CN204243177U - 一种超材料平板天线 - Google Patents
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Abstract
本实用新型适用于通讯技术领域，提供了一种超材料平板天线，包括辐射体及设置于电磁波辐射方向的超材料平板，超材料平板包括介质板及在其表面阵列排布且使电磁波的透过率随入射角的增大而减小的导电几何结构，导电几何结构为由金属或非金属的导电材料构成的微结构，微结构包括两个相对设置的开口谐振环，开口谐振环包括中间开口的直线段和连接直线段两端的曲线段或折线段，两条直线段平行。本实用新型在介质板的表面设置相对的开口谐振环型微结构，使电磁波的透过率随入射角的增大而减小，减小了大角度电磁波的透过率，抑制了远区副瓣，与传统天线相比，该超材料平板天线的远区副瓣明显降低，有效提升了天线性能，适用于各种通讯系统中。
Description
技术领域
本实用新型属于通讯技术领域，特别涉及一种超材料平板天线。
背景技术
天线的基本功能之一是把从馈源取得的能量向周围空间辐射出去，之二是把大部分能量朝所需的方向辐射，辐射强度最大的瓣称为主瓣，其余的瓣称为副瓣或旁瓣，副瓣的能量较大会影响天线的增益、方向性和抗干扰能力。为了增大主瓣能量，优化辐射的方向性，提高天线的抗干扰能力，通常要求尽量减小副瓣。现有天线的副瓣仍然占有辐射能量的较大比例，影响天线的性能。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种超材料平板天线，旨在减小远区副瓣，提高天线的增益和抗干扰能力。
本实用新型是这样实现的，一种超材料平板天线，包括辐射体及设置于电磁波辐射方向的超材料平板，所述超材料平板包括介质板及在其表面阵列排布且使电磁波的透过率随入射角的增大而减小的导电几何结构，所述导电几何结构为由金属或非金属的导电材料构成的微结构，所述微结构包括两个相对设置的开口谐振环，所述开口谐振环包括中间开口的直线段和连接所述直线段的两端之间的曲线段或折线段，两个所述开口谐振环的直线段相对设置且相互平行。
作为本实用新型的优选技术方案：
两条所述开口谐振环的曲线段或折线段的中点之间连接一直导线，所述直导线自所述开口穿过并垂直于所述直线段。
所述开口谐振环为底边开口的等腰三角形，两个等腰三角形的底边相对且平行。
所述开口谐振环为底边开口的等腰梯形，两个等腰梯形的底边相对且平行。
所述开口谐振环的折线段是由至少三条线段依次成角度连接而成的多段线。
所述开口谐振环的曲线段为圆弧形。
相邻微结构的间距为1/10～1/2波长。
所述辐射体为阵列结构辐射体。
所述微结构设置于所述介质板面向所述辐射体的表面。
所述介质板的两表面均设有所述微结构。
各所述微结构的形状相同，大小相等。
本实用新型提供的超材料平板天线在介质板的表面设置相对的开口谐振环型微结构，电磁波入射超材料平板时，由于穿过谐振环的磁场的变化，使电磁波的透过率随入射角的增大而减小，进而减小了大角度电磁波的透过率，大幅度抑制了远区副瓣，与传统天线相比，该超材料平板天线的远区副瓣可降低20dB，副瓣抑制效果显著，有效提升了天线性能，适用于各种通讯系统中。
附图说明
图1是本实用新型实施例提供的超材料平板天线的结构示意图；
图2是本实用新型实施例提供的超材料平板的结构示意图；
图3是本实用新型实施例提供的超材料平板的微结构的一种结构示意图；
图4是本实用新型实施例提供的超材料平板的微结构的另一结构示意图；
图5是本实用新型实施例提供的超材料平板的透过率曲线图；
图6是本实用新型实施例提供的超材料平板天线和传统天线的方向图的对比图。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
以下结合具体实施例对本实用新型的具体实现进行详细描述：请参阅图1～图3，本实用新型实施例提供一种超材料平板天线，通过采用附有微结构的超材料平板对辐射电磁波进行角度选择，以达到减小天线副瓣的目的。如图1和2，该超材料平板天线包括辐射体1及设置于该辐射体1的辐射方向的超材料平板2，该超材料平板2包括介质板21及在其表面阵列排布的导电几何结构，该导电几何结构为由金属或非金属的导电材料构成的微结构22。可以理解，图2中示出的微结构22为放大后的结构，以便于查看，实际制作的微结构尺寸较小，通常与响应波长的数量级相同或相差一个数量级。如图3，该微结构22包括两个相对设置的开口谐振环，该开口谐振环包括中间开口的直线段221和连接该直线段221的两端之间的曲线段222或折线段222，两个开口谐振环的直线段221相对设置且相互平行，这种微结构可使电磁波的透过率随入射角的增大而减小，进而减小大角度入射的电磁波的透过率，有效抑制远区副瓣。
在本实施例中，该微结构22可以是通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法附着在介质板21上。制作微结构22的金属可以为金、银、铜、金合金、银合金、铜合金、锌合金或铝合金，制作微结构22的非金属导电材料可以为导电石墨、铟锡氧化物或掺铝氧化锌。
该超材料平板天线的工作原理为：电磁波的电场和磁场的方向与电磁波的传播方向垂直，当电磁波垂直入射超材料平板时，磁场方向与超材料平板2表面平行，夹角为0°，穿过谐振环的磁通量为零，电磁波可顺利穿过超材料平板2，透过率接近100％；当电磁波斜入射，入射角度变大，磁场方向与超材料平板2表面的夹角增大，穿过微结构22的磁通量增大，磁场变化较大，产生感应电流，对电磁波的传播起到阻碍作用，进而降低透过率。
参见图5所示的透过率与入射角的曲线图，其中纵坐标代表电磁波的透过率，横坐标代表电磁波的频率。可见，电磁波的入射角越大，透过率越低，因此该超材料平板2对电磁波进行了角度选择，削弱了大角度电磁波的能量。而大角度传播的电磁波是产生副瓣的主要因素之一，因此，采用该超材料平板2有效的降低了副瓣，提高了天线的增益以及方向性和抗干扰能力。参考图6，纵坐标代表天线的增益，横坐标代表与主瓣中心轴的夹角，曲线A是传统天线方向图，曲线B是本实用新型的天线方向图，与传统天线相比，本实施例提供的超材料平板天线的远区副瓣降低了接近20dB，副瓣抑制效果显著。
进一步参考图3，本实施例中的微结构22的开口谐振环可以为底边开口的等腰三角形结构，并且两个等腰三角形的底边221相对且平行，底边221彼此平行形成了电容结构，两个开口相对。两个等腰三角形相对构成类似方形的谐振环，电磁波入射时，穿过谐振环的磁场发生变化，在谐振环中产生感应电流进一步影响电磁波的透过率。
进一步优选的，还可以在两个等腰三角形的顶点之间设置一直导线223，该直导线223自开口中穿过并与底边221垂直，以增强微结构对电磁波的感应，进而增强对电磁波透过率的影响，提升超材料平板2对电磁波的角度选择效应并改善微结构的稳定性。
另外参考图4，还可以将谐振环设计为底边开口的等腰梯形，两等腰梯形的底边221相对且平行，同样的，也可以在两等腰梯形的另一组平行的对边的中点之间设置直导线223，该直导线223穿过底边开口并与底边垂直，效果同上。
作为另一种实现方式，该微结构的开口谐振环也可以是半圆形，还可以在两个半圆形曲线段的中点之间连接一条直线段。该结构与上述等腰三角形的谐振环结构的功能相同。
可以理解，谐振环的形状还可以有多种，例如，连接于直线型底边两端的折线段可以为由至少三条线段依次成角度连接而成的多段线，而作为优选的实现方式，在每种折线段的中点之间都设置一直导线，以进一步增强微结构对电磁波的感应，进而提升其对透过率的调节效果。同样的，连接于直线型底边两端的曲线段也可以是任意形状的曲线段，考虑加工难度，优选采用圆弧形曲线段，本实施例不再一一举例。
如上所述，本实施例通过微结构调节电磁波透过率的原理是基于电磁波磁场以一定角度穿过谐振环产生感应电流而实现的，辐射源发出的电磁波类似球面波，入射超材料平板的角度自然不同，因此谐振环完全可以平铺设置在介质板的表面，而不需要与介质板成角度设置，并且，基于上述原理，也不需将微结构设置为不同尺寸，可将微结构设置为相同形状、相同大小且阵列排布，因此该超材料平板也比较便于制作。在本实施例中，超材料平板2通常由覆铜介质板加工而成，对覆铜介质板的覆铜层进行蚀刻形成上述微结构22，当然还可以采用其他方式制作。
进一步的，由于该超材料平板是在电磁波发射之前对其进行过滤，因此需要控制其损耗，本实施例的介质板优选介电常数较低(优选小于3)的材料制作，例如F4B。
进一步的，为了有效抑制远区副瓣，需要合理设置微结构22的疏密程度，如果过于稀疏，则部分电磁波会直接透过，对副瓣的抑制效果不佳，本实施例优选相邻微结构的间距为波长的1/10～1/2。
在本实施例中，辐射体1优选为阵列结构辐射体，由多个辐射单元11阵列排布于一平板12上构成，而超材料平板2可以在功能上划分为多个与辐射单元11一一对应的超材料平板单元，每个超材料平板单元对相应的辐射单元的辐射波进行角度选择，整体超材料平板2对阵列辐射体1的辐射波的作用效果就体现在天线远区副瓣的降低。
在本实施例中，可以在介质板21面向辐射体1的表面设置微结构22，也可以在介质板21的两面均设置微结构22。
本实用新型在介质板的表面设置开口谐振环型微结构，通过微结构改变电磁波的透过率，降低入射角较大的电磁波的透过率，进而减小远区副瓣。与传统天线相比，本实施例提供的超材料平板天线的远区副瓣降低了接近20dB，副瓣抑制效果显著，有效提升了天线性能，该天线适用于各种通讯系统中。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (11)
1.一种超材料平板天线，其特征在于，包括辐射体及设置于电磁波辐射方向的超材料平板，所述超材料平板包括介质板及在其表面阵列排布且使电磁波的透过率随入射角的增大而减小的导电几何结构，所述导电几何结构为由金属或非金属的导电材料构成的微结构，所述微结构包括两个相对设置的开口谐振环，所述开口谐振环包括中间开口的直线段和连接所述直线段的两端之间的曲线段或折线段，两个所述开口谐振环的直线段相对设置且相互平行。
2.如权利要求1所述的超材料平板天线，其特征在于，两条所述开口谐振环的曲线段或折线段的中点之间连接一直导线，所述直导线自所述开口穿过并垂直于所述直线段。
3.如权利要求1或2所述的超材料平板天线，其特征在于，所述开口谐振环为底边开口的等腰三角形，两个等腰三角形的底边相对且平行。
4.如权利要求1或2所述的超材料平板天线，其特征在于，所述开口谐振环为底边开口的等腰梯形，两个等腰梯形的底边相对且平行。
5.如权利要求1或2所述的超材料平板天线，其特征在于，所述开口谐振环的折线段是由至少三条线段依次成角度连接而成的多段线。
6.如权利要求1或2所述的超材料平板天线，其特征在于，所述开口谐振环的曲线段为圆弧形。
7.如权利要求1所述的超材料平板天线，其特征在于，相邻微结构的间距为1/10～1/2波长。
8.如权利要求1所述的超材料平板天线，其特征在于，所述辐射体为阵列结构辐射体。
9.如权利要求8所述的超材料平板天线，其特征在于，所述微结构设置于所述介质板面向所述辐射体的表面。
10.如权利要求8所述的超材料平板天线，其特征在于，所述介质板的两表面均设有所述微结构。
11.如权利要求1所述的超材料平板天线，其特征在于，各所述微结构的形状相同，大小相等。
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| CN201420646721.5U CN204243177U (zh) | 2014-10-30 | 2014-10-30 | 一种超材料平板天线 |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112817073A (zh) * | 2020-12-31 | 2021-05-18 | 南京航空航天大学 | 一种基于无反射滤波器原理的红外吸波器 |
| CN115395243A (zh) * | 2022-07-11 | 2022-11-25 | 西安科技大学 | 一种应用于波束调控的超宽频偏振器 |
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- 2014-10-30 CN CN201420646721.5U patent/CN204243177U/zh not_active Expired - Lifetime
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