CN103036026B - 一种喇叭天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种喇叭天线，其包括天线本体、位于天线本体口径面正前方的超材料以及紧贴于超材料背部的反射板，所述天线本体的中心轴线穿过所述超材料的中心点；所述超材料包括基材以及周期排布于基材上的多个人造金属微结构，所述超材料各处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，折射率逐渐减小，相同半径处的折射率相同。本发明通过在现有的天线本体上增设具有汇聚功能的超材料以及位于超材料背后的反射板，天线本体辐射的电磁波被超材料汇聚后被反射板反射并再次进入超材料汇聚后出射，电磁波出射的辐射角度大于汇聚前电磁波的辐射角度，扩大了天线本体的辐射范围。

Description

一种喇叭天线

技术领域

本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种喇叭天线。

背景技术

喇叭天线是指波导终端张开成喇叭状的天线，其得名源于其形状。喇叭天线结构简单且方向图易于控制，可用作方向性天线也可用作馈源。

喇叭天线的辐射角度由喇叭口的尺寸决定，当需要扩大其辐射角度时，相应的需要扩大其喇叭口的尺寸。现有技术在不增大喇叭口尺寸的情况下，扩大辐射角度的方法一般为在喇叭天线前端增设凹透镜，由于凹透镜的发散效果而使得辐射的电磁波被发散从而扩大辐射角度。由于凹透镜的曲面制造困难，现有技术中还提出一种利用凸透镜以扩大天线辐射角度的解决方案，如图1所示。图1中，天线辐射的电磁波经过凸透镜汇聚后再次发散辐射出去，再次发散辐射出去的电磁波的辐射角度大于未汇聚前的电磁波的辐射角度。然而，凸透镜仍然需要制造厚度不均匀的曲面达到所需的效果，且凸透镜厚度较厚，不利于现有设备小型化的趋势。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述不足，提出一种辐射范围较宽且辐射角度可自由控制、尺寸较小的喇叭天线。

本发明解决其技术问题，采用的技术方案是提出一种喇叭天线，其包括：天线本体、位于天线本体口径面正前方的超材料以及紧贴于所述超材料背部的反射板，所述天线本体的中心轴线穿过所述超材料的中心点；所述超材料包括基材以及周期排布于所述基材上的多个人造金属微结构，所述超材料上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，折射率逐渐减小，相同半径处的折射率相同。

进一步地，所述超材料上以其中心点为圆心，半径为r处的折射率为：

$n\left(r\right)=n\left(0\right)*cos\mathrm{\θ}+\frac{1}{d}*(ss-\frac{ss}{cos\mathrm{\θ}}+\frac{r}{sin\mathrm{\α}}-\sqrt{{\left(\frac{r}{sin\mathrm{\α}}\right)}^2-{(ss*tan\mathrm{\θ}+d*tan\mathrm{\θ})}^2})*cos\mathrm{\θ}$

其中，d为所述超材料的厚度；ss为由所述天线本体等效的点源距所述超材料中心点的距离；n(0)为所述超材料中心点的折射率值；θ为天线本体等效的点源辐射的电磁波入射到超材料上的入射角；α为被超材料发散后的电磁波的出射角。

进一步地，所述天线本体的口径面形状为圆形、矩形或者梯形。

进一步地，所述多个人造金属微结构具有相同的几何形状，所述多个人造金属微结构在所述基材上呈圆形分布，圆心处的人造金属微结构尺寸最大，随着半径的增大，人造金属微结构的尺寸减小，相同半径处的人造金属微结构尺寸相同。

进一步地，所述人造金属微结构的几何形状为“工”字形，包括竖直的第一金属分支以及位于所述第一金属分支两端且垂直于所述第一金属分支的第二金属分支。

进一步地，所述几何形状还包括位于所述第二金属分支两端且垂直于所述第二金属分支的第三金属分支。

进一步地，所述人造金属微结构的几何形状为平面雪花型，包括相互垂直的两条第一金属分支以及位于所述第一金属分支两端且垂直于所述第一金属分支的第二金属分支。

进一步地，所述基材为高分子材料、陶瓷材料、铁电材料、铁氧材料或者铁磁材料。

进一步地，所述反射板为金属反射板。

进一步地，所述人造金属微结构通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻周期排布于所述基材上。

本发明通过在现有的天线本体上增设具有汇聚功能的超材料以及位于超材料背后的反射板，天线本体辐射的电磁波经过超材料被汇聚后再被反射板反射并再次进入超材料内部被汇聚，由天线本体传播出去的电磁波辐射角度更大。且本发明在超材料背部增设反射板，使得超材料能两次响应电磁波，减少了超材料的厚度。

附图说明

图1为构成超材料的基本单元的立体结构示意图；

图2为本发明一种喇叭天线的结构示意图；

图3为本发明一种喇叭天线中超材料的立体结构示意图；

图4为本发明喇叭天线上的超材料纵剖面上折射率分布计算示意图；

图5为当喇叭天线的天线本体口径面形状为矩形时，超材料的截面示意图；

图6为能对电磁波产生响应以改变超材料基本单元折射率的第一较佳实施方式的人造金属微结构的几何形状拓扑图案；

图6a为图6中人造金属微结构几何形状拓扑图案的衍生图案；

图7为能对电磁波产生响应以改变超材料基本单元折射率的第二较佳实施方式的人造金属微结构的几何形状拓扑图案；

图7a为图7中人造金属微结构几何形状拓扑图案的衍生图案。

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1所示，图1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人造微结构1以及该人造微结构附着的基材2。本发明中，人造微结构为人造金属微结构，人造金属微结构具有能对入射电磁波电场和/或磁场产生响应的平面或立体拓扑结构，改变每个超材料基本单元上的人造金属微结构的图案和/或尺寸即可改变每个超材料基本单元对入射电磁波的响应。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金属微结构周期排布于基材上即可构成，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的人造金属微结构能对入射电磁波产生连续的电磁响应。

请参照图2，图2为本发明喇叭天线的结构示意图。图2中，喇叭天线包括天线本体100、位于于天线本体口径面正前方的超材料300以及位于超材料300背后的反射板200。天线本体的对称轴线穿过超材料的中心点。本实施例中，反射板200采用金属反射板。在超材料背部增设反射板使得超材料能两次响应天线本体发出的电磁波从而减小超材料的厚度。

请参照图3，图3为本发明喇叭天线中超材料的立体结构示意图。图3中，超材料300包括基材301，以及周期排布于基材上的多个人造金属微结构302。本实施例中，为封装方便以及保护人造金属微结构，在多个人造金属微结构302上还覆盖有一层厚度和材质均与基材301相同的覆盖层303。多个人造金属微结构302均有相同的几何形状，多个人造金属微结构302在基材301上呈圆形分布，圆心处，也即超材料中心处的人造金属微结构尺寸最大，随着半径的增大，人造金属微结构尺寸减小，相同半径处的人造金属微结构尺寸相同。

当把超材料300从中间剖开时，超材料300的纵剖面上的折射率分布旋转一圈即为超材料300的整体折射率分布。我们可以通过超材料300纵剖面上的折射率分布来得知超材料300整体的折射率分布。如图4所示，图4为本发明喇叭天线上的超材料纵剖面上折射率分布计算示意图。图4中，天线本体被等效为一个点源。点源发出的球面波入射到超材料上时，电磁波的入射角为θ，入射角为θ的电磁波在超材料内部经过折射、被金属反射板200反射、再次折射后出射的角度为α。经计算，我们可以得出超材料上以其中心点为圆心、半径为r处的折射率值为：

$n\left(r\right)=n\left(0\right)*cos\mathrm{\θ}+\frac{1}{d}*(ss-\frac{ss}{cos\mathrm{\θ}}+\frac{r}{sin\mathrm{\α}}-\sqrt{{\left(\frac{r}{sin\mathrm{\α}}\right)}^2-{(ss*tan\mathrm{\θ}+d*tan\mathrm{\θ})}^2})*cos\mathrm{\θ}$

其中，r即为具有相同折射率的人造金属微结构距超材料中心点的半径值，也即图4中，超材料纵剖面上距中心轴线的距离；d为超材料的厚度；ss为天线本体的等效点源距超材料中心点的距离；n(0)为超材料中心点的折射率值，也即超材料的最大折射率值。

进一步地，由于n(0)为超材料的最大折射率，当n(0)与自由空间折射率相差较大时，自由空间入射到超材料上的电磁波会部分被反射。在此种情况下，还可在超材料两侧增设阻抗匹配层，以减少反射，增大增益。

同时，当本发明喇叭天线喇叭本体的口径形状发生变化时，仅需要在原有的圆形设计的基础上截取所需的形状即可。如图5所示，图5中，虚线部分即为初始设计时折射率和人造金属微结构的圆环分布图，当天线本体口径面形状为矩形时，直接在圆环分布的基础上截取实线部分的矩形即可。

满足上述超材料折射率分布要求的人造金属微结构的几何形状有多种，但都为能对入射电磁波产生响应的几何形状。最典型的即为“工”字形人造金属微结构。下面详细描述几种人造金属微结构几何形状。超材料上各点折射率对应的人造金属微结构的尺寸可通过计算机仿真得出，也可通过人工计算得出。

如图6所示，图6为能对电磁波产生响应以改变超材料基本单元折射率的第一较佳实施方式的人造金属微结构的几何形状拓扑图案。图6中，人造金属微结构呈“工”字形，包括竖直的第一金属分支1021以及分别垂直该第一金属分支1021且位于第一金属分支两端的第二金属分支1022，图6a为图6中人造金属微结构几何形状拓扑图案的衍生图案，其不仅包括第一金属分支1021、第二金属分支1022，每条第二金属分支两端还垂直设置有第三金属分支1023。

图7为能对电磁波产生响应以改变超材料基本单元折射率的第二较佳实施方式的人造金属微结构的几何形状拓扑图案。图7中，人造金属微结构呈平面雪花型，包括相互垂直的第一金属分支1021’以及两条第一金属分支1021’两端均垂直设置有第二金属分支1022’；图7a为图7所示人造金属微结构几何形状拓扑图案的衍生图案，其不仅包括两条第一金属分支1021’、四条第二金属分支1022’，四条第二金属分支两端还垂直设置有第三金属分支1023’。优选地，第一金属分支1021’长度相等且垂直于中点相交，第二金属分支1022’长度相等且中点位于第一金属分支端点，第三金属分支1023’长度相等且中点位于第二金属分支端点；上述金属分支的设置使得人造金属微结构呈各向同性，即在人造金属微结构所属平面内任意方向旋转人造金属微结构90°都能与原人造金属微结构重合。采用各向同性的人造金属微结构能简化设计、减少干扰。

本发明中，基材可由陶瓷、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料等制得。例如，聚四氟乙烯、环氧树脂、FR-4、F4b等高分子材料。人造金属微结构通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻等方法附着在基材上。其中蚀刻是较优的制造工艺，其步骤是在设计好合适的人造金属微结构的平面图案后，先将一张金属箔片整体地附着在基材上，然后通过蚀刻设备，利用溶剂与金属的化学反应去除掉人造金属微结构预设图案以外的箔片部分，余下的即可得到周期阵列排布的人造金属微结构。

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)

1.一种喇叭天线，其特征在于：包括天线本体、位于所述天线本体口径面正前方的超材料以及紧贴于所述超材料背部的反射板，所述天线本体的中心轴线穿过所述超材料的中心点；所述超材料包括基材以及周期排布于所述基材上的多个人造金属微结构，所述超材料上折射率呈圆形分布，圆心处的折射率最大，随着半径的增大，折射率逐渐减小，相同半径处的折射率相同；

所述超材料上以其中心点为圆心，半径为r处的折射率为：

$n\left(r\right)=n\left(0\right)*\cos \mathrm{\θ}+\frac{1}{d}*(ss-\frac{ss}{\cos \mathrm{\θ}}+\frac{r}{\sin \mathrm{\α}}-\sqrt{{\left(\frac{r}{\sin \mathrm{\α}}\right)}^2-{(ss*\tan \mathrm{\θ}+d*\tan \mathrm{\θ})}^2})*\cos \mathrm{\θ}$

其中，d为所述超材料的厚度；ss为由所述天线本体等效的点源距所述超材料中心点的距离；n(0)为所述超材料中心点的折射率值；θ为天线本体等效的点源辐射的电磁波入射到超材料上的入射角；α为被超材料发散后的电磁波的出射角。

2.如权利要求1所述的喇叭天线，其特征在于：所述天线本体的口径面形状为圆形、矩形或者梯形。

3.如权利要求1所述的喇叭天线，其特征在于：所述多个人造金属微结构具有相同的几何形状，所述多个人造金属微结构在所述基材上呈圆形分布，圆心处的人造金属微结构尺寸最大，随着半径的增大，人造金属微结构的尺寸减小，相同半径处的人造金属微结构尺寸相同。

4.如权利要求3所述的喇叭天线，其特征在于：所述人造金属微结构的几何形状为“工”字形，包括竖直的第一金属分支以及位于所述第一金属分支两端且垂直于所述第一金属分支的第二金属分支。

5.如权利要求4所述的喇叭天线，其特征在于：所述几何形状还包括位于所述第二金属分支两端且垂直于所述第二金属分支的第三金属分支。

6.如权利要求3所述的喇叭天线，其特征在于：所述人造金属微结构的几何形状为平面雪花型，包括相互垂直的两条第一金属分支以及位于所述第一金属分支两端且垂直于所述第一金属分支的第二金属分支。

7.如权利要求1所述的喇叭天线，其特征在于：所述基材为高分子材料、陶瓷材料、铁电材料、铁氧材料或者铁磁材料。

8.如权利要求1所述的喇叭天线，其特征在于：所述反射板为金属反射板。

9.如权利要求1所述的喇叭天线，其特征在于：所述人造金属微结构通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻周期排布于所述基材上。