CN103647153A - 基于新型人工电磁材料的宽带宽角增益透镜天线 - Google Patents

Abstract

基于新型人工电磁材料的宽带宽角增益天线由一系列新型人工电磁材料按照一定的规律排列而成，构成等效的折射率渐变的人工媒质。该新型透镜天线包括基于新型人工电磁材料1的矩形角锥喇叭透镜2。新型人工电磁材料1的某一片印刷电路板的具体结构3为印刷在介质基板上的一系列“I”形状单元4，按照特定的规律排列。通过调节“I”型结构的大小，得到透镜所需的折射率分布。本发明具有最低增益高、宽波束宽度、易于加工、成本低、重量轻和尺寸小便于集成等优点。

Description

基于新型人工电磁材料的宽带宽角增益透镜天线

技术领域

本发明属于天线材料领域，尤其涉及一种基于新型人工电磁材料的宽带宽角增益透镜天线。 

背景技术

新型人工电磁材料，又称超材料，英文名Metamaterials，就是将具有特定几何形状的宏观基本单元周期性或非周期性地排列，或者植入到基体材料体内（或表面），所构成的一种人工媒质，它为我们任意控制电磁波的行走方式提供了有效手段。2006年，美国杜克大学David Smith研究小组首次成功地应用新型人工电磁材料实验实现了隐身大衣。该成果发表在《Science》杂志上，引起了各国媒体的广泛关注。2009年，Smith科研小组在《Nature Materials》发表文章称，利用新型人工电磁材料实现二维平坦聚焦面龙伯透镜。同年，David Smith研究小组与东南大学崔铁军教授研究小组合作，应用新型人工电磁材料成功地设计出基于人工媒质的隐身地毯，再次引起国内外学术界和媒体的强烈反响。传统波束扫描天线为了提高其精度，都尽量使波束尽可能地窄，从而实现提高特定方向功率的目的。然而，随着科技的发展，对天线固有特性的需求也逐步多样化。尤其在功率增益和波束宽度这一对矛盾量的选取中依然存在很大的难度。本发明提出了一种基于新型人工电磁材料的宽带宽角增益透镜天线，在保证最低增益要求的基础上，能够实现最大限度的波束宽度，并且不会额外增加天线的尺寸负担。 

发明内容

本发明的目的是提供一种基于新型人工电磁材料的宽带宽角增益透镜天线，该天线应用新型人工电磁材料实现折射率按一定规律分布的矩形角锥透镜，其主要特点是波束宽度宽、波束内最低增益高，同时具有易于加工、尺寸小和造价低等优点。 

本发明的基于新型人工电磁材料的宽带宽角增益透镜天线，是由一系列不同长度的新型人工电磁材料排列组阵，组成一个横截面近似于矩形的人工媒质宽带 宽角增益透镜天线角锥喇叭透镜；每一片新型人工电磁材料的印刷电路板是由印刷在介质基板上的一系列大小不一的人工媒质的谐振单元构成。将这些新型人工电磁材料按一定的规律排列，以实现折射率渐变的透镜。 

与现有技术相比，本发明具有以下优点： 

1、本发明具有制作简单和便于加工的特点。调整新型人工电磁材料基本结构单元尺寸，可以任意调节人工等效媒质的折射率和特性阻抗，实现透镜天线在设计上的简单化，同时该透镜天线仅仅由一系列的新型人工电磁材料基本单元排列而成，使得该透镜便于加工。 

2、本发明具有宽波束的特点。在本发明中，使用的新型人工电磁材料基本结构，在保证最低增益一定时，大大增加了有效波束宽度。 

3、本发明同时具有尺寸小的特点。传统喇叭天线，为提供宽波束宽度，需要增大张角及开口尺寸。而为了保证增益，又必须限制张角以及增加天线长度。二者相互矛盾。在本发明中，通过调整新型人工电磁材料，同时实现了较高的最低增益以及较宽的波束宽度，且尺寸较原始天线小。 

附图说明

图1是本发明的结构示意图。 

图2是本发明的谐振基本单元的等效媒质参数随尺寸变化的情况。 

图3是本发明的天线辐射方向图。其中，（a）、（b）、（c）分别是在4GHz、5GHz、6GHz处对比了添加新型人工电磁材料的喇叭天线以及未添加新型人工电磁材料的喇叭天线的E面和H面方向图。 

具体实施方式

本发明中，基于新型人工电磁材料的宽带宽角增益透镜天线是用一系列谐振单元按照一定规律排列构成的等效人工媒质实现的，如图1所示，整个天线包括基于新型人工电磁材料1的角锥喇叭透镜2，一系列不同长度的新型人工电磁材料1并排排列组成一个横截面为矩形的人工媒质角锥喇叭透镜2；每一片新型人工电磁材料1的印刷电路板3是由印刷在介质基板上的一系列大小不一的人工媒质的非谐振基本单元4构成。新型人工电磁材料1及其工作在非谐振频段的 谐振单元4是本发明的核心。谐振单元4是最简单的新型人工电磁材料结构，可以仅仅使用印刷电路板工艺大批量加工阵列，且在其非谐振频段具有相对更宽、更平缓的折射率分布范围。通过调节新型人工电磁材料中的谐振单元4的尺寸，可以轻松获得不同等效参数的人工媒质，从而设计透镜天线所需的参数分布。 

图2分别为天线口面沿轴向距离y的透镜折射率分布（a）、厚度为t1（b）、t2（c）时谐振单元4的等效媒质参数随单元中金属线长度l变化时的分布规律以及新型人工电磁材料阵列示意图（d）。从图2可以看出，对较厚的介质板（厚度t1，单位mm），当l由0mm变化到6mm时，等效折射率由1.15上升到1.7。对较薄的介质板（厚度t2，单位mm），当l由0mm变化到5mm时，等效折射率由1.15上升到1.27。由此可见，可以用该谐振单元4实现渐变折射率分布。在实际设计过程中，透镜中折射率小于1.15的部分都将折射率设计成n＝1.15。图3为该发明的方向图。图3分别在4GHz、5GHz、6GHz处对比了添加新型人工电磁材料的喇叭天线以及未添加新型人工电磁材料的喇叭天线的E面和H面方向图。其结果表明，在不同频率上该发明均有效地增加了波束宽度。 

Claims (2)

1.一种基于新型人工电磁材料的宽带宽角增益透镜天线，其特征在于此透镜天线由一系列不同长度的新型人工电磁材料（1）并排排列组成一个横截面为矩形的人工媒质角锥喇叭透镜（2）；每一片新型人工电磁材料（1）的印刷电路板（3）是由印刷在介质基板上的一系列大小不一的人工媒质的谐振基本单元（4）构成，其中，谐振单元（4）是最简单的新型人工电磁材料结构，可以仅仅使用印刷电路板工艺大批量加工阵列。

2.根据权利要求1所述的基于新型人工电磁材料的宽带宽角增益透镜天线，其特征在于所述的谐振单元（4），其长度可改变，以得到不同的等效折射率分布。

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