CN103682666A - 一种超材料微波天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超材料微波天线，其包括超材料面板、馈源、第一级副反射面以及第二级副反射面，所述超材料面板的中心设置有第一中心孔，所述第二级副反射面的中心设置有第二中心孔；所述第一级副反射面嵌于所述超材料面板的第一中心孔上，所述馈源嵌于所述第二级副反射面的第二中心孔上。本发明利用超材料可进行汇聚电磁波的性质及利用类双曲面型超材料和类椭圆面超材料分别作为第一级副反射面和第二级副反射面，可使天线的结构更加紧凑，且在效果上等效于具有长焦距的微波天线，同时调节口径面上的能量分布，从而提高天线的口径效率，得到了良好的远场辐射场响应；此外，其加工难度小，成本低。

Description

一种超材料微波天线

技术领域

本发明涉及通信领域，更具体地说，涉及一种超材料微波天线。

背景技术

微波是电磁波谱中介于超短波与红外线之间的波段，它属于无线电中波长最短（频率最高）的波段，其频率范围从300MHz（波长1m）至300GHz(波长0.1m)。工作于米波、分米波、厘米波、毫米波等波段的发射或接收天线统称为微波天线。在微波天线中，应用较广的有抛物面天线、喇叭抛物面天线、喇叭天线及透镜天线等。

例如，现有的卫星电视接收天线就是抛物面天线，所述抛物面天线负责将卫星信号反射到馈源和高频头内。馈源是在抛物面天线的焦点处设置的一个用于收集卫星信号的喇叭，又称波纹喇叭。其主要功能有两个：一是将天线接收的电磁波信号收集起来，变换成信号电压，供给高频头。二是对接收的电磁波进行极化转换。高频头LNB（亦称降频器）是将馈源送来的卫星信号进行降频和信号放大然后传送至卫星接收机。

LNB的工作流程就是先将卫星高频讯号放大至数十万倍后再利用本地振荡电路将高频讯号转换至中频950MHz-2050MHz，以利于同轴电缆的传输及卫星接收机的解调和工作。卫星接收机是将高频头输送来的卫星信号进行解调，解调出卫星电视图像或数字信号和伴音信号。接收卫星信号时，平行的电磁波通过抛物面天线反射后，汇聚到馈源上。通常，抛物面天线对应的馈源是一个喇叭天线。然而，由于抛物面天线的反射面的曲面加工难度大，精度要求也高，制造麻烦，且成本较高。此外，所述现有的抛物面天线体积较大、口径效率低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有的微波天线加工不易、成本高的缺陷，提供一种加工简单、制造成本低的超材料微波天线。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种超材料微波天线，包括超材料面板、馈源、第一级副反射面以及第二级副反射面，所述超材料面板的中心设置有第一中心孔，所述第二级副反射面的中心设置有第二中心孔；所述第一级副反射面嵌于所述超材料面板的第一中心孔上，所述馈源嵌于所述第二级副反射面的第二中心孔上；

所述第一级副反射面为类双曲面型超材料，所述第二级副反射面为类椭圆面超材料；所述类双曲面型超材料包括第一发散超材料以及位于所述第一发散超材料一侧的第一反射层；所述类椭圆面超材料包括第二发散超材料以及位于所述第二发散超材料一侧的第二反射层；

所述超材料面板包括核心层，所述核心层包括至少一个核心层片层，所述核心层片层、第一发散超材料以及第二发散超材料均包括片状的基材以及设置在基材上的多个人造微结构；

所述核心层片层按照折射率分布可划分为分布在所述第一中心孔周围且与所述第一中心孔共圆心的多个环形区域，所述环形区域内相同半径处的折射率相同，且在环形区域各自的区域内随着半径的增大折射率逐渐减小，相邻两个环形区域中处于内侧的环形区域的折射率的最小值小于处于外侧的环形区域的折射率的最大值。

进一步地，所述第一级副反射面中心对称轴与第二级副反射面的中心对称轴重合。

进一步地，所述第一级副反射面的中心对称轴以及第二级副反射面的中心对称轴均与所述超材料面板的对称轴重合。

进一步地，所述第一发散超材料和第二发散超材料内折射率的分布规律为：随着半径的增加，折射率逐渐减小，且相同半径处的折射率相同。

进一步地，所述核心层包括多个折射率分布相同且相互平行的核心层片层。

进一步地，所述核心层片层内的每一环形区域均具有相同的折射率变化范围。

进一步地，所述超材料面板还包括设置在核心层两侧的匹配层，以实现从空气到核心层的阻抗匹配。

进一步地，所述核心层的每一核心层片层的多个人造微结构形状相同，所述环形区域内相同半径处的多个人造微结构具有相同的几何尺寸，且在环形区域各自的区域内随着半径的增大人造微结构的几何尺寸逐渐减小，相邻两个环形区域，处于内侧的环形区域内几何尺寸最小的人造微结构的几何尺寸小于处于外侧的环形区域内几何尺寸最大的人造微结构的几何尺寸。

进一步地，所述人造微结构为平面雪花状的金属微结构。

本发明超材料微波天线的有益效果：本发明利用超材料可进行汇聚电磁波的性质及利用类双曲面型超材料和类椭圆面超材料作为第一级副反射面和第二级副反射面，可使天线的结构更加紧凑，且在效果上等效于具有长焦距的微波天线，同时调节口径面上的能量分布，从而提高天线的口径效率，得到了良好的远场辐射场响应；此外，其加工难度小，成本低。

附图说明

图1是本发明的所述超材料微波天线的结构示意图；

图2是本发明的核心层片层的折射率分布示意图；

图3是本发明的类双曲面型超材料的结构示意图；

图4是本发明的第一发散超材料的折射率分布示意图；

图5是本发明的类椭圆面超材料的结构示意图；

图6是本发明的第二发散超材料的折射率分布示意图。

具体实施方式

如图1所示，根据本发明所述的超材料微波天线包括馈源10、第一级副反射面20、第二级副反射面30以及超材料面板40。所述超材料面板40设置有位于其中心的圆形的第一中心孔，所述第二级副反射面30设置有位于其中心的第二中心孔，所述超材料面板40包括核心层401及设置在核心层401两侧表面的匹配层402，所述核心层401包括至少一个核心层片层，所述核心层片层包括片状的基材以及设置在基材上的多个人造微结构，所述核心层片层按照折射率分布可划分为分布在第一中心孔周围且与所述第一中心孔共圆心的多个环形区域。相邻两个环形区域中，处于内侧的环形区域的折射率的最小值小于处于外侧的环形区域的折射率的最大值。核心层片层按照折射率划分为多个环形区域是为了更好的描述本发明，并不意味着本发明的核心层片层具有此种实际结构。

本发明中，所述超材料面板40的纵向横截面可以是具有中心圆孔的矩形，也可以是环形，还可以是其他本领域的技术人员能够想到的图形，如图2所示，所述超材料面板40为环形，即该环形超材料面板包括环形核心层以及位于该环形核心层两侧的环形匹配层，匹配层用于电磁波从空气传输到环形核心层或者环形核心层传输到空气的阻抗匹配。其中，环形核心层包括至少一个环形核心层片层组成。每一环形核心层片层按照折射率排布规律可以分成多个环形区域，例如，如图2所示，该环形核心层片层按照折射率的排布规律分为H1、H2、H3三个区域，其中在H1、H2、H3各自的区域内随着半径的增加折射率逐渐减小，且同一半径处的折射率相同；在H1、H2、H3三个区域内，都具有相同的折射率变化范围，例如：三个区域内的折射率均为5、4、3、2、1，且相邻两个环形区域中处于内侧的环形区域的折射率的最小值小于处于外侧的环形区域的折射率的最大值。即在H1和H2区域的交界处，位于H1的区域内的折射率为1，但是位于H2区域内的折射率就是为5，H2和H3区域之间的交界处也是如此。

本发明中，所述第一级副反射面20设置在超材料面板40的第一中心孔上，并位于所述超材料面板40的中轴线上，即馈源10与核心层片层的中心的连线与超材料面板40的中轴线重合。如图1所示，馈源10嵌于第二级副反射面30的中心的第二中心孔上；第一级副反射面20嵌于圆环形超材料面板40的内圆上；馈源10的相位中心（需要测定）置于第一级副反射面20的等效外侧焦点A上，第二级副反射面30的等效远端焦点置于第一级副反射面20的等效内侧焦点B上，第二级副反射面30的等效近端焦点记为C；

所述第一级副反射面20为类双曲面型超材料，如图3所示，所述类双曲面型超材料包括第一发散超材料201以及位于所述第一发散超材料一侧的第一反射层202，所述第一反射板202为金属反射层，可以选用铜等金属。所述第一发散超材料201跟超材料片层一样，也包括片状的基材以及设置在基材上的多个人造微结构；所述第一发散超材料内折射率的分布规律为：所述第一发散超材料为圆形区域，在所述第一发散超材料的圆心处的折射率为最大值，随着半径的增加，折射率逐渐减小，且相同半径处的折射率相同，如图4所示。所述反射层202与发散超材料202可以通过双面胶粘接，或者通过螺栓等固定连接。

所述第二级副反射面30为类椭圆面超材料，所述类椭圆面超材料包括第二发散超材料301以及位于所述第二发散超材料一侧的第二反射层302，所述第二反射板302为金属反射层，可以选用铜等金属。所述第二发散超材料301跟超材料片层一样，也包括片状的基材以及设置在基材上的多个人造微结构；所述第二发散超材料内折射率的分布规律为：所述第二发散超材料为中心挖空的区域，所述挖空的区域为馈源10所占位置，随着半径的增加，折射率逐渐减小，且相同半径处的折射率相同，如图6所示。所述反射层302与发散超材料302可以通过双面胶粘接，或者通过螺栓等固定连接。

上述类椭圆面超材料的对称轴和类双曲面型超材料的中心对称轴重合，且类双曲面型超材料的中心对称轴与超材料面板40的对称轴重合；所述馈源10与超材料面板40均有支架支撑，图中并未示出支架，其不是本发明的核心，采用传统的支撑方式即可。另外馈源10优选为喇叭天线。

所述核心层401包括多个折射率分布相同且相互平行的核心层片层。多个核心层片层紧密贴合，相互之间也可以通过双面胶粘接，或者通过螺栓等固定连接。

本发明的人造微结构优选为金属微结构，所述金属微结构由一条或多条金属线组成。金属线本身具有一定的宽度及厚度。本发明的金属微结构优选为具有各向同性的电磁参数的金属微结构，所述金属微结构为平面雪花状的金属微结构。

对于具有平面结构的人造微结构，各向同性，是指对于在该二维平面上以任一角度入射的任一电磁波，上述人造微结构在该平面上的电场响应和磁场响应均相同，也即介电常数和磁导率相同；对于具有三维结构的人造微结构，各向同性是指对于在三维空间的任一方向上入射的电磁波，每个上述人造微结构在三维空间上的电场响应和磁场响应均相同。当人造微结构为90度旋转对称结构时，人造微结构即具有各向同性的特征。

对于二维平面结构，90度旋转对称是指其在该平面上绕一垂直于该平面且过其对称中心的旋转轴任意旋转90度后与原结构重合；对于三维结构，如果具有两两垂直且共交点（交点为旋转中心）的3条旋转轴，使得该结构绕任一旋转轴旋转90度后均与原结构重合或者与原结构以一分界面对称，则该结构为90度旋转对称结构。

已知折射率

其中μ为相对磁导率，ε为相对介电常数，μ与ε合称为电磁参数。实验证明，电磁波通过折射率非均匀的介质材料时，会向折射率大的方向偏折（向折射率大的超材料单元偏折）。因此，本发明的核心层对电磁波具有汇聚作用，卫星或基站等发出的电磁波首先通过馈源10发射电磁波，依次经过第一级副反射面20以及第二级副反射30反射后，再通过超材料面板40的汇聚作用，因此，合理设计核心层401的折射率分布，可以使得卫星或基站等发出的电磁波依次经过第一次反射、第二次反射后，再经过超材料面板汇聚，可以将电磁波辐射到自由空间中，且能提高天线的增益。如果在基材的材料选定的情况下，可以通过设计人造微结构的形状、几何尺寸和/或人造微结构在基材上的排布获得超材料内部的电磁参数分布，本发明中，所述核心层401的每一核心层片层的多个人造微结构形状相同，所述环形区域内相同半径处的多个人造微结构具有相同的几何尺寸，且在环形区域各自的区域内随着半径的增大人造微结构的几何尺寸逐渐减小，相邻两个环形区域，处于内侧的环形区域内几何尺寸最小的人造微结构的几何尺寸小于处于外侧的环形区域内几何尺寸最大的人造微结构的几何尺寸，从而设计出每一核心层片层的折射率分布。首先从超材料所需要的效果出发计算出超材料内部的电磁参数空间分布，根据电磁参数的空间分布来选择人造微结构的形状、几何尺寸（计算机中事先存放有多种人造微结构数据），对人造微结构的设计可以用穷举法，例如先选定一个具有特定形状的人造微结构，计算电磁参数，将得到的结果和我们想要的对比，循环多次，一直到找到我们想要的电磁参数为止，若找到了，则完成了人造微结构的设计参数选择；若没找到，则换一种形状的人造微结构，重复上面的循环，一直到找到我们想要的电磁参数为止。如果还是未找到，则上述过程也不会停止。也就是说只有找到了我们需要的电磁参数的人造微结构，程序才会停止。由于这个过程都是由计算机完成的，因此，看似复杂，其实很快就能完成。

本发明中，所述核心层401和类双曲面型超材料的基材均由陶瓷材料、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聚四氟乙烯、环氧树脂、F4B复合材料、FR-4复合材料等。例如，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。

本发明中，所述金属微结构为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材上。当然，也可以采用三维的激光加工工艺。

如图1所示，为本发明第一实施例的超材料面板的结构示意图，在本实施例中，所述超材料面板还包括设置在核心层两侧的匹配层402，以实现从空气到核心层401的阻抗匹配。我们知道，介质之间的折射率相差越大，则电磁波从一介质入射到另一介质时，反射越大，反射大，意味着能量的损失，这时候就需要折射率的匹配，已知折射率

其中μ为相对磁导率，ε为相对介电常数，μ与ε合称为电磁参数。我们知道空气的折射率为1，因此，这样设计匹配层，即靠近空气的一侧的折射率与空气基本相同，靠近核心层的一侧的折射率与其相接的核心层片层折射率基本相同。这样，就实现了从空气到核心层的折射率匹配，减小了反射，即能量损失可以大大的降低，这样电磁波可以传输的更远。

综上所述，本发明利用超材料可进行汇聚电磁波的性质及利用旋转双曲面作为副反射面，可使天线的结构更加紧凑，且在效果上等效于具有长焦距的微波天线，同时调节口径面上的能量分布，从而提高天线的口径效率，得到了良好的远场辐射场响应；此外，其加工难度小，成本低。

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)

1.一种超材料微波天线，其特征在于，包括超材料面板、馈源、第一级副反射面以及第二级副反射面，所述超材料面板的中心设置有第一中心孔，所述第二级副反射面的中心设置有第二中心孔；所述第一级副反射面嵌于所述超材料面板的第一中心孔上，所述馈源嵌于所述第二级副反射面的第二中心孔上；

所述第一级副反射面为类双曲面型超材料，所述第二级副反射面为类椭圆面超材料；所述类双曲面型超材料包括第一发散超材料以及位于所述第一发散超材料一侧的第一反射层；所述类椭圆面超材料包括第二发散超材料以及位于所述第二发散超材料一侧的第二反射层；

所述超材料面板包括核心层，所述核心层包括至少一个核心层片层，所述核心层片层、第一发散超材料以及第二发散超材料均包括片状的基材以及设置在基材上的多个人造微结构；

所述核心层片层按照折射率分布可划分为分布在所述第一中心孔周围且与所述第一中心孔共圆心的多个环形区域，所述环形区域内相同半径处的折射率相同，且在环形区域各自的区域内随着半径的增大折射率逐渐减小，相邻两个环形区域中处于内侧的环形区域的折射率的最小值小于处于外侧的环形区域的折射率的最大值。

2.根据权利要求1所述的一种超材料微波天线，其特征在于，所述第一级副反射面中心对称轴与第二级副反射面的中心对称轴重合。

3.根据权利要求2所述的一种超材料微波天线，其特征在于，所述第一级副反射面的中心对称轴以及第二级副反射面的中心对称轴均与所述超材料面板的对称轴重合。

4.根据权利要求1所述的一种超材料微波天线，其特征在于，所述第一发散超材料和第二发散超材料内折射率的分布规律为：随着半径的增加，折射率逐渐减小，且相同半径处的折射率相同。

5.根据权利要求1所述的一种超材料微波天线，其特征在于，所述核心层包括多个折射率分布相同且相互平行的核心层片层。

6.根据权利要求5所述的一种超材料微波天线，其特征在于，所述核心层片层内的每一环形区域均具有相同的折射率变化范围。

7.根据权利要求1所述的一种超材料微波天线，其特征在于，所述超材料面板还包括设置在核心层两侧的匹配层，以实现从空气到核心层的阻抗匹配。

8.根据权利要求1至7任意一项所述的一种超材料微波天线，其特征在于，所述核心层的每一核心层片层的多个人造微结构形状相同，所述环形区域内相同半径处的多个人造微结构具有相同的几何尺寸，且在环形区域各自的区域内随着半径的增大人造微结构的几何尺寸逐渐减小，相邻两个环形区域，处于内侧的环形区域内几何尺寸最小的人造微结构的几何尺寸小于处于外侧的环形区域内几何尺寸最大的人造微结构的几何尺寸。

9.根据权利要求1所述的一种超材料微波天线，其特征在于，所述人造微结构为平面雪花状的金属微结构。

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