CN202050050U - 一种基于电谐振结构的平板透镜天线 - Google Patents
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Abstract
一种基于电谐振结构的平板透镜天线，包括多个平行等距排列的长方形介质基板，所述介质基板所在的平面与电磁波入射方向平行，两相邻介质基板间设置有电磁参数与空气接近的填充物，所述介质基板的一面设置有沿横向和纵向均匀排列的正方形结构单元，每个所述结构单元上设置有整根来回设置的覆铜线，所述覆铜线包括数个横向直线段和连接两相邻直线段的连接段。本实用新型的平板透镜天线三维各向异性，可在入射方向上满足透镜与空气之间的波阻抗匹配，从而减小反射；当将透镜置于待测天线的口面时，可提高待测天线E面方向图的定向性。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种基于电谐振结构的平板透镜天线。
背景技术
新型人工电磁材料（Metamaterials或称超材料）是将具有特定几何形状的亚波长宏观基本单元周期性或非周期性地排列所构成的人工材料。简单来说，就是用有序的人造单元“粒子”代替自然界材料的分子/原子等基本粒子，所组成一种等效材料。理论分析和实验结果表明，当基本单元的结构尺寸处于亚波长尺度（1/10波长）时，新型人工电磁材料呈现出宏观的媒质特性。与传统意义材料相比，新型人工电磁材料的媒质特性取决于其基本单元结构和单元的空间分布。
新型人工电磁材料最大的特点是可以通过控制人工基本单元的形状、单元材料的构成来改变人工材料的宏观电磁属性。众所周知，所有材料的电磁属性都可以用介电常数ε和磁导率μ来描述。但是自然界中介电常数ε和磁导率μ的取值是有限的，即我们不能随心所欲的控制介电常数ε和磁导率μ来改变材料特性。而在这种新型人工电磁材料中，则可控制其等效的ε和μ，使其可以为正、可以为负、甚至为零；也可控制其按照需要形成一定的变化（例如渐变、突变等）。另外，我们还可以通过控制结构单元本身，使材料呈各向异性。
2002年，S. Enoch等人提出了若将二维线源置于二维零折射率材料中时，可以提高其定向性高，并且辐射波瓣比较窄（Enoch S., et al. A metamaterial for directive emission [J]. Physical Review Letters, 2002, 89: 213902.）。但是由于各向同性的零折射率材料无法与空气层进行匹配，这就导致辐射效率比较低。2009年，Ma等人从理论上提出了运用各向异性零折射率材料来提高电磁波的定向性和效率（Ma YG, Wang P, Chen X, et al. Near-field plane-wave-like beam emitting antenna fabricated by anisotropic metamaterial[J], Applied Physics Letters, 2009, 94(4): 044107.），从而有效解决了零折射率材料与空气层不匹配的问题。2010年，程强等人用实验验证了Ma等人的理论（Cheng Q, Jiang WX, Cui TJ, Radiation of planar electromagnetic waves by a line source in anisotropic MTMs[J], Journal Of Physics D-Applied Physics, 2010, 43(33): 335406.），但局限于二维情况，电磁辐射源必须置于材料中间，不能直接用于提高传统天线的定向性。本实用新型运用电谐振结构实现各向异性的零折射率材料制成三维平板透镜，可以直接将其置于传统天线的口径上，如喇叭天线，微带天线等，提高它们E面远场方向图的定向性。
实用新型内容
技术问题：本实用新型提供一种三维各向异性，可在入射方向上满足透镜与空气之间的波阻抗匹配，从而减小反射，在波的传播方向上介电常数为零，可提高待测天线E面定向性的基于电谐振结构的平板透镜天线。
技术方案：基于电谐振结构的平板透镜天线，包括多个平行等距排列的长方形介质基板，所述介质基板所在的平面与电磁波入射方向平行，两相邻介质基板间设置有电磁参数与空气接近的填充物，所述介质基板的一面设置有沿横向和纵向均匀排列的正方形结构单元，每个所述结构单元上设置有整根来回设置的覆铜线，所述覆铜线包括数个横向直线段和连接两相邻直线段的连接段。
本实用新型中，所述介质基板的厚度为sub_h，所述单元结构的边长为a，a的取值范围为λ/10—λ/6，λ为相应频点的波长，两相邻介质基板的间距为0.8×（a-sub_h）至1.2×（a-sub_h）。
有益效果：本实用新型的平板透镜天线三维各向异性，可在入射方向上满足透镜与空气之间的波阻抗匹配，从而减小反射；当在天线口面上覆盖本实用新型的平板透镜天线，使透镜天线在波的传播方向上实现介电常数趋近于0，电磁参数的其余分量接近于1，天线E面的远场方向图的定向性可以得到很大程度地改善。
附图说明
图1为本实用新型平面示意图。
图2为单片介质基板的局部平面示意图，其中z为波传播方向。
图3为单元结构平面示意图， a为单元结构的边长，w为覆铜线的线条宽度， b为覆铜线直线段长度，g为两相邻直线段的间距，n为覆铜线的折数，z为波传播方向。
图4为本实用新型提取敷铜线的介电常数的z方向分量时的电壁和磁壁设置图，垂直于纸面方向为开放边界条件，其中z为波传播方向。
图5为本实用新型介电常数的z方向分量参数提取结果图，其中横坐标为频率，纵坐标为介电常数，实线表示实部，虚线表示虚部。
图6为本实用新型介电常数的x方向分量参数提取结果图，其中横坐标为频率，纵坐标为介电常数，实线表示实部，虚线表示虚部。
图7为本实用新型磁导率的y方向分量参数提取结果图，其中横坐标为频率，纵坐标为磁导率，实线表示实部，虚线表示虚部。
图8为本实用新型的波阻抗参数提取结果图，其中横坐标为频率，纵坐标为波阻抗，实线表示实部，虚线表示虚部。
图9为喇叭天线E面远场方向图，其中实线为空喇叭的方向图，虚线为加本实用新型透镜天线后的方向图。
图中有：介质基板1、填充物2、直线段3、连接段4，结构单元5。
具体实施方式
基于电谐振结构的平板透镜天线，包括多个平行等距排列的长方形介质基板1，所述介质基板1所在的平面与电磁波入射方向平行，两相邻介质基板间设置有电磁参数与空气接近的填充物2，所述介质基板1的一面设置有沿横向和纵向均匀排列的正方形结构单元5，每个所述结构单元5上设置有整根来回设置的覆铜线，所述覆铜线包括数个横向直线段3和连接两相邻直线段的连接段4。介质基板的厚度为sub_h，所述单元结构的边长为a，a的取值范围为λ/10—λ/6，λ为相应频点的波长，两相邻介质基板的间距为0.8×（a-sub_h）至1.2×（a-sub_h）。
本实用新型中，介质基板一面的覆铜完全刻蚀掉，另一面将部分覆铜刻蚀掉，使剩下的覆铜形成覆铜线，在每个单元结构中，覆铜线如图3所示，其中：单元结构的边长为a，覆铜线的线条宽度为w，覆铜线直线段长度为b，两相邻直线段的间距为g，覆铜线横向直线段的条数为n。假设电磁波的传播方向为z方向，则电谐振单元结构沿y方向和z方向均匀地排列，其中z方向的单元结构个数不少于2个， y方向的单元个数根据待测天线的口径来确定，其长度需大于天线口面相应位置的大小。各介质基板沿x方向等距排列，假设单元结构的大小为a，介质基板的厚度为sub_h，则两相邻介质基板间距的取值范围为0.8×（a-sub_h）到1.2×（a-sub_h）。介质基板通常用FR4或者F4B，FR4是FR-4环氧玻璃布层压板，F4B是一种聚四氟乙烯（ＰＴＦＥ）高频微波电路板材料，当然用其他的介质材料也是可以的。介质基板的厚度对工艺有一定的要求，但只要确定的了介质基板的材质和厚度，基本可以通过调节单元结构的参数来满足要求。为了固定介质基板，两相邻介质基板之间的间隙需要用电磁参数与空气近似的材料进行填充。
本实用新型透镜天线的制作以及确定单元结构和覆铜线尺寸参数的具体方法如下：
第一步，根据给定的频率，使电谐振结构的谐振在给定的频率周围，可用商业软件CST仿真提取其S参数进行观察。在实验验证中，我们设定频率为9.4GHz，必须保证覆铜线直线段垂直于波传播方向。在仿真中，单元结构边界条件的设置如图2所示，即电场方向垂直于直线段，磁场方向平行于直线段，此时提取的是z方向的介电常数和y方向的磁导率。通过调节单元结构的各个参数，使S参数的谐振频率调到给定频率附近。
第二步，观察介电常数和磁导率的其他分量是否接近于1。如果其他分量的值太大或太小，都会造成空气层和透镜之间的阻抗不匹配，从而使反射过大，影响透镜效率。对于横电场模式（TE模），主要考虑εz、εx、μy三个分量；对于横磁场模式（TM模），主要考虑μz、μx、εy三个分量。我们的实施例实现的是εz为零，主要作用于TE模，所以重点考虑εz、εx、μy三个分量和波阻抗。
第三步，对于覆铜线，影响本实用新型性能的参数主要包括：结构单元边长a，覆铜线直线段的长度b，覆铜线的线条宽度w，两相邻直线段的间距g，覆铜线的折数n。a的取值范围为λ/10—λ/6（其中λ表示相应频点的波长），b的取值范围与a一致，但要小于a，w和g最小为0.1mm（工艺限制），n的取值必须保证整个覆铜线不超过结构单元。通过调节这些参数，在f=9.4GHz处实现介电常数的z方向分量为0，电磁参数的其余分量基本接近于1。本实用新型的实施例中，单元结构和敷铜线参数为：a=3.9，g=0.25，w=0.23，b=3.63，n=8，覆铜的厚度为0.018mm，介质基板的厚度sub_h为0.2，介电常数为2.65。其电磁参数三个分量的提取如图3—图6所示，在f=9.4GHz时，εz≈0，εx=1.039，μy=1.002，波阻抗为0.98，满足要求。
第四步，制做样品。图2为单片介质板yz平面内的局部示意图，我们将这些介质板沿x方向等间距排列，间距的取值范围为0.8×（a-sub_h）到1.2×（a-sub_h），实施例中我们取为a-sub_h，图1为样品xy平面内的示意图。
第五步，实验测试。这里用X波段的标准喇叭进行测试，运用样品提高其E面远场方向图的定向性，而对H面基本没影响。图9为在喇叭口的E面方向图的对比图。其中实线表示空喇叭的测试结果图，虚线表示加透镜以后的测试结果。从图中可以看到，加了透镜以后，喇叭的波束宽度由16.3降到了9.1，降低了44%，显著提高了其定向性。
Claims (2)
1.一种基于电谐振结构的平板透镜天线，其特征在于，该透镜天线包括多个平行等距排列的长方形介质基板（1），所述介质基板（1）所在的平面与电磁波入射方向平行，两相邻介质基板间设置有电磁参数与空气接近的填充物（2），所述介质基板（1）的一面设置有沿横向和纵向均匀排列的正方形结构单元（5），每个所述结构单元（5）上设置有整根来回设置的覆铜线，所述覆铜线包括数个横向直线段（3）和连接两相邻直线段的连接段（4）。
2.根据权利要求1所述基于电谐振结构的平板透镜天线，其特征在于，所述介质基板的厚度为sub_h，所述单元结构的边长为a，a的取值范围为λ/10—λ/6，λ为相应频点的波长，两相邻介质基板的间距为0.8×（a-sub_h）至1.2×（a-sub_h）。
Priority Applications (1)
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| CN2011201523677U CN202050050U (zh) | 2011-05-13 | 2011-05-13 | 一种基于电谐振结构的平板透镜天线 |
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| CN2011201523677U CN202050050U (zh) | 2011-05-13 | 2011-05-13 | 一种基于电谐振结构的平板透镜天线 |
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ID=44990347
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102280703A (zh) * | 2011-05-13 | 2011-12-14 | 东南大学 | 基于电谐振结构的零折射率平板透镜天线 |
| CN103296448A (zh) * | 2012-02-29 | 2013-09-11 | 深圳光启创新技术有限公司 | 一种阻抗匹配元件 |
| CN111585033A (zh) * | 2020-05-25 | 2020-08-25 | 南通大学 | 一种具有双阻带的近零折射率超材料 |
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2011
- 2011-05-13 CN CN2011201523677U patent/CN202050050U/zh not_active Expired - Lifetime
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