CN102820555B - 一种卡塞格伦型超材料天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种卡塞格伦型超材料天线，包括具有中央通孔的超材料主反射器、设置在中央通孔中的馈源及设置在馈源前方的副反射器，馈源辐射的电磁波依次经过副反射器、超材料主反射器的反射后以平面波的形式出射，所述超材料主反射器包括核心层及设置在核心层后表面的反射层，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基材以及设置在基材上的多个人造微结构，所述副反射器为旋转双叶双曲面的其中一个曲面，所述馈源的相位中心与旋转双叶双曲面的远焦点重合。根据本发明的卡塞格伦型超材料天线，由片状的超材料主反射器代替了传统的抛物面，制造加工更加容易，成本更加低廉。

Description

一种卡塞格伦型超材料天线

技术领域

本发明涉及通信领域，更具体地说，涉及一种卡塞格伦型超材料天线。

背景技术

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抛物面，副反射面为旋转双叶双曲面的一个曲面。在结构上，双曲面的一个焦点与抛物面的焦点重合，双曲面焦轴与抛物面的焦轴重合，而辐射源位于双曲面的另一焦点上。由副反射器对辐射源发出的电磁波进行的第一次反射，将电磁波反射到主反射器上，然后再经主反射器第二次反射后获得相应方向的平面波波束，以实现定向发射。

可见，传统的卡塞格伦天线的主反射器需要加工成精度很高的抛物面，但是，加工这样精度高的抛物面，难度非常大，而且成本相当的高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有的卡塞格伦天线的主反射器加工不易、成本高的缺陷，提供一种加工简单、制造成本低的卡塞格伦型超材料天线。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种卡塞格伦型超材料天线，包括具有中央通孔的超材料主反射器、设置在中央通孔中的馈源及设置在馈源前方的副反射器，馈源辐射的电磁波依次经过副反射器、超材料主反射器的反射后以平面波的形式出射，所述超材料主反射器包括核心层及设置在核心层后表面的反射层，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基材以及设置在基材上的多个人造微结构，所述副反射器为旋转双叶双曲面的其中一个曲面，所述馈源的相位中心与旋转双叶双曲面的远焦点重合。

进一步地，所述旋转双叶双曲面的实轴垂直超材料主反射器。

进一步地，所述馈源为波纹喇叭，所述旋转双叶双曲面的实轴通过波纹喇叭的口径面的中心。

进一步地，任一核心层片层的折射率分布满足如下公式：

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

$d=\frac{\mathrm{\λ}}{2(n_{\max }-n_{\min })};$

$k=\mathrm{floor}\left(\frac{\sqrt{s^2+r^2}-s}{\mathrm{\λ}}\right);$

其中，n(r)表示该核心层片层上半径为r处的折射率值，该核心层片层的折射率分布圆心即为旋转双叶双曲面的实轴与该核心层片层的交点；

s为所述旋转双叶双曲面的近焦点到超材料主反射器的前表面的距离；

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表示天线中心频率对应的电磁波的波长；

floor表示向下取整数。

进一步地，所述基材包括片状的前基板及后基板，所述多个人造微结构夹设在前基板与后基板之间，所述核心层片层的厚度为0.21-2.5mm，其中，前基板的厚度为0.1-1mm，后基板的厚度为0.1-1mm，多个人造微结构的厚度为0.01-0.5mm。

进一步地，所述核心层片层的厚度为0.818mm，其中，前基板与后基板的厚度均为0.4mm，多个人造微结构的厚度为0.018mm。

进一步地，所述人造微结构为金属微结构，所述金属微结构由一条或多条金属线组成，所述金属线为铜线、银线或者铝线，所述基材上的多个人造微结构通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法得到。

进一步地，所述基材上的多个人造微结构均由呈平面雪花状的金属微结构的拓扑图案的演变得到，所述呈平面雪花状的金属微结构具有相互垂直平分的第一金属线及第二金属线，所述第一金属线与第二金属线的长度相同，所述第一金属线两端连接有相同长度的两个第一金属分支，所述第一金属线两端连接在两个第一金属分支的中点上，所述第二金属线两端连接有相同长度的两个第二金属分支，所述第二金属线两端连接在两个第二金属分支的中点上，所述第一金属分支与第二金属分支的长度相等。

进一步地，所述呈平面雪花状的金属微结构的每个第一金属分支及每个第二金属分支的两端还连接有完全相同的第三金属分支，相应的第三金属分支的中点分别与第一金属分支及第二金属分支的端点相连。

进一步地，所述呈平面雪花状的金属微结构的第一金属线与第二金属线均设置有两个弯折部，所述呈平面雪花状的金属微结构绕第一金属线与第二金属线的交点在金属微结构所处平面内向任意方向旋转90度的图形都与原图重合。

根据本发明的卡塞格伦型超材料天线，由板状的超材料主反射器代替了传统的抛物面形式的主反射器，制造加工更加容易，成本更加低廉。该卡塞格伦型超材料天线根据所选频率的不同，可应用在卫星天线、微波天线及雷达天线等领域。

附图说明

图1是本发明的卡塞格伦型超材料天线的结构示意图；

图2是本发明一种形式的超材料单元的透视示意图；

图3是本发明一种形式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是本发明的平面雪花状的金属微结构的拓扑图案的示意图；

图6是图5所示的平面雪花状的金属微结构的一种衍生结构；

图7是图5所示的平面雪花状的金属微结构的一种变形结构；

图8是平面雪花状的金属微结构的拓扑图案的演变的第一阶段；

图9是平面雪花状的金属微结构的拓扑图案的演变的第二阶段。

具体实施方式

如图1至4所示，根据本发明的卡塞格伦型超材料天线，包括具有中央通孔TK的超材料主反射器ZF、设置在中央通孔TK中的馈源1及设置在馈源1前方的副反射器FF，馈源1辐射的电磁波依次经过副反射器FF、超材料主反射器ZF的反射后以平面波的形式出射，所述超材料主反射器ZF包括核心层100及设置在核心层100后表面的反射层200，所述核心层100包括至少一个核心层片层10，所述核心层片层10包括基材JC以及设置在基材JC上的多个人造微结构2，所述副反射器FF为旋转双叶双曲面的其中一个曲面，所述馈源1的相位中心与旋转双叶双曲面的远焦点F2重合。馈源1的相位中心即为电磁波在馈源中相位相等的点，也就是将馈源等效为理想点源，该理想点源所处的位置，即图中的F2点。

本发明中，所述旋转双叶双曲面的实轴Z1垂直超材料主反射器ZF。旋转双叶双曲面的实轴Z1即为焦轴，即为旋转双叶双曲面的近焦点F1与远焦点F2连线所在的直线。近焦点F1靠近副反射器FF，远焦点F2与馈源1的相位中心重合。

本发明中，优选地，所述馈源1为波纹喇叭，所述旋转双叶双曲面的实轴通过波纹喇叭的口径面的中心。

本发明中，反射层可以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，也可是PEC(理想电导体)反射面，当然也可以是金属涂层，例如铜涂层。本发明中，所述核心层片层10任一纵截面具有相同的形状与面积，此处的纵截面是指核心层片层10中与所述旋转双叶双曲面的实轴垂直的剖面。所述核心层片层的纵截面可以是为方形，也可是圆形或者椭圆形，例如300X300mm或450X450mm的正方形，或者直径为250、300或450mm的圆形。

本发明中，任一核心层片层10的折射率分布满足如下公式：

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

$d=\frac{\mathrm{\λ}}{2(n_{\max }-n_{\min })}---\left(2\right);$

$k=\mathrm{floor}\left(\frac{\sqrt{s^2+r^2}-s}{\mathrm{\λ}}\right)---\left(3\right);$

其中，n(r)表示该核心层片层10上半径为r处的折射率值，该核心层片层的折射率分布圆心即为旋转双叶双曲面的实轴与该核心层片层的交点；

s为所述旋转双叶双曲面的近焦点到超材料主反射器的前表面的距离；

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表示天线中心频率对应的电磁波的波长；

floor表示向下取整数；

例如，(r处于某一数值范围)大于等于0小于1时，k取0，当(r处于某一数值范围)大于等于1小于2时，k取1，依此类推。

本发明中，为了便于理解，如图2、图4所示，可以将所述核心层片层10划分为矩形阵列排布的多个如图2所示的超材料单元D，每个超材料单元D包括前基板单元U、后基板单元V及设置在前基板单元U、后基板单元V之间的人造微结构2，通常超材料单元D的长、宽及厚度均不大于天线中心频率对应的电磁波的波长的五分之一，优选为十分之一，因此，根据天线的中心频率可以确定超材料单元D的尺寸。图2为透视的画法，以表示人造微结构在超材料单元D中的位置，如图2所示，所述人造微结构2夹于基板单元U、后基板单元V之间，其所在表面用SR表示。

由公式(1)至公式(3)所确定的核心层片层，沿其法线方向折射率保持不变，在垂直于法线的平面内其折射率分布如图3所示，其包括多个共心的环形区域，其圆心为图中的O点，优选地，圆心即为该平面的中心，图3中示意性的画出了环形区域H1至环形区域H6，每一环形区域内相同半径处的折射率相等，且随着半径的增大折射逐渐减小，且有相邻两个环形区域在其相接的位置折射率呈跳变形式，即相邻两个环形区域中，位于内侧的环形区域其最外侧的折射率为n_min，位于外侧的环形区域其最内侧的折射率为n_max，例如，图3中，环形区域H1最外侧的折射率为n_min，环形区域H2最内侧的折射率为n_max。应当注意，环形区域不一定是完整的，也可以是不完整的，例如图3中的环形区域H5及H6，只有当核心层片层10的纵截面为圆形时，其得到的多个环形区域则均为完整的环形区域。

本发明中，上述的半径是指图3中的圆心O到每一超材料单元的表面中心的距离，上述的半径严格意义上并不是一个连续的变化范围，但是由于每一个超材料单元都是远远小于天线中心频率对应的电磁波的波长，所以可以近似的认为上述的半径是连续变化的。

由公式(1)至公式(3)所确定的核心层片层，具有如图3所示的折射率分布规律，根据天线中心频率，合理设计核心层片层的层数(即核心层的厚度)，即可以使得由所述旋转双叶双曲面的近焦点F1发出的电磁波经超材料主反射器后能够以垂直于核心层片层的平面波的形式出射，即超材料主反射器的焦点与所述旋转双叶双曲面的近焦点F1重合。

根据公知常识可以得到，由馈源1的相位中心(即远焦点F2)发出的电磁波其在旋转双叶双曲面的一个曲面(副反射器)上反射后的电磁波其反射延长线必然经过近焦点F1，这样，如果设计近焦点F1为超材料主反射器的焦点就能够使得经超材料主反射器反射后的电磁波以平面波的形式出射；反之亦然，即垂直超材料主反射器入射的平面电磁波能够在馈源的相位中心处(也即远焦点F2处)发生聚焦。

本发明中，优选地，所述副反射器曲面形状与面积适应主反射器的形状与面积，即如图1所示，使得由副反射器边缘出射的电磁波刚好到达超材料主反射器的边缘。

本发明中，如图4所示，所述基材JC包括片状的前基板13及后基板15，所述多个人造微结构夹设在前基板13与后基板15之间，所述核心层片层的厚度为0.21-2.5mm，其中，前基板的厚度为0.1-1mm，后基板的厚度为0.1-1mm，多个人造微结构的厚度为0.01-0.5mm。

作为一个例子，所述核心层片层的厚度为0.818mm，其中，前基板与后基板的厚度均为0.4mm，多个人造微结构的厚度为0.018mm。

每一核心层片层的厚度确定了，则可以根据需要设定不同的层数，从而形成具有厚度d的核心层。

本发明中，所述基材由陶瓷材料、聚苯乙烯、聚丙烯、聚酰亚胺、聚乙烯、聚醚醚酮或聚四氟乙烯制得。例如，聚四氟乙烯板(PS板)，其具有很好的电绝缘性，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，优选地，所述人造微结构2为金属微结构，所述金属微结构由一条或多条金属线组成，所述金属线为铜线、银线或者铝线，所述基材JC上的多个人造微结构通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法得到。例如图4所示的核心层片层，可以先通过在前基板13或后基板15中的其中一个上覆铜，再通过蚀刻等工艺去掉不需要的铜，即得到了多个人造微结构的平面排布，最后用热熔胶将前基板与后基板粘合在一起即形成了一个核心层片层。通过上述方法可以形成多个核心层片层，将各个核心层片层用热熔胶粘接即可得到多层的核心层。热熔胶的材料最好与核心层片层的材料保持一致。

本发明中，优选地，所述基材上的多个人造微结构由图5所示的呈平面雪花状的金属微结构的拓扑图案的演变得到。即图5所示的金属微结构的拓扑图案为呈平面雪花状的金属微结构的基本平面拓扑图案，同一基材上的所有金属微结构的拓扑图案均由图5所示的图案演变得到。

如图5所示，所述呈平面雪花状的金属微结构具有相互垂直平分的第一金属线J1及第二金属线J2，所述第一金属线J1与第二金属线J2的长度相同，所述第一金属线J1两端连接有相同长度的两个第一金属分支F1，所述第一金属线J1两端连接在两个第一金属分支F1的中点上，所述第二金属线J2两端连接有相同长度的两个第二金属分支F2，所述第二金属线J2两端连接在两个第二金属分支F2的中点上，所述第一金属分支F1与第二金属分支F2的长度相等。

图6是图5所示的平面雪花状的金属微结构的一种衍生结构。其在每个第一金属分支F1及每个第二金属分支F2的两端均连接有完全相同的第三金属分支F3，并且相应的第三金属分支F3的中点分别与第一金属分支F1及第二金属分支F2的端点相连。依此类推，本发明还可以衍生出其它形式的金属微结构。同样，图6所示的只是基本平面拓扑图案。

图7是图5所示的平面雪花状的金属微结构的一种变形结构，此种结构的金属微结构，第一金属线J1与第二金属线J2不是直线，而是弯折线，第一金属线J1与第二金属线J2均设置有两个弯折部WZ，但是第一金属线J1与第二金属线J2仍然是垂直平分，通过设置弯折部的朝向与弯折部在第一金属线与第二金属线上的相对位置，使得图7所示的金属微结构绕垂直于第一金属线与第二金属线交点的轴线向任意方向旋转90度的图形都与原图重合。另外，还可以有其它变形，例如，第一金属线J1与第二金属线J2均设置多个弯折部WZ。同样，图7所示的只是基本平面拓扑图案。

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。在相对磁导率一定的情况下(通常接近1)，折射率只与介电常数有关，在基材选定的情况下，利用只对电场响应的人造微结构可以实现超材料单元折射率的任意值(在一定范围内)，在该天线中心频率下，利用仿真软件，如CST、MATLAB、COMSOL等，通过仿真获得某一特定形状的人造微结构(如图5所示的平面雪花状的金属微结构)的介电常数随着拓扑图案的变化折射率变化的情况，即可列出一一对应的数据，即可设计出我们需要的特定折射率分布的核心层片层10。

本实施例中，核心层片层上的人造微结构的平面排布可通过计算机仿真(例如CST仿真)得到，具体如下：

(1)确定人造微结构的附着基材。例如介电常数为2.7的介质基板，该介质基板的材料可以是FR-4、F4b或PS。

(2)确定超材料单元的尺寸。超材料单元的尺寸由天线的中心频率得到，利用频率得到其波长，再取小于波长的五分之一的一个数值做为超材料单元D的长度CD与宽度KD，再取小于波长的十分之一的一个数值做为超材料单元D厚度。例如对应于11.95G的天线中心频率，所述超材料单元D为如图2所示的长CD与宽KD均为2.8mm、厚度HD为0.543mm的方形小板。

(3)确定人造微结构的材料及其基本平面拓扑图案。本发明中，人造微结构为金属微结构，所述金属微结构的材料为铜，金属微结构的基本平面拓扑图案为图5所示的平面雪花状的金属微结构，其线宽W各处一致；此处的基本平面拓扑图案，是指同一基材上的所有人造微结构的拓扑图案的演变基础。

(4)确定人造微结构的拓扑图案参数。如图5所示，本发明中，平面雪花状的金属微结构的拓扑图案参数包括金属微结构的线宽W，第一金属线J1的长度a，第一金属分支F1的长度b，及金属微结构的厚度HD，本发明中，厚度不变，取为0.018mm。

(5)确定金属微结构的拓扑图案的演变限制条件。本发明中，金属微结构的拓扑图案的演变限制条件有，金属微结构之间的最小间距WL(即如图5所示，金属微结构与超材料单元的长边或宽边的距离为WL/2)，金属微结构的线宽W，超材料单元的尺寸；由于加工工艺限制，WL大于等于0.1mm，同样，线宽W也是要大于等于0.1mm。第一次仿真时，WL可以取0.1mm，W可以取0.3mm，超材料单元的尺寸为长与宽为2.8mm，厚度为0.818mm(金属微结构的厚度为0.018mm，基材的厚度为0.8mm)，此时金属微结构的拓扑图案参数只有a和b两个变量。金属微结构的拓扑图案通过如图8至图9所示的演变方式，对应于某一特定频率(例如11.95GHZ)，可以得到一个连续的折射率变化范围。

具体地，所述金属微结构的拓扑图案的演变包括两个阶段(拓扑图案演变的基本图案为图5所示的金属微结构)：

第一阶段：根据演变限制条件，在b值保持不变的情况下，将a值从最小值变化到最大值，此演变过程中的金属微结构均为“十”字形(a取最小值时除外)。本实施例中，a的最小值即为0.3mm(线宽W)，a的最大值为(CD-WL)。因此，在第一阶段中，金属微结构的拓扑图案的演变如图8所示，即从边长为W的正方形JX1，逐渐演变成最大的“十”字形拓扑图案JD1。在第一阶段中，随着金属微结构的拓扑图案的演变，与其对应的超材料单元的折射率连续增大(对应天线一特定频率)。

第二阶段：根据演变限制条件，当a增加到最大值时，a保持不变；此时，将b从最小值连续增加到最大值，此演变过程中的金属微结构均为平面雪花状。本实施例中，b的最小值即为0.3mm，b的最大值为(CD-WL-2W)。因此，在第二阶段中，金属微结构的拓扑图案的演变如图9所示，即从最大的“十”字形拓扑图案JD1，逐渐演变成最大的平面雪花状的拓扑图案JD2，此处的最大的平面雪花状的拓扑图案JD2是指，第一金属分支J1与第二金属分支J2的长度b已经不能再伸长，否则第一金属分支与第二金属分支将发生相交。在第二阶段中，随着金属微结构的拓扑图案的演变，与其对应的超材料单元的折射率连续增大(对应天线一特定频率)。

通过上述演变得到超材料单元的折射率变化范围如果包含了n_min至n_max的连续变化范围，则满足设计需要。如果上述演变得到超材料单元的折射率变化范围不满足设计需要，例如最大值太小或最小值过大，则变动WL与W，重新仿真，直到得到我们需要的折射率变化范围。

根据公式(1)至(3)，将仿真得到的一系列的超材料单元按照其对应的折射率排布以后(实际上就是不同拓扑图案的多个人造微结构在基材上的排布)，即能得到本发明的核心层片层。

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)

1.一种卡塞格伦型超材料天线，其特征在于，包括具有中央通孔的超材料主反射器、设置在中央通孔中的馈源及设置在馈源前方的副反射器，馈源辐射的电磁波依次经过副反射器、超材料主反射器的反射后以平面波的形式出射，所述超材料主反射器包括核心层及设置在核心层后表面的反射层，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基材以及设置在基材上的多个人造微结构，所述副反射器为旋转双叶双曲面的其中一个曲面，所述旋转双叶双曲面的实轴垂直超材料主反射器,所述馈源的相位中心与旋转双叶双曲面的远焦点重合；

任一核心层片层的折射率分布满足如下公式：

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

$d=\frac{\mathrm{\λ}}{2(n_{\max }-n_{\min })};$

$k=\mathrm{floor}\left(\frac{\sqrt{s^2+r^2}-s}{\mathrm{\λ}}\right);$

其中，n(r)表示该核心层片层上半径为r处的折射率值，该核心层片层的折射率分布

圆心即为旋转双叶双曲面的实轴与该核心层片层的交点；

s为所述旋转双叶双曲面的近焦点到超材料主反射器的前表面的距离；

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表示天线中心频率对应的电磁波的波长；

floor表示向下取整数。

2.根据权利要求1所述的卡塞格伦型超材料天线，其特征在于，所述馈源为波纹喇叭，所述旋转双叶双曲面的实轴通过波纹喇叭的口径面的中心。

3.根据权利要求1所述的卡塞格伦型超材料天线，其特征在于，所述基材包括片状的前基板及后基板，所述多个人造微结构夹设在前基板与后基板之间，所述核心层片层的厚度为0.21-2.5mm，其中，前基板的厚度为0.1-1mm，后基板的厚度为0.1-1mm，多个人造微结构的厚度为0.01-0.5mm。

4.根据权利要求3所述的卡塞格伦型超材料天线，其特征在于，所述核心层片层的厚度为0.818mm，其中，前基板与后基板的厚度均为0.4mm，多个人造微结构的厚度为0.018mm。

5.根据权利要求1所述的卡塞格伦型超材料天线，其特征在于，所述人造微结构为金属微结构，所述金属微结构由一条或多条金属线组成，所述金属线为铜线、银线或者铝线，所述基材上的多个人造微结构通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法得到。

6.根据权利要求5所述的卡塞格伦型超材料天线，其特征在于，所述基材上的多个人造微结构由呈平面雪花状的金属微结构的拓扑图案的演变得到，所述呈平面雪花状的金属微结构具有相互垂直平分的第一金属线及第二金属线，所述第一金属线与第二金属线的长度相同，所述第一金属线两端连接有相同长度的两个第一金属分支，所述第一金属线两端连接在两个第一金属分支的中点上，所述第二金属线两端连接有相同长度的两个第二金属分支，所述第二金属线两端连接在两个第二金属分支的中点上，所述第一金属分支与第二金属分支的长度相等。

7.根据权利要求6所述的卡塞格伦型超材料天线，其特征在于，所述呈平面雪花状的金属微结构的每个第一金属分支及每个第二金属分支的两端还连接有完全相同的第三金属分支，相应的第三金属分支的中点分别与第一金属分支及第二金属分支的端点相连。

8.根据权利要求6所述的卡塞格伦型超材料天线，其特征在于，所述呈平面雪花状的金属微结构的第一金属线与第二金属线均设置有两个弯折部，所述呈平面雪花状的金属微结构绕第一金属线与第二金属线的交点在金属微结构所处平面内向任意方向旋转90度的图形都与原图重合。