CN103036025B - 喇叭天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种喇叭天线，包括馈源和喇叭，其特征在于，在所述喇叭内填充多层超材料介质，所述每一层超材料介质内具有相同的介电常数，所述多层超材料介质之间具有不同的介电常数。所述每一层超材料介质均由多个超材料单元组成。本发明喇叭天线的结构简单，造价低廉；增益高，方向性好；具有较强的耐压性能，避免发生电击穿；结构较小，重量轻，具有一定的灵活性。

Description

喇叭天线

技术领域

本发明涉及无线通信领域，更具体地说，涉及一种喇叭天线。

背景技术

喇叭天线是波导管终端渐变张开的圆形或矩形截面的微波天线，它也是一种面天线。喇叭的功能是再比波导更大的口径上产生均匀的相位波前，从而获得较高的定向性。由于其设计、制造容易以及成本比较低，喇叭天线在实际生活中有着广泛的应用。

限制喇叭天线方向性的主要是喇叭口面上相位不一致性。当电磁波从波导进入喇叭喉部到喇叭口面时，电磁波的波面由平面变成球面，在喇叭口面上电磁波的相位已经不再是相等的了。为了减小口面上相位不一致性，经常采用的手段是改变喇叭的掌教或者喇叭的长度，但是采用上述手段只能减小相位差，并不能从根本上消除相位不一致性的不良影响。

发明内容

本发明的目的在于克服现有的普通喇叭天线喇叭口面上相位不一致性的的缺陷，提供一种基于超材料的喇叭天线，通过在喇叭内填充超材料介质，提高了喇叭天线的增益。

为了达到上述目的，本发明采用的如下技术方案：

一种喇叭天线，包括馈源和喇叭，在所述喇叭内填充多层超材料介质，所述每一层超材料介质内具有相同的介电常数，所述多层超材料介质之间具有不同的介电常数。

进一步地，所述每一层超材料介质内的介电常数ε^k为：

${\mathrm{\ϵ}}^k=\left(\begin{array}{ccc}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{xx}}^k& {\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{xy}}^k& {\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{xz}}^k\\ {\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{yx}}^k& {\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{yy}}^k& {\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{yz}}^k\\ {\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{zx}}^k& {\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{zy}}^k& {\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{zz}}^k\end{array}\right);$

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{xy}}^k={\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{xz}}^k={\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{yx}}^k={\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{yz}}^k={\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{zx}}^k={\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{zy}}^k=0;$

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{xx}}^k=\frac{1}{{\mathrm{\α}}^k};$

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{yy}}^k={\mathrm{\α}}^k;$

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{zz}}^k=\frac{1}{{\mathrm{\α}}^k};$

${\mathrm{\α}}^k=1+\frac{(k-0.5)(b-a)}{\mathrm{ma}},$

上述式子中，k表示从靠近所述馈源处开始，第k层超材料介质，其中最靠近所述馈源的超材料介质为第1层超材料介质，然后依次为第2层，第3层……，k＝1、2、3、……、m；m表示喇叭内填充的超材料介质的总层数；b表示所述喇叭口面宽度；a表示靠近所述馈源处喇叭的宽度。

进一步地，所述每一层超材料介质均由多个超材料单元组成。

进一步地，所述每一超材料单元均由人造微结构和供所述人造微结构附着的单元基材。

进一步地，所述每一层超材料介质内的人造微结构具有相同的尺寸，且所述多层超材料介质之间的人造微结构的尺寸不同。

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单元基材上。

进一步地，所述人造微结构为雪花状结构或雪花状衍生状。

进一步地，所述单元基材由陶瓷材料、环氧树脂、聚四氟乙烯、FR-4复合材料或F4B复合材料制得。

本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

1、本发明喇叭天线的结构简单，造价低廉；

2、本发明喇叭天线半功率角小，增益高，方向性好，；

3、本发明喇叭天线具有较强的耐压性能，避免发生电击穿；

4、本发明喇叭天线的结构较小，重量轻，具有一定的灵活性。

附图说明

图1是本发明一种喇叭天线的结构示意图；

图2是本发明所述超材料单元的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

如图1所示，是一种喇叭天线，包括馈源1和喇叭2，在所述喇叭2内填充多层超材料介质3。

喇叭天线从馈源1处发出电磁波信号，经过喇叭2进入所述超材料介质3进行电磁波汇聚，并通过所述超材料介质3内部的折射率分布使得喇叭天线具有高增益，方向性好的特点。

为了使得喇叭天线具有上述特点，也就是要达到电磁波从喇叭口面出射时保证电磁波具有相同相位，即等相位传输，通常是改变超材料介质内部的折射率来实现，在本发明较佳的实施例中，所述每一层超材料介质内的介电常数εk为：

${\mathrm{\ϵ}}^k=\left(\begin{array}{ccc}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{xx}}^k& {\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{xy}}^k& {\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{xz}}^k\\ {\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{yx}}^k& {\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{yy}}^k& {\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{yz}}^k\\ {\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{zx}}^k& {\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{zy}}^k& {\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{zz}}^k\end{array}\right);$

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{xy}}^k={\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{xz}}^k={\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{yx}}^k={\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{yz}}^k={\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{zx}}^k={\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{zy}}^k=0;$

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{xx}}^k=\frac{1}{{\mathrm{\α}}^k};$

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{yy}}^k={\mathrm{\α}}^k;$

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{zz}}^k=\frac{1}{{\mathrm{\α}}^k};$

${\mathrm{\α}}^k=1+\frac{(k-0.5)(b-a)}{\mathrm{ma}},$

上述式子中，k表示从靠近所述馈源处开始，第k层超材料介质，其中最靠近所述馈源的超材料介质为第1层超材料介质，然后依次为第2层，第3层……，k＝1、2、3、……、m；m表示喇叭内填充的超材料介质的总层数；b表示所述喇叭口面宽度；a表示靠近所述馈源处喇叭的宽度。

所述喇叭天线内填充的超材料介质3在径向方向上具有相同的折射率。

所述每一超材料介质3内每一点都有一超材料单元4，所述超材料单元4均包括人造微结构402以及供人造微结构402附着的单元基材401，如图2所示。通过对人造微结构402的拓扑图案、几何尺寸以及其在单元基材401上分布的设计，使超材料介质3的折射率分布规律满足上述公式。但应知本发明的折射率变化并不以此为限。本发明设计目的为：使电磁波经过各超材料片层31时，电磁波偏折角度被逐渐改变。通过公式Sinθ＝q·Δn，其中θ为所需偏折电磁波的角度、Δn为前后折射率变化差值，q为超材料功能层的厚度并通过计算机仿真即可确定所需参数值并达到本发明设计目的。

为使超材料介质3上述的折射率的变化，经过理论和实际证明，可对所述人造微结构402的拓扑结构、几何尺寸以及其在单元基材401上分布的设计，单元基材401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402为以一定的几何形状附着在单元基材401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，每一超材料单元4都具有一个人造微结构，每一个超材料单元4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，每个超材料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402的超材料单元4所组成的排列在空间中不能被视为连续。

在单元基材401的选定的情况下，通过调整人造微结构402的形状、尺寸及其在单元基材401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402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402的图案为工字形的衍生图案，人造微结构402的图案可以是二维、也可以是三维结构，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402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。

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 (9)

1.一种喇叭天线，包括馈源和喇叭，其特征在于，在所述喇叭内填充多层超材料介质，所述每一层超材料介质内具有相同的介电常数，所述多层超材料介质之间具有不同的介电常数，所述每一层超材料介质内的介电常数ε^k为：

${\mathrm{\ϵ}}^k=\left(\begin{array}{ccc}{\mathrm{\ϵ}}_{xx}^k& {\mathrm{\ϵ}}_{xy}^k& {\mathrm{\ϵ}}_{xz}^k\\ {\mathrm{\ϵ}}_{yx}^k& {\mathrm{\ϵ}}_{yy}^k& {\mathrm{\ϵ}}_{yz}^k\\ {\mathrm{\ϵ}}_{zx}^k& {\mathrm{\ϵ}}_{zy}^k& {\mathrm{\ϵ}}_{zz}^k\end{array}\right);$

${\mathrm{\ϵ}}_{xy}^k={\mathrm{\ϵ}}_{xz}^k={\mathrm{\ϵ}}_{yx}^k={\mathrm{\ϵ}}_{yz}^k={\mathrm{\ϵ}}_{zx}^k={\mathrm{\ϵ}}_{zy}^k=0;$

${\mathrm{\ϵ}}_{xx}^k=\frac{1}{{\mathrm{\α}}^k};$

${\mathrm{\ϵ}}_{yy}^k={\mathrm{\α}}^k;$

${\mathrm{\ϵ}}_{zz}^k=\frac{1}{{\mathrm{\α}}^k};$

${\mathrm{\α}}^k=1+\frac{(k-0.5)(b-a)}{ma},$

上述式子中，k表示从靠近所述馈源处开始，第k层超材料介质，其中最靠近所述馈源的超材料介质为第1层超材料介质，然后依次为第2层，第3层……，k＝1、2、3、……、m；m表示喇叭内填充的超材料介质的总层数；b表示所述喇叭口面宽度；a表示靠近所述馈源处喇叭的宽度。

2.根据权利要求1所述的一种喇叭天线，其特征在于，所述每一层超材料介质均由多个超材料单元组成。

3.根据权利要求2所述的一种喇叭天线，其特征在于，每一所述超材料单元均由人造微结构和供所述人造微结构附着的单元基材。

4.根据权利要求1所述的一种喇叭天线，其特征在于，所述每一层超材料介质内的人造微结构具有相同的尺寸，且所述多层超材料介质之间的人造微结构的尺寸不同。

5.根据权利要求3所述的一种喇叭天线，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。

6.根据权利要求5所述的一种喇叭天线，其特征在于，所述金属丝为铜丝或银丝

7.根据权利要求6所述的一种喇叭天线，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单元基材上。

8.根据权利要求3所述的一种喇叭天线，其特征在于，所述人造微结构为雪花状结构或雪花状衍生状。

9.根据权利要求3所述的一种喇叭天线，其特征在于，所述单元基材由陶瓷材料、环氧树脂、聚四氟乙烯、FR-4复合材料或F4B复合材料制得。