CN104409849A - 一种方向性可控的微波天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种方向性可控的微波天线，所述微波天线为定向天线，其包括馈源、电导体和天线罩；所述电导体为平板状；所述馈源通过侧壁贴放在所述电导体表面上；所述天线罩扣装在所述电导体上；所述天线罩的纵截面为以所述馈源中心为圆心的半圆环形结构；本发明能够实现电磁波的单个或多个特定方向的辐射及接收，调节电磁波向任意指定方向传播，结构简单、尺寸小、可靠性强，易于应用。

Description

一种方向性可控的微波天线

技术领域

本发明涉及一种微波天线，具体为一种方向性可控的微波天线。

背景技术

在微波应用领域，如通信、探测、遥感、航空航天、医疗等领域，电磁波的发射和接收，有时需要针对某一个或某几个所需特定方向具有强辐射功率，而对于其它方向则不需要辐射或只需要极小的辐射功率。也就是说需要天线具有好的方向性和较大的前向增益，以利于天线更好的抗外部干扰，并增加功率利用率。传统的定向天线如喇叭天线等由于存在小张角与天线尺寸间的矛盾，因此给应用带来了一定的限制。中国专利申请CN102655271A提出应用微带天线来获得定向天线，其公开的这种天线具有无法控制波瓣宽度、且无法选择性的进行任意方向辐射的缺陷；中国专利申请CN102790288A提出引入电磁超材料并应用两次反射的方式，进行电磁波传输路径的控制来获得对某一方向的定向辐射的定向天线，其公开的这种天线同样无法实现多特定方向、任意波瓣宽度、以及各方向辐射强度可控的要求。

发明内容

本发明针对以上问题的提出，而研制一种尺寸小、辐射方向和波束宽度可控的方向性可控的微波天线。

本发明的技术手段如下：

一种方向性可控的微波天线，所述微波天线为定向天线，其包括馈源、电导体和天线罩；所述电导体为平板状；所述馈源通过侧壁贴放在所述电导体表面上；所述天线罩扣装在所述电导体上；所述天线罩的纵截面为以所述馈源中心为圆心的半圆环形结构；

进一步地，通过调整所述天线罩各点的介电常数和磁导率来获得不同的天线方向性；

进一步地：

所述天线罩上各点的介电常数在柱坐标系下的表示形式为：

$\left[{{\mathrm{\ϵ}}_r}^{\′}\right]={\left(\frac{r}{a}\right)}^n\left[\begin{array}{ccc}1& -n\frac{a^n}{r^n}\mathrm{\θ}+\frac{\mathrm{kr}}{b-a}& 0\\ -n\frac{a^n}{r^n}\mathrm{\θ}+\frac{\mathrm{kr}}{b-a}& {(-n\frac{a^n}{r^n}\mathrm{\θ}+\frac{\mathrm{kr}}{b-a})}^2+{\left(\frac{a}{r}\right)}^n& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right];$

所述天线罩上各点的磁导率在柱坐标系下的表示形式为：

$\left[{{\mathrm{\μ}}_r}^{\′}\right]={\left(\frac{r}{a}\right)}^n\left[\begin{array}{ccc}1& -n\frac{a^n}{r^n}\mathrm{\θ}+\frac{\mathrm{kr}}{b-a}& 0\\ -n\frac{a^n}{r^n}\mathrm{\θ}+\frac{\mathrm{kr}}{b-a}& {(-n\frac{a^n}{r^n}\mathrm{\θ}+\frac{\mathrm{kr}}{b-a})}^2+{\left(\frac{a}{r}\right)}^n& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right];$

其中ε_r'为所述天线罩上(r,θ,z)点对应的介电常数、μ_r'为所述天线罩上(r,θ,z)点对应的磁导率、n为预设参数，用以控制波束的压缩程度，其取值范围为(0,2)、k为预设参数，用以控制波束的偏转角度，其取值范围为(-π/2，π/2)、a为天线罩的内半径、b为天线罩的外半径、(r,θ,z)为天线罩上各点在柱坐标系下以馈源中心为原点的坐标、对于z变量的不同取值，天线罩上各点的介电常数和磁导率的表示形式相同；

进一步地，根据所需天线方向性对所述天线罩划分相应数量的区域；通过调整所述区域各点的介电常数和磁导率来获得不同的天线方向性；

所述区域上各点的介电常数在柱坐标系下的表示形式为：

$\left[{{\mathrm{\ϵ}}_r}^{\′}\right]={\left(\frac{r}{a}\right)}^n\left[\begin{array}{ccc}1& -n\frac{a^n}{r^n}\mathrm{\θ}+\frac{\mathrm{kr}}{b-a}& 0\\ -n\frac{a^n}{r^n}\mathrm{\θ}+\frac{\mathrm{kr}}{b-a}& {(-n\frac{a^n}{r^n}\mathrm{\θ}+\frac{\mathrm{kr}}{b-a})}^2+{\left(\frac{a}{r}\right)}^n& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right];$

所述区域上各点的磁导率在柱坐标系下的表示形式为：

$\left[{{\mathrm{\μ}}_r}^{\′}\right]={\left(\frac{r}{a}\right)}^n\left[\begin{array}{ccc}1& -n\frac{a^n}{r^n}\mathrm{\θ}+\frac{\mathrm{kr}}{b-a}& 0\\ -n\frac{a^n}{r^n}\mathrm{\θ}+\frac{\mathrm{kr}}{b-a}& {(-n\frac{a^n}{r^n}\mathrm{\θ}+\frac{\mathrm{kr}}{b-a})}^2+{\left(\frac{a}{r}\right)}^n& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right];$

其中ε_r'为所述区域上(r,θ,z)点对应的介电常数、μ_r'为所述区域上(r,θ,z)点对应的磁导率、n为预设参数，用以控制波束的压缩程度，其取值范围为(0,2)、k为预设参数，用以控制波束的偏转角度，其取值范围为(-π/2，π/2)、a为天线罩的内半径、b为天线罩的外半径、(r,θ,z)为所述区域上各点在柱坐标系下以馈源中心为原点的坐标、对于z变量的不同取值，区域上各点的介电常数和磁导率的表示形式相同；

进一步地，所述馈源由可传输高频交流电信号的导线、同轴线、单极子天线或偶极子天线制成；

进一步地，所述馈源与对所述馈源施加高频交流电的馈线相连接；所述馈源发射的全向波经过所述电导体的反射后产生柱面波；

进一步地，所述电导体的电阻接近0，并由具有高反射性能的金属板制成；

进一步地，所述天线罩由电磁超材料制成。

由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种方向性可控的微波天线，以馈源作为辐射源，该馈源通过侧壁贴放在平板状的电导体表面上，并将天线罩扣装在电导体上，实现辐射源在电导体和天线罩形成的空间内辐射，通过调整天线罩的介电常数和磁导率能够获得不同的天线方向性以及波束的波瓣宽度；本发明能够实现电磁波的单个或多个特定方向的辐射及接收，调节电磁波向任意指定方向传播，结构简单、尺寸小、可靠性强，易于应用。

附图说明

图1是本发明所述微波天线的纵剖面示意图；

图2是本发明实施例1的辐射效果示意图；

图3是本发明实施例2的辐射效果示意图；

图4是本发明实施例3的辐射效果示意图；

图5是本发明实施例4的辐射效果示意图；

图6是本发明所述微波天线划分区域的纵剖面示意图。

图中：1、馈源，2、电导体，3、天线罩，31、第一区域，32、第二区域。

具体实施方式

如图1和图6所示的一种方向性可控的微波天线，所述微波天线为定向天线，其包括馈源1、电导体2和天线罩3；所述电导体2为平板状；所述馈源1通过侧壁贴放在所述电导体2表面上；所述天线罩3扣装在所述电导体2上；所述天线罩3的纵截面为以所述馈源1中心为圆心的半圆环形结构；进一步地，通过调整所述天线罩3各点的介电常数和磁导率来获得不同的天线方向性；进一步地：所述天线罩3上各点的介电常数在柱坐标系下的表示形式为： $\left[{{\mathrm{\ϵ}}_r}^{\′}\right]={\left(\frac{r}{a}\right)}^n\left[\begin{array}{ccc}1& -n\frac{a^n}{r^n}\mathrm{\θ}+\frac{\mathrm{kr}}{b-a}& 0\\ -n\frac{a^n}{r^n}\mathrm{\θ}+\frac{\mathrm{kr}}{b-a}& {(-n\frac{a^n}{r^n}\mathrm{\θ}+\frac{\mathrm{kr}}{b-a})}^2+{\left(\frac{a}{r}\right)}^n& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right];$ 所述天线罩3上各点的磁导率在柱坐标系下的表示形式为： $\left[{{\mathrm{\μ}}_r}^{\′}\right]={\left(\frac{r}{a}\right)}^n\left[\begin{array}{ccc}1& -n\frac{a^n}{r^n}\mathrm{\θ}+\frac{\mathrm{kr}}{b-a}& 0\\ -n\frac{a^n}{r^n}\mathrm{\θ}+\frac{\mathrm{kr}}{b-a}& {(-n\frac{a^n}{r^n}\mathrm{\θ}+\frac{\mathrm{kr}}{b-a})}^2+{\left(\frac{a}{r}\right)}^n& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right];$ 其中ε_r'为所述天线罩3上(r,θ,z)点对应的介电常数、μ_r'为所述天线罩3上(r,θ,z)点对应的磁导率、n为预设参数，用以控制波束的压缩程度，其取值范围为(0,2)、k为预设参数，用以控制波束的偏转角度，其取值范围为(-π/2，π/2)、a为天线罩3的内半径、b为天线罩3的外半径、(r,θ,z)为天线罩3上各点在柱坐标系下以馈源1中心为原点的坐标、对于z变量的不同取值，天线罩3上各点的介电常数和磁导率的表示形式相同；进一步地，根据所需天线方向性对所述天线罩3划分相应数量的区域；通过调整所述区域各点的介电常数和磁导率来获得不同的天线方向性；所述区域上各点的介电常数在柱坐标系下的表示形式为： $\left[{{\mathrm{\ϵ}}_r}^{\′}\right]={\left(\frac{r}{a}\right)}^n\left[\begin{array}{ccc}1& -n\frac{a^n}{r^n}\mathrm{\θ}+\frac{\mathrm{kr}}{b-a}& 0\\ -n\frac{a^n}{r^n}\mathrm{\θ}+\frac{\mathrm{kr}}{b-a}& {(-n\frac{a^n}{r^n}\mathrm{\θ}+\frac{\mathrm{kr}}{b-a})}^2+{\left(\frac{a}{r}\right)}^n& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right];$ 所述区域上各点的磁导率在柱坐标系下的表示形式为： $\left[{{\mathrm{\μ}}_r}^{\′}\right]={\left(\frac{r}{a}\right)}^n\left[\begin{array}{ccc}1& -n\frac{a^n}{r^n}\mathrm{\θ}+\frac{\mathrm{kr}}{b-a}& 0\\ -n\frac{a^n}{r^n}\mathrm{\θ}+\frac{\mathrm{kr}}{b-a}& {(-n\frac{a^n}{r^n}\mathrm{\θ}+\frac{\mathrm{kr}}{b-a})}^2+{\left(\frac{a}{r}\right)}^n& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right];$ 其中ε_r'为所述区域上(r,θ,z)点对应的介电常数、μ_r'为所述区域上(r,θ,z)点对应的磁导率、n为预设参数，用以控制波束的压缩程度，其取值范围为(0,2)、k为预设参数，用以控制波束的偏转角度，其取值范围为(-π/2，π/2)、a为天线罩3的内半径、b为天线罩3的外半径、(r,θ,z)为所述区域上各点在柱坐标系下以馈源1中心为原点的坐标、对于z变量的不同取值，区域上各点的介电常数和磁导率的表示形式相同；进一步地，所述馈源1由可传输高频交流电信号的导线、同轴线、单极子天线或偶极子天线制成；进一步地，所述馈源1与对所述馈源1施加高频交流电的馈线相连接；所述馈源1发射的全向波经过所述电导体2的反射后产生柱面波；进一步地，所述电导体2的电阻接近0，并由具有高反射性能的金属板制成；进一步地，所述天线罩3由电磁超材料制成；所述金属板可以为铜板。

所述天线罩3上各点的介电常数和磁导率在笛卡尔坐标系下的表示形式为：

ε_xx'＝μ_xx'＝M₁₁cos²θ-2M₁₂cosθsinθ+M₂₂sin²θ                 (3)

ε_xy'＝μ_xy'＝M₁₁sinθcosθ-M₁₂sin²θ+M₁₂cos²θ-M₂₂sinθcosθ           (4)

ε_yx'＝μ_yx'＝M₁₁sinθcosθ-M₁₂sin²θ+M₁₂cos²θ-M₂₂sinθcosθ           (5)

ε_yy'＝μ_yy'＝M₁₁sin²θ+2M₁₂cosθsinθ+M₂₂cos²θ               (6)

${{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{zz}}}^{\′}={{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{zz}}}^{\′}={\left(\frac{r}{a}\right)}^n---\left(7\right)$

其中，

$M_{11}={\left(\frac{r}{a}\right)}^n---\left(8\right)$

$M_{12}={\left(\frac{r}{a}\right)}^n(-n\frac{a^n}{r^n}\mathrm{\θ}+\frac{\mathrm{kr}}{b-a})---\left(9\right)$

$M_{22}={\left(\frac{r}{n}\right)}^n{(-n\frac{a^n}{r^n}\mathrm{\θ}+\frac{\mathrm{kr}}{b-a})}^2+1---\left(10\right)$

r＝x²+y²                           (11)

θ＝arctan(y/x)

ε_xx′、ε_xy′、ε_yx′、ε_yy′、ε_zz′为天线罩3上(x,y,z)点的介电常数在各坐标轴方向的分量；μ_xx′、μ_xy′、μ_yx′、μ_yy′、μ_zz′为天线罩3上(x,y,z)点的磁导率在各坐标轴方向的分量。

本发明所述天线罩3的介电常数和磁导率分布决定了天线最终对电磁波的辐射状态；辐射波的波束宽度及辐射方向由设定的若干参数确定，天线罩3可以由电磁超材料制成，一般由多个超材料功能板层叠或按其它规律阵列组合而成，超材料功能板包括介质基板以及阵列在介质基板上的多个人造微结构，阵列在介质基板上的多个人造微结构具有特定的电磁特性，能对电场或磁场产生电磁响应，通过对人造微结构的结构和排列规律进行精确设计和控制，可以使超材料呈现出各种一般材料所不具有的电磁特性，如能汇聚、发散和偏折电磁波等。

下面结合具体的实施例来说明本发明的实施过程和相应效果。

实施例1

该实施例采用通有高频交变电流的线电流元制作馈源1，电导体2采用长度为3.2m的铜板制作，采用内半径a为0.8m、外半径b为1.6m的天线罩3，预设参数k设为0°(控制天线的辐射方向)，预设参数n设为2，则根据天线罩3上各点的介电常数ε_r'和磁导率μ_r'在柱坐标系下的表示形式，进而计算得出天线罩3各点的介电常数和磁导率的参数分布，图2示出了该实施例的辐射效果示意图，如图2所示，电磁波向k＝0°方向传播，并且具有较窄的波束。

实施例2

该实施例采用通有高频交变电流的线电流元制作馈源1，电导体2采用长度为3.2m的铜板制作，采用内半径a为0.8m、外半径b为1.6m的天线罩3，预设参数k设为-π/4，预设参数n设为2，则根据天线罩3上各点的介电常数ε_r'和磁导率μ_r'在柱坐标系下的表示形式，进而计算得出天线罩3各点的介电常数和磁导率的参数分布，图3示出了该实施例的辐射效果示意图，如图3所示，所述电磁波的波束宽度与实施例1中的波束宽度基本一致，辐射方向变化为-π/4，若保持a、b、n不变，仅改变k的值，使其在-π/2至π/2之间变化，便会使得辐射源所发射的电磁波产生不同程度的偏移。

实施例3

该实施例采用通有高频交变电流的线电流元制作馈源1，电导体2采用长度为3.2m的铜板制作，采用内半径a为0.8m、外半径b为1.6m的天线罩3，并将所述天线罩3划分为上半部分(第一区域31)和下半部分(第二区域32)，第一区域31和第二区域32的弧度相等，上半部分和下半部分的弧度相等保证了辐射源所辐射能量的等量分配，预设参数n设为2，对于第一区域31，预设参数k设为π/6，对于第二区域32，预设参数k设为-π/3，通过设定不同的预设参数k确定第一区域和第二区域不同的方向性，进而计算得出天线罩3各点的介电常数和磁导率的参数分布，图4是本发明实施例3的辐射效果示意图，如图4所示，波束方向指向了π/6和-π/3两个方向。

实施例4

该实施例是在实施例3上进一步改进的实施例，如果需要使实施例3中的两个方向获得不同的辐射能量，可以根据所需分配的比例设定第一区域31和第二区域32的弧度，该实施例将天线罩3的第一区域31弧度设置为3π/4，第二区域32弧度设置为π/4，图5是本发明实施例4的辐射效果示意图，如图5所示，可以看到出现了两个方向的波束，且两波束的辐射强度不同；多辐射方向的设计方式与上述两个方向时相同。

实际应用中，根据天线频率设定内半径a和外半径b，确定后为获得更窄的波束，可增大预设参数n的取值，辐射角度的偏转由预设参数k设定，所述天线罩3可划分为若干区域以获得多方向辐射波，各区域的介电常数和磁导率分别满足介电常数ε_r'和磁导率μ_r'在柱坐标系下的公式；当预设参数n在最大值时仍无法实现波束足够窄，则可以使用多层天线罩以获得所需宽度的波束。

本发明在使用中，所述馈源通以高频交变电流以产生全向波，通过电导体的反射作用所述馈源在半平面内产生柱面波，该柱面波经根据特定需求设计的天线罩后实现了波束的变窄及方向的定向，同时可实现辐射功率沿不同方向的分配。

本发明提供的一种方向性可控的微波天线，以馈源作为辐射源，该馈源通过侧壁贴放在平板状的电导体表面上，并将天线罩扣装在电导体上，实现辐射源在电导体和天线罩形成的空间内辐射，通过调整天线罩的介电常数和磁导率能够获得不同的天线方向性以及波束的波瓣宽度；本发明能够实现电磁波的单个或多个特定方向的辐射及接收，调节电磁波向任意指定方向传播，结构简单、尺寸小、可靠性强，易于应用；本发明属于微波应用领域，可应用于通信、探测、遥感、航空航天、医疗等微波应用方面，可以控制辐射电磁波的辐射方向、波瓣宽度、并可根据需要进行多方向定向辐射，同时辐射功率可控，方便进行对电磁波辐射的方向性的控制。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种方向性可控的微波天线，其特征在于：所述微波天线为定向天线，其包括馈源、电导体和天线罩；所述电导体为平板状；所述馈源通过侧壁贴放在所述电导体表面上；所述天线罩扣装在所述电导体上；所述天线罩的纵截面为以所述馈源中心为圆心的半圆环形结构。

2.根据权利要求1所述的一种方向性可控的微波天线，其特征在于通过调整所述天线罩各点的介电常数和磁导率来获得不同的天线方向性。

3.根据权利要求2所述的一种方向性可控的微波天线，其特征在于：

所述天线罩上各点的介电常数在柱坐标系下的表示形式为：

$\left[{{\mathrm{\ϵ}}_r}^{\′}\right]={\left(\frac{r}{a}\right)}^n\left[\begin{array}{ccc}1& -n\frac{a^n}{r^n}\mathrm{\θ}+\frac{\mathrm{kr}}{b-a}& 0\\ -n\frac{a^n}{r^n}\mathrm{\θ}+\frac{\mathrm{kr}}{b-a}& {(-n\frac{a^n}{r^n}\mathrm{\θ}+\frac{\mathrm{kr}}{b-a})}^2+{\left(\frac{a}{r}\right)}^n& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right];$

所述天线罩上各点的磁导率在柱坐标系下的表示形式为：

$\left[{{\mathrm{\μ}}_r}^{\′}\right]={\left(\frac{r}{a}\right)}^n\left[\begin{array}{ccc}1& -n\frac{a^n}{r^n}\mathrm{\θ}+\frac{\mathrm{kr}}{b-a}& 0\\ -n\frac{a^n}{r^n}\mathrm{\θ}+\frac{\mathrm{kr}}{b-a}& {(-n\frac{a^n}{r^n}\mathrm{\θ}+\frac{\mathrm{kr}}{b-a})}^2+{\left(\frac{a}{r}\right)}^n& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right];$

其中ε_r'为所述天线罩上(r,θ,z)点对应的介电常数、μ_r'为所述天线罩上(r,θ,z)点对应的磁导率、n为预设参数，用以控制波束的压缩程度，其取值范围为(0,2)、k为预设参数，用以控制波束的偏转角度，其取值范围为(-π/2，π/2)、a为天线罩的内半径、b为天线罩的外半径、(r,θ,z)为天线罩上各点在柱坐标系下以馈源中心为原点的坐标、对于z变量的不同取值，天线罩上各点的介电常数和磁导率的表示形式相同。

4.根据权利要求1所述的一种方向性可控的微波天线，其特征在于根据所需天线方向性对所述天线罩划分相应数量的区域；通过调整所述区域各点的介电常数和磁导率来获得不同的天线方向性；

所述区域上各点的介电常数在柱坐标系下的表示形式为：

$\left[{{\mathrm{\ϵ}}_r}^{\′}\right]={\left(\frac{r}{a}\right)}^n\left[\begin{array}{ccc}1& -n\frac{a^n}{r^n}\mathrm{\θ}+\frac{\mathrm{kr}}{b-a}& 0\\ -n\frac{a^n}{r^n}\mathrm{\θ}+\frac{\mathrm{kr}}{b-a}& {(-n\frac{a^n}{r^n}\mathrm{\θ}+\frac{\mathrm{kr}}{b-a})}^2+{\left(\frac{a}{r}\right)}^n& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right];$

所述区域上各点的磁导率在柱坐标系下的表示形式为：

$\left[{{\mathrm{\μ}}_r}^{\′}\right]={\left(\frac{r}{a}\right)}^n\left[\begin{array}{ccc}1& -n\frac{a^n}{r^n}\mathrm{\θ}+\frac{\mathrm{kr}}{b-a}& 0\\ -n\frac{a^n}{r^n}\mathrm{\θ}+\frac{\mathrm{kr}}{b-a}& {(-n\frac{a^n}{r^n}\mathrm{\θ}+\frac{\mathrm{kr}}{b-a})}^2+{\left(\frac{a}{r}\right)}^n& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right];$

其中ε_r'为所述区域上(r,θ,z)点对应的介电常数、μ_r'为所述区域上(r,θ,z)点对应的磁导率、n为预设参数，用以控制波束的压缩程度，其取值范围为(0,2)、k为预设参数，用以控制波束的偏转角度，其取值范围为(-π/2，π/2)、a为天线罩的内半径、b为天线罩的外半径、(r,θ,z)为所述区域上各点在柱坐标系下以馈源中心为原点的坐标、对于z变量的不同取值，区域上各点的介电常数和磁导率的表示形式相同。

5.根据权利要求1所述的一种方向性可控的微波天线，其特征在于所述馈源由可传输高频交流电信号的导线、同轴线、单极子天线或偶极子天线制成。

6.根据权利要求1所述的一种方向性可控的微波天线，其特征在于所述馈源与对所述馈源施加高频交流电的馈线相连接；所述馈源发射的全向波经过所述电导体的反射后产生柱面波。

7.根据权利要求1所述的一种方向性可控的微波天线，其特征在于所述电导体的电阻接近0，并由具有高反射性能的金属板制成。

8.根据权利要求1所述的一种方向性可控的微波天线，其特征在于所述天线罩由电磁超材料制成。