CN103036066B - 一种龙伯透镜天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种龙伯透镜天线，包括超材料龙伯球以及设置在超材料龙伯球表面上的馈源，所述超材料龙伯球由多个相互平行的超材料平板叠加形成，每一超材料平板包括片状的基材以及设置在基材上的多个人造微结构，所述馈源与球心的连线垂直超材料平板，所述超材料龙伯球上相同极半径处的折射率相同，整个超材料龙伯球的折射率分布规律满足传统的龙伯球要求。根据本发明的龙伯透镜天线，超材料龙伯球由片状的超材料平板叠加形成，而不需要加工曲面，制造加工更加容易，成本更加低廉。

Description

一种龙伯透镜天线

技术领域

本发明涉及通信领域，更具体地说，涉及一种龙伯透镜天线。

背景技术

龙伯透镜是由龙伯于上世纪四十年代提出的一种圆形介质球，介质球内的相对介电常数沿径向连续分布，表达式为ε_r(r)＝2-(r/R)²；由于介质球中的磁导率基本上都是等于1的，所以上式也可用折射率来表示，即：此介质球具有聚焦电磁波的特性。处于焦点处的馈源发出的球面电磁波经龙伯透镜的折射便可以转变成平面电磁波。由于龙伯透镜的这一特性，可将其应用于高增益天线的设计之中。目前龙伯透镜天线已经得到了较为广泛的应用。龙伯透镜天线的制造通常不采用完整的球体，而是做成半球的形状，半球的底面用反射电波的材料制作。这种设计难度比较大，也不利于成本的控制。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有的龙伯透镜天线加工不易、成本高的缺陷，提供一种加工简单、制造成本低的龙伯透镜天线。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种龙伯透镜天线，包括超材料龙伯球以及设置在超材料龙伯球表面上的馈源，所述超材料龙伯球由多个相互平行的超材料平板叠加形成，每一超材料平板包括片状的基材以及设置在基材上的多个人造微结构，所述馈源与球心的连线垂直超材料平板，所述超材料龙伯球上相同极半径处的折射率相同，整个超材料龙伯球的折射率分布规律为：

$n\left(r\right)=\sqrt{2-{(r/R)}^2};$

其中，r表示超材料龙伯球上任意一位置的极半径；

R为超材料龙伯球的最大极半径。

进一步地，所述超材料平板还包括覆盖人造微结构的填充层。

进一步地，每一超材料平板划分为多个相同的超材料单元，每一超材料单元由一个人造微结构、单元基材及单元填充层构成。

进一步地，每一超材料平板在厚度方向上只有一个超材料单元。

进一步地，每一超材料单元的长、宽、高几何尺寸不大于入射电磁波波长的五分之一。

进一步地，所述人造微结构为由金属线构成的金属微结构。

进一步地，所述人造微结构为铜线或银线。

进一步地，所述人造微结构为平面雪花状的金属微结构。

进一步地，所有超材料平板上的金属微结构形状相同，所述超材料龙伯球上相同极半径处的多个金属微结构具有相同的几何尺寸，且随着极半径的增大金属微结构的几何尺寸逐渐减小。

根据本发明的龙伯透镜天线，超材料龙伯球由片状的超材料平板叠加形成，而不需要加工曲面，制造加工更加容易，成本更加低廉。

附图说明

图1是本发明的龙伯透镜天线的过球心的剖面图；

图2是本发明一种形式的超材料单元的透视示意图；

图3为超材料平板的侧视图；

图4为超材料平板的正视图。

具体实施方式

如图1至图4所示，根据本发明龙伯透镜天线包括超材料龙伯球100以及设置在超材料龙伯球100表面上的馈源200，所述超材料龙伯球100由多个相互平行的超材料平板10叠加组成，每一超材料平板10包括片状的基材11以及设置在基材11上的多个人造微结构12，所述馈源与球心的连线垂直超材料平板，所述超材料龙伯球100上相同极半径r处的折射率相同，整个超材料龙伯球的折射率分布规律为：

$n\left(r\right)=\sqrt{2-{(r/R)}^2};---\left(1\right)$

其中，r表示超材料龙伯球上任意一位置的极半径；

R为超材料龙伯球的最大极半径。

为了制作工艺的简单化，如图1及图4所示，本发明的超材料平板10为圆柱状，多个圆柱状的超材料平板10紧密贴合形成一个近似的球体。为了更加美观，可以在近似的球体周边加入填充物300(图中画剖面线的部分)，以使得电磁波汇聚元件100形成一个标准的球形。填充物300的材料可以与基材相同，也可以是介电常数接近空气的其它介质材料。应当注意的是，图1是示意性画出了18层超材料平板10，但是根据不同的精度可以有更多的超材料平板10，超材料平板10层数越多，则电磁波汇聚元件100的精度越高，即在极半径的方向，折射的变化更为的连续(间隔小)。图1虽然剖视图，但是为了区分填充物300与超材料平板10，超材料平板10并未画剖面线。

如图1所示，多个超材料平板10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。如图3所示，另外，所述超材料平板10还包括覆盖人造微结构的填充层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。如图2所示，每一超材料平板10可以划分为多个相同的超材料单元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，每一超材料平板10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，单元基材V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。

已知折射率其中μ为相对磁导率，ε为相对介电常数，μ与ε合称为电磁参数。在特定波长的电磁波入射的情况下，每一超材料单元表现出特定的μ与ε，这样就可以确定出一个等效的折射率，因此，在磁导率一定的情况下，通过改变介电常数，我们可以得到任意折射率的超材料单元。实验证明，具有相同形状的金属微结构，随着几何尺寸的增大，其介电常数会增大，在磁导率不变的情况下，等效折射率增大，因此，在所有超材料平板上的金属微结构形状相同的情况下，通过以下两个条件即可实现公式(1)：

(1)所述超材料龙伯球上相同极半径处的多个金属微结构具有相同的几何尺寸，且随着极半径的增大金属微结构的几何尺寸逐渐减小。

(2)合理设计球心处的超材料单元的折射率值，使其等于；合理设计球面的折射率值，使其等于1。

上述中，通过计算机模拟仿真即能得到合适的超材料单元。

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。

本发明中，所述基材由陶瓷材料、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。

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)

1.一种龙伯透镜天线，其特征在于，包括超材料龙伯球以及设置在超材料龙伯球表面上的馈源，所述超材料龙伯球由多个相互平行且紧密贴合的超材料平板叠加形成，各所述超材料平板形成一个球体，在球体周边加入填充物，每一超材料平板包括片状的基材、设置在基材上的多个人造微结构以及覆盖人造微结构的填充层，每一超材料平板划分为多个相同的超材料单元，每一超材料单元由一个人造微结构、单元基材及单元填充层构成，所述馈源与球心的连线垂直超材料平板，所述超材料龙伯球上相同极半径处的折射率相同，整个超材料龙伯球的折射率分布规律为：

$n\left(r\right)=\sqrt{2-{(r/R)}^2};$

其中，r表示超材料龙伯球上任意一位置的极半径；

R为超材料龙伯球的最大极半径。

2.根据权利要求1所述的龙伯透镜天线，其特征在于，每一超材料平板在厚度方向上只有一个超材料单元。

3.根据权利要求2所述的龙伯透镜天线，其特征在于，每一超材料单元的长、宽、高几何尺寸不大于入射电磁波波长的五分之一。

4.根据权利要求3所述的龙伯透镜天线，其特征在于，每一超材料单元的长、宽、高几何尺寸为入射电磁波波长的十分之一。

5.根据权利要求1所述的龙伯透镜天线，其特征在于，所述人造微结构为由金属线构成的金属微结构。

6.根据权利要求5所述的龙伯透镜天线，其特征在于，所述人造微结构为铜线或银线。

7.根据权利要求6所述的龙伯透镜天线，其特征在于，所述人造微结构为平面雪花状的金属微结构。

8.根据权利要求7所述的龙伯透镜天线，其特征在于，所有超材料平板上的金属微结构形状相同，所述超材料龙伯球上相同极半径处的多个金属微结构具有相同的几何尺寸，且随着极半径的增大金属微结构的几何尺寸逐渐减小。