CN103594791B - 超材料板、反射面天线系统及电磁波反射调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种超材料板、反射面天线系统及电磁波反射调节方法。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至少一个金属微结构的属性参数，使所述超材料板表面反射出的电磁波的出射相位相等。实现超薄天线，节约了空间；另外还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。

Description

超材料板、反射面天线系统及电磁波反射调节方法

技术领域

本发明涉及天线技术，尤其涉及一种超材料板、反射面天线系统及电磁波反射调节方法。

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，传统的反射面天线是抛物面天线，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，这种传统的抛物面反射面天线并不实用。而且，这种抛物面天线无法准确地解决大角度电磁波入射的同相反射问题。

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反射面天线在体积、重量和剖面上可能不满足需求的缺陷，提供一种超材料板、反射面天线系统及电磁波反射调节方法，可实现超薄天线，并能够精确地对反射波束进行调控。

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，包括非金属材料制成的基底，所述超材料板还包括设置在所述基底上并用于将从所述馈源发射到所述超材料板上的电磁波以相同的出射相位反射的金属微结构。

在本发明所述的超材料板中，所述基底为板状，所述金属微结构为平面结构并包括外框部和内框部，且所述金属微结构设置在所述基底的至少一表面上。

在本发明所述的超材料板中，所述金属微结构的外框部和内框部均为金属线并共同形成回字形。

在本发明所述的超材料板中，所述金属微结构的外框部的金属线的宽度与所述金属微结构的内框部的金属线的宽度、所述金属微结构的两个框部之间的距离均相等。

相应地，本发明还提供了一种反射面天线系统，包括用于发射电磁波的馈源，所述反射面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，所述基底的一面面向所述馈源设置，另一面背向所述馈源设置，且所述金属微结构设置于所述基底的面向所述馈源的一面和/或背向所述馈源的一面上。

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

在本发明所述的反射面天线系统中，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。

在本发明所述的反射面天线系统中，所述反射面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。

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

在本发明所述的反射面天线系统中，所述反射面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反射调节方法，包括：

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

调节超材料板上的至少一个金属微结构的属性参数，使所述超材料板表面反射出的电磁波的出射相位相等。

在本发明所述的电磁波反射调节方法中，还包括：预先仿真得到各种属性参数的金属微结构对不同频率电磁波的反射补偿相位Arg（S11），生成金属微结构数据库；

其中，所述调节超材料板上的至少一个金属微结构的属性参数，使所述超材料板表面反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（in）以及期望得到的电磁波出射相位（out），计算满足关系式的反射补偿相位；

根据计算得到的所述反射补偿相位，在所述金属微结构数据库中查找对应的金属微结构的属性参数；

在所述超材料板上设置相应属性参数的金属微结构。

在本发明所述的电磁波反射调节方法中，所述属性参数包括材料、形状、尺寸、线宽和/或线距。

在本发明所述的电磁波反射调节方法中，还包括：预先仿真得到各种属性参数的金属微结构对不同频率电磁波的反射补偿相位Arg（S11），生成金属微结构数据库；

其中，所述调节超材料板上的至少一个金属微结构的属性参数，使所述超材料板表面反射出的电磁波的出射相位相等的步骤具体包括：

选择特定材料和特定形状的金属微结构；

根据所述电磁波到达所述超材料板表面的相位（in）以及期望得到的电磁波出射相位（out），计算满足关系式的反射补偿相位；

根据计算得到的所述反射补偿相位，在所述金属微结构数据库中查找对应的所述特定材料和特定形状金属微结构的生长参数，所述生长参数包括尺寸、线宽和/或线距；

在所述超材料板上设置相应生长参数的金属微结构。

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、反射面天线系统以及电磁波反射调节方法，通过设置超材料内部的金属微结构，利用其独特的反射率分布，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。其反射面不再拘泥于旋转抛物面的定式，而改以平板超材料，实现了超薄天线，节约了空间；另外还改进了大角度电磁波入射的同相反射问题，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反射面天线系统的示意图；

图2是本发明一实施例提供的超材料板的晶元的示意图；

图3是本发明另一实施例提供的超材料板的晶元的示意图；

图4是如图2-3所示的回字形金属微结构的尺寸从4.8mm到4.95mm扫描时，其对电磁波的响应示意图；

图5是本发明一实施例提供的电磁波反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做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。

超材料是一种以人造微结构为基本单元并以特定方式进行空间排布的具有特殊电磁响应的新型材料，其对电磁响应的特征往往不取决于其构成材料的本征性质，而是由其人造微结构的特征所决定。

其中人造微结构的电磁响应很大程度上取决于人造微结构的生长参数，例如拓扑结构和几何尺寸。其几何尺寸通常不超过所需响应的电磁波波长的十分之一。

超材料包括人造微结构以及人造微结构所附着的材料（及基底），该附着材料对人造微结构起到支撑作用，可为任何与人造结构不同的材料，这两种材料的叠加会在空间中产生一个等效介电常数与磁导率，而这两个物理参数分别对应了材料的电场响应与磁场响应。电磁波的折射率与成正比关系，当一束电磁波由一种介质传播到另外一种介质时，电磁波会发生折射，当物质内部的折射率分布非均匀时，电磁波就会向折射率比较大的位置偏折，通过设计超材料中每一点的电磁参数，就可对超材料的折射率分布进行调整，进而达到改变电磁波的传播路径的目的。根据上述原理可以通过设计超材料板的折射率分布使从馈源发出的球面波形式发散的电磁波转变成适于远距离传输的平面波形式的电磁波。

图1是本发明一实施例提供的反射面天线系统1；图2和图3分别是本发明的两个实施例提供的超材料板11的晶元的示意图。反射面天线系统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（例如喇叭辐射器），也可以是相控阵列天线（例如以相控阵列方式排布的多个初级辐射器）。相控阵列中的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作为天线系统1的反射面，与发射电磁波的馈源通信连接。超材料板11包括基底111和至少一个金属微结构112。基底111的一面面向馈源12设置，另一面背向馈源12设置。具体地，基底111可以分成多个晶格，每个晶格的面向馈源12的表面和/或背向馈源12的表面上附着有一金属微结构112，每个晶格及占据该晶格的金属微结构共同构成一晶元。另外，基底111还可以分成相互平行的多个片层，每个片层均包括多个晶格。其中，基底111可以由非金属材料（例如PP）制成，金属微结构112可以由金属（例如铜）制成。基底111大致呈板状，金属微结构112附着在基底111面向馈源12和/或背向馈源12的表面上。通过调节每个晶元的金属微结构112的属性参数，例如形状、尺寸、线宽、线距等，可以使馈源12发射到所述超材料板11上的电磁波以相同的出射相位反射。仅在超材料板的一表面上设置金属微结构的天线系统可以称为单反射面天线系统，在超材料板的两表面上均设置有金属微结构的天线系统可以称为双反射面天线系统。

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），所述结构连接件用于连接所述超材料板11与所述馈源12。具体地，结构连接件还可以用于调节超材料板11与馈源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。

如图2和3所示，金属微结构112为平面结构并包括外框部和内框部，且所述金属微结构112设置在所述基底111的至少一表面上。所述金属微结构112的外框部和内框部均为金属线并共同形成回字形。优选地，所述金属微结构112的外框部的金属线的宽度与所述金属微结构112的内框部的金属线的宽度、所述金属微结构112的两个框部之间的距离均相等。

虽然图2和图3示出了包括外框部和内框部的回字形平面金属微结构112，但是本发明并不限于这种性质，在本发明的其他实施例中，金属微结构112还可以采用其他任意合适的形状，例如口字形、工字型、T字形、S形、双十字形等。一个超材料板11可以只具有一种形状的金属微结构112，也可以同时具有多种不同形状的金属微结构112，当然，不同形状的金属微结构112对电磁波的相位补偿调节能力是不同的。在本发明的实施例中，优选地将金属微结构112设置为如图2和3所示的回字形结构，因为在调节这种回字形结构的生长参数（例如尺寸、线宽、线距等）时，其对电磁波的相位补偿能力变化缓慢，方便使用者进行微调，同时可以避免使用者稍稍增大金属微结构112的生长尺寸时，其对电磁波的相位补偿能力即增大很多。

除了金属微结构112的形状以外，金属微结构112的尺寸、线宽、线距等生长参数也同样能够影响超材料板11对电磁波的相位补偿调节能力。图4为如图2-3所示的回字形金属微结构的尺寸从4.8mm到4.95mm扫描时，其对电磁波的响应能力（即对电磁波的反射补偿能力）。如图4所示，S11为超材料板的反射补偿系数，Arg（S11）为超材料板对电磁波的反射补偿相位，W为回字形金属微结构112的外方框的边长（即金属微结构112的尺寸）。当电磁波频率一定时，金属微结构112的尺寸越大，反射补偿相位越大（由负角度增长到正角度）。

在图2所示的超材料板11中，基底111采用PP材料，厚度为2mm。金属微结构112采用铜材料，且对应地位于基底111的两表面上，金属微结构112的厚度为0.018mm。回字形金属微结构112的外框部边长为1.9mm，线宽为0.5mm，外框部与内框部之间的距离也为0.5mm。

在图3所示的超材料板11中，基底111采用PP材料，厚度为2mm。金属微结构112采用铜材料，且对应地位于基底111的两表面上，金属微结构112的厚度为0.018mm。回字形金属微结构112的外框部边长为4.95mm，线宽为0.5mm，两个方框之间的距离也为0.5mm。

本领域技术人员应当理解，以上描述仅仅用于举例说明，而不用于限制。尤其是基底111的厚度、金属微结构112的厚度等，分别是市场上常见的PP材料的厚度和铜片的厚度，采用这种原始厚度，可以不需另外加工，简化操作。在本发明的其它实施例中，基底111还可以采用陶瓷材料、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。本发明的金属微结构112，优选地，为具有一定图形的金属线。例如，铜线或银线等金属线。上述的金属线可以通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法附着在基底111上。当然，也可以采用三维的激光加工工艺。

在使用以上所述的反射面天线系统1时，可以采用图5所示的电磁波反射调节方法对波束进行重构，如图5所示，该方法包括：

S501、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（in）。

S502、调节超材料板11上的至少一个金属微结构112的属性参数，使所述超材料板11表面反射出的电磁波的出射相位相等。具体地，预先仿真得到各种材料、各种形状、各种尺寸、各种线宽以及各种线距的金属微结构112对不同频率电磁波的反射补偿相位Arg（S11），生成金属微结构数据库；根据步骤S501得到的超材料板表面的电磁波相位（in）以及期望得到的电磁波出射相位（out），计算满足关系式的反射补偿相位；根据计算得到的反射补偿相位，在金属微结构数据库中查找对应的金属微结构112的属性参数，包括材料、形状、尺寸、线宽、线距等；在超材料板11上设置相应属性参数的金属微结构112。优选地，金属微结构112的材料和形状可以预先选定，步骤S502中仅仅通过调节金属微结构112的生长参数，例如尺寸、线宽、线距等，来调节电磁波的出射相位，使超材料板11表面反射出的电磁波的出射相位都相同，形成平面波，从而可以在远场形成具有极高方向性的窄波束。

当然，基底111的选材也会对超材料板11的反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，步骤同调节金属微结构112的属性参数相似。

本发明实施例提供的超材料板、反射面天线系统以及电磁波反射调节方法，通过设置超材料内部的金属微结构，利用其独特的反射率分布，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。其反射面不再拘泥于旋转抛物面的定式，而改以平板超材料，实现了超薄天线，节约了空间；另外还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。

本领域技术人员应当理解，虽然图1中示出的天线系统中采用的是偏馈馈源，但本发明还可以采用正馈馈源，只要最终将球面波反射为平行波即可。

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 (1)

1.一种电磁波反射调节方法，其特征在于，包括：

在包括超材料板以及用于发射电磁波的馈源的反射面天线系统中，根据馈源发射电磁波的规律，获取电磁波到达所述超材料板表面的相位分布，其中，所述超材料板与发射电磁波的所述馈源通信连接，所述超材料板包括金属微结构以及非金属材料制成的基底，所述金属微结构设置在所述基底上并用于将从所述馈源发射到所述超材料板上的电磁波以相同的出射相位反射，其中，所述超材料板装设在所述馈源的焦散区内，所述基底的一面面向所述馈源设置，另一面背向所述馈源设置，且所述金属微结构设置于所述基底的面向所述馈源的一面和/或背向所述馈源的一面上；

预先仿真得到各种属性参数的金属微结构对不同频率电磁波的反射补偿相位Arg(S11)，生成金属微结构数据库；以及

调节超材料板上的至少一个金属微结构的属性参数，使所述超材料板表面反射出的电磁波的出射相位相等，其中，所述属性参数包括材料、形状、尺寸、线宽和/或线距；

其中，所述调节超材料板上的至少一个金属微结构的属性参数使所述超材料板表面反射出的电磁波的出射相位相等的步骤具体包括(1)至(3)或者具体包括(4)至(7)：

(1)、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反射补偿相位；

(2)、根据计算得到的所述反射补偿相位，在所述金属微结构数据库中查找对应的金属微结构的属性参数；

(3)、在所述超材料板上设置相应属性参数的金属微结构；

(4)、选择特定材料和特定形状的金属微结构；

(5)、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反射补偿相位；

(6)、根据计算得到的所述反射补偿相位，在所述金属微结构数据库中查找对应的所述特定材料和特定形状金属微结构的生长参数，所述生长参数包括尺寸、线宽和/或线距；

(7)、在所述超材料板上设置相应生长参数的金属微结构。