CN103296440B - 一种超材料天线系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超材料天线系统，所述天线系统包括天线、基座、至少三个馈源以及支杆，所述天线为超材料天线，所述超材料天线包括至少三个超材料面板，每一所述超材料面板的一侧固定于一支杆上，所述馈源均位于所述支杆上且每两个超材料面板之间有一馈源。本发明采用超材料作为天线系统，使得天线增益显著提高，同时也增加了天线的带宽。

Description

一种超材料天线系统

技术领域

本发明涉及超材料领域，尤其涉及一种超材料天线系统。

背景技术

现有针对电磁波的能量采集技术实现主要通过天线整流实现，其主要结构包括接收天线，低通滤波器，整流二极管电路，直通滤波器和直流负载。

其中接收天线部分主要起到将空间中弥漫的电磁波能量收集并转化的作用。由于空间中弥漫的电磁波能量场较弱，通常希望接收天线可以有较高的增益和较宽的工作频段以尽可能多的获取能量。目前常用天线形式包括从传统大型单极天线到通过印刷电路实现的偶极子天线，微带缝隙天线和圆极化天线等，但是这些天线很难达到高增益以及较宽的带宽。

发明内容

本发明的目的在于克服现有天线难以达到高增益和较宽带宽的缺陷，提供一种基于超材料的天线系统，该天线系统具有高增益以及良好的带宽，且能够使得天线系统小型化，降低工艺复杂度，节约成本。

为了达到上述目的，本发明采用的如下技术方案：

一种超材料天线系统，所述天线系统包括天线、基座、至少三个馈源以及支杆，所述天线为超材料天线，所述超材料天线包括至少三个超材料面板，每一所述超材料面板的一侧固定于一支杆上，所述馈源均位于所述支杆上且每两个超材料面板之间有一馈源。

进一步地，所述每一馈源正对于所述每一超材料面板的中心上。

进一步地，所述馈源为全方向点馈源。

进一步地，所述每一超材料面板包括核心层，所述核心层包括厚度相同且折射率分布相同的多个核心层片层，所述核心层片层包括片状的第一基材以及设置在第一基材上的多个第一人造微结构。

进一步地，所述每一核心层片层内的折射率分布规律为：核心层片层的中心折射率最大，随着半径的增加，折射率不断减小。

进一步地，所述第一基材包括片状的第一前基板及第一后基板，所述多个第一人造微结构夹设在第一前基板与第一后基板之间。

进一步地，所述超材料面板还包括对称分布在核心层两侧表面的阻抗匹配层，所述阻抗匹配层包括厚度相同的多个阻抗匹配层片层，所述阻抗匹配层片层包括片状的第二基材以及设置在第二基材上的多个第二人造微结构，所述阻抗匹配层片层的折射率分布满足如下公式：

$n_j\left(r\right)={n_{\min }}^{\frac{j}{m}}*n{\left(r\right)}^{\frac{m-j}{m}};$

λ＝(n_max-n_min)*(d+2*d1)；

其中，j表示阻抗匹配层片层的编号，靠近馈源和天线罩的阻抗匹配层片层的编号为m，由馈源和天线罩向核心层方向，编号依次减小，靠近核心层的阻抗匹配层片层的编号为1；

上述的n_max与n_min与核心层片层的折射率的最大值与最小值相同；

r表示阻抗匹配层片层上任意一点到其中心的距离；

λ表示电磁波波长；

d1为阻抗匹配层的厚度；

d为核心层的厚度。

进一步地，所述第二基材包括片状的第二前基板及第二后基板，所述多个第二人造微结构夹设在第二前基板与第二后基板之间。

进一步地，所述超材料天线采用圆柱坐标对称的垂直扇叶结构。

进一步地，所述第一人造微结构及第二人造微结构均为由铜线或银线构成的金属微结构，所述金属微结构通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法分别附着在第一基材及第二基材上。

本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：本发明采用超材料作为天线系统，使得天线增益显著提高，同时也增加了天线的带宽。

附图说明

图1是本发明超材料天线系统的结构主视图；

图2是本发明超材料天线系统的结构侧视图；

图3是本发明超材料天线系统的结构俯视图；

图4是本发明的核心层片层其中一个超材料单元的透视示意图；

图5是本发明的核心层片层的结构示意图；

图6是本发明的阻抗匹配层片层的结构示意图。

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1至图3所示，一种超材料天线系统，所述天线系统包括天线、基座2、至少三个馈源1以及支杆4，所述天线为超材料天线，所述超材料天线包括至少三个超材料面板3，每一所述超材料面板3的一侧固定于一支杆4上，所述馈源1均位于所述支杆4上且每两个超材料面板之间有一馈源1。所述每一馈源1正对于所述每一超材料面板3的中心上。本实施例中，采用三个馈源以及三个超材料面板，该三个馈源均采用全方向点馈源，使得各个方向的电磁波都能被该超材料天线接收且都固定在所述支杆上，且通过馈线与外围设备相连接，该三个超材料面板是采用圆柱坐标对称的垂直扇叶结构，也就是三个超材料面板垂直设置，且两两超材料面板之间的夹角为120度，三个馈源分别位于该三个夹角的中央，即位于该三个夹角的角平分线上，且没有馈源的有效点正对着每一个超材料面板的中心。

该实施例中为了使得超材料天线更好的接收电磁波，所述超材料面板3包括核心层，所述核心层包括厚度相同且折射率分布相同的多个核心层片层11，所述核心层片层包括片状的第一基材13以及设置在第一基材13上的多个第一人造微结构12，如图4所示。

本发明中，所述核心层片层11的折射率分布规律为：核心层片层的中心折射率最大，随着半径的增加，折射率不断减小。

本实施例中，如图5所示，所述第一基材13包括片状的第一前基板131及第一后基板132，所述多个第一人造微结构12夹设在第一前基板131与第一后基板132之间。优选地，所述核心层片层的厚度为0.818mm，其中，第一前基板及第一后基板的厚度均为0.4mm，多个第一人造微结构的厚度为0.018mm。

本实施例中，如图6所示所述超材料面板3还包括设置在核心层两侧表面的阻抗匹配层，所述阻抗匹配层包括厚度相同的多个阻抗匹配层片层21，所述阻抗匹配层片层21包括片状的第二基材23以及设置在第二基材23上的多个第二人造微结构(图中未标示)，所述阻抗匹配层片层的折射率分布满足如下公式：

$n_i\left(r\right)={n_{\min }}^{\frac{i}{m}}*n{\left(r\right)}^{\frac{m-i}{m}}---\left(1\right);$

λ＝(n_max-n_min)*(d1+2*d2) (2)；

其中，i表示阻抗匹配层片层的编号，靠近馈源的阻抗匹配层片层的编号为m，由馈源向核心层方向，编号依次减小，靠近核心层的阻抗匹配层片层的编号为1；

上述的n_max与n_min与核心层片层的折射率的最大值与最小值相同；

d1为阻抗匹配层的厚度，即阻抗匹配层片层的厚度与层数的乘积。

d2为核心层的厚度，即核心层片层的厚度与层数的乘积。

本实施例中，所述第二基材23包括片状的第二前基板231及第二后基板232，所述多个第二人造微结构夹设在第二前基板231与第二后基板232之间。优选地，所述阻抗匹配层片层的厚度为0.818mm，其中，第二前基板及第二后基板的厚度均为0.4mm，多个第二人造微结构的厚度为0.018mm。

公式(2)用于确定核心层与匹配层的厚度，当核心层的厚度确定后，利用公式(2)即可得到匹配层的厚度，用此厚度除以每层的厚度即得到阻抗匹配层的层数m。

本发明中，所述第一人造微结构、第二人造微结构均为由铜线或银线构成的金属微结构，所述金属微结构通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法分别附着在第一基材、第二基材。优选地，所述第一人造微结构、第二人造微结构均为图5所示的平面雪花状的金属微结构通过拓扑形状演变得到的多个不同的拓扑形状的金属微结构。

本发明中，所述第一基材、第二基材由陶瓷材料、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F4B复合材料、FR-4复合材料等。优选地，本发明中，所述第一基材的第一前基板与第一后基板采用相同的FR-4复合材料；同样，本发明中，所述第二基材的第二前基板与第二后基板也采用相同的FR-4复合材料。

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)

1.一种超材料天线系统，所述天线系统包括天线、基座、至少三个馈源以及支杆，其特征在于，所述天线为超材料天线，所述超材料天线包括至少三个超材料面板，每一所述超材料面板的一侧固定于一支杆上，所述馈源均位于所述支杆上且每两个超材料面板之间有一馈源；所述超材料面板还包括对称分布在核心层两侧表面的阻抗匹配层，所述阻抗匹配层包括厚度相同的多个阻抗匹配层片层，所述阻抗匹配层片层包括片状的第二基材以及设置在第二基材上的多个第二人造微结构，所述阻抗匹配层片层的折射率分布满足如下公式：

$n_j\left(r\right)={n_{\min }}^{\frac{j}{m}}*n{\left(r\right)}^{\frac{m-j}{m}};$

λ＝(n_max-n_min)*(d+2*d1)；

其中，j表示阻抗匹配层片层的编号，靠近馈源和天线罩的阻抗匹配层片层的编号为m，由馈源和天线罩向核心层方向，编号依次减小，靠近核心层的阻抗匹配层片层的编号为1；

上述的n_max与n_min与核心层片层的折射率的最大值与最小值相同；

r表示阻抗匹配层片层上任意一点到其中心的距离；

λ表示电磁波波长；

d1为阻抗匹配层的厚度；

d为核心层的厚度。

2.根据权利要求1所述的一种超材料天线系统，其特征在于，所述每一馈源正对于所述每一超材料面板的中心上。

3.根据权利要求1或者2所述的一种超材料天线系统，其特征在于，所述馈源为全方向点馈源。

4.根据权利要求1所述的一种超材料天线系统，其特征在于，所述每一超材料面板包括核心层，所述核心层包括厚度相同且折射率分布相同的多个核心层片层，所述核心层片层包括片状的第一基材以及设置在第一基材上的多个第一人造微结构。

5.根据权利要求4所述的一种超材料天线系统，其特征在于，所述每一核心层片层内的折射率分布规律为：核心层片层的中心折射率最大，随着半径的增加，折射率不断减小。

6.根据权利要求4所述的一种超材料天线系统，其特征在于，所述第一基材包括片状的第一前基板及第一后基板，所述多个第一人造微结构夹设在第一前基板与第一后基板之间。

7.根据权利要求1所述的一种超材料天线系统，其特征在于，所述第二基材包括片状的第二前基板及第二后基板，所述多个第二人造微结构夹设在第二前基板与第二后基板之间。

8.根据权利要求1所述的一种超材料天线系统，其特征在于，所述超材料天线采用圆柱坐标对称的垂直扇叶结构。

9.根据权利要求6所述的一种超材料天线系统，其特征在于，所述第一人造微结构及第二人造微结构均为由铜线或银线构成的金属微结构，所述金属微结构通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法分别附着在第一基材及第二基材上。