CN105071037A - 基于渐变折射率超材料的天线罩 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于渐变折射率超材料的天线罩，由蒙皮层-过渡层-芯层-过渡层-蒙皮层-过渡层组成。传统天线罩大多由三层结构蒙皮层-芯层-蒙皮层组成，两层间折射率变化较大，导致透过率偏低。如果天线罩的折射率可以逐渐缓慢变化，则可以在实现不改变天线罩形状的提前下，增大天线罩的透过率，这就是一种渐变折射率天线罩。超材料也称为新型人工电磁材料具有新颖特性，可以利用它制作出渐变折射率天线罩。首先利用渐变折射率原理计算出在过渡层内渐变折射率的分布，然后选择新型人工电磁材料作为结构单元，实现每一层折射率的分布。此外，得益于新型人工电磁材料的优异特性，此渐变折射率天线罩还具有稳定性高，易加工等优良性能。

Description

基于渐变折射率超材料的天线罩

技术领域

本发明涉及一种用于Ku频段的新型天线罩，属于天线罩和新型人工电磁材料领域。

背景技术

传统天线罩大都是由蒙皮层-芯层-蒙皮层结构组成，这种天线罩存在一个显著缺点就是大角度入射时，由于蒙皮层和芯层的介电常数相差较大，因此阻抗不匹配，导致反射率高，透波率较低。

新型人工电磁材料(Metamaterials)是电磁学中新兴的研究领域，其基础是等效媒质理论，由一系列设计的结构单元在亚波长尺度上按照一定规律排列构成。通过精心设计单元结构和尺寸大小，可以得到所需要的等效介电常数和磁导率。经过近些年的发展，新型人工电磁材料得到了长足的发展，在隐身、天线工程等方面都有广泛的应用。基于渐变折射率人工电磁材料的新型天线罩是利用打孔结构等效介电常数来实现参数可控，可以达到介质材料等效介电常数的预期分布，从而实现介电常数的渐变，实现匹配，增大透波率和减小反射。传统的天线罩一般由蒙皮层-芯层-蒙皮层构成，由于蒙皮层需要起抗高温、承载压力等作用，因此一般需要选用高介电常数的材料，而芯层需要起隔热的作用，一般需要选用介电常数较低的材料，从而存在蒙皮层与芯层之间的阻抗失配问题，导致这种结构的天线罩透波率较低，而本发明设计的天线罩由蒙皮层-过渡层-芯层-过渡层-蒙皮层-过渡层构成，利用渐变折射率人工电磁材料来制作匹配层，明显降低了反射率，提高了透波率，尤其在大角度入射时，天线的透波率也能得到显著提高。所以本发明具有很高的工程应用价值。

发明内容

技术问题：本发明提供一种能在Ku波段实现高透过率折射率分布，易于加工，可批量生产的基于渐变折射率超材料的天线罩。

技术方案：本发明的基于渐变折射率超材料的天线罩，为由外至内依次设置的蒙皮层-过渡层-芯层-过渡层-蒙皮层-过渡层组成的多层结构，所述过渡层由多层渐变折射率超材料构成，所述渐变折射率超材料是在介质板上加工用以减小折射率的通孔制成的，从而实现在天线罩径向上的折射率渐变。

进一步的，本发明的天线罩中，每个过渡层均由四小层渐变折射率超材料组成，从内至外共12小层，折射率分别为：1.8，2.35，2.78，3.16，3.19，2.84，2.44，1.96，1.8，2.18，2.5，2.79。

进一步的，本发明的天线罩中，渐变折射率超材料是在介质板上根据等效媒质理论分割成同样大小的单元，每个单元的中心都加工一个用以减小折射率的通孔，实现折射率渐变。

本发明的天线罩是在传统天线罩的蒙皮层-芯层-蒙皮层结构基础上，增加了阻抗渐变层(阻抗匹配层)，从而使天线罩整体呈现阻抗渐变的状态，可提高透波率。利用新型人工电磁材料来制作阻抗匹配层，以达到增大透波率，减小反射率的目的，尤其是在大角度入射时，透波率可显著提高。基于渐变折射率人工电磁材料的新型天线罩的匹配层由打孔结构的介质基片构成，具有易于加工、制作成本低、重量轻、灵活性高等特点。

本发明的天线罩整体阻抗渐变，相比传统天线罩，在蒙皮层与芯层之间增加了过渡层(阻抗匹配层)，在天线罩内部也增加了过渡层。对于传统天线罩，存在蒙皮层与芯层之间的阻抗失配问题，从而透波率较低。本发明提出了在蒙皮层与芯层之间增加折射率线性变化的过渡层，在天线罩内部增加从蒙皮层到空气的折射率线性变化的过渡层，从而使得天线罩阻抗渐变。我们采用在高介电常数介质板上打孔的方案来实现介电常数的渐变，以便达到阻抗匹配的效果。

本发明中，由于渐变折射率人工电磁材料的引入，使天线罩的阻抗实现渐变，从而所设计出来的天线罩克服了传统天线罩阻抗失配问题，透波率显著提高。通过增加匹配层可以达到介电常数渐变，以此来增大透波率，降低反射率。

本发明的优选方案中，过渡层的结构中，根据等效媒质理论被分割成等大的单元块，每个单元块的中心都加工有用以减小折射率的通孔。

本发明是根据超材料的全新特性进行设计的，超材料也称为新型人工电磁材料，由尺寸远小于波长的电磁谐振单元按一定周期或非周期方式排列。有一种超材料的实现方式为打孔的方式。以等效媒质理论为基础，设计单元结构的尺寸大小，然后对单元结构进行打孔，根据孔径大小，最后得到的单元结构的折射率也会随之变化。其变化关系大致遵循着孔径越大折射率越小的规律。

渐变折射率的理想情况是折射率由大到小或者由小到大连续均匀变化，但现实生活中并不存在这种渐变材料，故我们用离散化的梯度折射率分布来代替理想的线性折射率分布。过渡层首先被离散为4小层，且厚度相同，厚度主要受限于超材料中的等效媒质理论。每一小层的折射率取值取决于蒙皮层和芯层的折射率只差。首先每一小层的折射率计算我们取蒙皮层和芯层只差除4，然后在加上上一层的折射率值，即为每一小层的折射率值，其次，我们根据微小量来调控优化每一小层的折射率值，最终得到整个渐变折射率天线罩的折射率分布。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1.本发明为在现有天线罩结构基础上的改进型天线罩，在三层必备层中加入过渡层，也称为匹配层，每个过渡层分为四小层，这四小层中没小层之间折射率差别很小，这意味着加入之后使得整个结构的折射率接近于连续变化，如果电磁波入射到折射率连续变化的介质，而非突变的介质上，根据电磁波传播理论，电磁波不会发生反射，而是全部透射过去，因此，加入过渡层后的天线罩，使得电磁波在穿过天线罩时不会发生大的反射，而将绝大多数能量通过渐变折射率材料的引导而传播出去，因此这种基于新型人工电磁材料的天线罩，在同样角度的入射下，与传统天线罩相比，可以提高10％的透过率，在大角度入射的情况下，透过率也是大幅度提高。

2.本发明提供的基于新型人工电磁材料的天线罩，是一种可用于各种场合的装置，可以在Ku波段显著提高天线的透过率。在光学波段，所需要的过渡层由硬质玻璃或石英组成，其工艺需要特殊的打磨加工。在Ku波段，过渡层一般由人工树脂或者聚苯乙烯等利用模具加工而成，加工更加容易，误差明显减小，稳定性更高。

3.现有的一些超材料的结构大多采用电磁谐振结构，通过谐振的位置不同，可以选择不同的电磁参数，从而调整整个结构的折射率分布，实现各种功能，而本发明采用的是打孔的方式来实现折射率的改变。打孔方式的超材料相比于其他的超材料有几个优点：其一，电磁波从不同的方向入射时打孔结构的电磁特性变化不大，基本上可以等效成成是各项同性材料；其二，打孔结构并不是通过谐振来实现特定的电磁特性，所以这种材料的损耗非常小；其三，这种打孔超材料可以在很宽的频段内保持相同的电磁特性，这就可以保证它可以工作在一个很宽的工作频带。而且本发明是第一次将打孔结构应用到天线罩当中，增强了其稳定性和实用性。

4.本发明同时具有易加工，成本低等优点。

附图说明

图1是原有天线罩的模型。

图2是本发明的原理示意图。

图3是不放渐变折射率材料作为匹配层的电场图和加入匹配层的电场图比较。(a)未加过渡层的电场，(b)厚过渡层的电场，(c)薄过渡层的电场。

图4是不放渐变折射率材料作为匹配层的功率图和加入匹配层的功率图比较。(a)未加过渡层的功率，(b)厚过渡层的功率，(c)薄过渡层的功率。

图5是TE模式下加入渐变折射率材料后的透射系数分布图及数据表。

图6是TM模式下加入渐变折射率材料后的透射系数分布图及数据表。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明作进一步的说明。

本发明所提出的基于渐变折射率人工电磁材料的新型天线罩为多层介质板结构，现有天线罩主要由三层组成，分别为：蒙皮层、芯层、蒙皮层，如图1所示。我们所提出的基于渐变折射率人工电磁材料的天线罩，是在原有三层的基础上，在层与层之间加入渐变折射率超材料的匹配层，如图2所示。一共加有三层匹配层，每一层匹配层中又分为4个小层，每个小层是由亚波长尺寸的打孔结构单元按一定的排列构成，单个小层上排列的打孔结构的尺寸完全一样，不同层间的打孔结构尺寸不同。我们要实现的功能是增大透波率，减小反射率，尤其是增大大角度的透射率，因此我们使用新型人工电磁材料组成的匹配层，是为了达到折射率渐变的效果，使得每层之间的折射率逐渐的变到与下一层一样，这样可达到减小反射，增大透射的目的，因此，我们要选择最好的匹配层对应的折射率，所有匹配层的折射率分别为：1.8，2.35，2.78，3.16，3.19，2.84，2.44，1.96，1.8，2.18，2.5，2.79。匹配层我们采用的是普通的PCB介质板F4B，此种匹配层易加工，成本小。

本发明所提出的基于渐变折射率人工电磁材料的新型天线罩，为了验证其高的透波率，我们进行了电磁模拟仿真，这里我们选择一个喇叭当做馈源，仿真的电场结果如图3所示：图3(a)为不加渐变折射率匹配层的电场；图3(b)为加渐变折射率匹配层但是匹配层的厚度相对较厚时的电场；图3(c)为加渐变折射率匹配层但是匹配层的厚度相对较薄时的电场。从仿真图可以看出加了渐变折射率匹配层后，透过的电场的强度明显增大，反射明显减小。为了更清楚的观察结果，我们同样仿真了功率流的分布图，如图4所示：图4(a)为不加渐变折射率匹配层的功率流分布；图4(b)为加渐变折射率匹配层但是匹配层的厚度相对较厚时的功率流分布；图4(c)为加渐变折射率匹配层但是匹配层的厚度相对较薄时的功率流分布。由图4可以直观的看出，增加渐变折射率的匹配层后，透射的波的强度明显的提高。

为了更好的展现我们发明的优秀的性能，我们给出了精确的数据证明。如图5和图6所示，分别给出了TE极化波和TM极化波入射情况下S21的值以及在对应不同角度时的改善值。如图5所示为TE极化波入射时，不加入渐变折射率匹配层的S21和加入渐变折射率匹配层后不同层的S21，从表1中我们可以看出来，每个角度的透波率都有所改善，尤其是大角度入射时，当入射角度为85度时，S21可以改善高达14个dB，这是传统天线罩达不到的值，因此可以证明我们发明的基于新型人工电磁材料的天线罩很大程度上提高了波的透射率，特别是在大角度入射时，提高的透波率是显著的。如图6所示为TM极化波入射时，不加入渐变折射率匹配层的S21和加入渐变折射率匹配层后不同层的S21，同样可以根据表2观察到，当大角度入射时，改善的透波率仍然很大。因此，再次验证了我们发明的基于新型人工电磁材料的新型天线罩利用增加渐变折射率的匹配层可以达到很好的匹配效果，增大透波率，减小折射率，尤其是大角度入射时，效果明显。

表1：TE模式下不同入射角度的改善

表2TM模式下不同入射角度的改善

上述实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于渐变折射率超材料的天线罩，其特征在于，该天线罩为由外至内依次设置的蒙皮层-过渡层-芯层-过渡层-蒙皮层-过渡层组成的多层结构，所述过渡层由多层渐变折射率超材料构成，所述渐变折射率超材料是在介质板上加工用以减小折射率的通孔制成的，从而实现在天线罩径向上的折射率渐变。

2.如权利要求1所述的基于渐变折射率超材料的天线罩，其特征在于，每个所述的过渡层均由四小层渐变折射率超材料组成，从内至外共12小层，折射率分别为：1.8，2.35，2.78，3.16，3.19，2.84，2.44，1.96，1.8，2.18，2.5，2.79。

3.如权利要求1或2所述的基于渐变折射率超材料的天线罩，其特征在于，所述渐变折射率超材料是在介质板上根据等效媒质理论分割成同样大小的单元，每个单元的中心都加工一个用以减小折射率的通孔，实现折射率渐变。