CN106848593A - 一种小型化高增益超材料喇叭天线 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种小型化高增益超材料喇叭天线，包括喇叭天线本体，所述喇叭天线本体上设有自输出端口面向内延伸的一台阶孔，该台阶孔内固定有一用于使所述输出端口面的电磁波相位分布均匀化的相位分布调整模块；所述相位分布调整模块包括至少两块重叠设置的非均匀超材料金属片，相邻两块所述非均匀超材料金属片之间设有一金属垫片，位于最外面的所述非均匀超材料金属片的外侧面与所述输出端口面齐平。本发明能够在实现高远场增益的前提下保证喇叭天线小型化、轻量化和集成化。
Description
技术领域
本发明涉及毫米波天线技术领域，尤其涉及一种小型化高增益超材料喇叭天线。
背景技术
在现代通信系统及雷达系统中，天线是必不可缺的器件。其中喇叭天线是最常见的一种形式，因为其设计简单、功率容量高、回波损耗小，所以在高频及大功率系统中特别适用。然而，随着现代通信技术及雷达系统的快速发展，对喇叭天线的性能提出了更高的要求。例如，要求喇叭天线在其远场增益不变的情况下减小尺寸，即，要求喇叭天线更加小型化、轻量化、集成化。同时，对喇叭天线的成本控制也提出了更高的要求。随着近年来科学界对超材料的研究的深入化，将其应用于提高喇叭天线性能方面的研究也已成为学术界以及工业领域的热点。
近年来，为使喇叭天线在小型化的同时提高其远场增益而适应远距离信号传输，Xi Chen等人公开了一种通过匹配层及非均匀超材料介质透镜加载于喇叭天线输出端口的高增益天线(Three-dimensional broadband and high-directivity lens antenna madeof metamaterials，Journal of Applied Physics110,044904(2011))，其根据喇叭输出端口面的相位与折射率的关系，设计出一款非均匀的超材料平面介质透镜，以提高天线的远场增益，并在透镜的两端加上匹配层，以改善回波损耗。但是，这种透镜体积大，并且加工复杂、误差大，成本高，而且对输出端口面上各点的相对介电常数及折射率的分析较为复杂。Yingran He等人也公开了一种各向异性的超材料喇叭天线(Short-Length and High-Aperture-Efficiency HornAntenna Using Low-Loss Bulk AnisotropicMetamaterial，IEEE ANTENNAS AND WIRELESS PROPAGATION LETTERS,VOL.14,2015)，该天线使用特氟龙作为衬底材料，在其上刻蚀开口谐振环结构，利用磁谐振原理，改变其等效磁导率来提高天线增益。但是该设计需要使用6层结构，体积较大，加工复杂，设计周期长。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供一种小型化高增益超材料喇叭天线，其结构简单、体积小、易于加工、成本低，利用电谐振原理，能够在实现高远场增益的前提下保证喇叭天线小型化、轻量化和集成化。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种小型化高增益超材料喇叭天线，包括喇叭天线本体，所述喇叭天线本体上设有自输出端口面向内延伸的一台阶孔，该台阶孔内固定有一用于使所述输出端口面的电磁波相位分布均匀化的相位分布调整模块；
所述相位分布调整模块包括至少两块重叠设置的非均匀超材料金属片，相邻两块所述非均匀超材料金属片之间设有一金属垫片，位于最外面的所述非均匀超材料金属片的外侧面与所述输出端口面齐平。
进一步地，所述非均匀超材料金属片包括一金属边框，该金属边框内设有若干横向金属线和若干纵向金属线，所述横向金属线与纵向金属线垂直连接并形成一位于中心的第一超材料网格单元、一围绕并紧邻该第一超材料网格单元的第二超材料网格单元、以及一围绕并紧邻该第二超材料网格单元的第三超材料网格单元；其中，
所述第一超材料网格单元由一个对称多边形网格构成；
所述第二超材料网格单元由若干四边形网格构成；
所述第三超材料网格单元由若干不规则网格构成，所述不规则网格的一边由所述金属边框的内缘构成，其余边由所述横向金属线和纵向金属线构成。
进一步地，所述喇叭天线本体的外缘设有外螺纹，所述相位分布调整模块的外侧设有与所述外螺纹配合的螺帽。
优选地，所述横向金属线和纵向金属线均由细铜线构成。
优选地，各所述横向金属线和纵向金属线的直径相同。
优选地，所述喇叭天线本体为圆锥喇叭天线。
优选地，所述喇叭天线本体的工作频率范围为60～90GHz。
进一步地，所述非均匀超材料金属片和金属垫片的外缘形状与所述喇叭天线本体的输出端口面的内缘形状相同。
进一步地，所述非均匀超材料金属片和金属垫片上均设有位置标记切口。
进一步地，所述非均匀超材料金属片的外表面设有镀金层。
与现有技术相比，本发明具有以下的优点和积极效果：
本发明通过在具有成熟制作工艺和流程的喇叭天线本体的输出端口面增设用于使电磁波在输出端口面相位分布均匀化的相位分布调整模块来提高其远场增益，该设计推广便捷、成本较低，且具有小型化、轻型化、集成化的优点。此外，本发明所采用的非均匀超材料金属片由横向金属线和纵向金属线交叉布置形成的三种不同超材料网格单元按照一定规律紧密相连排列而成，其结构简单、设计方便、成本低、易于制作且制备周期短、重量较轻、装配简单；并且，由于使用了三种不同超材料网格单元，利用电谐振原理改变了超材料整体的有效介电常数，使其具有改善喇叭天线本体输出端口面电磁波相位分布的作用，进而提升喇叭天线本体的远场增益。
附图说明
图1为本发明小型化高增益超材料喇叭天线的分解示意图；
图2为本发明中的非均匀超材料金属片的正视图；
图3为本发明小型化高增益超材料喇叭天线在77GHz的高频远场E面方向图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
如图1所示，本发明的小型化高增益超材料喇叭天线包括喇叭天线本体1(此处示例性地示出为圆锥喇叭天线本体)，该喇叭天线本体1上设有一自输出端口面7向内延伸的台阶孔8，该台阶孔8内固定有一用于使输出端口面7的电磁波相位分布均匀化的相位分布调整模块，且该相位分布调整模块的外侧设有一与喇叭天线本体1前端外缘上的外螺纹2配合的螺帽6。
本发明中的相位分布调整模块如图1所示，包括两块重叠设置的非均匀超材料金属片3、4，相邻非均匀超材料金属片3、4之间设有一金属垫片5，且位于最外面的非均匀超材料金属片4的外侧面与输出端口面7齐平，即，非均匀超材料金属片3、4与金属垫片5的厚度之和与台阶孔8的深度相同。需说明的是，本发明也可采用两块以上的非均匀超材料金属片，只是根据实验结果，数量为两块时效果最佳。
上述非均匀超材料金属片3、4如图2所示，包括一金属边框12，该金属边框12内连接有若干横向金属线和纵向金属线，且横向金属线和纵向金属线垂直交叉布置并形成一位于中心的第一超材料网格单元、一围绕并紧邻该第一超材料网格单元的第二超材料网格单元、以及一围绕并紧邻该第二超材料网格单元的第三超材料网格单元。其中，第一超材料网格单元由一个对称多边形网格9构成，该网格单元的结构和尺寸根据喇叭天线本体1所工作的频段和相位分布决定；第二超材料网格单元由若干四边形网格10(此处设计成四边形是为了便于确定其等离子体频率，其它形状对于计算等离子体频率较困难，且当四边形为正方形时，最便于计算)构成，四边形网格10的尺寸和个数同样由喇叭天线本体1所工作的频段和相位分布决定；第三超材料网格单元由若干不规则网格11构成，其中不规则网格11的一边(最外侧的边)由金属边框12的内缘构成，其余边由横向金属线和纵向金属线构成，不规则网格11的尺寸和个数亦根据喇叭天线本体1所工作的频段及相位分布决定。需要说明的是，在本实施例中，第一超材料网格单元、第二超材料网格单元、第三超材料网格单元的尺寸和形状各不相同，但构成网格边的横向金属线和纵向金属线的直径相同，由喇叭天线的工作频率决定。此外，两块非均匀超材料金属片3、4之间的距离同样由喇叭天线本体1的工作频率决定，该距离通过两超材料金属片3、4之间的金属垫片5的厚度来实现。
在本发明中，前述横向金属线和纵向金属线均优选细铜线，由厚度为0.1-0.15mm的铜片刻蚀而成。非均匀超材料金属片3、4的外表面(包括构成网格边的细铜线上)均设有镀金层，以防止氧化。此外，非均匀超材料金属片3、4和金属垫片5的外缘形状与喇叭天线本体1的输出端口面7的内缘形状相同，且非均匀超材料金属片3、4和金属垫片5的外缘尺寸不超过喇叭天线本体1的输出端口面7的内缘尺寸，以便于安装。进一步地，如图2所示，非均匀超材料金属片上设有作为位置标记切口13的直线切口，以便于快速装配，且应该理解，金属垫片5上应设有同样的位置标记切口。
本发明的工作原理如下：工作时，两片非均匀超材料金属片3、4的第一超材料网格单元、第二超材料网格单元、第三超材料网格单元受到波导端发射出来的电磁波的辐射后，由于同一非均匀超材料金属片的不同超材料网格单元之间的相互作用以及不同超材料金属片之间的相互作用，非均匀超材料金属片内部的有效电子密度和有效电子质量将发生改变，宏观上第二、第三超材料网格单元所处位置的等效相对介电常数以及折射率将发生改变，使其折射率小于1，导致自然界中材料不会出现的现象发生。对于圆锥喇叭天线本体1而言，其辐射口径面是通过一个标准矩形波导—矩圆过渡波导和—标准圆波导后，由标准圆波导逐渐向外扩张而成，在其输出端口面，由于电磁波的相位分布不均匀，会导致其远场增益受限。因此根据圆锥喇叭天线本体1的相位分布，有效布局各超材料网格单元在超材料金属片上的相对位置，可以使电磁波经过此非均匀超材料金属片后的相位分布均匀化。本发明正是通过将非均匀超材料金属片固定于圆锥喇叭天线本体1的输出端口面来调整输出端口面的相位分布，在不改变圆锥喇叭天线本体1的输出端口面的面积和圆锥喇叭天线本体的长度的前提下，使其输出端口面的相位分布均匀化，从而提高喇叭天线的远场增益。
在本发明中，喇叭天线本体1的工作频率范围为60～90GHz，而最终形成的小型化高增益超材料喇叭天线的工作频率在77GHz附近，带宽为3～5GHz。图3示出了本发明的喇叭天线工作在77GHz的E面方向图，由图可知，其最大增益为20.32dB，这相较于未加载非均匀超材料金属片的圆锥喇叭天线其增益提高了3.5dB；其反射系数在工作频段均小于-10dB。
本领域的普通技术人员将会意识到，此处所描述的实例是为了帮助读者理解本发明的原理，这里应该被理解为本发明的保护范围并不局限于此文中的特别陈述和实施实例。本领域的普通技术人员可根据本发明公开的这些技术及原理启示做出各种不脱离本发明的其它各种具体变形和组合，所做的变形和组合仍在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种小型化高增益超材料喇叭天线，包括喇叭天线本体，其特征在于，所述喇叭天线本体上设有自输出端口面向内延伸的一台阶孔，该台阶孔内固定有一用于使所述输出端口面的电磁波相位分布均匀化的相位分布调整模块；
所述相位分布调整模块包括至少两块重叠设置的非均匀超材料金属片，相邻两块所述非均匀超材料金属片之间设有一金属垫片，位于最外面的所述非均匀超材料金属片的外侧面与所述输出端口面齐平。
2.根据权利要求1所述的小型化高增益超材料喇叭天线，其特征在于，所述非均匀超材料金属片包括一金属边框，该金属边框内设有若干横向金属线和若干纵向金属线，所述横向金属线与纵向金属线垂直连接并形成一位于中心的第一超材料网格单元、一围绕并紧邻该第一超材料网格单元的第二超材料网格单元、以及一围绕并紧邻该第二超材料网格单元的第三超材料网格单元；其中，
所述第一超材料网格单元由一个对称多边形网格构成；
所述第二超材料网格单元由若干四边形网格构成；
所述第三超材料网格单元由若干不规则网格构成，所述不规则网格的一边由所述金属边框的内缘构成，其余边由所述横向金属线和纵向金属线构成。
3.根据权利要求1所述的小型化高增益超材料喇叭天线，其特征在于，所述喇叭天线本体的外缘设有外螺纹，所述相位分布调整模块的外侧设有与所述外螺纹配合的螺帽。
4.根据权利要求1所述的小型化高增益超材料喇叭天线，其特征在于，所述横向金属线和纵向金属线均由细铜线构成。
5.根据权利要求1所述的小型化高增益超材料喇叭天线，其特征在于，各所述横向金属线和纵向金属线的直径相同。
6.根据权利要求1所述的小型化高增益超材料喇叭天线，其特征在于，所述喇叭天线本体为圆锥喇叭天线。
7.根据权利要求1所述的小型化高增益超材料喇叭天线，其特征在于，所述喇叭天线本体的工作频率范围为60～90GHz。
8.根据权利要求1所述的小型化高增益超材料喇叭天线，其特征在于，所述非均匀超材料金属片和金属垫片的外缘形状与所述喇叭天线本体的输出端口面的内缘形状相同。
9.根据权利要求1所述的小型化高增益超材料喇叭天线，其特征在于，所述非均匀超材料金属片和金属垫片上均设有位置标记切口。
10.根据权利要求1所述的小型化高增益超材料喇叭天线，其特征在于，所述非均匀超材料金属片的外表面设有镀金层。
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