CN102904042B - 一种微波天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种后馈式微波天线，其包括辐射源、用于将所述辐射源发射的电磁波发散的第一超材料面板、具有电磁波汇聚功能并用于将所述第一超材料面板发散出来的电磁波转换为平面波的第二超材料面板。本发明采用超材料原理制作天线，使得天线脱离了常规的凸透镜形状、凹透镜形状以及抛物面形状的限制，采用本发明的天线，其形状可为平板状或任意形状且厚度更薄、体积更小、加工和制作更为方便，具有成本低廉、增益效果好的有益效果。

Description

一种微波天线

技术领域

本发明涉及天线领域，更具体地说，涉及一种微波天线。

背景技术

在常规的光学器件中，利用透镜能使位于透镜焦点上的点光源辐射出的球面波经过透镜折射后变为平面波。透镜天线是由透镜和放在透镜焦点上的辐射器组成，利用透镜汇聚的特性，将辐射器辐射出的电磁波经过透镜汇聚后再发射出去的天线，这种天线方向性比较强。

目前透镜的汇聚是依靠透镜的球面形状的折射来实现，如图1所示，辐射器1000发出的球面波经过球形的透镜2000汇聚后以平面波射出。发明人在实施本发明过程中，发现透镜天线至少存在如下技术问题：球形透镜1000的体积大而且笨重，不利于小型化的使用；球形透镜1000对于形状有很大的依赖性，需要比较精准才能实现天线的定向传播；电磁波反射干扰和损耗比较严重，电磁能量减少。当电磁波经过不同介质的分界面时，会发生部分反射现象。通常两边介质的电磁参数(介电常数或者磁导率)差距越大反射就会越大。由于部分电磁波的反射，沿传播方向的电磁能量就会相应损耗，严重影响电磁信号传播的距离和传输信号的质量。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述反射损耗大、电磁能量减少的缺陷，提供一种体积较小、天线前后比好、增益较高且传输距离远的微波天线。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提出一种微波天线，包括：

实施本发明的技术方案，具有以下有益效果：通过设计超材料面板核心层和渐变层上及各自之间的折射率变化将辐射源发射的电磁波转换为平面波，从而提高了天线的汇聚性能，大大减少了反射损耗，也就避免了电磁能量的减少，增强了传输距离，提高了天线性能。进一步地，本发明还在辐射源前段设置具有发散功能的超材料，从而提高辐射源的近距离辐射范围，使得微波天线整体能够更小的尺寸。更进一步地，本发明采用人造孔结构构成超材料，具有工艺简单、成本低廉的有益效果。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是现有的球面形状的透镜天线汇聚电磁波的示意图；

图2是构成超材料的基本单元的立体结构示意图；

图3本发明微波天线的结构示意图；

图4是本发明微波天线中构成第一超材料面板的第一超材料片层的结构示意图；

图5是本发明微波天线中第二超材料面板的立体结构示意图；

图6为本发明微波天线中第二超材料面板的匹配层的剖视图。

具体实施方式

光，作为电磁波的一种，其在穿过玻璃的时候，因为光线的波长远大于原子的尺寸，因此我们可以用玻璃的整体参数，例如折射率，而不是组成玻璃的原子的细节参数来描述玻璃对光线的响应。相应的，在研究材料对其他电磁波响应的时候，材料中任何尺度远小于电磁波波长的结构对电磁波的响应也可以用材料的整体参数，例如介电常数ε和磁导率μ来描述。通过设计材料每点的结构使得材料各点的介电常数和磁导率都相同或者不同从而使得材料整体的介电常数和磁导率呈一定规律排布，规律排布的磁导率和介电常数即可使得材料对电磁波具有宏观上的响应，例如汇聚电磁波、发散电磁波等。该类具有规律排布的磁导率和介电常数的材料我们称之为超材料。

如图2所示，图2为构成超材料的基本单元的立体结构示意图。超材料的基本单元包括基材2以及在基材2中形成的人造孔结构1。在基材2中形成人造孔结构1使得基材2每点的介电常数和磁导率随着人造孔结构体积的不同而不同，从而每个超材料基本单元对相同频率的入射波具有不同的电磁响应。多个超材料基本单元按一定规律排列即可使得超材料对电磁波具有宏观的响应。由于超材料整体需对入射电磁波有宏观电磁响应因此各个超材料基本单元对入射电磁波的响应需形成连续响应，这要求每一超材料基本单元的尺寸为入射电磁波的十分之一至五分之一，优选为入射电磁波的十分之一。本段描述中，我们人为的将超材料整体划分为多个超材料基本单元，但应知此种划分方法仅为描述方便，不应看成超材料由多个超材料基本单元拼接或组装而成，实际应用中超材料是将人造孔结构周期排布于基材中即可构成，工艺简单且成本低廉。周期排布即指上述我们人为划分的各个超材料基本单元上能对入射电磁波产生连续的电磁响应。

如图3所示，图3为本发明微波天线的结构示意图。图3中，本发明微波天线包括辐射源20、第一超材料面板30、第二超材料面板10以及外壳40，本发明中，辐射源20发射的电磁波频率为12.4G赫兹至18G赫兹。第二超材料面板10与外壳40构成密封腔体。图2中，该密封腔体为长方体形，但实际应用中，由于辐射源20尺寸小于第二超材料面板10的尺寸，因此密封腔体多为圆锥形。与第二超材料面板10相接的外壳壁内侧设置有吸波材料50，吸波材料50可为常规的吸波涂层亦可为吸波海绵等，辐射源20部分辐射到吸波材料50上的电磁波被吸波材料50吸收以增强天线的前后比。同时，与第二超材料面板10相对的外壳由金属或高分子材料制成，辐射源20部分辐射到金属或高分子材料外壳的电磁波被反射到第二超材料面板10或第一超材料面板30以进一步增强天线的前后比。进一步地，在距第二超材料面板10半波长处还设置有天线防护罩(图中未示)，天线防护罩保护第二超材料面板不受外部环境影响，此处的半波长是指辐射源20发出的电磁波的波长的一半。

第一超材料面板30可直接贴附于辐射源20的辐射端口上，但是，当第一超材料面板30直接贴附于辐射源20的辐射端口上时辐射源20辐射的电磁波部分会被第一超材料面板30反射造成能量损失，因此本发明中，第一超材料面板30通过支架60固定于辐射源20前方。第一超材料面板30由多片折射率分布相同的第一超材料片层300构成，如图4所示，图4为第一超材料片层300的立体结构示意图，第一超材料片层300包括第一基材301以及周期排布于第一基材中的多个第三人造孔结构302。

构成第一超材料片层300的基本单元仍如图2所示，但第一超材料片层300需具有发散电磁波的功能，根据电磁学原理，电磁波向折射率大的方向偏折。因此，第一超材料片层300上的折射率变化规律为：第一超材料片层300折射率呈圆形分布，圆心处的折射率最小且随着半径的增大，对应半径的折射率亦增大且相同半径处折射率相同。具有该类折射率分布的第一超材料片层300使得辐射源20辐射出来的电磁波被发散，从而提高辐射源的近距离辐射范围，使得微波天线整体能够更小的尺寸。

更具体地，本发明中，第一超材料片层300上的折射率分布规律可以为线性变化，即n_(R)＝n_min+KR，K为常数，R为圆形分布的形成有第三人造孔结构的超材料基本单元中心点与第一基材中心点的连线距离，n_min为第一基材中心点所具有的折射率值。另外，第一超材料片层300上的折射率分布规律亦可为平方率变化，即n_(R)＝n_min+KR²；或为立方率变化即n_(R)＝n_min+KR³；或为冥函数变化，即n_(R)＝n_min*K^R等。由上述第一超材料片层300的变化公式可知，只要第一超材料片层300满足发散辐射源发射的电磁波即可。

下面详细描述本发明微波天线第二超材料面板。第二超材料面板将经由第一超材料面板发散的电磁波汇聚后使得发散的球面电磁波以更适于远距离传输的平面电磁波辐射出去。如图5所示，图5为本发明第二超材料面板的立体结构示意图。图5中，第二超材料面板10包括核心层，该核心层由多个折射率分布相同的核心超材料片层11构成；对称设置于核心层两侧的第一渐变超材料片层101至第N渐变超材料片层，本实施例中渐变超材料片层为第一渐变超材料片层101、第二渐变超材料片层102以及第三渐变超材料片层103；所有的渐变超材料片层与所有的核心超材料片层构成第二超材料面板的功能层；对称设置于该功能层两侧的第一匹配层111至第M匹配层，每一匹配层折射率分布均匀且靠近自由空间的第一匹配层111折射率大致等于自由空间折射率，靠近第一渐变超材料片层的最后一层匹配层折射率大致等于该第一渐变超材料片层101最小的折射率。渐变超材料片层与匹配层均具有减少电磁波的反射，并起到阻抗匹配和相位补偿的作用，因此设置渐变超材料片层和匹配层是较优选的实施方式。

本实施例中，匹配层由具有空腔1111的片层构成，空腔的体积越大使得片层的折射率越小，通过空腔的体积逐渐变化使得各匹配层的折射率逐渐变化。匹配层的剖视图如图6所示。

构成核心超材料片层和渐变超材料片层的基本单元均如图2所示。

核心超材料片层和渐变超材料片层均呈圆形分布，圆心处的折射率最大，随着半径的增大对应半径的折射率减小且相同半径处的折射率相同。其中核心超材料片层具有的最大折射率为n_p，两个相邻的渐变超材料片层的最大折射率为n_i和n_i+1，n_i对应于距离所述核心层较远的渐变超材料片层，n_p、n₀、n_i、n_i+1满足关系式n₀＜n_i＜n_i+1＜n_p。由核心超材料片层和渐变超材料片层构成的功能层的具体每一层上具有相同半径r的超材料基本单元的折射率分布满足：

$n\left(r\right)=n_{\max }-\frac{\sqrt{{\mathrm{ss}}^2+r^2}-\mathrm{ss}}{\sqrt{{\mathrm{ss}}^2+l^2}-\mathrm{ss}}*(n_{\max }-n_0)$

n_max表示各超材料片层所具有的最大折射率值，n₀表示各超材料片层所具有的相同的最小折射率值，ss表示辐射源距第一渐变超材料片层的垂直距离，l表示各超材料片层所具有的相同的最大半径值。

上面详细论述了第一超材料面板和第二超材料面板的整体折射率分布关系，由超材料原理可知，基材中的人造孔结构的体积直接决定超材料各点的折射率值。同时，根据实验可知，当人造孔结构内填充有折射率小于基材的介质时，人造孔结构的体积越大，其对应的超材料基本单元的折射率越小。本发明中，构成第一超材料面板的第一超材料片层上的第三人造孔结构排布规律为：所述第三人造孔结构内填充有折射率小于第一基材折射率的介质，所述每个第三人造孔结构和其所占的部分第一基材构成了所述第一超材料面板的基本单元，所述第一超材料片层的基本单元在所述第一基材上呈圆形分布，圆心处的第一超材料片层的基本单元上的第三人造孔结构体积最大，随着半径的增大，对应半径的第三人造孔结构体积亦增大且相同半径处的第三人造孔结构体积相同。渐变超材料片层上的第二人造孔结构排布规律为：所述第二人造孔结构内填充有折射率小于渐变超材料片层基材折射率的介质，所述每个第二人造孔结构和其所占的部分渐变超材料片层基材构成了所述渐变超材料片层的基本单元，所述渐变超材料片层的基本单元在所述渐变超材料片层基材上呈圆形分布，圆心处的渐变超材料片层的基本单元上的第二人造孔结构体积最小，随着半径的增大，对应半径的渐变超材料片层的基本单元上的第二人造孔结构体积变大且相同半径处的渐变超材料片层的基本单元上的第二人造孔结构体积相同。核心超材料片层上的第一人造孔结构排布规律为：所述第一人造孔结构内填充有折射率小于核心超材料片层基材折射率的介质，所述每个第一人造孔结构和其所占的部分核心超材料片层基材构成了所述核心超材料片层的基本单元，所述核心超材料片层的基本单元在所述核心超材料片层基材上呈圆形分布，圆心处的核心超材料片层的基本单元上的第一人造孔结构体积最小，随着半径的增大，对应半径的核心超材料片层的基本单元上的第一人造孔结构体积变大且相同半径处的核心超材料片层的基本单元上的第一人造孔结构体积相同。上述第一人造孔结构、第二人造孔结构和第三人造孔结构内填充的折射率小于各基材折射率的介质为空气。

可以想象地，当第一人造孔结构、第二人造孔结构或第三人造孔结构内填充介质的折射率大于基材折射率时，各人造孔的体积与上述排布规律相反即可。

满足上述第一超材料面板和第二超材料面板折射率分布要求的人造孔结构的形状并不受限制，只要其所占据超材料基本单元的体积满足上述排布规律即可。同时，每一超材料基本单元内也可形成有多个体积相同的人造孔结构，此时需要使得每一超材料基本单元上所有的人造孔体积之和满足上述排布规律。

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 (9)

1.一种微波天线，其特征在于，包括：辐射源、用于将所述辐射源发射的电磁波发散的第一超材料面板、具有电磁波汇聚功能并用于将所述第一超材料面板发散出来的电磁波转换为平面波的第二超材料面板；所述第一超材料面板包括第一基材及周期排布于所述第一基材中的多个第三人造孔结构；所述第二超材料面板包括核心层，所述核心层包括多个具有相同折射率分布的核心超材料片层，所述核心超材料片层的折射率呈圆形分布，圆心处的折射率最大，随着半径的增大，折射率从n_p连续减小到n₀且相同半径处的折射率相同；所述核心超材料片层包括基材及周期排布于所述核心超材料片层基材中的多个第一人造孔结构；所述第二超材料面板还包括对称设置于所述核心层两侧的第一渐变超材料片层至第N渐变超材料片层，其中对称设置的两层第N渐变超材料片层均靠近所述核心层；每一渐变超材料片层和所有核心超材料片层随着半径r的变化，折射率分布关系式为：

$n\left(r\right)=n_{\max }-\frac{\sqrt{{\mathrm{ss}}^2+r^2}-\mathrm{ss}}{\sqrt{{\mathrm{ss}}^2+l^2}-\mathrm{ss}}*(n_{\max }-n_0)$

其中，n_max表示各超材料片层所具有的最大折射率值，n₀表示各超材料片层所具有的相同的最小折射率值，ss表示辐射源距第一渐变超材料片层的垂直距离，l表示各超材料片层所具有的相同的最大半径值。

2.根据权利要求1所述的微波天线，其特征在于，每一渐变超材料片层折射率均呈圆形分布，且圆心处的折射率均为其最大折射率，随着半径的增大，折射率从其最大折射率逐渐减小到n₀且相同半径处的折射率相同，两个相邻的渐变超材料片层的最大折射率表示为n_i和n_i+1，其中n₀<n_i<n_i+1<n_p，i为正整数，n_i对应于距离所述核心层较远的渐变超材料片层的最大折射率值；所述每一渐变超材料片层包括基材以及周期排布于所述基材表面的多个第二人造孔结构；全部的渐变超材料片层和全部的核心超材料片层构成了所述第二超材料面板的功能层。

3.根据权利要求2所述的微波天线，其特征在于，所述第二超材料面板还包括对称设置于所述功能层两侧的第一匹配层至第M匹配层，其中对称设置的两层第M匹配层均靠近所述第一渐变超材料片层；每一匹配层折射率分布均匀，靠近自由空间的所述第一匹配层折射率大致等于自由空间折射率，靠近所述第一渐变超材料片层的第M匹配层折射率大致等于所述第一渐变超材料片层最小折射率n₀。

4.根据权利要求1所述的微波天线，其特征在于，所述第一人造孔结构内填充有折射率小于核心超材料片层基材折射率的介质，周期排布于所述核心超材料片层的基材中的多个所述第一人造孔结构的排布规律为：所述每个第一人造孔结构和其所占的部分核心超材料片层基材构成了所述核心超材料片层的基本单元，所述核心超材料片层的基本单元在所述核心超材料片层基材上呈圆形分布，圆心处的核心超材料片层的基本单元上的第一人造孔结构体积最小，随着半径的增大，对应半径的核心超材料片层的基本单元上的第一人造孔结构体积变大且相同半径处的核心超材料片层的基本单元上的第一人造孔结构体积相同。

5.根据权利要求2所述的微波天线，其特征在于，所述第二人造孔结构内填充有折射率小于渐变超材料片层基材折射率的介质，周期排布于所述渐变超材料片层基材中的所述第二人造孔结构的排布规律为：所述每个第二人造孔结构和其所占的部分渐变超材料片层基材构成了所述渐变超材料片层的基本单元，所述渐变超材料片层的基本单元在所述渐变超材料片层基材上呈圆形分布，圆心处的渐变超材料片层的基本单元上的第二人造孔结构体积最小，随着半径的增大，对应半径的渐变超材料片层的基本单元上的第二人造孔结构体积变大且相同半径处的渐变超材料片层的基本单元上的第二人造孔结构体积相同。

6.根据权利要求1所述的微波天线，其特征在于，所述第一超材料面板折射率呈圆形分布，圆心处的折射率最小且随着半径的增大，对应半径的折射率亦增大且相同半径处折射率相同。

7.根据权利要求6所述的微波天线，其特征在于，所述第一超材料面板由多个折射率分布相同的第一超材料片层构成；所述第三人造孔结构内填充有折射率小于第一基材折射率的介质，周期排布于所述第一基材中的所述第三人造孔结构的排布规律为：所述每个第三人造孔结构和其所占的部分第一基材构成了所述第一超材料面板的基本单元，所述第一超材料片层的基本单元在所述第一基材上呈圆形分布，圆心处的第一超材料片层的基本单元上的第三人造孔结构体积最大，随着半径的增大，对应半径的第三人造孔结构体积亦增大且相同半径处的第三人造孔结构体积相同。

8.根据权利要求4、5或7所述的微波天线，其特征在于，所述介质为空气。

9.根据权利要求1所述的微波天线，其特征在于，所述微波天线还包括外壳，所述外壳与所述第二超材料面板构成封闭腔体，与所述第二超材料面板相接的外壳壁内侧还附着有吸波材料，与所述第二超材料面板相对的外壳壁由金属材质或高分子材料制成。