一種喇叭天線的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種喇叭天線，包括喇叭及設置在喇叭開口處的超材料套筒，所述超材料套筒包括至少一個超材料環層，所述超材料環層包括環狀基板及附著在環狀基板外側表面上的多個人造微結構，每一超材料環層任一斷面的折射率均沿垂直于喇叭口徑面的方向由內向外逐漸增大。根據本發明的喇叭天線，將折射率漸變的超材料套筒加設在標準喇叭的開口處，可以使得波前電場的幅值分布較為均勻，從而提高喇叭天線口徑面的利用效率，提高喇叭天線的遠場增益。
【專利說明】一種喇叭天線
【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及通信領域，更具體地說，涉及一種喇叭天線。
【背景技術】
[0002]喇叭天線，即波導終端張開成喇叭狀的天線，由于喇叭天線結構簡單和方向圖易于控制，通常用作中等方向性天線，如標準喇叭，最常見的是用作反射面的饋源；喇叭天線具有結構簡單、成本低、增益高等優點，在工程上有廣泛應用，但是在某些特殊領域，由于工作環境、搭載設備等條件限制，往往要求進一步改善增益性能，傳統的做法是加上校正相位的反射面或透鏡，但是這些結構都是曲面結構，在加工、安裝上有很多不便。
【發明內容】
[0003]本發明要解決的技術問題是，針對現有的喇叭天線加工難度大、成本高的缺陷，提供一種結構簡單的喇DA天線。
[0004]本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:一種喇叭天線，包括喇叭及設置在喇叭開口處的超材料套筒，所述超材料套筒包括至少一個超材料環層，所述超材料環層包括環狀基板及附著在環狀基板外側表面上的多個人造微結構，每一超材料環層任一斷面的折射率均沿垂直于喇叭口徑面的方向由內向外逐漸增大。
[0005]進一步地，每一超材料環層具有相同形狀及相同折射率分布的斷面。
[0006]進一步地，所述超材料套筒包括順序疊加的多個超材料環層。
[0007]進一步地，所述超材料套筒與喇叭的口徑面平行的任一剖面具有單一的折射率分布。
[0008]進一步地，所述超材料套筒的斷面形狀為直角梯形或矩形。
[0009]進一步地，所述人造微結構為金屬微結構，所述金屬微結構由一條或多條金屬線組成，所述金屬線為銅線、銀線或者鋁線，所述環狀基板上的多個人造微結構通過蝕刻、電鍍、鉆亥IJ、光亥IJ、電子刻或離子刻的方法得到。
[0010]進一步地，所述環狀基板上的多個人造微結構由呈平面雪花狀的金屬微結構的拓撲圖案的演變得到，所述呈平面雪花狀的金屬微結構具有相互垂直平分的第一金屬線及第二金屬線，所述第一金屬線與第二金屬線的長度相同，所述第一金屬線兩端連接有相同長度的兩個第一金屬分支，所述第一金屬線兩端連接在兩個第一金屬分支的中點上，所述第二金屬線兩端連接有相同長度的兩個第二金屬分支，所述第二金屬線兩端連接在兩個第二金屬分支的中點上，所述第一金屬分支與第二金屬分支的長度相等。
[0011]進一步地，所述呈平面雪花狀的金屬微結構的每個第一金屬分支及每個第二金屬分支的兩端還連接有完全相同的第三金屬分支，相應的第三金屬分支的中點分別與第一金屬分支及第二金屬分支的端點相連。
[0012]進一步地，所述呈平面雪花狀的金屬微結構的第一金屬線與第二金屬線均設置有兩個彎折部，所述呈平面雪花狀的金屬微結構繞第一金屬線與第二金屬線的交點在金屬微結構所處平面內向任意方向旋轉90度的圖形都與原圖重合。
[0013]進一步地，所述多個超材料環層中處于最外側的超材料環層其外側表面設置有保護層。
[0014]根據本發明的喇叭天線，將折射率漸變的超材料套筒加設在標準喇叭的開口處，可以使得波前電場的幅值分布較為均勻，從而提高喇叭天線口徑面的利用效率，提高喇叭天線的遠場增益。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]下面將結合附圖及實施例對本發明作進一步說明，附圖中:
[0016]圖1是本發明第一實施例的喇叭天線的結構示意圖；
[0017]圖2是圖1所示的喇叭天線其超材料套筒的結構示意圖；
[0018]圖3是圖2所示的超材料套筒其斷面結構示意圖；
[0019]圖4是本發明第二實施例的喇叭天線的結構示意圖；
[0020]圖5是本發明的平面雪花狀的金屬微結構的拓撲圖案的示意圖；
[0021]圖6是圖5所不的平面雪花狀的金屬微結構的一種衍生結構；
[0022]圖7是圖5所示的平面雪花狀的金屬微結構的一種變形結構；
[0023]圖8是本發明第一實施例的喇叭天線的遠場仿真示意圖。
【具體實施方式】
[0024]如圖1至圖4所示，根據本發明的喇叭天線包括喇叭LB及設置在喇叭開口處的超材料套筒TT，所述超材料套筒TT包括至少一個超材料環層10，所述超材料環層10包括環狀基板I及附著在環狀基板I外側表面上的多個人造微結構2，每一超材料環層10任一斷面的折射率均沿垂直于喇叭口徑面的方向由內向外逐漸增大。所述超材料套筒TT可以套設在喇叭開口上，也可以通過膠水粘接在喇叭開口的外側壁上。
[0025]本發明中，所述環狀基板I由F4B復合材料、FR-4復合材料、聚四氟乙烯或聚苯乙烯制成。例如，聚四氟乙烯的電絕緣性非常好，因此不會對電磁波的電場產生干擾，并且具有優良的化學穩定性、耐腐蝕性，使用壽命長。
[0026]本發明中，所述環狀基板的厚度為0.l-2mm,所述人造微結構的厚度為
0.01-0.5mm。例如,環狀基板的厚度為1mm，人造微結構的厚度為0.018mm。
[0027]本發明中，優選地，所述人造微結構2為金屬微結構，所述金屬微結構由一條或多條金屬線組成，所述金屬線為銅線、銀線或者鋁線，所述環狀基板I上的多個人造微結構通過蝕刻、電鍍、鉆刻、光刻、電子刻或離子刻的方法得到。
[0028]本發明的超材料套筒，例如可以通過如下方法制得:
[0029]( I)在環狀基板的外側表面覆銅膜；
[0030](2)通過蝕刻等工藝去掉不需要的部分銅膜，即得到了多個人造微結構在環狀基板外側表面的平面排布，也即形成了一個超材料環層；
[0031](3)根據需要，由一個超材料環層形成超材料套筒，或者將多個超材料環層用熱熔膠粘接得到多層的超材料套筒。熱熔膠的材料最好與超材料環層的材料保持一致。
[0032]本發明中，優選地，所述環狀基板I上的多個人造微結構由圖5所示的呈平面雪花狀的金屬微結構的拓撲圖案的演變得到。即圖5所示的金屬微結構的拓撲圖案為呈平面雪花狀的金屬微結構的基本平面拓撲圖案，同一基材上的所有金屬微結構的拓撲圖案均由圖5所示的圖案演變得到。
[0033]如圖5所示，所述呈平面雪花狀的金屬微結構具有相互垂直平分的第一金屬線Jl及第二金屬線J2，所述第一金屬線Jl與第二金屬線J2的長度相同，所述第一金屬線Jl兩端連接有相同長度的兩個第一金屬分支F1，所述第一金屬線Jl兩端連接在兩個第一金屬分支Fl的中點上，所述第二金屬線J2兩端連接有相同長度的兩個第二金屬分支F2，所述第二金屬線J2兩端連接在兩個第二金屬分支F2的中點上，所述第一金屬分支Fl與第二金屬分支F2的長度相等。
[0034]圖6是圖5所示的平面雪花狀的金屬微結構的一種衍生結構。其在每個第一金屬分支Fl及每個第二金屬分支F2的兩端均連接有完全相同的第三金屬分支F3，并且相應的第三金屬分支F3的中點分別與第一金屬分支Fl及第二金屬分支F2的端點相連。依此類推，本發明還可以衍生出其它形式的金屬微結構。同樣，圖6所示的只是基本平面拓撲圖案。
[0035]圖7是圖5所示的平面雪花狀的金屬微結構的一種變形結構，此種結構的金屬微結構，第一金屬線Jl與第二金屬線J2不是直線，而是彎折線，第一金屬線Jl與第二金屬線J2均設置有兩個彎折部WZ，但是第一金屬線Jl與第二金屬線J2仍然是垂直平分，通過設置彎折部的朝向與彎折部在第一金屬線與第二金屬線上的相對位置，使得圖7所示的金屬微結構繞垂直于第一金屬線與第二金屬線交點的軸線向任意方向旋轉90度的圖形都與原圖重合。另外，還可以有其它變形，例如，第一金屬線Jl與第二金屬線J2均設置多個彎折部WZ。同樣，圖7所示的只是基本平面拓撲圖案。
[0036]已知折射率,其中U為相對磁導率，e為相對介電常數，U與e合稱為電磁參數。在環狀基板的材料選定的情況下，利用只對電場響應的人造微結構可以實現折射率的任意值(在一定范圍內)，在該喇叭天線中心頻率下，利用仿真軟件，如CST、MATLAB,COMSOL等，通過仿真獲得某一特定形狀的人造微結構(如圖5所示的平面雪花狀的金屬微結構)的介電常數(折射率)隨著拓撲圖案的變化折射率變化的情況，即可列出一一對應的數據，即可設計出我們需要的特定折射率分布的超材料環層。
[0037]如圖1至圖3所示，為本發明第一實施例的喇叭天線。所述喇叭LB為角錐喇叭，所述超材料套筒TT由三個超材料環層10順序疊加形成(相互之間通過膠水粘接)，處于最外側的超材料環層10其外側表面設置有保護層20。所述保護層為PS塑料、PET塑料或HIPS塑料，所述保護層的厚度為0.l-2mm。例如，保護層為0.1mm的HIPS塑料。
[0038]本實施例中，每一超材料環層10具有相同形狀及相同折射率分布的斷面，且所述超材料套筒TT與喇叭的口徑面平行的任一剖面具有單一的折射率分布，即超材料套筒在徑向上具有相同的折射率，且所述超材料套筒TT與喇叭的口徑面平行的任一剖面為方形環。
[0039]作為一個具體的例子，以最外層的超材料環層10為例，其環狀基板的外側表面上具有如圖2所示的人造微結構排布形式。
[0040]在圖2中，基板上的所述多個人造微結構具有相同的拓撲圖案，即圖5所示的金屬微結構的拓撲圖案為呈平面雪花狀的金屬微結構的基本平面拓撲圖案。通過改變第一金屬分支與第二金屬分支的長度來實現超材料環層任一斷面的折射率沿垂直于喇叭口徑面的方向由內向外逐漸增大。第一金屬分支與第二金屬分支長度相等，這樣第一金屬分支或第二金屬分支越長，則其與環狀基板所構成的等效介電常數就越大，在磁導率不變的情況下，相當于，第一金屬分支或第二金屬分支越長則該人造微結構與環狀基板所構成的等效折射率越大。
[0041]本實施例中，如圖3所示，所述每一超材料環層10的斷面均為直角梯形，由三個超材料環層10順序疊加形成的所述超材料套筒的斷面DM形狀也為直角梯形。
[0042]根據第一實施例，對具有如下參數的喇叭天線進行仿真模擬測試:
[0043]喇叭天線的中心頻率為18.356GHZ ；
[0044]如圖3所示，超材料套筒TT的直角梯形斷面的上邊SB為19mm，下邊XB為3mm，高(即超材料套筒的徑向厚度HD)為3.054mm。
[0045]超材料套筒TT靠近喇叭口徑面的剖面其折射率為1.56，沿垂直于喇叭口徑面的方向由內向外，各個剖面的折射率逐漸增大，最外側的剖面的折射率為8。
[0046]如圖8所示，為該喇叭天線的遠場圖，從圖8中可以看出，本實施例的喇叭天線相較于標準喇叭，其增益提高了。
[0047]如圖4所示，為本發明第二實施例的喇叭天線。所述喇叭LB為圓錐喇叭，所述超材料套筒TT由三個超材料環層順序疊加形成(相互之間通過膠水粘接),處于最外側的超材料環層其外側表面設置有保護層20。所述保護層為PS塑料、PET塑料或HIPS塑料，所述保護層的厚度為0.l-2mm。例如，保護層為0.1mm的HIPS塑料。
[0048]本實施例中，每一超材料環層具有相同形狀及相同折射率分布的斷面，且所述超材料套筒TT與喇叭的口徑面平行的任一剖面具有單一的折射率分布，即超材料套筒在徑向上具有相同的折射率，且所述超材料套筒TT與喇叭的口徑面平行的任一剖面為圓環。
[0049]本實施例中，所述每一超材料環層的斷面均為直角梯形，由三個超材料環層順序疊加形成的所述超材料套筒的斷面形狀也為直角梯形。
[0050]上面結合附圖對本發明的實施例進行了描述，但是本發明并不局限于上述的【具體實施方式】，上述的【具體實施方式】僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領域的普通技術人員在本發明的啟示下，在不脫離本發明宗旨和權利要求所保護的范圍情況下，還可做出很多形式，這些均屬于本發明的保護之內。
【權利要求】
1.一種喇叭天線，其特征在于，包括喇叭及設置在喇叭開口處的超材料套筒，所述超材料套筒包括至少一個超材料環層，所述超材料環層包括環狀基板及附著在環狀基板外側表面上的多個人造微結構，每一超材料環層任一斷面的折射率均沿垂直于喇叭口徑面的方向由內向外逐漸增大。
2.根據權利要求1所述的喇叭天線，其特征在于，每一超材料環層具有相同形狀及相同折射率分布的斷面。
3.根據權利要求2所述的喇叭天線，其特征在于，所述超材料套筒包括順序疊加的多個超材料環層。
4.根據權利要求3所述的喇叭天線，其特征在于，所述超材料套筒與喇叭的口徑面平行的任一剖面具有單一的折射率分布。
5.根據權利要求4所述的喇叭天線，其特征在于，所述超材料套筒的斷面形狀為直角梯形或矩形。
6.根據權利要求1所述的喇叭天線，其特征在于，所述人造微結構為金屬微結構，所述金屬微結構由一條或多條金屬線組成，所述金屬線為銅線、銀線或者鋁線，所述環狀基板上的多個人造微結構通過蝕刻、電鍍、鉆刻、光刻、電子刻或離子刻的方法得到。
7.根據權利要求6所述的喇叭天線，其特征在于，所述環狀基板上的多個人造微結構由呈平面雪花狀的金屬微結構的拓撲圖案的演變得到，所述呈平面雪花狀的金屬微結構具有相互垂直平分的第一金屬線及第二金屬線，所述第一金屬線與第二金屬線的長度相同，所述第一金屬線兩端連接有相同長度的兩個第一金屬分支，所述第一金屬線兩端連接在兩個第一金屬分支的中點上，所述第二金屬線兩端連接有相同長度的兩個第二金屬分支，所述第二金屬線兩端連接在兩個第二金屬分支的中點上，所述第一金屬分支與第二金屬分支的長度相等。
8.根據權利要求7所述的喇叭天線，其特征在于，所述呈平面雪花狀的金屬微結構的每個第一金屬分支及每個第二金屬分支的兩端還連接有完全相同的第三金屬分支，相應的第三金屬分支的中點分別與第一金屬分支及第二金屬分支的端點相連。
9.根據權利要求7所述的卡塞格倫型超材料天線，其特征在于，所述呈平面雪花狀的金屬微結構的第一金屬線與第二金屬線均設置有兩個彎折部，所述呈平面雪花狀的金屬微結構繞第一金屬線與第二金屬線的交點在金屬微結構所處平面內向任意方向旋轉90度的圖形都與原圖重合。
10.根據權利要求3所述的喇叭天線，其特征在于，所述多個超材料環層中處于最外側的超材料環層其外側表面設置有保護層。
【文檔編號】H01Q19/08GK103682675SQ201210316831
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2012年8月31日 優先權日:2012年8月31日
【發明者】劉若鵬, 季春霖, 岳玉濤, 郭潔, 劉豫青 申請人:深圳光啟創新技術有限公司