CN103296476A

CN103296476A - 一种多波束透镜天线

Info

Publication number: CN103296476A
Application number: CN2012100505168A
Authority: CN
Inventors: 刘若鹏; 季春霖; 岳玉涛; 尹小明
Original assignee: Kuang Chi Innovative Technology Ltd
Current assignee: Kuang Chi Institute of Advanced Technology
Priority date: 2012-02-29
Filing date: 2012-02-29
Publication date: 2013-09-11
Anticipated expiration: 2032-02-29
Also published as: CN103296476B

Abstract

本发明公开一种多波束透镜天线，其包括波束形成网络以及与波束形成网络相连的多个馈源，还包括平板超材料，平板超材料由多片折射率分布相同的超材料片层构成，超材料片层包括基材以及周期排布于基材上的人造微结构，馈源发出的电磁波经过平板超材料后以平面电磁波形式传输；超材料片层的折射率分布通过初始相位法得到。本发明通过采用平板超材料代替传统多波束透镜天线中的透镜，解决了传统透镜加工困难、制造成本高、体积笨重的问题。使用超材料原理制备的平板超材料电磁参数调节简单和方便且加工简单、成本低廉。另外本发明采用初始相位法设计平板超材料的折射率分布，其射率设计过程易于实现程序化、代码化，使用者仅需掌握代码的使用即可，便于大规模推广。

Description

一种多波束透镜天线

技术领域

本发明涉及一种透镜天线，尤其涉及一种多波束透镜天线。

背景技术

多波束透镜天线是指能产生多个锐波束的天线，这些锐波束可以合成一个或几个成形波束，以覆盖特定的空域。如图1所示，图1为现有的多波束透镜天线的结构示意图。图1中，多波束透镜天线包括波束形成网络100、多个馈源101以及透镜102。波束形成网络100主要由可变功率分配器和移相器组成，其能控制各个馈源的激励振幅和相位，使得各个馈源101发出的多个锐波束通过透镜102后合成为具有特定形状的成形波束。

由于多波束透镜天线具有发射波束窄、增益高、传输距离远、能覆盖特定形状的空域、能以组合馈源方式实现低旁瓣的优点，因此多波束透镜天线广泛地应用于各类卫星通行以及电子对抗等技术领域中。

现有的多波束透镜天线对其改进时，多通过改进透镜本身的曲面特征，例如其焦点、轴向厚度、轮廓曲线形状等来改善天线整体的性能。然而无论如何改进透镜自身的曲面特征，透镜必然以曲面形式存在，曲面的透镜一方面大大加大了加工难度，另一方面曲面的透镜占用空间较大，且调节曲面的透镜的各项参数也较为复杂。

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，提出一种用平板超材料代替传统透镜天线中的透镜的多波束透镜天线，其结构简单、占用空间小且电磁参数易于调节。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是提出一种多波束透镜天线，其包括波束形成网络以及与所述波束形成网络相连的多个馈源，其特征在于：还包括平板超材料，所述平板超材料由多片折射率分布相同的超材料片层构成，所述超材料片层包括基材以及周期排布于基材上的人造微结构，所述馈源发出的电磁波经过所述平板超材料后以平面电磁波形式传输；所述超材料片层的折射率分布通过如下步骤得到：

S1：在所述多波束透镜天线未设置所述平板超材料的情况下，用空气填充平板超材料区域并标注出各超材料片层的边界，测试并记录所述馈源辐射的电磁波在第i层超材料片层前表面的初始相位其中，第i层超材料片层前表面中心点处的初始相位为

S2：根据公式

得到所述平板超材料后表面的相位Ψ，

其中，d为每层超材料片层的厚度，λ为馈源辐射的电磁波波长，n_max为所述平板超材料所具有的最大折射率值，M为构成所述平板超材料的超材料片层的总层数；

S3：根据公式

得到超材料片层各点的折射率n(y)，

其中，y为超材料片层上任一点距超材料片层中心轴线的距离。

进一步地，所述超材料片层还包括覆盖于所述人造微结构上的覆盖层，所述覆盖层的厚度和材质与所述基材的厚度和材质相同。

进一步地，所述人造微结构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周期排布于所述基材上。

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每个第一金属分支及每个第二金属分支的两端还连接有完全相同的第三金属分支，相应的第三金属分支的中点分别与第一金属分支及第二金属分支的端点相连。

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。

进一步地，所述基材的材质为高分子材料、陶瓷材料、铁电材料、铁氧材料或者铁磁材料。

进一步地，所述基材的厚度为0.4毫米。

进一步地，所述金属微结构厚度为0.018毫米。

进一步地，所述基材的材质为FR-4材料或F4B材料。

本发明通过采用平板超材料代替传统多波束透镜天线中的透镜，解决了传统透镜加工困难、制造成本高、体积笨重的问题。使用超材料原理制备的平板超材料电磁参数调节简单和方便且加工简单、成本低廉。另外本发明采用初始相位法设计平板超材料的折射率分布，其适用范围广、折射率设计过程易于实现程序化、代码化，使用者仅需掌握代码的使用即可，便于大规模推广。

附图说明

图1为现有技术中多波束透镜天线结构示意图；

图2为本发明中构成超材料的基本单元的立体结构示意图；

图3为本发明多波束透镜天线结构示意图；

图4为本发明多波束透镜天线中平板超材料的纵剖视图；

图5为本发明中使用初始相位法设计超材料片层折射率分布的示意图；

图6为平面雪花状的金属微结构的示意图；

图7为图6所示平面雪花状金属微结构的衍生结构；

图8为图6所示平面雪花状金属微结构的变形结构；

图9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10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2所示，图2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。

图3为本发明多波束透镜天线的结构示意图。本发明中，多波束透镜天线包括波束形成网络10、多个馈源20以及平板超材料30。波束形成网络10控制馈源20发出多个锐波束，该多个锐波束经过平板超材料30汇聚后形成成形波束，本发明中成形波束为平面波，即沿波传输方向，任意时刻波前到达的各点的连线为平面，该平面上各点处的相位相等，也即如图3所示的等相位面。

本发明中，由于传统透镜的功能被平板超材料取代，平板超材料的厚度均匀因此其各点处的折射率分布必然不均匀。同时，由于本发明中，平板超材料响应的电磁波由多个馈源发出，其系统较为复杂，直接通过公式计算得出超材料的折射率分布会十分困难。本发明通过初始相位法得出平板超材料上的折射率分布。

如图4所示，本发明的平板超材料30由多片折射率分布相同的超材料片层300构成，每层超材料片层300包括基材301以及周期排布于基材301上的多个人造微结构302，本发明中，为封装该人造微结构302，超材料片层还包括覆盖于人造微结构302上的覆盖层303。覆盖层303的材质和厚度均与基材301相同。

初始相位法中初始相位通过如下方式定义：如图5所示，设计初始阶段将平板超材料区域填充空气，平板超材料共有M层超材料片层，仅标注出平板超材料区域内各超材料片层的边界。此时，超材料区域内部折射率为1，选取其中第i层超材料片层的前表面测试并记录前表面各处的初始相位

其中，第i层前表面中心点处的初始相位为

本文中，所述前表面是指靠近馈源的表面，后表面是指与前表面相对的远离馈源的表面。图5中，平板超材料仅显示了其纵截面，将平板超材料纵截面的折射率分布旋转一周即构成了超材料整体的折射率分布，即平板超材料上的折射率以其中心点为圆心呈同心圆形分布，相同半径处的折射率相同。

由于本发明中，在平板超材料后表面处构成等相位面，因此需使得平板超材料后表面各处的相位相等，均为固定值Ψ，该固定值Ψ为平板超材料后表面中心点处的相位。由于平板超材料上的折射率是人为设计，因此在设计时，由于技术限制，平板超材料的最大折射率值n_max与最小折射率值n_min为固定值。本发明中，平板超材料中心轴线上各层超材料片层的折射率为最大折射率n_max，根据公式：

可求得Ψ值。其中d为每层超材料片层的厚度，λ为馈源辐射的电磁波波长。本发明中，每层超材料片层的厚度为0.818毫米，其由0.4毫米厚度的基材、0.4毫米厚度的覆盖层以及0.018毫米厚度的人造微结构构成。

而后再根据公式：

得到平板超材料各点处的折射率n(y)值。其中，y为平板超材料上各点距其中心轴线距离。

本发明中，可通过在多个超材料片层上分别取值，以得到多组数据并筛选出最优数据以最终确定n(y)的分布。

采用初始相位法得到平板超材料折射率分布，在馈源的情况复杂，很难用简单的公式取得超材料折射率分布时，初始相位法能轻松地得到结果，且其最优结果较之常规公式法得到的最优结果，在各方面指标上都要优良。并且，初始相位法计算过程易于实现程序化、代码化，在形成代码后，使用者仅需掌握代码的使用即可，便于大规模推广。

确定各超材料片层的折射率分布后，需要在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基本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6所示，图6为能对电磁波产生响应以改变超材料基本单元折射率的一种人造金属微结构的几何形状拓扑图案。图6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7是图6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8是图6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8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基本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)确定超材料基本单元的尺寸。超材料基本单元的尺寸的尺寸由各超材料片层所需响应的电磁波的中心频率得到，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基本单元D的长度CD与宽度KD。本发明中，所述超材料基本单元D为如图2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6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6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6所示，金属微结构与超材料基本单元的长边或宽边的距离为WL/2)，金属微结构的线宽W，超材料基本单元的尺寸；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，超材料基本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9至图10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6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9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，与其对应的超材料基本单元的折射率连续增大((对应天线一特定频率)，并可得超材料基本单元的折射率的最小值n_min。

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10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，与其对应的超材料基本单元的折射率连续增大(对应天线一特定频率)，因此可得一超材料基本单元的折射率的最大值n_max。

通过上述演变得到超材料基本单元的折射率变化范围(n_min-n_max)满足设计需要。如果上述演变得到超材料基本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。

本发明中，所述基材和覆盖层由陶瓷材料、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，所述基材和覆盖层采用相同的FR-4复合材料。人造金属微结构的材质可选用铜或银，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附着于基材表面上。

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

1.一种多波束透镜天线，包括波束形成网络以及与所述波束形成网络相连的多个馈源，其特征在于：还包括平板超材料，所述平板超材料由多片折射率分布相同的超材料片层构成，所述超材料片层包括基材以及周期排布于基材上的人造微结构，所述馈源发出的电磁波经过所述平板超材料后以平面电磁波形式传输；所述超材料片层的折射率分布通过如下步骤得到：

S2：根据公式

得到所述平板超材料后表面的相位Ψ，

S3：根据公式得到超材料片层各点的折射率n(y)，

2.如权利要求1所述的多波束透镜天线，其特征在于：所述超材料片层还包括覆盖于所述人造微结构上的覆盖层，所述覆盖层的厚度和材质与所述基材的厚度和材质相同。

3.如权利要求1所述的多波束透镜天线，其特征在于：所述人造微结构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周期排布于所述基材上。

4.如权利要求3所述的多波束透镜天线，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。

5.如权利要求4所述的多波束透镜天线，其特征在于：所述平面雪花状的金属微结构的每个第一金属分支及每个第二金属分支的两端还连接有完全相同的第三金属分支，相应的第三金属分支的中点分别与第一金属分支及第二金属分支的端点相连。

6.如权利要求3所述的多波束透镜天线，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。

7.如权利要求1或2所述的多波束透镜天线，其特征在于：所述基材的材质为高分子材料、陶瓷材料、铁电材料、铁氧材料或者铁磁材料。

8.如权利要求1或2所述的多波束透镜天线，其特征在于：所述基材的厚度为0.4毫米。

9.如权利要求3所述的多波束透镜天线，其特征在于：所述金属微结构厚度为0.018毫米。

10.如权利要求7所述的多波束透镜天线，其特征在于：所述基材的材质为FR-4材料或F4B材料。