CN104347953A - 天线方向图优化装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种天线方向图优化装置。该天线方向图优化装置用于优化天线方向图，该天线方向图优化装置设置在天线的辐射方向，与天线相隔预定距离，天线方向图优化装置包括具有人工生成的微结构的超材料，超材料包括至少一个超材料片层。通过本发明，解决了现有技术中天线方向图优化的方案比较复杂的问题。

Description

天线方向图优化装置

技术领域

本发明涉及天线领域，具体而言，涉及一种天线方向图优化装置。

背景技术

材料的介电常数和磁导率通常由材料中的微观结构对电磁波的响应决定。

超材料是一种以人造微结构为基本单元，以特定方式空间排布，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。人造微结构的电磁响应很大程度上取决于人造微结构的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，该附着材料对人造微结构起支撑作用，这两种材料的叠加会在空间中产生一个等效介电常数和磁导率，等效介电常数和磁导率分别对应材料的电场响应与磁场响应。人为设计、改变人造微结构，可以达到所需的等效介电常数和磁导率，得到许多理想的物理特性。

现有的天线优化方向图的方案都是通过调整天线本身来实现，如：要实现低副瓣的方向图，对于相控阵天线，需要幅相加权，对于普通反射面天线，需要特别设计反射面的外形和曲率；要对多波束天线的多个主峰、副瓣进行调节，相控阵需要重新调整幅相，反射面天线需要重新排布各馈源的位置。总而言之，现有的天线对方向图进行优化是比较复杂和困难的。

针对现有技术中天线方向图优化的方案比较复杂的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种天线方向图优化装置，以解决现有技术中天线方向图优化的方案比较复杂的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种天线方向图优化装置。该天线方向图优化装置，用于优化天线方向图，该天线方向图优化装置设置在天线的辐射方向，与天线相隔预定距离，天线方向图优化装置包括具有人工生成的微结构的超材料，超材料包括至少一个超材料片层。

进一步地，超材料为多个超材料片层平行堆叠的叠层结构超材料。

进一步地，超材料片层包括基板和微结构，其中，微结构附着在基板上。

进一步地，超材料为第一超材料或者第二超材料，或者第一超材料和第二超材料组合在一起的组合超材料，其中，第一超材料为通过调节天线的辐射近场的相位分布调节天线方向图的超材料；第二超材料为通过调节天线的辐射近场的幅值分布调节天线方向图的超材料。

进一步地，第一超材料为由第一超材料片层平行层叠的叠层结构超材料，第一超材料片层包括第一基板和附着在第一基板的第一微结构。

进一步地，第一微结构允许生长的折射率范围为1.483～3.569，介电损耗不超过0.0008。

进一步地，第一微结构采用雪花型结构、“十”字形结构或“工”字型结构中的任一种结构。

进一步地，第一微结构在第一基板上采用非均匀排布方式，排布方法如下：

步骤S1，通过公式n=nmin+(phase0(y)–min(phase0))/360*λ/D计算得出第一超材料剖面上的折射率分布，

其中nmin为第一超材料的最小折射率，phase0(y)为第一超材料前表面中心位置处的相位，min(phase0)为第一超材料前表面位置上的最小相位，λ为天线在固定工作频率下的辐射波长，D为第一超材料的厚度；

步骤S2，将第一超材料剖面上的折射率分布与第一微结构生长过程中的色散曲线对应起来，得到第一超材料剖面上的第一微结构的排布；

步骤S3，将第一超材料剖面上的第一微结构的排布座横向延拓，得到第一超材料正面上的微结构排布。

进一步地，第二超材料为由第二超材料片层平行层叠的叠层结构超材料，第二超材料片层包括第二基板和附着在第二基板的吸波材料。

进一步地，吸波材料的中心采用的材料损耗小于周边采用材料的损耗。

进一步地，损耗包括介电损耗和/或磁损耗，吸波材料为导电油墨、铁氧体、石墨、碳纤维、碳纳米管中任一种或多种的组合。

进一步地，第二基板采用低介电和/或低损耗的材质的基板，吸波材料可以通过贴附、混合、喷涂、沉积中一种或者多种方式附着在第二基板上。

进一步地，天线包括天线阵。

进一步地，天线方向图为单波束天线方向图或多波束天线方向图，组合超材料为通过调节天线辐射近场的相位分布和天线辐射近场的幅值分布的超材料。

进一步地，天线方向图优化装置设置于飞行器、机动车或船的通信设备的天线上。

通过本发明，采用在天线的辐射方向设置天线方向图优化装置，解决了现有技术中天线方向图优化的方案比较复杂的问题，进而达到了优化天线方向图的效果。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据本发明第一实施例的天线方向图优化装置安装位置示意图；

图2是根据本发明第一实施例的加装天线方向图优化装置前后天线方向图的对比图；

图3是根据本发明第一实施例的加装天线方向图优化装置前后天线方向图的主瓣局部对比图；

图4是根据本发明第一实施例天线方向图优化装置前表面位置处的相位图；

图5是根据本发明第一实施例天线方向图优化装置的超材料结构剖面上折射率分布图；

图6是根据本发明第一实施例天线方向图优化装置的超材料正面上的微结构排布图；

图7是根据本发明第一实施例天线方向图优化装置的超材料叠层结构剖面图；

图8是根据本发明第二实施例的加装天线方向图优化装置前后方向图的对比图；

图9是根据本发明第二实施例天线方向图优化装置的超材料结构剖面上损耗分布图；

图10是根据本发明第三实施例的加装天线方向图优化装置前阵列天线俯仰面的方向图；

图11是根据本发明第三实施例的加装天线方向图优化装置前后第一波束方向图的对比图；

图12是根据本发明第三实施例的加装天线方向图优化装置前后第二波束方向图的对比图；

图13是根据本发明第三实施例的加装天线方向图优化装置前后第三波束方向图的对比图；

图14是根据本发明第三实施例天线方向图优化装置的超材料结构剖面上折射率的实部分布图；

图15是根据本发明第三实施例天线方向图优化装置的超材料结构剖面上折射率的虚部分布图；

图16是根据本发明第三实施例天线方向图优化装置的超材料正面上微结构排布下端局部图；

图17是根据本发明第三实施例天线方向图优化装置的超材料正面上微结构排布上端局部图；以及

图18是根据本发明第三实施例天线方向图优化装置的超材料叠层结构剖面图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本发明实施例提供了一种天线方向图优化装置，用于优化天线方向图。该天线方向图优化装置设置在天线的辐射方向，与天线相隔预定距离，天线方向图优化装置包括具有人工生成的微结构的超材料，超材料包括至少一个超材料片层。

图1是根据本发明第一实施例的天线方向图优化装置安装位置示意图。如图1所示，天线方向图优化装置2安装在天线1的辐射方向，图中箭头所示的方向为天线1的辐射方向，天线方向图优化装置2与天线1相隔预定距离，该预定距离可以根据天线工作环境，天气环境以及需要达到的优化效果进行调整。

在本实施例中，天线方向图优化装置2设置在天线1的辐射方向，且该天线方向图优化装置2可以采用具有人工生成的微结构的超材料，该超材料包括至少一个超材料片层，通过人为地改变超材料中微结构的类型和排布等，实现对天线辐射波的调节，从而调节天线1的波束方向图。超材料可以为具有特殊电磁响应的材料，其微结构可以根据需要进行改变，以达到所需要的电磁参数。天线方向图优化装置2通过调节天线方向图实现优化天线1波束方向图的目的。

优选地，超材料为等效介电常数和磁导率非均匀分布的材料。其中等效介电常数和磁导率非均匀分布的超材料可以通过人为设计以改变材料内部微结构来实现。采用等效介电常数和磁导率非均匀分布的材料能够使得天线1辐射波经过由该超材料制成的天线方向图优化装置2时，天线1辐射波各处的消耗可以根据不同需要进行调节，进而实现优化天线1波束方向图的目的。

在本发明实施例中，由于在天线1外部加装天线方向图优化装置2对天线1的波束方向图进行调节，因而不需要改变天线的原有的设计和形态。

超材料为多个超材料片层平行堆叠的叠层结构超材料。

超材料片层包括基板和微结构，其中，微结构附着在基板上。其中基板可以采用聚四氟乙烯材料（例如F4b板），也可以是采用低介电低损耗的材料（例如泡沫）或者陶瓷材料。其中微结构可以是生在在基板上的雪花型结构、“工”字形结构、“十”字形结构等，也可以是通过贴附、混合、喷涂、沉积等方式生成的吸波材料微结构。

超材料为第一超材料或者第二超材料，或者第一超材料和第二超材料组合在一起的组合超材料，其中，第一超材料为通过调节天线的辐射近场的相位分布调节天线方向图的超材料；第二超材料为通过调节天线的辐射近场的幅值分布调节天线方向图的超材料。

优选地，第一超材料为由第一超材料片层平行层叠的叠层结构超材料，第一超材料片层包括第一基板和附着在第一基板的第一微结构。通过层叠结构的第一超材料，可以实现对辐射近场的相位分布的连续调节，达到优化天线1方向图的目的。

优选地，本发明第一实施例的天线方向图优化装置2包括第一超材料，可以用于通过调节天线1的辐射近场的相位分布调节天线方向图。利用等效介电常数和磁导率非均匀分布的材料在天线1辐射近场上的不同相位延迟来实现对天线1的辐射近场的相位分布的调节，进而达到优化方向图的目的。对天线1的辐射近场的相位分布的调节可以用半波束角度HPBW的大小来判断，半波束角度HPBW越小，天线主瓣方向性越强。

本发明第一实施例中，天线1在1.7GHz的工作频率下工作，该天线1为等副同相线源阵，线源（即天线1）长度为529mm。

图2是根据本发明第一实施例的加装天线方向图优化装置2前后天线方向图的对比图。如图2所示，曲线11为加装天线方向图优化装置2前的归一化方向图，曲线12为加装天线方向图优化装置2后的归一化方向图。天线方向图优化装置2安装在天线1的辐射方向，距离天线1的线源反射板104mm，其中天线方向图优化装置2厚度D为20mm，与天线1的线源反射板等长（天线方向图优化装置2的长度可以略短于线源反射板或者比线源反射板更长，天线方向图优化装置2比线源反射板短很多的时候效果不明显）。根据图2我们可以看出在加装天线方向图优化装置2前后，天线1的方向图发生了变化。

图3是根据本发明第一实施例的加装天线方向图优化装置2前后天线方向图的主瓣局部对比图。如图3所示，曲线13为加装天线方向图优化装置2前的主瓣局部曲线图，曲线14为加装天线方向图优化装置2后的主瓣局部曲线图。加装天线方向图优化装置2前，半波束角度HPBW为17.29°；加装天线方向图优化装置2后半波束角度HPBW为16.27°。半波束角度HPBW的变化可以反映出方向图相位的变化。加装天线方向图优化装置2后，天线方向图的半波束角度HPBW明显减小，天线2主瓣方向性更强，优化了天线1的方向图。

下面对本发明第一实施例的的天线方向图优化装置2的第一超材料的制作过程进行详细描述。

天线方向图优化装置2的第一超材料为多个第一超材料片层平行堆叠的叠层结构超材料。该第一超材料片层采用具有人为设计的第一微结构制成，其中第一超材料的第一微结构为在基板上生成的雪花型结构（也可以为“工”字形结构、“十”字形结构等）的结构层，微结构的类型可以根据需要进行相应的选择，在本发明第一实施例中优选为雪花型结构。基板可以采用聚四氟乙烯材料（例如F4b板）。

优选地，第一基板采用介电常数为2.2、厚度3.18mm基板；第一微结构采用雪花型结构，允许生长的折射率范围为1.483～3.569，介电损耗不超过0.0008。

进一步优选地，办发明第一实施例中的第一超材料的第一微结构选择晶格大小为16mm，线宽为1.2mm的微结构。第一基板可以选取介电常数为2.2，厚度3.18mm（含铜厚，该基板包含有两层铜层，每层铜层厚度35μm）的聚四氟乙烯F4b板作为第一基板。

优选地，第一微结构在第一基板上可以采用非均匀排布方式。在第一超材料的制作过程中，根据由于对天线各波束的调节中，天线方向图优化装置对需要优化的天线辐射波各处损耗不一致，因此，第一微结构采用非均匀方式排布能够根据需要进行天线方向图的优化。

第一超材料的第一微结构的非均匀排布方法如下：

步骤S1，通过公式n=nmin+(phase0(y)–min(phase0))/360*λ/D计算得出第一超材料剖面上的折射率分布，其中nmin为第一超材料的最小折射率，phase0(y)为第一超材料前表面中心位置处的相位，min(phase0)为第一超材料前表面位置上的最小相位，λ为天线在固定工作频率下的辐射波长，D为第一超材料的厚度。

步骤S2，将第一超材料剖面上的折射率分布与第一微结构生长过程中的色散曲线对应起来，得到第一超材料剖面上的第一微结构的排布。

步骤S3，将第一超材料剖面上的第一微结构的排布座横向延拓，得到第一超材料正面上的微结构排布。

在本实施例中，将天线1主瓣方向（也即是辐射方向）定为z方向，将天线方向图优化装置2正对天线的表面定为天线方向图优化装置2的第一超材料前表面，该前表面作为x-y平面，其中竖直方向为y(第一超材料的前表面中心位置标记为y=0)，水平方向为x；在原线源阵的近场幅相分布中，提取第一超材料前表面位置处的相位phase0(y)(单位deg)，如图4所示。

图5是根据本发明第一实施例天线方向图优化装置2的第一超材料结构剖面上折射率分布图。天线方向图优化装置2的第一超材料结构剖面上各点处的折射率计算公式为：

n=nmin+(phase0(y)–min(phase0))/360*λ(1.7GHz)/D，其中nmin为超材料的第一微结构的最小折射率，phase0(y)为第一超材料前表面中心位置处的相位，min(phase0)为天线方向图优化装置2前表面位置上的最小相位，λ为天线1工作在1.7GHz的工作频率下的辐射波长，D为天线方向图优化装置2的厚度。

天线方向图优化装置2的正面上第一超材料的第一超材料片层的第一微结构排布方法为：将天线方向图优化装置2的第一超材料的横剖面上（即平行于x-z平面的剖面）折射率与第一微结构生长过程中的色散曲线对应起来，得到横剖面上的第一微结构排布，再将横剖面上的第一微结构排布做横向（y方向）延拓（平移），得到天线方向图优化装置2的正面上第一超材料的第一超材料片层的第一微结构排布，如图6所示。

图7是根据本发明第一实施例天线方向图优化装置2的第一超材料叠层结构剖面图。如图7所示，天线方向图优化装置2采用第一超材料叠层结构,，本实施例中，该叠层结构包括7层F4b基板和6层线路组成，其中6层线路均为第一超材料片层，每层线路均与上述天线方向图优化装置2的正面上第一超材料片层的第一微结构排布方式相同，且各线路与第一基板之间无缝隙，图8所示缝隙是为了更好地区分第一基板与线路，只是起到示意图的作用，并不对本实施例有不当限定。

需要说明的是，本实施例中个数据参数（天线工作频率，线源长度，天线方向图优化装置的厚度等）均为优选参数，其中任一数据参数均可以在该数据参数上下一定的范围选取（如天线方向图优化装置的厚度可以选择15mm或者25mm等），本实施例中个数据参数只是为详细描述技术方案和绘图等提供数据依据，并不对本实施例和本发明有不当限定。

在本发明的第二实施例中，天线方向图优化装置采用第二超材料可以用于通过调节天线的辐射近场的幅值分布调节天线方向图。其中，第二超材料为由第二超材料片层平行层叠的叠层结构超材料，第二超材料片层包括第二基板和附着在第二基板的吸波材料。天线方向图优化装置主要通过降低波束方向图的副瓣调节天线的辐射近场的幅值分布，进而达到优化天线方向图的目的。降低方向图的副瓣，进而降低副瓣电平，达到增强天线抗干扰能力的效果。

优选地，吸波材料的中心采用的材料损耗小于周边采用材料的损耗。天线方向图优化装置可以通过控制自身具有的吸波材料各处的损耗来调节天线的辐射近场的幅值分布，其中吸波材料为第二超材料的一部分。通过减小对辐射近场的主瓣幅值的的消耗，加大对辐射近场的副瓣幅值的消耗，以降低方向图的副瓣，达到增强天线抗干扰能力的效果。

优选地，第二基板采用低介电和/或低损耗的材质的基板，吸波材料可以通过贴附、混合、喷涂、沉积中一种或者多种方式附着在第二基板上。采用低介电和/或低损耗的第二基板可以避免在调节天线方向图的时候由于第二基板本身的损耗带来的影响，使得通过第二超材料对天线方向图的调节的作用足够明显。

进一步优选地，该损耗主要包括介电损耗和/或磁损耗。吸波材料为导电油墨、铁氧体、石墨、碳纤维、碳纳米管中任一种或多种的组合。

天线方向图优化装置的中心采用的材料损耗小于周边采用材料的损耗。该第二超材料可以采用在低介电、低损耗基板上（如泡沫）贴附、混合、喷涂、沉积吸波材料（如导电油墨、铁氧体、石墨、碳纤维、碳纳米管等）的方式进行设计制作，针对不同的波段要求、带宽要求和环境要求，选择不同的吸波材料，通过严格控制贴附、喷涂、混合的吸波材料的层数、厚度和体积比例，或搭配使用吸波性能不同的多种材料，使材料剖面上呈现中心处的损耗小于周边的损耗分布，从而达到控制近场幅值分布的目的。

下面详细介绍本发明第二实施例的实现过程。

本发明第二实施例中，选择天线工作在10GHz，其中天线为等副同相线源阵，线源（即天线）长度为270mm。

图8是根据本发明第二实施例的加装天线方向图优化装置前后方向图的对比图。如图8所示，曲线21为加装天线方向图优化装置前的归一化方向图，曲线22为加装天线方向图优化装置后的归一化方向图。当在线源阵的辐射方向，距离天线的线源反射板15mm处加装D=3mm厚，与线源反射板等长（天线方向图优化装置2的长度可以略短于线源反射板或者比线源反射板更长，天线方向图优化装置2比线源反射板短很多的时候效果不明显）的天线方向图优化装置后，副瓣电平得到明显的压制，天线抗干扰能力变强。

第二超材料对幅值分布的调整通过控制材料各处的损耗来实现，图12所示为天线方向图优化装置的第二超材料纵剖面上损耗角（介电损耗或磁损耗）正切的分布图，纵剖面上的损耗分布的规律为：中心处采用的材料损耗小于周边采用材料的损耗，使天线近场的幅度分布近似于泰勒分布，达到降低副瓣幅值的目的。

本实施例中第二超材料可以采用在低介电、低损耗基板上（如泡沫）贴附、混合、喷涂、沉积吸波材料（如导电油墨、铁氧体、石墨、碳纤维、碳纳米管等）的方式进行设计制作，针对不同的波段要求、带宽要求和环境要求，选择不同的吸波材料，通过严格控制贴附、喷涂、混合的吸波材料的层数、厚度和体积比例，或搭配使用吸波性能不同的多种材料，使材料剖面上呈现中心处的损耗小于周边的损耗分布，从而达到控制近场幅值分布的目的。

需要说明的是，本实施例中个数据参数（天线工作频率，线源长度，天线方向图优化装置的厚度等）均为优选参数，其中任一数据参数均可以在该数据参数上下一定的范围选取（如天线方向图优化装置的厚度可以选择1mm或者5mm等），本实施例中个数据参数只是为详细描述技术方案和绘图等提供数据依据，并不对本实施例和本发明有不当限定。

天线的波束方向图可以为单波束天线方向图或多波束天线方向图。其中单波束天线方向图对应于单个天线，多波束天线方向图对应于多个天线组成的阵列天线等组合天线。

优选地，天线包括天线阵。由于在实际使用过程中，会经常使用到天线阵，本发明第三实施例的天线方向图优化装置由于采用了包括第一超材料和第二超材料的组合超材料，通过分别对天线阵中的各天线的波束方向图的幅值和相位进行调节，以实现对天线阵的调节。

优选地，波束方向图为单波束天线方向图或多波束天线方向图，组合超材料为通过调节天线辐射近场的相位分布和天线辐射近场的幅值分布的超材料。单波束天线方向图对应单天线，多波束天线方向图对应天线阵。组合超材料为第一超材料和第二超材料的组合形式。当波束天线方向图为多波束天线方向图时，天线方向图优化装置用于调节天线辐射近场的相位分布和天线辐射近场的幅值分布以达到优化各个波束天线方向图，进而达到优化整个多波束天线方向图的效果。

下面详细介绍本发明第三实施例的实现过程。以下所述的第一超材料可以通过第一实施例中的方法得到，第二超材料可以通过第二实施例中的方法得到。

在发明的第三实施例中，选用工作频率为3.3GHz，口径面高度为1.1m的阵列天线来对本方案进行详细说明，其中阵列天线包含至少3个天线波束。

图10是根据本发明第三实施例的加装天线方向图优化装置前阵列天线俯仰面的方向图。如图10所示，方向图中主瓣相位为负角度波束的是打地波束也即是第一波束，对应于图中方向图31；第二波束的方向图32的相位为0角度；第三波束的方向图33的相位为正角度。在阵列天线辐射方向与反射板的间距27mm处加装D=30mm厚，并与阵列天线等高的方向图优化装置后，如图11所示的第一波束中的曲线34，图12所示的第二波束中的曲线35以及图13所示的第三波束中的曲线36，各波束方向图副瓣点评均有所降低，其中打地副瓣电平得到明显的压制，天线抗干扰能力增强。

本实施例中，将天线主瓣方向也即是辐射方向定为z方向，将天线方向图优化装置正对天线的表面定为天线方向图优化装置的前表面，该前表面作为x-y平面，其中竖直方向为y(天线方向图优化装置的中心位置标记为y=0)，水平方向为x。

天线方向图优化装置的组合超材料中的第一超材料纵剖面上的折射率分布如图14（实部），图15（虚部）所示。天线方向图优化装置的正面上第一超材料的超材料片层的微结构排布方法为：将天线方向图优化装置的第一超材料结构横剖面上（即平行于x-z平面的剖面）折射率与微结构生长过程中的色散曲线对应起来，得到横剖面上的微结构排布，再将横剖面上的微结构排布做横向（y方向）延拓（平移），得到天线方向图优化装置的正面上超材料的超材料片层上的微结构排布，如图16为下端局部图，图17为上端局部图。

第一超材料的微结构设计：选取介电常数2.2、厚度3.1～3.2mm（含铜厚，包含有两层铜层，每层铜层厚度35μm）的聚四氟乙烯F4b板作为基板，微结构类型为雪花型（也可以为“工”字形结构、“十”字形结构等）的结构层，微结构的类型可以根据需要进行相应的选择，晶格大小9mm，线宽0.4mm，随微结构生长其允许的折射率范围为1.481～2.439，介电损耗不超过0.0005。

天线方向图优化装置采用多层超材料片层的叠层结构，如图18所示，该叠层结构包括10层在F4b基板和9层线路组成，其中9层线路均为第一超材料超材料片层，每层线路均与第一实施例的天线方向图优化装置的正面上第一超材料的第一超材料片层的第一微结构排布方式相同，且各线路与基板之间无缝隙，图23所示缝隙是为了更好地区分基板和线路，只是起到示意图的作用，并不对本实施例有不当限定。

本实施例中天线方向图优化装置对幅值分布的调整通过控制第二超材料各处的损耗来实现。其中第二超材料可以采用在低介电、低损耗基板上（如泡沫）贴附、混合、喷涂、沉积吸波材料（如导电油墨、铁氧体、石墨、碳纤维、碳纳米管等）的方式进行设计制作，针对不同的波段要求、带宽要求和环境要求，选择不同的吸波材料，通过严格控制贴附、喷涂、混合的吸波材料的层数、厚度和体积比例，或搭配使用吸波性能不同的多种材料，使材料剖面上呈现中心处损耗小、周边损耗大的损耗分布曲线，从而达到控制近场幅值分布的目的。

将第三实施例中得到的第一超材料和第二超材料叠加起来即可得到组合超材料，已达到调节天线辐射近场的相位分布和天线辐射近场的幅值分布进而优化各个波束天线方向图的目的。

需要说明的是，本实施例中个数据参数（天线工作频率，线源长度，天线方向图优化装置的厚度等）均为优选参数，其中任一数据参数均可以在该数据参数上下一定的范围选取（如天线方向图优化装置的厚度可以选择25mm或者35mm等），本实施例中个数据参数只是为详细描述技术方案和绘图等提供数据依据，并不对本实施例和本发明有不当限定。

从以上的描述中，可以看出，本发明实现了如下技术效果：

由于在天线外部加装天线方向图优化装置对天线的波束方向图进行调节，因而不需要改变天线的原有的设计和形态。

通过调节天线的辐射近场的相位分布调节天线方向图。利用等效介电常数和磁导率非均匀分布的材料在天线辐射近场上的不同相位延迟对天线的辐射近场的相位分布进行调控，进而达到优化方向图的目的。对天线的辐射近场的相位分布的调节可以用半波束角度HPBW的大小来判断，半波束角度HPBW越小，天线主瓣方向性越强。

通过降低波束方向图的副瓣的方式调节天线的辐射近场的幅值分布，进而达到优化天线方向图的。其中降低方向图的副瓣，进而降低副瓣电平，达到增强天线抗干扰能力的效果。

显然，本发明实施例适用于任何形态的天线（如阵列天线、喇叭天线、反射面天线等等），在工程实施上无需改变原天线的结构、仅需要在其辐射方向上加装天线方向图优化装置即可，具有适用广泛、安装方便的优点。

在具体的实施过程中，所述实施例中描述的天线方向图优化装置可设置于飞行器、机动车或船的通信设备的天线上。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种天线方向图优化装置，用于优化天线方向图，其特征在于，所述天线方向图优化装置设置在天线的辐射方向，与所述天线相隔预定距离，所述天线方向图优化装置包括具有人工生成的微结构的超材料，所述超材料包括至少一个超材料片层。

2.根据权利要求1所述的天线方向图优化装置，其特征在于，所述超材料为多个所述超材料片层平行堆叠的叠层结构超材料。

3.根据权利要求1所述的天线方向图优化装置，其特征在于，所述超材料片层包括基板和所述微结构，其中，所述微结构附着在所述基板上。

4.根据权利要求1所述的天线方向图优化装置，其特征在于，所述超材料为第一超材料或者第二超材料，或者第一超材料和第二超材料组合在一起的组合超材料，其中，所述第一超材料为通过调节所述天线的辐射近场的相位分布调节所述天线方向图的超材料；所述第二超材料为通过调节所述天线的辐射近场的幅值分布调节所述天线方向图的超材料。

5.根据权利要求4所述的天线方向图优化装置，其特征在于，所述第一超材料为由第一超材料片层平行层叠的叠层结构超材料，所述第一超材料片层包括第一基板和附着在所述第一基板的第一微结构。

6.根据权利要求5所述的天线方向图优化装置，其特征在于，

所述第一微结构允许生长的折射率范围为1.483～3.569，介电损耗不超过0.0008。

7.根据权利要求5所述的天线方向图优化装置，其特征在于，所述第一微结构采用雪花型结构、“十”字形结构或“工”字型结构中的任一种结构。

8.根据权利要求5所述的天线方向图优化装置，其特征在于，所述第一微结构在所述第一基板上采用非均匀排布方式，排布方法如下：

步骤S1，通过公式n=nmin+(phase0(y)–min(phase0))/360*λ/D计算得出所述第一超材料剖面上的折射率分布，

其中nmin为所述第一超材料的最小折射率，phase0(y)为所述第一超材料前表面中心位置处的相位，min(phase0)为所述第一超材料前表面位置上的最小相位，λ为所述天线在固定工作频率下的辐射波长，D为所述第一超材料的厚度；

步骤S2，将所述第一超材料剖面上的折射率分布与所述第一微结构生长过程中的色散曲线对应起来，得到所述第一超材料剖面上的所述第一微结构的排布；

步骤S3，将所述第一超材料剖面上的所述第一微结构的排布座横向延拓，得到第一超材料正面上的微结构排布。

9.根据权利要求4所述的天线方向图优化装置，其特征在于，所述第二超材料为由第二超材料片层平行层叠的叠层结构超材料，所述第二超材料片层包括第二基板和附着在所述第二基板的吸波材料。

10.根据权利要求9所述的天线方向图优化装置，其特征在于，所述吸波材料的中心采用的材料损耗小于周边采用材料的损耗。

11.根据权利要求10所述的天线方向图优化装置，其特征在于，所述损耗包括介电损耗和/或磁损耗，所述吸波材料为导电油墨、铁氧体、石墨、碳纤维、碳纳米管中任一种或多种的组合。

12.根据权利要求9所述的天线方向图优化装置，其特征在于，所述第二基板采用低介电和/或低损耗的材质的基板，所述吸波材料可以通过贴附、混合、喷涂、沉积中一种或者多种方式附着在所述第二基板上。

13.根据权利要求4所述的天线方向图优化装置，其特征在于，所述天线包括天线阵。

14.根据权利要求4所述的天线方向图优化装置，其特征在于，所述天线方向图为单波束天线方向图或多波束天线方向图，所述组合超材料为通过调节所述天线辐射近场的相位分布和所述天线辐射近场的幅值分布的超材料。

15.根据权利要求1至14中任一项所述的天线方向图优化装置，其特征在于，所述天线方向图优化装置设置于飞行器、机动车或船的通信设备的天线上。