CN103094707B - 基于超材料的天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于超材料的天线，包括接收和/或发射电磁波的天线模块和设置于电磁波传播方向上的超材料模块，所述天线模块包括反射体及设置于所述反射体内的振子，所述超材料模块包括一个超材料片层，所述超材料片层对应每一振子的位置形成一折射率分布区，以每个折射率分布区内正对相应振子的一点为极点O、平行于所述折射率分布区的任一条以极点O为端点的射线Oy为极轴建立极坐标系，以极点O为中心形成一个各点的折射率均相同的区域；而在所述区域外，以极点O为圆心、以y为半径形成一个各点的折射率均相同的折射率圆，而以不同的y为半径形成多个同心的折射率圆，以让电磁波经过所述超材料模块时汇聚其波束，提高了天线的方向性和增益。

Description

基于超材料的天线

技术领域

本发明涉及一种天线，特别涉及一种基于超材料的天线。

背景技术

随着移动互联时代的到来，人们越来越多地借助个人终端装置来获取信息，因此，无线信号的收发至关重要，进而对设置于个人终端装置上的天线的性能提出了更高的要求，比如天线的方向性、增益等。一般，用于衡量天线性能的参数包括远场的最大dB值及半功率角。天线的远场的最大dB值越大、半功率角越小，无线信号的传播距离就越远。

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材料，其可对天线辐射出来的电磁波波束进行汇聚，减小天线的半功率角，提高天线的方向性，让电磁波传播的更远。可见，超材料的独特的电磁特性为高性能天线的设计带来了曙光，从而引起了产业界的极大兴趣。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种由超材料设计而成的天线。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于超材料的天线，包括接收和/或发射电磁波的天线模块和设置于电磁波传播方向上的超材料模块，所述天线模块包括反射体及设置于所述反射体内的振子，所述超材料模块包括至少一个超材料片层，每个超材料片层对应每一振子的位置形成一折射率分布区，以每个折射率分布区内正对相应振子的一点为极点O、平行于所述折射率分布区的任一条以所述极点O为端点的射线Oy为极轴建立极坐标系，则所述极轴Oy上任一点(y，0)的折射率n(y)为：

式中，

$r_{\mathrm{temp}}=\left\{\begin{array}{cc}{y}_{\mathrm{temp}}-\mathrm{halfd},& y_{\mathrm{temp}}>\mathrm{halfd}\\ y_{\mathrm{temp}},& -\mathrm{halfd}\&le;y_{\mathrm{temp}}\&le;\mathrm{halfd}\\ y_{\mathrm{temp}}+\mathrm{halfd},& y_{\mathrm{temp}}<-\mathrm{halfd}\end{array}\right.$

y_temp＝mod(y+bb/2，bb)-bb/2，mod为求余函数，bb为所述反射体对应所述振子所在位置的线长度；ss为所述振子到所述折射率分布区的距离；d为所述折射率分布区的厚度，且n_max和n_min分别为所述折射率分布区的最大折射率和最小折射率；halfd为所述振子的线长度的一半；以所述极点O为中心，两倍的halfd为长度形成一个各点的折射率均等于最大折射率的区域；以所述极点O为圆心、以y为半径在每个区域外的折射率分布区内形成一个各点的折射率均相同的折射率圆，而以不同的y为半径形成多个同心的折射率圆。

优选地，所述超材料模块包括多个沿垂直于片层表面的方向叠加的超材料片层，各个超材料片层上对应同一振子形成相同的折射率分布区和相同的区域。

优选地，各个超材料片层上对应同一振子的各个区域内的各点的折射率均相同、对应同一振子的各个区域外的折射率分布区内半径相同的折射率圆的折射率均相同。

优选地，每一超材料片层包括基板和周期性排布于所述基板上的多个人工微结构。

优选地，所述人工微结构是呈雪花状的平面金属微结构。

优选地，所述人工微结构是小圆孔。

优选地，所述反射体为电导体。

优选地，所述反射体的反射率是100％。

优选地，所述超材料模块的两侧分别设置有阻抗匹配薄膜，每一阻抗匹配薄膜包括多个具有不同折射率的阻抗匹配层，每一阻抗匹配层是具有单一折射率的均匀介质。

优选地，每一阻抗匹配层包括基板和周期性排布于所述基板上的多个人工微结构。

本发明基于超材料的天线具有以下有益效果：通过在所述超材料片层上对应每一振子形成满足上述公式的折射率分布，使电磁波穿过所述超材料模块时汇聚其波束，半功率角变小，得以提高其方向性和增益，让电磁波传播的更远。

附图说明

下面将结合附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。

图1是本发明基于超材料的天线的结构示意图；

图2是本发明的一个超材料片层的正面放大图；

图3是图1中所示的超材料片层的一个折射率分布区的正面放大图，其中建立了一极坐标系；

图4是对应图3中建立的极坐标系所形成的折射率分布示意图；

图5是对应图4的折射率分布所形成的金属微结构的排布示意图；

图6是对应图4的折射率分布所形成的小圆孔的排布示意图；

图7是本发明的一个具体实例在给定电磁波下其远场各个方位的dB值的曲线图；

图8是本发明的超材料模块两侧分别覆盖一阻抗匹配薄膜时的结构示意图。

图中各标号对应的名称为：

10基于超材料的天线、12天线模块、14反射体、16振子、20超材料模块、22超材料片层、24折射率分布区、26区域、30阻抗匹配薄膜、32阻抗匹配层

具体实施方式

我们知道，电磁波在传播过程中所发生的折射是由于两种介质或两部分材质的折射率不同而导致的。对于超材料来说，由于其是由以人工微结构如金属图案或小孔为基本单元并以特定方式(如周期排列方式)进行空间排布而形成的，使其空间各点具有不同的介电常数和磁导率，而空间各点的折射率也即，超材料空间各点的折射率亦不相同。由此可见，针对要将天线辐射出来(为了简单起见，本文中只以天线辐射电磁波的情况为例进行说明，事实上本文所述亦适用于天线接收电磁波的情形，下同)的电磁波波束进行汇聚的情形，我们只要获得了超材料空间各点的折射率分布，也就相当于知晓了其空间各点的介电常数和磁导率，再利用人工微结构的排布而设计出可让天线的电磁波波束进行汇聚的超材料。

目前，超材料一般由多层超材料片层构成，每一超材料片层包括基板及附着于所述基板上的人工微结构(每个人工微结构及其所附着的基板部分人为定义为一个超材料单元，每个超材料单元的尺寸小于所需响应的电磁波波长的五分之一，优选为十分之一)，通过调节人工微结构的拓扑形状和几何尺寸来改变基板上各点(也即各个超材料单元，由于每个超材料单元的尺寸应小于入射电磁波的波长的五分之一，优选为十分之一，一般非常微小，故每个超材料单元可看作一点，下同)的介电常数和磁导率，进而使基板上各点的折射率以一定的规律变化，即可控制电磁波的传播。若让超材料的多层超材料片层的各点的折射率均以一定的规律排布，则可达到改变电磁波的传播路径的目的。对于天线辐射的电磁波来说，经由超材料后不仅对电磁波波束进行了汇聚，减小了天线的半功率角，并使电磁波由球面波变换为平面波传播，传播的距离更远。

如图1所示，所述基于超材料的天线10包括接收和/或发射电磁波的天线模块12和设置于电磁波传播方向上的超材料模块20，所述天线模块12包括反射体14及阵列排布于所述反射体14内的多个振子16。本实施例中，所述反射体14为完美电导体，也即，其反射率为100％，而图中所示的振子16为呈线性排列的五个。在其他的实施例中，可以为任意数量的振子16以任何方式排列，如矩阵排布。一般，所述超材料模块20包括多个沿垂直于片层表面的方向(也即所述振子16发射或接收的电磁波的传播方向)叠加而成的超材料片层22。由于每个超材料片层22的折射率分布规律均相同，故在下面仅选取一个超材料片层22作为示例进行说明。

请继续参考图2，所述超材料片层22上对应每一振子16的位置形成一折射率分布区24。为了示例，图中由虚线分隔形成了五个方形区域来表示这些折射率分布区24，事实上，所述超材料片层22上对应每一振子16的折射率分布区24可以为任何形状，且各个折射率分布区24的大小也可以不相同。由于所述超材料片层22上对应每一振子16的位置形成的折射率分布区24内的折射率分布规律均相同，因此，我们以下以所述超材料片层22上对应一个振子16的折射率分布区24为例进行说明。

请继续参考图3，以所述折射率分布区24内的一点为极点O、平行于所述折射率分布区24的任一条以所述极点O为端点的射线Oy为极轴建立极坐标系，则所述极轴Oy上任一点(y，0)的折射率满足如下关系式：

式中，

$r_{\mathrm{temp}}=\left\{\begin{array}{cc}{y}_{\mathrm{temp}}-\mathrm{halfd},& y_{\mathrm{temp}}>\mathrm{halfd}\\ y_{\mathrm{temp}},& -\mathrm{halfd}\&le;y_{\mathrm{temp}}\&le;\mathrm{halfd}\\ y_{\mathrm{temp}}+\mathrm{halfd},& y_{\mathrm{temp}}<-\mathrm{halfd}\end{array}\right.$

y_temp＝mod(y+bb/2，bb)-bb/2，mod为求余函数，对于整数来说，两个同号整数求余与两个正数求余完全相同；两个异号整数求余时，先将两个整数看作是正数，再作除法运算：①能整除时，其值为0，②不能整除时，其值＝除数×(整商+1)-被除数，其值的符号为除数的符号。对于两个小数来说，其值为被除数-(整商×除数)之后在第一位小数位进行四舍五入，其值的符号同整数的符号规律，而bb为所述反射体14的底部对应每一振子16所在位置的线长度；ss为振子16到所述折射率分布区24表面的距离；d为所述折射率分布区24的厚度，且n_max和n_min分别为所述折射率分布区的最大折射率和最小折射率；halfd为振子16的线长度的一半。

在以所述极点O为中心、两倍的halfd为长度的区域26内，各点的折射率均等于n_max；而在所述区域26外，以所述极点O为圆心、以y为半径作圆，在所述折射率分布区24上形成各点的折射率均相同的折射率圆，而以不同的y为半径作圆时形成多个同心的折射率圆，且随着折射率圆的半径的增大，各个折射率圆的折射率减小，如图4。其中所述区域26是以halfd为半径形成的圆形区，且所述极点O位于所述折射率分布区24上大致正对相应振子16的中心的位置。

在每个折射率分布区24内利用人工微结构排布于基板来构造所述超材料片层22时，让在所述区域26内的人工微结构的几何尺寸和/或拓扑形状均相同，而在所述区域26外通过调整人工微结构的几何尺寸和/或拓扑形状并让其周期性排布，从而形成满足式(1)的折射率分布。作为示例，图5和图6分别给出了一个折射率分布区24内呈雪花状的平面金属微结构和小圆孔(两种人工微结构)的排布示意图。

当每一所述超材料片层22均对应这些振子16形成多个折射率分布区24，而这些折射率分布区24内的折射率分布均满足式(1)时，让多个所述超材料片层22沿垂直于片层表面的方向叠加在一起，各个超材料片层22对应同一振子16形成相同的折射率分布区24和相同的区域26，且对应同一振子16的各个区域26内的各点的折射率均相同、对应同一振子16的各个区域26外的折射率分布区24上半径相同的折射率圆的折射率均相同，从而构成所述超材料模块20。

为了验证具有满足式(1)的折射率分布的所述超材料模块20对电磁波波束的汇聚效果，以下我们以一个五振子天线模块12为例进行实际测试。再请参看图1，让bb＝0.128m，ss＝0.04102m，halfd＝0.02298，n_max＝6.9，n_min＝1.85，且假设所述天线模块12辐射出的电磁波频率为1.9GHz，则可得所述基于超材料的天线10的远场周围各个方位的dB值如图7。从图可知，其远场的最大dB值为52.8741dB，并测得半功率角为29.3183°。可见，通过让所述超材料模块20上对应每个振子16的折射率分布区24内各点的折射率满足式(1)，即可使电磁波波束向中心汇聚，减小了所述基于超材料的天线10的半功率角，提高了其方向性和增益，并使电磁波由球面波变换为平面波，传播的距离更远。

此外，由于空气与所述超材料模块20的折射率不同，电磁波入射和出射所述超材料模块20时还会发生反射，这时，我们通常在所述超材料模块20两侧设置阻抗匹配薄膜30来减少电磁波反射，如图8所示。每一阻抗匹配薄膜30包括多个具有不同折射率的阻抗匹配层32，各个阻抗匹配层32既可以用由基板和人工微结构构成的具有单一折射率的超材料片层来实现，也可以由自然界中存在的天然材料制成。

当所述超材料模块20的两侧分别设置所述阻抗匹配薄膜30时，式(1)中的ss为振子16到与其最靠近的阻抗匹配薄膜30表面的距离。

以上所述仅是本发明的多个具体实施方式和/或实施例，不应当构成对本发明的限制。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明基本思想的前提下，还可以做出多个改进和润饰，而这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于超材料的天线，其特征在于，包括接收和/或发射电磁波的天线模块和设置于电磁波传播方向上的超材料模块，所述天线模块包括反射体及设置于所述反射体内的振子，所述超材料模块包括至少一个超材料片层，每个超材料片层对应每一振子的位置形成一折射率分布区，以每个折射率分布区内正对相应振子的一点为极点O、平行于所述折射率分布区的任一条以所述极点O为端点的射线Oy为极轴建立极坐标系，则所述极轴Oy上任一点(y，0)的折射率n(y)为：

式中，

$r_{temp}=\left\{\begin{array}{cc}{y}_{temp}-halfd,& y_{temp}>halfd\\ y_{temp},& -halfd\&le;y_{temp}\&le;halfd\\ y_{temp}+halfd,& y_{temp}<-halfd\end{array}\right.$

y_temp＝mod(y+bb/2，bb)-bb/2，mod为求余函数，bb为所述反射体对应所述振子所在位置的线长度；ss为所述振子到所述折射率分布区的距离；d为所述折射率分布区的厚度，且n_max和n_min分别为所述折射率分布区的最大折射率和最小折射率；halfd为所述振子的线长度的一半；以所述极点O为中心，两倍的halfd为长度形成一个各点的折射率均等于最大折射率的区域；以所述极点O为圆心、以y为半径在每个区域外的折射率分布区内形成一个各点的折射率均相同的折射率圆，而以不同的y为半径形成多个同心的折射率圆，让电磁波经过所述超材料模块时汇聚其波束。

2.根据权利要求1所述的基于超材料的天线，其特征在于，所述超材料模块包括多个沿垂直于片层表面的方向叠加的超材料片层，各个超材料片层上对应同一振子形成相同的折射率分布区和相同的区域。

3.根据权利要求1所述的基于超材料的天线，其特征在于，每一超材料片层包括基板和周期性排布于所述基板上的多个人工微结构。

4.根据权利要求3所述的基于超材料的天线，其特征在于，所述人工微结构是呈雪花状的平面金属微结构。

5.根据权利要求3所述的基于超材料的天线，其特征在于，所述人工微结构是小圆孔。

6.根据权利要求1所述的基于超材料的天线，其特征在于，所述反射体为电导体。

7.根据权利要求1所述的基于超材料的天线，其特征在于，所述反射体的反射率是100％。

8.根据权利要求1所述的基于超材料的天线，其特征在于，所述超材料模块的两侧分别设置有阻抗匹配薄膜，每一阻抗匹配薄膜包括多个具有不同折射率的阻抗匹配层，每一阻抗匹配层是具有单一折射率的均匀介质。

9.根据权利要求8所述的基于超材料的天线，其特征在于，每一阻抗匹配层包括基板和周期性排布于所述基板上的多个人工微结构。