CN103594789A - 超材料板、透镜天线系统及电磁波透射调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种超材料板、透镜天线系统及电磁波透射调节方法。在包含馈源和超材料板的透镜天线系统中，首先根据馈源发射电磁波的规律，获取电磁波到达超材料板表面的相位分布，然后调节超材料板上的孔的尺寸和间距，使所述超材料板表面透射出的电磁波的出射相位相等。使电磁波信号实现了从以球面波形式发散到以平面波形式远距离传输的转变；透镜天线不再拘泥于由物理曲面来定义的方式，而改以平板超材料制成超薄的平面天线，节约了空间。

Description

超材料板、透镜天线系统及电磁波透射调节方法

技术领域

本发明涉及天线技术，尤其涉及一种超材料板、透镜天线系统及电磁波透射调节方法。

背景技术

相对于正馈天线而言，偏馈天线的馈源和高频头的安装位置不在与天线中心切面垂直且过天线中心的直线上。因此，偏馈天线没有馈源阴影的影响，在天线面积、加工精度、接收频率相同的前提下，偏馈天线的增益大于正馈天线。但现今常见的微波天线系统，无论正馈天线还是偏馈天线，它们都是旋转抛物面的截面，只是截取的位置不同而已。正馈天线是旋转抛物面被与旋转抛物面旋转轴同心的圆柱面截得的那部分曲面，偏馈天线则是旋转抛物面被与旋转抛物面旋转轴不同心的圆柱面截得的那部分曲面。

此外，正馈天线和偏馈天线的馈源和高频头的安装位置必定在旋转抛物面的焦点上。这是由旋转抛物面的特性所决定的。

但是，传统的透镜天线是抛物面天线，这种抛物面天线的物体外形较为笨重，天线的剖面较高。由于在实际工程领域中，往往对天线的体积，重量，剖面等有严格要求甚至限制，这种传统的抛物面透镜天线并不实用。

随着超材料的出现，人们逐渐开始用超材料板来取代传统的抛物面天线，但是，现有的超材料板还不能将偏馈馈源发射的球面电磁波以平行波方式透射出来。

发明内容

本发明实施例所要解决的技术问题在于，针对现有技术中抛物面天线笨重且剖面较高、超材料天线又无法通过透射将球面波调制为平行波的缺陷，提供一种超材料板、透镜天线系统及电磁波透射调节方法，可实现超薄天线，并能够将透射波束调节为平行波。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种超材料板，与发射电磁波的馈源通信连接，所述超材料板包括至少一个超材料片层，所述超材料片层包括基底以及开设在所述基底上并用于调节发射到超材料板上的电磁波的出射相位的孔，以使所述馈源发射的电磁波以相同的相位透射。

在本发明所述的超材料板中，所述超材料板由多个相互平行且均呈片状的超材料片层堆叠而成。

在本发明所述的超材料板中，所述基底由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料或铁氧材料制成。

相应地，本发明还提供了一种透镜天线系统，包括用于发射电磁波的馈源，所述透镜天线系统还包括以上任一项所述的超材料板，所述超材料板装设在所述馈源的焦散区内。

在本发明所述的透镜天线系统中，所述馈源包括以相控阵阵列方式排布的多个初级辐射器。

在本发明所述的透镜天线系统中，所述初级辐射器包括喇叭天线，或者波导缝隙天线，或者微带天线，其中，所述多个初级辐射器包括所述喇叭天线、所述波导缝隙天线、所述微带天线中的一种或者多种。

在本发明所述的透镜天线系统中，所述透镜天线系统还包括与所述馈源通信连接的后端馈电网络，其中，所述后端馈电网络用于实现对所述馈源发射的电磁波的波束调节。

在本发明所述的透镜天线系统中，所述后端馈电网络包括由移相器、放大器构成的射频电路。

在本发明所述的透镜天线系统中，所述透镜天线系统还包括结构连接件，用于连接所述超材料板与所述馈源。

另一方面，本发明还提供了一种电磁波透射调节方法，包括：

在以上任意一项所述的透镜天线系统中，根据馈源发射电磁波的规律，获取电磁波到达超材料板表面的相位分布；

调节超材料板上的孔的尺寸和间距，使所述超材料板表面透射出的电磁波的出射相位相等。

在本发明所述的电磁波透射调节方法中，还包括：预先仿真得到各种尺寸和间距的孔对不同频率电磁波的透射补偿相位Arg（S11），生成孔数据库；

其中，所述调节超材料板上的孔的尺寸和间距使所述超材料板表面透射出的电磁波的出射相位相等的步骤具体包括：

根据所述电磁波到达所述超材料板表面的相位

以及期望得到的电磁波出射相位

计算满足关系式

的透射补偿相位；

根据计算得到的所述透射补偿相位，在所述孔数据库中查找对应的孔的尺寸和间距；

在所述超材料板上开设相应尺寸和间距的孔。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：本发明实施例提供的超材料板、透镜天线系统以及电磁波透射调节方法，通过在超材料板内开设孔，根据孔的尺寸和间距来调节超材料板与空气的占空比，从而使电磁波信号实现了从以球面波形式发散到以平面波形式远距离传输的转变；其透镜天线不再拘泥于由传统介质材料的物理曲面来定义的方式，而改以平板超材料制成超薄的平面天线，节约了空间；同时因为在电磁波传播的路径上没有曲面边界，也减小了像差的产生；另外，改进了大角度电磁波入射的偏折问题，提高了能量辐射效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的透镜天线系统的结构示意图；

图2是本发明一实施例提供的超材料板的晶元的结构示意图；

图3是本发明一实施例提供的电磁波透射调节方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

作为电磁波的一种，光线在穿过玻璃的时候，因为光线的波长（400-700纳米）远远大于原子的尺寸（0.1纳米），我们可以用玻璃的整体参数（比如透射率）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比如微波的响应的时候，材料中任何尺度远小于电磁波波长的结构对电磁波的作用都可以用材料的整体参数介电常数

和磁导率

来描述。而在普适情况下作为张量的介电常数和磁导率又由每个微结构对电磁波的响应决定。如果通过对材料中微结构的设计使材料具有我们需要的任意介电常数和磁导率分布，那么对电磁波来说，我们实际上“创造”了一种自然界并不存在的新材料，也就是超材料。

图1是本发明一实施例提供的透镜天线系统1的结构示意图；图2是本发明一实施例提供的超材料板11的晶元的结构示意图。透镜天线系统1可以包括馈源12和超材料板11，超材料板11设置在馈源12的焦散区中。

馈源12用于发射电磁波，可以是单个天线，例如单个初级辐射器，其中初级辐射器包括喇叭天线、波导缝隙天线、螺旋天线、对数周期天线和微带天线等天线形式中的任意一种。馈源12还可以是相控阵列天线，例如以阵列方式排布的多个初级辐射器，相控阵列中的所述多个初级辐射器可以是喇叭天线、波导缝隙天线、螺旋天线、对数周期天线和微带天线等天线形式中的任意一种或多种。天线系统1还包括位于馈源12与超材料板11之间的后端馈电网络（图中未画出），后端馈电网络与馈源12通信连接，用于实现对馈源12发射的电磁波的波束调节。后端馈电网络通常包括由移相器、放大器构成的射频电路。

超材料板11作为透镜天线系统1的透射介质，与发射电磁波的馈源12通信连接。超材料板11装设在所述馈源12的焦散区内，一面面向所述馈源12设置，另一面背向所述馈源12设置。

超材料板11包括至少一个超材料片层，所述超材料片层包括基底以及开设在所述基底上的、用于将馈源12发射到所述超材料板11上的电磁波以相同的出射相位透射的孔。具体地，超材料片层可以分成多个如图2所示的晶元，每个晶元分别包括基底111和开设在基底111中的孔112，每个基底111中可以开设有一个孔112。通过调节每个孔112的尺寸和间距，可以调节超材料板与空气的占空比，进而调节馈源12发射到超材料板11上的电磁波的出射相位，从而使馈源12发射到所述超材料板11上的电磁波以相同的出射相位透射。

具体地，可以预先仿真得到各种尺寸、各种间距的孔112对不同频率电磁波的透射补偿相位Arg（S11），生成孔数据库。假设馈源12发射到超材料板11表面的入射电磁波的相位为

期望得到的超材料板11另一表面的出射电磁波的相位为超材料板11上的每个孔的尺寸和排布，均满足

其中，基底111可以采用陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制成。上述的高分子材料可以是聚四氟乙烯。聚四氟乙烯的电绝缘性非常好，因此不会对电磁波的电场产生干扰，并且具有优良的化学稳定性、耐腐蚀性，使用寿命长，作为金属微结构附着的基材是很好的选择。当然，上述的高分子材料也可是FR-4、F4b等复合材料。

优选地，超材料板11可以由多个相互平行且均呈片状的超材料片层堆叠而成。也就是说，超材料板11整体可看成多个立方体晶元沿三维X-Y-Z方向叠加而成。由于超材料板自身需对电磁波产生影响，通常每一晶元的尺寸相等且均为所需响应的电磁波波长的十分之一。超材料板11对电磁场的响应主要取决于各个晶元对电磁场的响应，当晶元数量足够多时，每个晶元对电磁场的响应将会叠加从而从宏观上改变入射电磁波的各个物理特性。

在本实施例中，天线系统1还可以包括结构连接件（图中未画出），用于连接超材料板11和馈源12。具体地，所述结构连接件能够用于调节所述超材料板11与所述馈源12的相对位置。结构连接件可以由金属或非金属材料制成。通过结构连接件，可以使透镜天线系统1适用于一些特殊功能，例如构成单脉冲天线、多波束天线、频率扫描天线、频谱复用天线、多频共用天线等。

虽然图2示出了圆形通孔112，但是本发明并不限于这种性质的孔，在本发明的其他实施例中，孔112还可以是方形孔、不规则孔等任意合适形状的通孔。在本发明的实施例中，优选地将孔112设置为圆形通孔，因为圆形通孔便于加工和控制。在使用以上所述的透镜天线系统1时，可以采用图3所示的电磁波透射调节方法对波束进行重构，如图3所示，该方法包括：

S301、根据馈源12发射电磁波的规律，获取电磁波到达超材料板11表面的相位分布。其中，馈源12发射电磁波的规律通常是已知的，根据馈源12发射电磁波的规律，可以通过计算或实验测试的方式获取电磁波到达超材料板11表面的相位分布，假设超材料板11表面的入射电磁波的相位为

S302、调节超材料板11上的孔112的尺寸和间距，使所述超材料板11表面透射出的电磁波的出射相位相等。具体地，预先仿真得到各种尺寸、各种间距的孔112对不同频率电磁波的透射补偿相位Arg（S11），生成孔数据库；根据步骤S301得到的超材料板表面的电磁波相位以及期望得到的电磁波出射相位

计算满足关系式

的透射补偿相位；根据计算得到的透射补偿相位，在孔数据库中查找对应的孔112的尺寸和间距；在超材料板11上开设相应尺寸和间距的孔112。

当然，基底111的选材也会对超材料板11的透射补偿能力造成影响，因此，通常会预先选定基底111的材料。另外，也可以在步骤S502中对基底材料进行调节，步骤同调节孔112的属性参数相似。

虽然图1中示出的天线系统1中，透射出的电磁波的方向垂直于超材料板11，但本领域技术人员应当理解，在本发明的其它实施例中，还可以通过设计开孔的尺寸与分布，使电磁波以其他角度（例如与超材料板11的夹角为30度）透射出来。

本发明实施例提供的超材料板、透镜天线系统以及电磁波透射调节方法，通过在超材料板内开设孔，根据孔的尺寸和间距来调节超材料板与空气的占空比，从而使电磁波信号实现了从以球面波形式发散到以平面波形式远距离传输的转变；其透镜天线不再拘泥于由传统介质材料的物理曲面来定义的方式，而改以平板超材料制成超薄的平面天线，节约了空间；同时因为在电磁波传播的路径上没有曲面边界，也减小了像差的产生；另外，改进了大角度电磁波入射的偏折问题，提高了能量辐射效率。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体（Read-Only Memory，ROM）或随机存储记忆体（Random Access Memory，RAM）等。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (11)

1.一种超材料板，与发射电磁波的馈源通信连接，其特征在于，所述超材料板包括至少一个超材料片层，所述超材料片层包括基底以及开设在所述基底上并用于调节发射到超材料板上的电磁波的出射相位的孔，以使所述馈源发射的电磁波以相同的相位透射。

2.如权利要求1所述的超材料板，其特征在于，所述超材料板由多个相互平行且均呈片状的超材料片层堆叠而成。

3.如权利要求1所述的超材料板，其特征在于，所述基底由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料或铁氧材料制成。

4.一种透镜天线系统，包括用于发射电磁波的馈源，其特征在于，所述透镜天线系统还包括如权利要求1-3中任一项所述的超材料板，所述超材料板装设在所述馈源的焦散区内。

5.如权利要求4所述的透镜天线系统，其特征在于，所述馈源包括以相控阵阵列方式排布的多个初级辐射器。

6.如权利要求5所述的透镜天线系统，其特征在于，所述初级辐射器包括喇叭天线，或者波导缝隙天线，或者微带天线，其中，所述多个初级辐射器包括所述喇叭天线、所述波导缝隙天线、所述微带天线中的一种或者多种。

7.如权利要求4所述的透镜天线系统，其特征在于，所述透镜天线系统还包括与所述馈源通信连接的后端馈电网络，其中，所述后端馈电网络用于实现对所述馈源发射的电磁波的波束调节。

8.如权利要求7所述的透镜天线系统，其特征在于，所述后端馈电网络包括由移相器、放大器构成的射频电路。

9.如权利要求4所述的透镜天线系统，其特征在于，所述透镜天线系统还包括结构连接件，用于连接所述超材料板与所述馈源。

10.一种电磁波透射调节方法，其特征在于，包括：

在如权利要求4-9中任意一项所述的透镜天线系统中，根据馈源发射电磁波的规律，获取电磁波到达超材料板表面的相位分布；

调节超材料板上的孔的尺寸和间距，使所述超材料板表面透射出的电磁波的出射相位相等。

11.如权利要求10所述的电磁波透射调节方法，其特征在于，所述方法还包括：预先仿真得到各种尺寸和间距的孔对不同频率电磁波的透射补偿相位Arg（S11），生成孔数据库；

其中，所述调节超材料板上的孔的尺寸和间距使所述超材料板表面透射出的电磁波的出射相位相等的步骤具体包括：

根据所述电磁波到达所述超材料板表面的相位

以及期望得到的电磁波出射相位

计算满足关系式

的透射补偿相位；

根据计算得到的所述透射补偿相位，在所述孔数据库中查找对应的孔的尺寸和间距；

在所述超材料板上开设相应尺寸和间距的孔。

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