CN103296481B - 一种微波天线系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种微波天线系统，其包括中间开孔的超材料，设置于所述开孔中心的馈源，与所述馈源同轴设置的圆锥体；所述超材料由第一至第N层超材料片层以及紧贴于第N层超材料片层的反射板构成；所述馈源辐射的电磁波被所述圆锥体的圆锥面反射至所述超材料，所述超材料将电磁波以平面波形式辐射出去；所述超材料片层包括基材以及周期排布于基材上的多个人造金属微结构。本发明通过采用超材料调制电磁波，使电磁波能过以平面电磁波辐射，从而提高天线系统的整体增益。同时，本发明微波天线系统合理设置馈源与圆锥反射体和超材料的位置，使得微波天线系统的远场最大值和半功率带宽均表现十分良好。

Description

一种微波天线系统

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种微波天线系统。

背景技术

现有的微波天线，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。

但现有的微波天线存在以下缺点：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。由于上述制约，现有的微波天线在远场值、半功率带宽等方面参数也不尽如人意。

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，提出一种基于超材料原理制备、远场最大值和半功率带宽均表现良好的微波天线系统。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是，提出一种微波天线系统，其包括中间开孔的超材料，设置于所述开孔中心的馈源，与所述馈源同轴设置的圆锥体；所述超材料由第一至第N层超材料片层以及紧贴于第N层超材料片层的反射板构成；所述馈源辐射的电磁波被所述圆锥体的圆锥面反射至所述超材料，所述超材料将电磁波以平面波形式辐射出去；所述超材料片层包括基材以及周期排布于基材上的多个人造金属微结构。

进一步地，所述第一至第N层超材料片层中第i层超材料片层上，距第i层超材料片层中心轴线y处的折射率为：

其中，

上式中，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，λ为所述馈源辐射的电磁波波长，d为所述超材料的总厚度，px为所述圆锥体的底面距超材料的垂直距离，θ为所述圆锥体的圆锥角，L_R为所述圆锥体斜高，floor函数为向下取整函数。

进一步地，所述人造金属微结构呈平面雪花状，所述人造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。

进一步地，所述超材料片层还包括覆盖于所述人造金属结构上的覆盖层。

进一步地，所述覆盖层与所述基材的厚度为0.4毫米，所述人造金属微结构厚度为0.018毫米。

进一步地，所述超材料长度为1.4米，所述开孔半径为0.2米，所述超材料最小折射率为1.85，所述超材料最大折射率为6，所述圆锥体底面距所述超材料的垂直距离为0.15米至0.4米，所述圆锥角为110°至170°。

进一步地，所述圆锥体底面距所述超材料的垂直距离为0.35米，所述圆锥角为140°。

进一步地，所述圆锥体底面距所述超材料的垂直距离为0.4米，所述圆锥角为149°。

进一步地，所述超材料片层的层数为七层。

本发明通过采用超材料调制电磁波，使电磁波能过以平面电磁波辐射，从而提高天线系统的整体增益。同时，本发明微波天线系统合理设置馈源与圆锥反射体和超材料的位置，使得微波天线系统的远场最大值和半功率带宽均表现十分良好。

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为本发明微波天线系统的结构示意图；

图3为本发明微波天线系统的仿真示意图；

图4为第一超材料的结构示意图；

图5为本发明平面雪花状的金属微结构的示意图；

图6为图5所示的平面雪花状的金属微结构的一种衍生结构；

图7为图5所示的平面雪花状的金属微结构的一种变形结构；

图8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9为平面雪花状的金属微结构的拓扑形状演变的第二阶段；

图10为本发明一优选方案远场仿真结果图；

图11为本发明另一优选方案远场仿真结果图。

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、图3分别为本发明微波天线系统的结构示意图及仿真示意图。图3中，波纹状的条纹表示电磁波，密度越密的条纹即表示该处电磁波增益越高。由于图2、图3为截面图，因此图2、图3中，超材料为上下对称、彼此相隔一定距离的第一超材料10以及第二超材料20，三维状态下，超材料实际为中间形成一个孔30的整块超材料，但为描述方面，下面均以截面状态下的超材料描述，即描述第一超材料10或第二超材料20。作为馈源的喇叭天线40置于孔30中间，作为反射装置的圆锥体50相隔喇叭天线40一定距离设置，且圆锥体50、喇叭天线40以及孔30的中心轴线重合。圆锥体50具有圆锥角θ，圆锥体50的喇叭开口方向与喇叭天线40的喇叭开口方向相同，圆锥体50的圆锥面用于反射喇叭天线40辐射的电磁波。喇叭天线40辐射的电磁波被圆锥体50反射后辐射到第一超材料10以及第二超材料20，第一超材料20以及第二超材料20利用其内部的折射率分布将电磁波以平面波辐射出去。

如图4所示，图4为本发明第一超材料10的结构示意图。第一超材料10由N片超材料片层以及紧贴于最外层超材料片层上的反射板构成，每层超材料片层均包括基材以及周期排布于基材上的多个人造金属微结构，本实施例中还包括覆盖于人造金属微结构上的覆盖层。每层超材料片层厚度相同，均由0.4毫米厚度的基材、0.4毫米厚度的覆盖层以及0.018毫米厚度的人造金属微结构构成，即每层超材料片层厚度为0.818毫米。基材和覆盖层的材质可选取高分子材料、陶瓷材料、铁电材料、铁氧材料等，人造金属微结构可通过蚀刻、钻刻、电刻等方式附着于基材上。

第一至N层超材料片层中第i层超材料片层上，距第i层超材料片层中心轴线y处的折射率分布满足：

其中，

上式中，n_max为所述第一超材料的最大折射率值，n_min为所述第一超材料的最小折射率值，λ为所述馈源辐射的电磁波波长，d为所述第一超材料的总厚度，px为所述圆锥体的底面距第一超材料面的垂直距离，θ为所述圆锥体的圆锥角，L_R为所述圆锥体斜高，floor函数为向下取整函数。

得到各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5所示，图5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5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6是图5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7是图5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5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5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5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8至图9所示的演变方式，对应于某一特定频率(例如12.225GHZ)，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5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12.225GHZ时，超材料单元对应的折射率的最小值n_min为1.85。

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12.225GHZ时，超材料单元对应的折射率的最大值n_max为6。

通过上述演变得到超材料单元的折射率变化范围(1.85-6)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。

获得超材料的折射率分布后，由于孔30的孔径大小，圆锥体底面距超材料面的垂直距离px，圆锥体的圆锥角θ以及第一超材料10的长度L均对整个微波天线系统的各项参数有影响，下面通过仿真测试，取得其最佳值范围。

测试条件为：

第一超材料10的长度L为固定值0.5米，孔30的半径为0.2米，即整个超材料的长度为1.4米，喇叭天线40辐射的电磁波频率为12.225G赫兹，超材料最小折射率为1.85，最大折射率为6，采用七层超材料片层设计。改变圆锥体底面距超材料面的垂直距离px以及圆锥体的圆锥角θ后得到如下测试结果：

px[米]	θ/2	远场最大值	半功率带宽
				0.15	55°	70.0132dB	164.6598°
0.15	60°	71.7829dB	241.1912°
				0.15	65°	76.2556dB	0.8898°
0.15	70°	77.6418dB	0.8599°
				0.15	75°	74.9817dB	0.9275°
0.15	80°	78.2356dB	0.9426°
				0.15	85°	73.2386dB	332.1932°
0.2	60°	79.1667dB	0.8153°
				0.2	65°	80.8846dB	0.8425°
0.2	70°	81.9597dB	0.8597°
				0.2	75°	79.6465dB	0.9347°
0.2	80°	80.5129dB	0.9296°
				0.2	85°	73.9714dB	326.7794°
0.25	60°	81.1916dB	0.7815°
				0.25	65°	83.4106dB	0.7963°
0.25	70°	82.1822dB	0.8380°
				0.25	75°	82.9542dB	0.8743°
0.25	80°	83.8007dB	0.9132°

0.25	85°	76.4611dB	330.6783°
				0.3	60°	79.4602dB	0.7282°
0.3	65°	81.7350dB	0.7670°
				0.3	70°	83.1172dB	0.8008°
0.3	75°	83.5078dB	0.8464°
				0.3	80°	81.6961dB	0.9254°
0.3	85°	76.7402dB	4.1521°
				0.35	60°	78.0053dB	2.9659°
0.35	65°	81.3166dB	0.7089°
				0.35	70°	85.1857dB	0.7682°
0.35	75°	83.3550dB	0.7930°
				0.35	80°	84.9690dB	0.8898°
0.35	85°	78.8376dB	4.3627°
				0.4	60°	74.6798	218.5221°
0.4	65°	79.6045	2.9142°
				0.4	70°	83.4700	3.1202°
0.4	75°	85.2704	0.7957°
				0.4	80°	84.5136	0.8304°
0.4	85°	81.4205	4.1071°

本方案中，可得到第一优选方案：圆锥体底面距超材料面的垂直距离px为0.35米，圆锥体的圆锥角θ为140°。其远场仿真图如图10所示。

第二优选方案：圆锥体底面距超材料面的垂直距离px为0.4米，圆锥体的圆锥角θ为149°。其远场仿真图如图11所示。

从上述仿真图可以看出，本发明微波天线系统远场值和半功率带宽表现都极为出色，同时采用超材料调制电磁波，其厚度较薄、成本较低、制备简单，且超材料为平板状，占用空间少，便于放置和运输。

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 (9)

1.一种微波天线系统，其特征在于：包括中间开孔的超材料，设置于所述开孔中心的馈源，与所述馈源同轴设置的圆锥体；所述超材料由第一至第N层超材料片层以及紧贴于第N层超材料片层的反射板构成；所述馈源辐射的电磁波被所述圆锥体的圆锥面反射至所述超材料，所述超材料将电磁波以平面波形式辐射出去；所述超材料片层包括基材以及周期排布于基材上的多个人造金属微结构；所述第一至第N层超材料片层中第i层超材料片层上，距第i层超材料片层中心轴线y处的折射率为：

$\begin{array}{c}{n}_{i\left(y\right)}=\\ n_{\min }+\frac{i}{N}\[n_{\max }-n_{\min }-\frac{1}{d}(\sqrt{{(y-y_0)}^2+{x_0}^2}-(x_0+floor\left(\frac{\sqrt{y^2+{x_0}^2}-x_0}{\mathrm{\λ}}\right)\left)\right)\];\end{array}$

其中，

上式中，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，λ为所述馈源辐射的电磁波波长，d为所述超材料的总厚度，px为所述圆锥体的底面距超材料的垂直距离，θ为所述圆锥体的圆锥角，L_R为所述圆锥体斜高，floor函数为向下取整函数。

2.如权利要求1所述的微波天线系统，其特征在于：所述人造金属微结构呈平面雪花状，所述人造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。

3.如权利要求2所述的微波天线系统，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。

4.如权利要求1所述的微波天线系统，其特征在于：所述超材料片层还包括覆盖于所述人造金属结构上的覆盖层。

5.如权利要求4所述的微波天线系统，其特征在于：所述覆盖层与所述基材的厚度为0.4毫米，所述人造金属微结构厚度为0.018毫米。

6.如权利要求1所述的微波天线系统，其特征在于：所述超材料长度为1.4米，所述开孔半径为0.2米，所述超材料最小折射率为1.85，所述超材料最大折射率为6，所述圆锥体底面距所述超材料的垂直距离为0.15米至0.4米，所述圆锥角为110°至170°。

7.如权利要求6所述的微波天线系统，其特征在于：所述圆锥体底面距所述超材料的垂直距离为0.35米，所述圆锥角为140°。

8.如权利要求6所述的微波天线系统，其特征在于：所述圆锥体底面距所述超材料的垂直距离为0.4米，所述圆锥角为149°。

9.如权利要求1所述的微波天线系统，其特征在于：所述超材料片层的层数为七层。