而设计出每一超材料单元的折射率。首先从超材料所需要的效果出发计算出超材料内部的电磁参数空间分布(即每一超材料单元的电磁参数)，根据电磁参数的空间分布来选择每一超材料单元上的人造微结构的形状、几何尺寸(计算机中事先存放有多种人造微结构数据)，对每一超材料单元的设计可以用穷举法，例如先选定一个具有特定形状的人造微结构，计算电磁参数，将得到的结果和我们想要的对比，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，则换一种形状的人造微结构，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，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。

本发明中，所述核心层的基材由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料等制得。高分子材料可选用的有聚四氟乙烯、环氧树脂、F4B复合材料、FR-4复合材料等。例如，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。

本发明中，所述金属微结构为铜线或银线等金属线。上述的金属线可以通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法附着在基材上。当然，也可以采用三维的激光加工工艺。

如图1所示，为本发明第一实施例的超材料面板的结构示意图，在本实施例中，所述超材料面板还包括设置在核心层另一侧的匹配层20，以实现从空气到核心层10的折射率匹配。我们知道，介质之间的折射率相差越大，则电磁波从一介质入射到另一介质时，反射越大，反射大，意味着能量的损失，这时候就需要折射率的匹配，已知折射率

其中μ为相对磁导率，e为相对介电常数，μ与e合称为电磁参数。我们知道空气的折射率为1，因此，这样设计匹配层，即靠近空气的一侧的折射率与空气基本相同，靠近核心层的一侧的折射率与其相接的核心层片层折射率基本相同。这样，就实现了从空气到核心层的折射率匹配，减小了反射，即能量损失可以大大的降低，这样电磁波可以传输的更远。

本实施例中，如图1及图3所示，所述中心孔Y的中心为核心层片层11的中心O，所述多个环形区域的折射率变化范围相同，所述核心层片层11的折射率n(r)分布满足如下公式：

$n\left(r\right)=n_{\max }-\frac{\mathrm{mod}(\sqrt{l^2+r^2}-l,\mathrm{\λ})}{2d}---\left(1\right);$

其中，n(r)表示核心层片层上半径为r处的折射率值；也即核心层片层上半径为r的超材料单元的折射率；此处半径指的是每一单元基材V的中点到核心层片层的中心O(圆心)的距离，此处的单元基材V的中点，指的是单元基材V与中点O同一平面的一表面的中点。

l表示靠近旋转椭圆面一侧的、异于馈源相位中心的焦点与匹配层20表面的距离；

d为核心层的厚度， $d=\frac{\mathrm{\λ}}{2(n_{\max }-n_{\min })}---\left(2\right);$

n_max表示核心层片层11上的折射率最大值；

n_min表示核心层片层11上的折射率最小值；所述多个环形区域折射率均是由里向外由n_max连续减小到n_min。作为一示例，n_max可以取值5，n_min取值1，即，所述多个环形区域折射率是由里向外由5连续减小到1。

所述r的最大值确定了有多少个环形区域。每一核心层片层的厚度通常是一定的(通常是入射电磁波波长的十分之一)，这样，在核心层形状选定的情况下(可以是方形)，核心层片层的尺寸就可以得到确定。

由公式(1)、公式(2)所确定的核心层10，能够保证卫星等发出的电磁波汇聚到馈源处。这个通过计算机模拟仿真，或者利用光学原理可以得到(即利用光程相等计算)。

本实施例中，核心层片层11的厚度是一定的，通常在入射电磁波波长λ的五分之一以下，优选是入射电磁波波长λ的十分之一。这样，在设计时，如果选定了核心层片层11的层数，则核心层的厚度d就已经确定了，因此，对于不同频率的以旋转椭圆面为副反射面的超材料微波天线(波长不同)，由公式(2)我们知道，通过合理设计(n_max-n_min)的值，就可以得到任意我们想要的频率的以旋转椭圆面为副反射面的超材料微波天线。例如，C波段和Ku波段。C波段的频率范围是3400MHz～4200MHz。Ku波段的频率10.7～12.75GHz，其中可分为10.7～11.7GHz、11.7～12.2GHz、12.2～12.75GHz等频段。

如图1所示，本实施例中，所述匹配层20包括多个匹配层片层21，每一匹配层片层21具有单一的折射率，所述匹配层的多个匹配层片层的折射率均满足以下公式：

$n\left(i\right)={((n_{\max }+n_{\min })/2)}^{\frac{i}{m}}\left(3\right);$

其中，m表示匹配层的总层数，i表示匹配层片层的编号，其中，靠近核心层的匹配层片层的编号为m。从公式(3)我们可以看出，匹配层的设置(总层数m)与核心层的最大折射率n_max与最小折射率n_min有直接关系；当i＝1时，表示第1层的折射率，由于其要基本等于空气的折射率1，因此，只要n_max与n_min确定，则可以确定总层数m。

匹配层20可以是由自然界中存在的多个具有单一折射率的材料制成，也可是用如图5所示的匹配层，其包括多个匹配层片层21，每一匹配层片层21包括材料相同的第一基板22及第二基板23，所述第一基板21与第二基板22之间填充空气。通过控制空气的体积与匹配层片层21的体积的比例，可以实现折射率从1(空气的折射率)到第一基板的折射率的变化，从而可以合理设计每一匹配层片层的折射率，实现从空气到核心层的折射率匹配。

图4为一种形式的核心层片层11，所述核心层的每一核心层片层11的多个人造微结构12形状相同，均为平面雪花状的金属微结构，且金属微结构的中心点与单元基材V的中点重合，所述环形区域内相同半径处的多个人造微结构具有相同的几何尺寸，且在环形区域各自的区域内随着半径的增大人造微结构12的几何尺寸逐渐减小，相邻两个环形区域，处于内侧的环形区域内几何尺寸最小的人造微结构的几何尺寸小于处于外侧的环形区域内几何尺寸最大的人造微结构的几何尺寸。由于每一超材料单元的折射率是随着金属微结构的尺寸减小而逐渐减小的，因此人造微结构几何尺寸越大，则其对应的折射率越大，因此，通过此方式可以实现核心层片层的折射率分布按公式(1)的分布。

根据不同的需要(不同的电磁波)，以及不同的设计需要，核心层10可以包括不同层数的如图4所示的核心层片层11。

本发明还有第二种实施例，第二实施例与第一实施例的区别在于核心层片层11的折射率n(r)分布公式中的l表示馈源到核心层(超材料前表面)的距离(第一实施例中l表示靠近旋转椭圆面一侧的、异于馈源相位中心的焦点与其靠近的匹配层的距离)。

综上所述，本发明利用超材料可进行汇聚电磁波的性质及利用旋转椭圆面作为副反射面，可使天线的结构更加紧凑，且在效果上等效于具有长焦距的微波天线，同时调节口径面上的能量分布，从而提高天线的口径效率，得到了良好的远场辐射场响应；此外，其加工难度小，成本低。

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)

1.一种以旋转椭圆面为副反射面的超材料微波天线，其特征在于，包括超材料面板、馈源及副反射面，所述超材料面板设置有位于其中心的中心孔，所述超材料面板包括核心层及设置在核心层一侧表面的反射板，所述核心层包括至少一个核心层片层，所述核心层片层包括片状的基材以及设置在基材上的多个人造微结构；

所述核心层片层按照折射率分布可划分为分布在中心孔周围且与所述中心孔共圆心的多个环形区域，所述环形区域内相同半径处的折射率相同，且在环形区域各自的区域内随着半径的增大折射率逐渐减小，相邻两个环形区域中处于内侧的环形区域的折射率的最小值小于处于外侧的环形区域的折射率的最大值；

所述馈源设置在中心孔上；所述副反射面是旋转椭圆面，该副反射面位于所述超材料面板的前方，并用于将从所述超材料面板汇聚过来的电磁波反射到所述馈源上。

2.根据权利要求1所述的以旋转椭圆面为副反射面的超材料微波天线，其特征在于，所述馈源相位中心置于所述旋转椭圆面的远端焦点上。

3.根据权利要求2所述的以旋转椭圆面为副反射面的超材料微波天线，其特征在于，所述核心层片层还包括覆盖人造微结构的填充层。

4.根据权利要求3所述的以旋转椭圆面为副反射面的超材料微波天线，其特征在于，所述核心层包括多个折射率分布相同且相互平行的核心层片层。

5.根据权利要求4所述的以旋转椭圆面为副反射面的超材料微波天线，其特征在于，所述超材料面板还包括设置在核心层另一侧的匹配层，以实现从空气到核心层的折射率匹配。

6.根据权利要求5所述的以旋转椭圆面为副反射面的超材料微波天线，其特征在于，所述中心孔的圆心为核心层片层的中心，所述多个环形区域的折射率变化范围相同，所述核心层片层的折射率n(r)分布满足如下公式：

$n\left(r\right)=n_{\max }-\frac{\mathrm{mod}(\sqrt{l^2+r^2}-l,\mathrm{\λ})}{2d};$

其中，n(r)表示核心层片层上半径为r处的折射率值；

l表示靠近旋转椭圆面一侧的、异于馈源相位中心的焦点与超材料前表面的距离；

d为核心层的厚度，

n_max表示核心层片层上的折射率最大值；

n_min表示核心层片层上的折射率最小值；

λ表示工作波长。

7.根据权利要求6所述的以旋转椭圆面为副反射面的超材料微波天线，其特征在于，所述匹配层包括多个匹配层片层，每一匹配层片层具有单一的折射率，所述匹配层的多个匹配层片层的折射率均满足以下公式：

$n\left(i\right)={((n_{\max }+n_{\min })/2)}^{\frac{i}{m}};$

其中，m表示匹配层的总层数，i表示匹配层片层的编号，其中，靠近核心层的匹配层片层的编号为m。

8.根据权利要求7所述的以旋转椭圆面为副反射面的超材料微波天线，其特征在于，所述每一匹配层片层包括材料相同的第一基板及第二基板，所述第一基板与第二基板之间填充空气。

9.根据权利要求1至8任意一项所述的以旋转椭圆面为副反射面的超材料微波天线，其特征在于，所述核心层的每一核心层片层的多个人造微结构形状相同，所述环形区域内相同半径处的多个人造微结构具有相同的几何尺寸，且在环形区域各自的区域内随着半径的增大人造微结构的几何尺寸逐渐减小，相邻两个环形区域，处于内侧的环形区域内几何尺寸最小的人造微结构的几何尺寸小于处于外侧的环形区域内几何尺寸最大的人造微结构的几何尺寸。

10.根据权利要求1所述的以旋转椭圆面为副反射面的超材料微波天线，其特征在于，所述人造微结构为平面雪花状的金属微结构。

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