CN103296456A - 一种前馈式微波天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种前馈式微波天线，包括固定于天线罩上的馈源、与馈源相对设置的金属反射板，设置于金属反射板内侧表面的超材料，与天线罩、金属反射板构成密封腔体的外壳；超材料包括多片折射率分布相同的功能超材料片层，功能超材料片层包括基材以及在基材上周期排布的多个第一人造金属微结构。馈源辐射的电磁波经过超材料调制后被金属反射板反射并再次经过超材料调制，最终以平面波的形式透过天线罩向外部传输。本发明采用超材料原理制备前馈式微波天线，其形状脱离了常规的抛物线形状，且厚度较薄易于加工，同时其折射率易于调节，因此微波天线的各项参数也易于调节，能实现超低副瓣、极窄的主瓣宽度、极大数值的前后比等效果。

Description

一种前馈式微波天线

技术领域

本发明涉及天线领域，更具体地说，涉及一种前馈式微波天线。

背景技术

现有的前馈式微波天线，通常由金属抛物面及位于金属抛物面焦点的辐射源构成，金属抛物面的作用为将外部的电磁波反射给辐射源或将辐射源发射的电磁波反射出去。金属抛物面的面积以及金属抛物面的加工精度直接决定微波天线的各项参数，例如增益、方向性等。

但现有的前馈式微波天线存在以下缺点：一是从金属抛物面反射的电磁波部分会被辐射源阻挡造成一定的能量损失，二是金属抛物面制作困难，成本较高。金属抛物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。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述不足，提出一种加工简单、成本低廉、增益较高的前馈式微波天线。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是，提出一种前馈式微波天线，包括固定于天线罩上的馈源、与所述馈源相对设置的金属反射板，设置于金属反射板内侧表面的超材料，与所述天线罩、所述金属反射板构成密封腔体的外壳；所述超材料包括多片折射率分布相同的功能超材料片层，所述功能超材料片层包括基材以及在基材上周期排布的多个第一人造金属微结构，所述功能超材料片层上以其中心点为圆心，半径为r处的折射率n₀(r)为：

其中，ss为馈源距所述超材料表面的垂直距离，λ为馈源辐射的电磁波的波长，n_max为所述超材料的最大折射率值，n_min为所述超材料的最小折射率值。

进一步地，所述功能超材料片层还包括覆盖于所述多个第一人造金属微结构上的覆盖层，所述覆盖层的材质和厚度均与所述基材的材质和厚度相同。

进一步地，所述超材料还包括设置于所述功能超材料片层上的多片折射率分布不同的匹配超材料片层。

进一步地，所述匹配层包括沿馈源辐射电磁波方向依次排列的第一匹配超材料片层、第二匹配超材料片层、第三匹配超材料片层以及第四匹配超材料片层，所述第一匹配超材料片层包括基材以及在基材上周期排布的第二人造金属微结构，所述第二匹配超材料片层包括基材以及在基材上周期排布的第三人造金属微结构，所述第三匹配超材料片层包括基材以及在基材上周期排布的第四人造金属微结构，所述第四匹配超材料片层包括基材以及在基材上周期排布的第五人造金属微结构；所述第一匹配超材料片层折射率分布均匀，其各点折射率均为所述超材料最小折射率n_min；所述第二匹配超材料片层以其中心点为圆心，半径为r的折射率

所述第三匹配超材料片层以其中心点为圆心，半径为r的折射率

所述第四匹配超材料片层以其中心点为圆心，半径为r的折射率

进一步地，所述覆盖层与所述基材的厚度均为0.4毫米，所述第一人造金属微结构的厚度为0.018毫米。

进一步地，所述第一至第四匹配超材料片层均还包括覆盖于所述第二至第五人造金属微结构上的覆盖层。

进一步地，所述覆盖层与所述基材厚度均为0.4毫米，所述第二至第五人造金属微结构的厚度均为0.018毫米。

进一步地，所述第一至第五人造金属微结构均为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于基材上。

进一步地，所述金属微结构呈平面雪花状，所述金属微结构具有相互垂直平分的第一金属线及第二金属线，所述第一金属线与第二金属线的长度相同，所述第一金属线两端连接有相同长度的两个第一金属分支，所述第一金属线两端连接在两个第一金属分支的中点上，所述第二金属线两端连接有相同长度的两个第二金属分支，所述第二金属线两端连接在两个第二金属分支的中点上，所述第一金属分支与第二金属分支的长度相等。

进一步地，所述平面雪花状的金属微结构的第一金属线与第二金属线均设置有两个弯折部，所述平面雪花状的金属微结构绕垂直于第一金属线与第二金属线交点的轴线向任意方向旋转90度的图形都与原图重合。

本发明采用超材料原理制备前馈式微波天线，其形状脱离了常规的抛物线形状，且厚度较薄易于加工，同时其折射率易于调节，因此微波天线的各项参数也易于调节，能实现超低副瓣、极窄的主瓣宽度、极大数值的前后比等效果。

附图说明

图1为构成超材料的基本单元的立体结构示意图；

图2为本发明前馈式微波天线的爆炸图；

图3为图2所示微波天线的侧视图；

图4为本发明平面雪花状的金属微结构的示意图；

图5为图4所示的平面雪花状的金属微结构的一种衍生结构；

图6为图4所示的平面雪花状的金属微结构的一种变形结构；

图7为平面雪花状的金属微结构的拓扑形状演变的第一阶段；

图8为平面雪花状的金属微结构的拓扑形状演变的第二阶段。

具体实施方式

光，作为电磁波的一种，其在穿过玻璃的时候，因为光线的波长远大于原子的尺寸，因此我们可以用玻璃的整体参数，例如折射率，而不是组成玻璃的原子的细节参数来描述玻璃对光线的响应。相应的，在研究材料对其他电磁波响应的时候，材料中任何尺度远小于电磁波波长的结构对电磁波的响应也可以用材料的整体参数，例如介电常数ε和磁导率μ来描述。通过设计材料每点的结构使得材料各点的介电常数和磁导率都相同或者不同从而使得材料整体的介电常数和磁导率呈一定规律排布，规律排布的磁导率和介电常数即可使得材料对电磁波具有宏观上的响应，例如汇聚电磁波、发散电磁波等。该类具有规律排布的磁导率和介电常数的材料我们称之为超材料。

如图1所示，图1为构成超材料的基本单元的立体结构示意图。超材料的基本单元包括人造微结构2以及该人造微结构附着的基材1。本发明中，人造微结构为人造金属微结构，人造金属微结构具有能对入射电磁波电场和/或磁场产生响应的平面或立体拓扑结构，改变每个超材料基本单元上的人造金属微结构的图案和/或尺寸即可改变每个超材料基本单元对入射电磁波的响应。本发明中，人造微结构2上还覆盖有覆盖层3，覆盖层3、人造微结构2以及基材1构成本发明超材料的基本单元。多个超材料基本单元按一定规律排列即可使得超材料对电磁波具有宏观的响应。由于超材料整体需对入射电磁波有宏观电磁响应因此各个超材料基本单元对入射电磁波的响应需形成连续响应，这要求每一超材料基本单元的尺寸小于入射电磁波波长的五分之一，优选为入射电磁波波长的十分之一。本段描述中，我们人为的将超材料整体划分为多个超材料基本单元，但应知此种划分方法仅为描述方便，不应看成超材料由多个超材料基本单元拼接或组装而成，实际应用中超材料是将人造金属微结构周期排布于基材上即可构成，工艺简单且成本低廉。周期排布即指上述我们人为划分的各个超材料基本单元上的人造金属微结构能对入射电磁波产生连续的电磁响应。

如图2、图3所示，图2为本发明前馈式微波天线的爆炸图，图3为本发明前馈式微波天线的纵剖视图。图2、图3中，前馈式微波天线成圆柱体状，所述圆柱体状微波天线的圆柱面由外壳10构成，所述圆柱体状微波天线底面由金属反射板20构成，所述圆柱体状微波天线顶面由天线罩30构成，金属反射板20内侧表面还贴附有薄板状超材料40，天线罩30上设置有馈源50，馈源50的中心轴线穿过所述薄板状超材料40的中心点。进一步地，为提高微波天线前后比，在所述外壳10内侧表面贴附有吸波材料。馈源50辐射的电磁波经过超材料40调制后被金属反射板20反射并再次经过超材料40调制，最终以平面波的形式透过天线罩30向外部传输。本实施例中，金属反射板20采用铝合金反射板。

由于超材料特殊的折射率分布，对电磁波进行调制，一方面由于超材料为平板状，大大减少了微波天线的制程工艺，另一方面超材料内部折射率的调制比较方便，能使得微波天线最终辐射的电磁波实现例如超低副瓣、极窄的主瓣宽度、极大数值的前后比等效果。

下面详细论述本发明中，薄板状超材料40的构成以及设计。

本发明中超材料40由六层超材料片层构成，每层超材料片层包括基材、周期排列于基材上的人造金属微结构以及覆盖于该人造金属微结构上的覆盖层，覆盖层的材质与厚度均与基材相同。本实施例中，基材与覆盖层的厚度为0.4毫米，人造金属微结构的厚度为0.018毫米，因此每层超材料片层厚度为0.818毫米，整个薄板状超材料40的厚度为4.908毫米。从这个厚度值可以看出，薄板状超材料40对微波天线整体的尺寸影响特别小。

本发明中六层超材料片层由两层功能超材料片层，四层匹配超材料片层，分别为第一匹配超材料片层、第二匹配超材料片层、第三匹配超材料片层以及第四匹配超材料片层构成。由于本发明的超材料需使得电磁波以平面电磁波辐射出去，因此要求从馈源辐射的各个方向的电磁波在空气和超材料中的光程相等，空气中的光程即为电磁波在空气中传播的距离，超材料中的光程的计算公式为n*d，n为超材料上响应该方向电磁波的部分处的折射率，d为超材料厚度。实际中，由于超材料呈平板状，因此超材料的折射率分布必然不同于常规材料所具有的均匀的折射率分布，馈源辐射的某一方向的电磁波在进入超材料时会发生偏折，但由于超材料厚度较薄，我们近似认为电磁波在进入超材料后沿直线传播，以此为前提计算超材料各点的折射率值。同时，又由于本发明超材料各点处的折射率为人为设计，由于材料和工艺的限制，整个超材料一般在设计初始确定了最大折射率值和最小折射率值。本实施例中，超材料的所有超材料片层上的最大折射率值n_max均为5.13，最小折射率值n_min均为1.91。馈源辐射电磁波频率为15G赫兹。

两层功能超材料片层的折射率分布根据上述光程近似原理可得为：以功能超材料片层中心点为圆心，半径为r处的折射率n₀(r)为：

其中，ss表示馈源距超材料表面的垂直距离，λ为馈源辐射的电磁波的波长，floor函数表示向下取整，例如数值在0至1之间则取值0，数值在1至2之间则取值1，依此类推。

两层功能超材料片层贴近金属反射板，第一匹配超材料片层至第四匹配层超材料片层沿着馈源开口方向依次排列。由于超材料片层的最大折射率值为5.13，当馈源辐射的电磁波直接入射到功能超材料片层上时，会因为折射率的突变造成电磁波的反射现象较为严重，导致微波天线增益降低。设置第一至第四匹配超材料片层的作用为使得折射率沿电磁波传播方向渐变从而减少折射率的突变造成的电磁波反射。

本实施例中，第一匹配超材料片层为均匀超材料片层，即第一匹配超材料片层各点的折射率相同，均为最小折射率n_min；第二匹配超材料片层以其中心点为圆心，半径为r处的折射率

第三匹配层超材料片层以其中心点为圆心，半径为r处的折射率

第四匹配超材料片层以其中心点为圆心，半径为r处的折射率

得到功能超材料片层和各匹配超材料片层的折射率分布后，需要各超材料片层虚拟划分的超材料基本单元中排布人造金属微结构以改变超材料基本单元的折射率，各个超材料基本单元中的人造金属微结构的尺寸以及拓扑图案均会影响到超材料基本单元的折射率值。各层上的人造金属微结构以及不同层上的人造金属微结构的拓扑图案可以相同也可以不同，只要该人造金属微结构使得其附着的超材料单元的折射率符合超材料片层的折射率分布即可。人造金属微结构拓扑图案和尺寸的选取可通过计算机仿真实现，也可通过在建立的人造金属微结构数据库中选取。各超材料片层可根据自身的折射率分布要求选择所需要的人造金属微结构拓扑图案和尺寸。下面论述几种能改变超材料基本单元折射率的人造金属微结构的拓扑图案。

如图4所示，图4为能对电磁波产生响应以改变超材料基本单元折射率的第一较佳实施方式的人造金属微结构的几何形状拓扑图案。

图4所示为平面雪花状的金属微结构的示意图，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J1及第二金属线J2，所述第一金属线J1与第二金属线J2的长度相同，所述第一金属线J1两端连接有相同长度的两个第一金属分支F1，所述第一金属线J1两端连接在两个第一金属分支F1的中点上，所述第二金属线J2两端连接有相同长度的两个第二金属分支F2，所述第二金属线J2两端连接在两个第二金属分支F2的中点上，所述第一金属分支F1与第二金属分支F2的长度相等。

图5是图4所示的平面雪花状的金属微结构的一种衍生结构。其在每个第一金属分支F1及每个第二金属分支F2的两端均连接有完全相同的第三金属分支F3，并且相应的第三金属分支F3的中点分别与第一金属分支F1及第二金属分支F2的端点相连。依此类推，本发明还可以衍生出其它形式的金属微结构。

图6是图4所示的平面雪花状的金属微结构的一种变形结构，此种结构的金属微结构，第一金属线J1与第二金属线J2不是直线，而是弯折线，第一金属线J1与第二金属线J2均设置有两个弯折部WZ，但是第一金属线J1与第二金属线J2仍然是垂直平分，通过设置弯折部的朝向与弯折部在第一金属线与第二金属线上的相对位置，使得图7所示的金属微结构绕垂直于第一金属线与第二金属线交点的轴线向任意方向旋转90度的图形都与原图重合。另外，还可以有其它变形，例如，第一金属线J1与第二金属线J2均设置多个弯折部WZ。

确定金属微结构形状和折射率分布后，下面详细描述通过各个超材料单元上的人造金属微结构形状和尺寸的演变获得整个超材料折射率分布的过程，该过程可通过计算机仿真得到，具体步骤如下：

(1)确定金属微结构的附着基材。本明中，所述基材和覆盖层采用相同的FR-4复合材料制成，所述的FR-4复合材料制成具有一个预定的介电常数，例如介电常数为3.3的FR-4复合材料。

(2)确定超材料单元的尺寸。超材料单元的尺寸的尺寸由天线的中心频率得到，利用频率得到其波长，再取小于波长的五分之一的一个数值作为超材料单元D的长度CD与宽度KD。本发明中，所述超材料单元D为如图1所示的长CD与宽KD均为2.5mm、厚度HD为0.818mm的方形小板。

(3)确定金属微结构的材料及拓扑结构。本发明中，金属微结构的材料为铜，金属微结构的拓扑结构为图4所示的平面雪花状的金属微结构，其线宽W各处一致；此处的拓扑结构，是指拓扑形状演变的基本形状。

(4)确定金属微结构的拓扑形状参数。如图4所示，本发明中，平面雪花状的金属微结构的拓扑形状参数包括金属微结构的线宽W，第一金属线J1的长度a，第一金属分支F1的长度b。

(5)确定金属微结构的拓扑形状的演变限制条件。本发明中，金属微结构的拓扑形状的演变限制条件有，金属微结构之间的最小间距WL(即如图4所示，金属微结构与超材料单元的长边或宽边的距离为WL/2)，金属微结构的线宽W，超材料单元的尺寸；由于加工工艺限制，WL大于等于0.1mm，同样，线宽W也是要大于等于0.1mm。本发明中，WL取0.1mm，W取0.3mm，超材料单元的尺寸为长与宽为2.5mm，厚度为0.818mm，此时金属微结构的拓扑形状参数只有a和b两个变量。金属微结构的拓扑形状的通过如图7至图8所示的演变方式，对应于某一特定频率(例如15GHZ)，可以得到一个连续的折射率变化范围。

具体地，所述金属微结构的拓扑形状的演变包括两个阶段(拓扑形状演变的基本形状为图4所示的金属微结构)：

第一阶段：根据演变限制条件，在b值保持不变的情况下，将a值从最小值变化到最大值，此演变过程中的金属微结构均为“十”字形(a取最小值时除外)。本实施例中，a的最小值即为0.3mm(线宽W)，a的最大值为(CD-WL)，即2.5-0.1mm，则a的最大值为2.4mm。因此，在第一阶段中，金属微结构的拓扑形状的演变如图7所示，即从边长为W的正方形JX1，逐渐演变成最大的“十”字形拓扑形状JD1，在最大的“十”字形拓扑形状JD1中，第一金属线J1与第二金属线J2长度均为2.4mm，宽度W均为0.3mm。在第一阶段中，随着金属微结构的拓扑形状的演变，与其对应的超材料单元的折射率连续增大((对应天线一特定频率)，当频率为15GHZ时，超材料单元对应的折射率的最小值n_min为1.91。

第二阶段：根据演变限制条件，当a增加到最大值时，a保持不变；此时，将b从最小值连续增加到最大值，此演变过程中的金属微结构均为平面雪花状。本实施例中，b的最小值即为0.3mm(线宽W)，b的最大值为(CD-WL-2W)，即2.5-0.1-2*0.3mm，则b的最大值为1.8mm。因此，在第二阶段中，金属微结构的拓扑形状的演变如图8所示，即从最大的“十”字形拓扑形状JD1，逐渐演变成最大的平面雪花状的拓扑形状JD2，此处的最大的平面雪花状的拓扑形状JD2是指，第一金属分支J1与第二金属分支J2的长度b已经不能再伸长，否则第一金属分支与第二金属分支将发生相交，b的最大值为1.8mm。此时，第一金属线与第二金属线长度均为2.4mm，宽度均为0.3mm，第一金属分支及第二金属分支的长度均为1.8mm，宽度为0.3mm。在第二阶段中，随着金属微结构的拓扑形状的演变，与其对应的超材料单元的折射率连续增大(对应天线一特定频率)，当频率为15GHZ时，超材料单元对应的折射率的最大值n_max为6，本发明在设计时仅取5.31的最大折射率。

通过上述演变得到超材料单元的折射率变化范围(1.91-6)满足设计需要。如果上述演变得到超材料单元的折射率变化范围不满足设计需要，例如最大值太小，则变动WL与W，重新仿真，直到得到我们需要的折射率变化范围。

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 (10)

1.一种前馈式微波天线，其特征在于：包括固定于天线罩上的馈源、与所述馈源相对设置的金属反射板，设置于金属反射板内侧表面的超材料，与所述天线罩、所述金属反射板构成密封腔体的外壳；所述超材料包括多片折射率分布相同的功能超材料片层，所述功能超材料片层包括基材以及在基材上周期排布的多个第一人造金属微结构，所述功能超材料片层上以其中心点为圆心，半径为r处的折射率n₀(r)为：

$n_0\left(r\right)=n_{\max }-\frac{(\sqrt{r^2+{\mathrm{ss}}^2}-\mathrm{ss}+\mathrm{\λ}*\mathrm{floor}\left(\frac{\sqrt{r^2+{\mathrm{ss}}^2}-\mathrm{ss}}{\mathrm{\λ}}\right))*(n_{\max }-n_{\min })}{\mathrm{\λ}}$

其中，ss为馈源距所述超材料表面的垂直距离，λ为馈源辐射的电磁波的波长，n_max为所述超材料的最大折射率值，n_min为所述超材料的最小折射率值。

2.如权利要求1所述的前馈式微波天线，其特征在于：所述功能超材料片层还包括覆盖于所述多个第一人造金属微结构上的覆盖层，所述覆盖层的材质和厚度均与所述基材的材质和厚度相同。

3.如权利要求1所述的前馈式微波天线，其特征在于：所述超材料还包括设置于所述功能超材料片层上的多片折射率分布不同的匹配超材料片层。

4.如权利要求3所述的前馈式微波天线，其特征在于：所述匹配层包括沿馈源辐射电磁波方向依次排列的第一匹配超材料片层、第二匹配超材料片层、第三匹配超材料片层以及第四匹配超材料片层，所述第一匹配超材料片层包括基材以及在基材上周期排布的第二人造金属微结构，所述第二匹配超材料片层包括基材以及在基材上周期排布的第三人造金属微结构，所述第三匹配超材料片层包括基材以及在基材上周期排布的第四人造金属微结构，所述第四匹配超材料片层包括基材以及在基材上周期排布的第五人造金属微结构；所述第一匹配超材料片层折射率分布均匀，其各点折射率均为所述超材料最小折射率n_min；所述第二匹配超材料片层以其中心点为圆心，半径为r的折射率

所述第三匹配超材料片层以其中心点为圆心，半径为r的折射率

所述第四匹配超材料片层以其中心点为圆心，半径为r的折射率

5.如权利要求2所述的前馈式微波天线，其特征在于：所述覆盖层与所述基材的厚度均为0.4毫米，所述第一人造金属微结构的厚度为0.018毫米。

6.如权利要求4所述的前馈式微波天线，其特征在于：所述第一至第四匹配超材料片层均还包括覆盖于所述第二至第五人造金属微结构上的覆盖层。

7.如权利要求6所述的前馈式微波天线，其特征在于：所述覆盖层与所述基材厚度均为0.4毫米，所述第二至第五人造金属微结构的厚度均为0.018毫米。

8.如权利要求3所述的前馈式微波天线，其特征在于：所述第一至第五人造金属微结构均为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于基材上。

9.如权利要求8所述的前馈式微波天线，其特征在于：所述金属微结构呈平面雪花状，所述金属微结构具有相互垂直平分的第一金属线及第二金属线，所述第一金属线与第二金属线的长度相同，所述第一金属线两端连接有相同长度的两个第一金属分支，所述第一金属线两端连接在两个第一金属分支的中点上，所述第二金属线两端连接有相同长度的两个第二金属分支，所述第二金属线两端连接在两个第二金属分支的中点上，所述第一金属分支与第二金属分支的长度相等。

10.如权利要求9所述的前馈式微波天线，其特征在于：所述平面雪花状的金属微结构的第一金属线与第二金属线均设置有两个弯折部，所述平面雪花状的金属微结构绕垂直于第一金属线与第二金属线交点的轴线向任意方向旋转90度的图形都与原图重合。

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