CN103094705B - 基于超材料的透镜天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及无线通信领域，提供一种基于超材料的透镜天线，该透镜天线包括：馈源、波导、超材料阻抗变换器以及超材料透镜，所述馈源、波导、超材料阻抗变换器以及超材料透镜依次相连；所述超材料透镜包括多个具有相同折射率分布的超材料片层，所述超材料片层包括一个圆形区域和与所述圆形区域同心的多个环形区域，所述圆形区域和所述环形区域内折射率随着半径的增大从np连续减小到n0且相同半径处的折射率相同。本发明通过调节超材料内部的介电常数和磁导率的分布规律，使得超材料内的折射率达到使通过其内的电磁波信号能够平行出射，最终使得透镜天线方向性更好，增益更大。

Description

基于超材料的透镜天线
技术领域
本发明涉及无线通信领域，尤其涉及基于超材料的透镜天线。
背景技术
现有透镜天线主要通过介质透镜实现电磁波空间波束调制，依照透镜介质作用机理的不同，可以分为加速型透镜如图1(a)所示和延迟型透镜如图1(b)所示。其中加速型透镜主要通过E面金属平板波导实现。延迟型透镜主要通过H面金属板和非金属电介质，如合成树脂，聚苯乙烯和聚四氟乙烯等材料实现。对波形的调制主要通过改变透镜材质和厚度实现。
在某些特定场合由于具体应用场景的特殊条件，透镜天线的尺寸大小受到严格的限制，但由于减小透镜尺寸会严重影响天线性能表现，所以传统透镜天线设计在狭窄空间的应用受到相当的限制。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中透镜天线因减小透镜尺寸会严重影响天线性能的缺陷，提供一种基于超材料的透镜天线，该天线采用超材料技术可应用在狭小空间且不影响天线的性能。
为了达到上述目的，本发明采用的如下技术方案：
基于超材料的透镜天线，所述透镜天线包括：馈源、波导、超材料阻抗变换器以及超材料透镜，所述馈源、波导、超材料阻抗变换器以及超材料透镜依次相连；所述超材料透镜包括多个具有相同折射率分布的超材料片层，所述超材料片层包括一个圆形区域和与所述圆形区域同心的多个环形区域，所述圆形区域和所述环形区域内折射率随着半径的增大从np连续减小到n0且相同半径处的折射率相同。
进一步地，所述波导为圆形波导。
进一步地，所述超材料阻抗变换器有多个超材料阻抗片层组成，且每一超材料阻抗片层内的折射率为均匀分布，相邻间的超材料阻抗片层的折射率从入射端向出射端逐渐增加。
进一步地，所述超材料阻抗变换器的厚度为入射电磁波波长的四分之一。
进一步地，所述超材料片层由多个超材料单元组成。
进一步地，所述超材料阻抗片层均由多个超材料单元组成。
进一步地，所述超材料片层内的超材料单元包括单元基材、人造微结构以及单元填充部分，所述人造微结构位于所述单元基材和单元填充部分的中间。
进一步地，所述超材料片层内所在超材料单元内的人造微结构具有相同的几何形状，所述圆形区域和所述环形区域内所在超材料单元内的人造微结构的尺寸随着半径的增大连续减小且相同半径处所在超材料单元内的人造微结构的尺寸相同。
进一步地，所述每一超材料阻抗片层内所在超材料单元内的人造微结构的尺寸均相同，相邻间的超材料阻抗片层内所在超材料单元内的人造微结构的尺寸从入射端向出射端逐渐变大。
进一步地，所述人造微结构为风车型微结构。
本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：
(1)本发明一种基于超材料的透镜天线采用超材料阻抗变换器将从超材料透镜表面反射回来的电磁波经变换后与入射波形相位抵消，实现从波导到超材料透镜的阻抗匹配，降低反射，增加天线系统入射效率。
(2)本发明一种基于超材料的透镜天线通过超材料实现折射率变化，最终实现电磁波的相位调整，以达到将球面波前变化为平面波前的目的。
附图说明
图1(a)为现有技术中加速型透镜的原理示意图；
图1(b)为现有技术中延迟型透镜的原理示意图；
图2为本发明基于超材料的透镜的结构示意图；
图3为本发明所述超材料阻抗变换器的结构示意图；
图4为本发明所述超材料透镜的结构示意图；
图5为本发明所述超材料片层内的折射率分布规律示意图；
图6为本发明所述超材料单元的结构示意图；
图7为本发明所述人造微结构的结构示意图。
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2所示，为本发明所述基于超材料的透镜天线的结构示意图，所述透镜天线包括：馈源1、波导2、超材料阻抗变换器3以及超材料透镜4，所述馈源1、波导2、超材料阻抗变换器3以及超材料透镜4依次连接。馈源1通过外围的馈线(图中没有画出)与波导2相连，在波导2内形成电磁波进入超材料阻抗变换器3中，并最终通过所述超材料透镜4汇聚辐射出去，为了使得超材料阻抗变换器3将从超材料透镜4表面反射回来的电磁波经变换后与入射波形相位抵消，实现从波导2到超材料透镜4的阻抗匹配，降低反射，增加天线系统入射效率，将所示超材料阻抗变换器3的厚度设计为入射电磁波波长的四分之一。
本较佳实施利用中，所述波导2优选圆形波导，其他矩形波导也可以应用，具体因实际应用而定。
如图3所示，所述超材料阻抗变换器3由多个超材料阻抗片层组成，所述超材料阻抗片层均由多个超材料单元组成，如图6所示，所述超材料阻抗片层内的超材料单元包括单元基材411、人造微结构412以及单元填充部分413，所述人造微结构412位于所述单元基材411和单元填充部分413的中间，图3中出示了6层超材料阻抗片层，从左到右依次为超材料阻抗片层31、超材料阻抗片层32、超材料阻抗片层33、超材料阻抗片层34、超材料阻抗片层35以及超材料阻抗片层36，且它们的折射率从左到右依次增加，其中超材料阻抗片层31内的折射率最小，超材料阻抗片层36内的折射率最大，在这六层超材料阻抗片层的每一层内部的折射率是均匀分布的。例如：假设6层超材料阻抗片层的折射率分布有1、2、3、4、5以及6，则超材料阻抗片层31内的折射率为1、超材料阻抗片层32内的折射率为2、超材料阻抗片层33内的折射率为3、超材料阻抗片层34内的折射率为4、超材料阻抗片层35内的折射率为5以及超材料阻抗片层36内的折射率为6。在具体实施过程中，超材料阻抗变换器3内的超材料阻抗片层的数量不局限为六层，可以根据具体实际应用而定。
作为公知常识我们可知，电磁波的折射率与成正比关系，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，通过设计超材料中每一点的电磁参数，就可对超材料的折射率分布进行调整，进而达到改变电磁波的传播路径的目的。根据上述原理可以通过设计超材料透镜4的折射率分布使从波导2发出的球面波形式的发散电磁波转变成适于远距离传输的平面波形式的汇聚电磁波。
在所述超材料阻抗变换器3的出射端处紧贴有超材料透镜4，所述超材料透镜4包括多个具有相同折射率分布的超材料片层41，所述超材料片层41由多个超材料单元组成，所述超材料阻抗片层内的超材料单元跟超材料阻抗片层内的超材料单元一样，也包括单元基材411、人造微结构412以及单元填充部分413，且所述人造微结构412位于所述单元基材411和单元填充部分413的中间，如图4所示，本实施例中列举了6层相互叠加在一起的超材料片层41，但是本发明不局限6层超材料片层，根据实际情况而定。超材料透镜4由多个超材料片层41堆叠形成，这各个超材料片层41之间等间距排列地组装，或两两片层之间直接前、后表面相粘合地连接成一体。具体实施时，超材料片层41的数目可依据需求来进行设计。每个超材料片层41通过对人造微结构的拓扑图案、几何尺寸的设计，使其折射率分布满足如下规律：每一层的折射率分布均相同，每一超材料片层41均包括一个圆形区域和与所述圆形区域同心的多个环形区域，所述圆形区域和所述环形区域内折射率随着半径的增大从np连续减小到n0且相同半径处的折射率相同，如图5所示。
为了得到满足上述折射率变化关系的超材料阻抗变换器3以及超材料透镜4，本发明的基于超材料的透镜天线通过设计超材料内部的人造微结构，得到超材料内的介电常数ε和磁导率μ，进而对超材料阻抗变换器3的折射率分布进行设计实现波导2与超材料透镜4之间的阻抗匹配；对超材料透镜4的折射率进行设计实现球面波形式发散的电磁波转变为平面形式的电磁波。
实验证明，相同图案的人造微结构，其几何尺寸与介电常数成ε正比，因此在入射电磁波确定的情况下，通过合理设计人造微结构的拓扑图案和不同尺寸的人造微结构在超材料片层上的排布，所述超材料片层41内所在超材料单元内的人造微结构412具有相同的几何形状，所述圆形区域和所述环形区域内所在超材料单元内的人造微结构412的尺寸随着半径的增大连续减小且相同半径处所在超材料单元内的人造微结构412的尺寸相同；所述每一超材料阻抗片层内所在超材料单元内的人造微结构412的尺寸均相同，相邻间的超材料阻抗片层内所在超材料单元内的人造微结构412的尺寸从入射端向出射端逐渐变大。
实现上述折射率和折射率变化量分布关系的人造微结构412有很多种可实现方式，对于平面结构的人造微结构412，其几何形状可以是轴对称也可以非轴对称；对于三维结构，其可以是非90度旋转对称的任意三维图形。如图7所示，本较佳实施例中，人造微结构412为风车型微结构。
人造微结构412为由至少一根金属丝组成的平面结构或立体结构。金属丝为铜丝或银丝，可通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法附着在单元基材411上。
本发明通过对超材料阻抗变换器3的折射率分布进行设计实现波导2与超材料透镜4之间的阻抗匹配；对超材料透镜4的折射率进行设计实现球面波形式发散的电磁波转变为平面形式的电磁波，从而提高了透镜天线的汇聚性能，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，提高了透镜天线的性能。
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.基于超材料的透镜天线，其特征在于，所述透镜天线包括：馈源、波导、超材料阻抗变换器以及超材料透镜，所述馈源、波导、超材料阻抗变换器以及超材料透镜依次相连；所述超材料透镜包括多个具有相同折射率分布的超材料片层，所述超材料片层包括一个圆形区域和与所述圆形区域同心的多个环形区域，所述圆形区域和所述环形区域内折射率随着半径的增大从np连续减小到n0且相同半径处的折射率相同；所述超材料阻抗变换器有多个超材料阻抗片层组成，且每一超材料阻抗片层内的折射率为均匀分布，相邻间的超材料阻抗片层的折射率从入射端向出射端逐渐增加。
2.根据权利要求1所述的基于超材料的透镜天线，其特征在于，所述波导为圆形波导。
3.根据权利要求1所述的基于超材料的透镜天线，其特征在于，所述超材料阻抗变换器的厚度为入射电磁波波长的四分之一。
4.根据权利要求1所述的基于超材料的透镜天线，其特征在于，所述超材料片层由多个超材料单元组成。
5.根据权利要求1所述的基于超材料的透镜天线，其特征在于，所述超材料阻抗片层均由多个超材料单元组成。
6.根据权利要求4或者5所述的基于超材料的透镜天线，其特征在于，所述超材料片层内的超材料单元包括单元基材、人造微结构以及单元填充部分，所述人造微结构位于所述单元基材和单元填充部分的中间。
7.根据权利要求6所述的基于超材料的透镜天线，其特征在于，所述超材料片层内所在超材料单元内的人造微结构具有相同的几何形状，所述圆形区域和所述环形区域内所在超材料单元内的人造微结构的尺寸随着半径的增大连续减小且相同半径处所在超材料单元内的人造微结构的尺寸相同。
8.根据权利要求6所述的基于超材料的透镜天线，其特征在于，所述每一超材料阻抗片层内所在超材料单元内的人造微结构的尺寸均相同，相邻间的超材料阻抗片层内所在超材料单元内的人造微结构的尺寸从入射端向出射端逐渐变大。
9.根据权利要求6所述的基于超材料的透镜天线，其特征在于，所述人造微结构为风车型微结构。
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