CN103036067B - 一种雷达天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种雷达天线，包括反射器和位于该反射器焦点上的馈源，反射器为平面反射器，该平面反射器包括平面反射面和附着在该平面反射面上具有汇聚功能的平面超材料面板，馈源位于该平面超材料面板的焦点上。该平面超材料面板和平面反射面替代了传统的抛物反射面，实现定向接收或者发射电磁波，平面结构雷达天线的使用省去了加工传统抛物面雷达天线的复杂制造工艺。

Description

一种雷达天线

技术领域

本发明涉及雷达天线领域，更具体地说，涉及一种使用超材料的雷达天线。

背景技术

雷达天线通过反射器将馈源辐射的球面波变为平面波，从而实现定向接收或者发射电磁波，目前使用的反射器是抛物面形状，馈源位于反射器的焦点附近。

雷达天线的工作原理与光学反射镜相似，现有的雷达抛物面天线如图1所示，包括溃源1、抛物面反射器2和支架3，在抛物面反射器2的焦点处放置有发射或者接收电磁波的馈源1，利用抛物面反射器2的聚焦特性，由馈源1发出的球面波经抛物面反射器2反射后变换成平面波，形成沿抛物面轴向辐射最强的窄波束。

为了制造抛物反射面通常利用模具铸造成型或者采用数控机床进行加工的方法。第一种方法的工艺流程包括：制作抛物面模具、铸造成型抛物面和进行抛物反射面的安装。工艺比较复杂，成本高，而且抛物面的形状要比较准确才能实现天线的定向传播，所以对加工精度的要求也比较高。第二种方法采用大型数控机床进行抛物面的加工，通过编辑程序，控制数控机床中刀具所走路径，从而切割出所需的抛物面形状。这种方法切割很精确，但是制造这种大型数控机床比较困难，而且成本比较高。

超材料是一种具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构材料。超材料通过对微结构的有序排列，可以改变超材料中每点的相对介电常数和磁导率，实现物质的折射率分布的非均匀性从而控制电磁波在材料中的传播路径。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术中制造抛物面天线生产工艺复杂的问题，提出了一种结构简单的具有平面反射器的雷达天线。这种平面结构的天线具有抛物面天线可以定向接收或者发射电磁波的优点，同时避免了生产抛物面天线时的复杂工艺。

当一束电磁波由一种介质传播到另外一种介质时，电磁波会发生折射，当物质内部的折射率分布非均匀时，电磁波就会向折射率比较大的位置偏折，相邻单元折射率变化越大偏折角越大，通过改变折射率在材料中的分布，可以改变电磁波的传播路径，使用中间轴向的折射率最大周围折射率呈逐渐减小、而且随着半径的增大折射率的变化量逐渐增大的超材料面板可以使相互平行且垂直于超材料面板入射的电磁波经超材料折射后汇聚到一点上，该汇聚点是超材料面板的焦点，本发明就是利用了超材料的汇聚特性实现了电磁波的汇聚功能。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：雷达天线包括反射器和位于反射器焦点上的溃源，其中反射器为平面反射器，该平面反射器包括平面反射面和附着在该平面反射面上具有汇聚功能的平面超材料面板，馈源位于平面超材料面板的焦点上。

在本发明的优选实施方式中，平面超材料面板的折射率在垂直于该平面超材料面板的中心轴上最大，以中心轴为圆心，随着半径的增大，折射率逐渐变小且折射率的变化量逐渐增大，相同半径处的折射率相同，馈源位于平面超材料面板的中心轴向上。

在本发明的优选实施方式中，平面超材料面板包括片状基板，该片状基板包括基材以及附着在基材上的多个人造微结构。

在本发明的优选实施方式中，平面超材料面板由至少一片片状基板沿垂直于片状基板的表面的方向堆叠而成。

在本发明的优选实施方式中，片状基板中心点处的折射率最大、以中心点为圆心，随着半径的增大，折射率逐渐变小且折射率的变化量逐渐增大，相同半径处的折射率相同。

在本发明的优选实施方式中，片状基板以中心点为圆心，相同半径上的人造微结构相同，随着半径逐渐增大所述人造微结构的尺寸逐渐变小。

在本发明的优选实施方式中，人造微结构是以一定的图案附着在基材上的金属线。

在本发明的优选实施方式中，几何图案为“工”字形或“工”字形的衍生形。

在本发明的优选实施方式中，几何图案为雪花状或者雪花状的衍生形。

实施本发明的雷达天线，具有以下有益效果：平面天线的结构简单，通过利用超材料对电磁波进行汇聚的特性，使得雷达天线不依赖电磁波汇聚设备的形状，省去了加工传统抛物面天线的复杂制造工艺，同时又可以实现传统抛物面天线定向接收或者发射电磁波的优点。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步详细地说明，附图中：

图1是现有技术中抛物面雷达天线的结构示意图；

图2是超材料对电磁波汇聚特性的示意图；

图3是雷达天线的平面反射器的工作原理图；

图4是相对中心轴对称的折射率分布示意图

图5是本发明提出的雷达天线发射电磁波时的示意图；

图6是本发明提出的雷达天线接收电磁波时的示意图。

图7是人造微结构的一种具体形式工字形结构；

图8是人造微结构的另一种具体形式一种工字形的衍生结构。

图9是电磁波经过具有4层基板的平面超材料面板时的示意图；

图10是采用工字形结构的人造微结构在每层基板中的排列示意图；

图11是超材料汇聚特性示意图；

图12是人造微结构的另一种具体形式‘雪花状’结构；

图13是人造微结构的一种具体形式‘雪花状’结构的衍生结构；

图14是人造微结构的一种具体形式‘雪花状’结构的又一种衍生结构。

图中各标号对应的名称为：

1馈源、2抛物面反射器、3支架、4平面超材料面板、5平面反射面、6发射源、7平面超材料面板，其中标号4对应的平面超材料面板的厚度为标号7对应的平面超材料面板的厚度的一半

具体实施方式

本实施例利用可以汇聚电磁波的平面超材料面板的汇聚特性，用平面反射器代替了目前的抛物面反射器，解决了雷达天线抛物面反射器生产工艺复杂的问题，又具有原抛物面反射器天线可以定向接收或者发射电磁波的优点。

本实施例所用超材料的汇聚特性如图2所示，当电磁波从发射源6发出后，通过平面超材料面板7折射后变成了平面波，这个过程光路是可逆的，也就是说，当平面电磁波照射到平面超材料面板7经过其折射后，电磁波将汇聚于发射源6。

采用这种超材料制作的平面反射器如图3所示，包括平面反射面5和附着在平面反射面5上的平面超材料面板4，平面反射面5是具有良好反射特性的反射面，比如金属反射面等；平面超材料面板4的折射率分布如图4所示，中心轴向处的折射率为n₁，以中心轴AA′与平面超材料面板的交点为圆心，随着半径的逐渐增加折射率逐渐变小且折射率的变化量逐渐增大，其中n₁＞n₂＞n₃＞...＞n_p，(n_m-n_m-1)＞(n_m-1-n_m-2)，m为大于3小于等于q的自然数。

对比图3和图2可知，图3中由于使用了平面反射面5，由馈源1发出的电磁波经平面超材料面板4折射后、经过平面反射面5反射，最后又经过平面超材料面板4折射出来为平面波。电磁波在图2和图3中的光路传播是等效的，所以图3中的平面超材料面板4的厚度为图2中的平面超材料面板7的厚度的一半。

雷达天线如图5和图6所示，包括用于接收或者发射电磁波的馈源1、平面反射面5、附着在平面反射面5上具有汇聚功能的平面超材料面板4、用于支撑平面反射面5和控制其转动的支架3、馈源1位于平面超材料面板4的中心轴向AA′上的焦点上。

雷达天线朝某一特定方向A1A1′发射电磁波时，如图5所示，平面超材料面板4的中心轴向AA′与特定方向A1A1′重合，馈源1发出的电磁波经平面超材料面板4折射、平面反射面5反射、又经平面超材料面板4折射后以平行与A1A1′方向发射出去。

雷达天线接收某一特定方向A2A2′传播的电磁波时，如图6所示，平面超材料面板4的中心轴向AA′与特定方向A2A2′重合，沿A2A2′方向传播的电磁波经平面超材料面板4折射、平面反射面5反射、又经平面超材料面板4折射后在馈源1的位置汇聚。

旋转雷达天线的支架3从而带动平面反射面5和平面超材料面板4跟着转动，平面超材料面板4的中心轴向AA′跟着一起转动，因此当雷达天线需要向特定方向发射或者接收电磁波时，只需使中心轴向AA′与特定方向重合既可。

因此当雷达天线接收沿平面超材料面板轴向的电磁波时，电磁波经过平面超材料面板折射、平面反射面板反射和平面超材料面板再次折射后在溃源处汇聚。当雷达天线发射电磁波时，由位于平面超材料面板轴向焦点处的馈源发出电磁波，经过平面超材料面板折射、平面反射面反射和平面超材料面板再次折射后平行射出，实现了雷达天线定向发射电磁波的功能。

由上述描述可知，平面超材料面板的设计至关重要，下面对平面超材料面板做具体说明，由馈源发出的电磁波经过图2和图3中的结构传播后都可以平行射出，因此电磁波在图2和图3中的传输是等效的，其中图3中的平面超材料面板的厚度是图2中的平面超材料面板厚度的一半，下面以图2为例来说明电磁波在其中的传输特性，假设图2中的平面超材料面板的结构如图9所示由4片片状基板堆叠而成，所以对应的图3中的雷达天线的平面超材料面板由2片片状基板堆叠而成，波束经过4片片状基板折射传播的路径如图9所示，每片片状基板包括片状基材和附着在该基材上的人造微结构，基材采用介电绝缘材料制成，可以为陶瓷材料、环氧树脂或聚四氟乙烯等，人造微结构为以一定的几何形状附着在基材上的金属线，金属线可以是剖面为圆柱状或者扁平状的铜线、银线等，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材上，整个基板划分为多个单元(包括该单元中的基材和附着在该单元基材上的人造微结构)，每个单元都具有一个人造微结构，每一个单元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，每个单元的尺寸取决于需要响应的电磁波频率，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的单元所组成的排列在空间中不能被视为连续。

由超材料技术可知，在基材选定的情况下，通过调整人造微结构的图案、尺寸及其在基材上的空间分布，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及等效磁导率越大。本实施例采用的人造微结构的图案为工字形，如图7所示，人造微结构在基材上的分布如图10所示，由图10可知，基板上工字形的人造微结构的尺寸从基板中心向周围逐渐变小，在基板中心处，工字形的人造微结构的尺寸最大，并且在距离中心相同半径处的工字形人造微结构的尺寸相同，因此基板的等效介电常数及等效磁导率由中间向四周逐渐变小，中间的等效介电常数及等效磁导率最大，因而基板的折射率从中间向四周逐渐变小，中间部分的折射率最大。

如图11所示，由馈源S发出的电磁波经过平面超材料面板汇聚后沿S1方向平行传出时，偏折角θ与折射率的关系为：Sinθ＝q·Δn(参见Metamaterials：Theory，Design，and Applications，Publisher：Springer，ISBN 1441905723，75页-76页)，其中q是沿轴向排列的人造微结构的个数，图9中所示的平面超材料面板由于是4片片状基板堆叠而成的，所以对于图9所示的平面超材料面板q取值为4；Δn表示相邻单元的折射率变化，且0＜q·Δn＜1，超材料面板上相邻单元的折射率变化量大小相同时，对于传输到该位置的电磁波的偏折角相同，折射率变化量越大，偏折角越大。

材料的折射率与其介电常数及磁导率存在如下关系：其中k为比例系数，k取值为正负1，ε为材料的介电常数，u为材料的磁导率，

通过对超材料空间中每一点的介电常数ε与磁导率μ的精确设计，可以实现由馈源发出的电磁波经超材料折射后平行射出的汇聚特性。

若干人造微结构可通过人工仿真技术实现，即可由人工对具有特定电磁特性的人造微结构进行设计，将片状基板划分为多个单元，每个单元中的基材与附着在该单元上的人造微结构的等效介电常数ε与等效磁导率μ的选择方法为：

通过计算机仿真和实验测试，先预设馈源与平面超材料面板的距离，预选一个单元(包括该单元中的基材和附着在基材上具有一定几何形状的人造微结构)作为中心处的单元，将若干单元(包含不同几何参数的人造微结构)响应馈源发出的电磁波的电磁特性进行测量，存储测量得到的电磁响应曲线，确定各种不同单元结构的等效介电常数以及等效磁导率并存在于一个数据库中；然后根据公式Sinθ＝q·Δn，对于不同的偏转角度，确定折射率的变化量，确定不同半径处的折射率，根据折射率与介电常数和磁导率的关系从数据库中选择符合条件的单元结构。

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，人造微结构的图案可以是二维、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”字形的衍生结构如图8所示，可以为如图12所示的在三维空间中各条边相互垂直的雪花状及图13和图14所示的雪花状的衍生结构，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。平面超材料面板的数量根据需要可增可减，每一片基板的结构可以相同，也可以不同，只要满足由馈源发出的电磁波经过平面反射器传播后可以平行射出即可，本发明中的馈源可以通过与平面超材料面板或者与支座相连的支架固定在平面超材料面板的焦点上、也可以通过独立的控制结构使馈源位于平面超材料面板的焦点上，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 (6)

1.一种雷达天线，包括反射器和位于该反射器焦点上的馈源，其特征在于，所述反射器为平面反射器，该平面反射器包括平面反射面和附着在该平面反射面上具有汇聚功能的平面超材料面板，所述馈源位于该平面超材料面板的焦点上；所述平面超材料面板的折射率在垂直于该平面超材料面板的中心轴上最大，以中心轴为圆心，随着半径的增大，折射率逐渐变小且折射率的变化量逐渐增大，相同半径处的折射率相同，所述馈源位于所述平面超材料面板的中心轴向上；所述雷达天线还包括用于支撑平面反射面和控制其转动的支架，所述支架转动带动平面反射面和平面超材料面板转动，进而改变雷达天线接收或发射电磁波的方向；所述平面超材料面板包括片状基板，该片状基板包括基材以及附着在该基材上的多个人造微结构；人造微结构为以一定的几何形状附着在基材上的金属线，所述片状基板以中心点为圆心，相同半径上的人造微结构相同，随着半径逐渐增大，所述人造微结构的尺寸逐渐变小，所述片状基板划分为多个单元，每个单元都具有一个人造微结构，每个单元的尺寸为所需响应的电磁波波长的十分之一。

2.根据权利要求1所述的雷达天线，其特征在于，所述平面超材料面板由至少一片片状基板堆叠而成。

3.根据权利要求2所述的雷达天线，其特征在于，所述片状基板中心点处的折射率最大、以中心点为圆心，随着半径的增大，折射率逐渐变小且折射率的变化量逐渐增大，相同半径处的折射率相同。

4.根据权利要求1所述的雷达天线，其特征在于，所述的人造微结构是以几何图案附着在所述基材上的金属线。

5.根据权利要求4所述的雷达天线，其特征在于，所述几何图案为“工”字形或“工”字形的衍生形。

6.根据权利要求4所述的雷达天线，其特征在于，所述几何图案为雪花状或者雪花状的衍生形。