一種超材料微波天線的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種超材料微波天線，其包括超材料面板、饋源、第一級副反射面以及第二級副反射面，所述超材料面板的中心設置有第一中心孔，所述第二級副反射面的中心設置有第二中心孔；所述第一級副反射面嵌于所述超材料面板的第一中心孔上，所述饋源嵌于所述第二級副反射面的第二中心孔上。本發明利用超材料可進行匯聚電磁波的性質及利用類雙曲面型超材料和旋轉雙曲面分別作為第一級副反射面和第二級副反射面，可使天線的結構更加緊湊，且在效果上等效于具有長焦距的微波天線，同時調節口徑面上的能量分布，從而提高天線的口徑效率，得到了良好的遠場輻射場響應；此外，其加工難度小，成本低。
【專利說明】一種超材料微波天線
【技術領域】
[0001]本發明涉及通信領域，更具體地說，涉及一種超材料微波天線。
【背景技術】
[0002]微波是電磁波譜中介于超短波與紅外線之間的波段，它屬于無線電中波長最短(頻率最高)的波段，其頻率范圍從300MHz (波長Im)至300GHz (波長0.1m)。工作于米波、分米波、厘米波、毫米波等波段的發射或接收天線統稱為微波天線。在微波天線中，應用較廣的有拋物面天線、喇叭拋物面天線、喇叭天線及透鏡天線等。
[0003]例如，現有的衛星電視接收天線就是拋物面天線，所述拋物面天線負責將衛星信號反射到饋源和高頻頭內。饋源是在拋物面天線的焦點處設置的一個用于收集衛星信號的喇叭，又稱波紋喇叭。其主要功能有兩個:一是將天線接收的電磁波信號收集起來，變換成信號電壓，供給高頻頭。二是對接收的電磁波進行極化轉換。高頻頭LNB (亦稱降頻器)是將饋源送來的衛星信號進行降頻和信號放大然后傳送至衛星接收機。
[0004]LNB的工作流程就是先將衛星高頻訊號放大至數十萬倍后再利用本地振蕩電路將高頻訊號轉換至中頻950MHz-2050MHz，以利于同軸電纜的傳輸及衛星接收機的解調和工作。衛星接收機是將高頻頭輸送來的衛星信號進行解調，解調出衛星電視圖像或數字信號和伴音信號。接收衛星信號時，平行的電磁波通過拋物面天線反射后，匯聚到饋源上。通常，拋物面天線對應的饋源是一個喇叭天線。然而，由于拋物面天線的反射面的曲面加工難度大，精度要求也高，制造麻煩，且成本較高。此外，所述現有的拋物面天線體積較大、口徑效率低。
【發明內容】
[0005]本發明所要解決的技術問題是，針對現有的微波天線加工不易、成本高的缺陷，提供一種加工簡單、制造成本低的超材料微波天線。
[0006]本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:
[0007]一種超材料微波天線，包括超材料面板、饋源、第一級副反射面以及第二級副反射面，所述超材料面板的中心設置有第一中心孔，所述第二級副反射面的中心設置有第二中心孔；所述第一級副反射面嵌于所述超材料面板的第一中心孔上，所述饋源嵌于所述第二級副反射面的第二中心孔上；
[0008]所述第一級副反射面為類雙曲面型超材料，所述第二級副反射面為旋轉雙曲面；所述類雙曲面型超材料包括發散超材料以及位于所述發散超材料一側的反射層；
[0009]所述超材料面板包括核心層，所述核心層包括至少一個核心層片層，所述核心層片層以及發散超材料均包括片狀的基材以及設置在基材上的多個人造微結構；
[0010]所述核心層片層按照折射率分布可劃分為分布在所述第一中心孔周圍且與所述第一中心孔共圓心的多個環形區域，所述環形區域內相同半徑處的折射率相同，且在環形區域各自的區域內隨著半徑的增大折射率逐漸減小，相鄰兩個環形區域中處于內側的環形區域的折射率的最小值小于處于外側的環形區域的折射率的最大值。
[0011]進一步地，所述第一級副反射面中心對稱軸與第二級副反射面的焦軸重合。
[0012]進一步地，所述第一級副反射面的焦軸以及第二級副反射面的中心對稱軸均與所述超材料面板的對稱軸重合。
[0013]進一步地，所述發散超材料內折射率的分布規律為:在所述發散超材料的圓心處的折射率為最大值，隨著半徑的增加，折射率逐漸減小，且相同半徑處的折射率相同。
[0014]進一步地，所述核心層包括多個折射率分布相同且相互平行的核心層片層。
[0015]進一步地，所述第二級副反射面為金屬反射面。
[0016]進一步地，所述核心層片層內的每一環形區域均具有相同的折射率變化范圍。
[0017]進一步地，所述超材料面板還包括設置在核心層兩側的匹配層，以實現從空氣到核心層的阻抗匹配。
[0018]進一步地，所述核心層的每一核心層片層的多個人造微結構形狀相同，所述環形區域內相同半徑處的多個人造微結構具有相同的幾何尺寸，且在環形區域各自的區域內隨著半徑的增大人造微結構的幾何尺寸逐漸減小，相鄰兩個環形區域，處于內側的環形區域內幾何尺寸最小的人造微結構的幾何尺寸小于處于外側的環形區域內幾何尺寸最大的人造微結構的幾何尺寸。
[0019]進一步地，所述人造微結構為平面雪花狀的金屬微結構。
[0020]本發明超材料微波天線的有益效果:本發明利用超材料可進行匯聚電磁波的性質及利用類雙曲面型超材料和旋轉雙曲面作為第一級副反射面和第二級副反射面，可使天線的結構更加緊湊，且在效果上等效于具有長焦距的微波天線，同時調節口徑面上的能量分布，從而提高天線的口徑效率，得到了良好的遠場輻射場響應；此外，其加工難度小，成本低。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]圖1是本發明的所述超材料微波天線的結構示意圖；
[0022]圖2是本發明的核心層片層的折射率分布示意圖；
[0023]圖3是本發明的類雙曲面型超材料的結構示意圖；
[0024]圖4是本發明的發散超材料的折射率分布示意圖。
【具體實施方式】
[0025]如圖1所示，根據本發明所述的超材料微波天線包括饋源10、第一級副反射面20、第二級副反射面30以及超材料面板40。所述超材料面板40設置有位于其中心的圓形的第一中心孔，所述第二級副反射面30設置有位于其中心的第二中心孔，所述超材料面板40包括核心層401及設置在核心層401兩側表面的匹配層402,所述核心層401包括至少一個核心層片層，所述核心層片層包括片狀的基材以及設置在基材上的多個人造微結構，所述核心層片層按照折射率分布可劃分為分布在第一中心孔周圍且與所述第一中心孔共圓心的多個環形區域。相鄰兩個環形區域中，處于內側的環形區域的折射率的最小值小于處于外側的環形區域的折射率的最大值。核心層片層按照折射率劃分為多個環形區域是為了更好的描述本發明，并不意味著本發明的核心層片層具有此種實際結構。[0026]本發明中，所述超材料面板40的縱向橫截面可以是具有中心圓孔的矩形，也可以是環形，還可以是其他本領域的技術人員能夠想到的圖形，如圖2所示，所述超材料面板40為環形，即該環形超材料面板包括環形核心層以及位于該環形核心層兩側的環形匹配層，匹配層用于電磁波從空氣傳輸到環形核心層或者環形核心層傳輸到空氣的阻抗匹配。其中，環形核心層包括至少一個環形核心層片層組成。每一環形核心層片層按照折射率排布規律可以分成多個環形區域，例如，如圖2所示，該環形核心層片層按照折射率的排布規律分為H1、H2、H3三個區域，其中在H1、H2、H3各自的區域內隨著半徑的增加折射率逐漸減小，且同一半徑處的折射率相同；在Hl、H2、H3三個區域內，都具有相同的折射率變化范圍，例如:三個區域內的折射率均為5、4、3、2、1，且相鄰兩個環形區域中處于內側的環形區域的折射率的最小值小于處于外側的環形區域的折射率的最大值。即在Hl和H2區域的交界處，位于Hl的區域內的折射率為1，但是位于H2區域內的折射率就是為5，H2和H3區域之間的交界處也是如此。
[0027]本發明中，所述第一級副反射面20設置在超材料面板40的第一中心孔上，并位于所述超材料面板40的中軸線上，即饋源10與核心層片層的中心的連線與超材料面板40的中軸線重合。如圖1所示，饋源10嵌于第二級副反射面30的中心的第二中心孔上；第一級副反射面20嵌于圓環形超材料面板40的內圓上；饋源10的相位中心(需要測定)置于第一級副反射面20的等效外側焦點A上，第二級副反射面30的遠端焦點置于第一級副反射面20的等效內側焦點B上，第二級副反射面30的近端焦點記為C ；
[0028]所述第一級副反射面20為類雙曲面型超材料，第二級副反射面30為旋轉雙曲面，本實施中的旋轉雙曲面為金屬旋轉雙曲面，優選銅旋轉雙曲面。上述旋轉雙曲面的焦軸和類雙曲面型超材料的中心對稱軸重合，且類雙曲面型超材料的中心對稱軸與超材料面板40的對稱軸重合；所述饋源10與超材料面板40均有支架支撐，圖中并未示出支架，其不是本發明的核心，采用傳統的支撐方式即可。另外饋源10優選為喇叭天線。
[0029]如圖3所示，所述類雙曲面型超材料包括發散超材料201以及位于所述發散超材料一側的反射層202，所述反射板202為金屬反射層，可以選用銅等金屬。所述發散超材料201跟超材料片層一樣，也包括片狀的基材以及設置在基材上的多個人造微結構；所述發散超材料內折射率的分布規律為:在所述發散超材料的圓心處的折射率為最大值，隨著半徑的增加，折射率逐漸減小，且相同半徑處的折射率相同，如圖4所示。所述反射層202與發散超材料202可以通過雙面膠粘接，或者通過螺栓等固定連接。
[0030]所述核心層401包括多個折射率分布相同且相互平行的核心層片層。多個核心層片層緊密貼合，相互之間也可以通過雙面膠粘接，或者通過螺栓等固定連接。
[0031]本發明的人造微結構優選為金屬微結構，所述金屬微結構由一條或多條金屬線組成。金屬線本身具有一定的寬度及厚度。本發明的金屬微結構優選為具有各向同性的電磁參數的金屬微結構，所述金屬微結構為平面雪花狀的金屬微結構。
[0032]對于具有平面結構的人造微結構，各向同性，是指對于在該二維平面上以任一角度入射的任一電磁波，上述人造微結構在該平面上的電場響應和磁場響應均相同，也即介電常數和磁導率相同；對于具有三維結構的人造微結構，各向同性是指對于在三維空間的任一方向上入射的電磁波,每個上述人造微結構在三維空間上的電場響應和磁場響應均相同。當人造微結構為90度旋轉對稱結構時，人造微結構即具有各向同性的特征。[0033]對于二維平面結構，90度旋轉對稱是指其在該平面上繞一垂直于該平面且過其對稱中心的旋轉軸任意旋轉90度后與原結構重合；對于三維結構，如果具有兩兩垂直且共交點(交點為旋轉中心)的3條旋轉軸，使得該結構繞任一旋轉軸旋轉90度后均與原結構重合或者與原結構以一分界面對稱，則該結構為90度旋轉對稱結構。
[0034]已知折射率n=，其中μ為相對磁導率，ε為相對介電常數，μ與ε合稱為電磁參數。實驗證明，電磁波通過折射率非均勻的介質材料時，會向折射率大的方向偏折(向折射率大的超材料單元偏折)。因此，本發明的核心層對電磁波具有匯聚作用，衛星或基站等發出的電磁波首先通過饋源10發射電磁波，依次經過第一級副反射面20以及第二級副反射30反射后，再通過超材料面板40的匯聚作用，因此，合理設計核心層401的折射率分布，可以使得衛星或基站等發出的電磁波依次經過第一次反射、第二次反射后，再經過超材料面板匯聚，可以將電磁波輻射到自由空間中，且能提高天線的增益。如果在基材的材料選定的情況下，可以通過設計人造微結構的形狀、幾何尺寸和/或人造微結構在基材上的排布獲得超材料內部的電磁參數分布，本發明中，所述核心層401的每一核心層片層的多個人造微結構形狀相同，所述環形區域內相同半徑處的多個人造微結構具有相同的幾何尺寸，且在環形區域各自的區域內隨著半徑的增大人造微結構的幾何尺寸逐漸減小，相鄰兩個環形區域，處于內側的環形區域內幾何尺寸最小的人造微結構的幾何尺寸小于處于外側的環形區域內幾何尺寸最大的人造微結構的幾何尺寸，從而設計出每一核心層片層的折射率分布。首先從超材料所需要的效果出發計算出超材料內部的電磁參數空間分布，根據電磁參數的空間分布來選擇人造微結構的形狀、幾何尺寸(計算機中事先存放有多種人造微結構數據)，對人造微結構的設計可以用窮舉法，例如先選定一個具有特定形狀的人造微結構，計算電磁參數，將得到的結果和我們想要的對比，循環多次，一直到找到我們想要的電磁參數為止，若找到了，則完成了人造微結構的設計參數選擇；若沒找到，則換一種形狀的人造微結構，重復上面的循環，一直到找到我們想要的電磁參數為止。如果還是未找到，則上述過程也不會停止。也就是說只有找到了我們需要的電磁參數的人造微結構，程序才會停止。由于這個過程都是由計算機完成的，因此，看似復雜，其實很快就能完成。
[0035]本發明中，所述核心層401和類雙曲面型超材料的基材均由陶瓷材料、高分子材料、鐵電材料、鐵氧材料或鐵磁材料等制得。高分子材料可選用的有聚四氟乙烯、環氧樹脂、F4B復合材料、FR-4復合材料等。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。
[0036]本發明中，所述金屬微結構為銅線或銀線等金屬線。上述的金屬線可以通過蝕刻、電鍍、鉆刻、光刻、電子刻或離子刻的方法附著在基材上。當然，也可以采用三維的激光加工工藝。
[0037]如圖1所示，為本發明第一實施例的超材料面板的結構示意圖，在本實施例中，所述超材料面板還包括設置在核心層兩側的匹配層402，以實現從空氣到核心層401的阻抗匹配。我們知道，介質之間的折射率相差越大，則電磁波從一介質入射到另一介質時，反射越大,反射大,意味著能量的損失,這時候就需要折射率的匹配，已知折射率11=.，其中μ為相對磁導率，ε為相對介電常數，μ與ε合稱為電磁參數。我們知道空氣的折射率為1，因此，這樣設計匹配層，即靠近空氣的一側的折射率與空氣基本相同，靠近核心層的一側的折射率與其相接的核心層片層折射率基本相同。這樣，就實現了從空氣到核心層的折射率匹配，減小了反射，即能量損失可以大大的降低，這樣電磁波可以傳輸的更遠。
[0038]綜上所述，本發明利用超材料可進行匯聚電磁波的性質及利用旋轉雙曲面作為副反射面，可使天線的結構更加緊湊，且在效果上等效于具有長焦距的微波天線，同時調節口徑面上的能量分布，從而提高天線的口徑效率，得到了良好的遠場輻射場響應；此外，其加工難度小，成本低。
[0039]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】
1.一種超材料微波天線，其特征在于，包括超材料面板、饋源、第一級副反射面以及第二級副反射面，所述超材料面板的中心設置有第一中心孔，所述第二級副反射面的中心設置有第二中心孔；所述第一級副反射面嵌于所述超材料面板的第一中心孔上，所述饋源嵌于所述第二級副反射面的第二中心孔上； 所述第一級副反射面為類雙曲面型超材料，所述第二級副反射面為旋轉雙曲面；所述類雙曲面型超材料包括發散超材料以及位于所述發散超材料一側的反射層； 所述超材料面板包括核心層，所述核心層包括至少一個核心層片層，所述核心層片層以及發散超材料均包括片狀的基材以及設置在基材上的多個人造微結構； 所述核心層片層按照折射率分布可劃分為分布在所述第一中心孔周圍且與所述第一中心孔共圓心的多個環形區域，所述環形區域內相同半徑處的折射率相同，且在環形區域各自的區域內隨著半徑的增大折射率逐漸減小，相鄰兩個環形區域中處于內側的環形區域的折射率的最小值小于處于外側的環形區域的折射率的最大值。
2.根據權利要求1所述的一種超材料微波天線，其特征在于，所述第一級副反射面中心對稱軸與第二級副反射面的焦軸重合。
3.根據權利要求2所述的一種超材料微波天線，其特征在于，所述第一級副反射面的焦軸以及第二級副反射面的中心對稱軸均與所述超材料面板的對稱軸重合。
4.根據權利要求1所述的一種超材料微波天線，其特征在于，所述發散超材料內折射率的分布規律為:在所述發散超材料的圓心處的折射率為最大值，隨著半徑的增加，折射率逐漸減小，且相同半徑處的折射率相同。
5.根據權利要求1所述的一種超材料微波天線，其特征在于，所述核心層包括多個折射率分布相同且相互平行的核心層片層。
6.根據權利要求1所述的一種超材料微波天線，其特征在于，所述第二級副反射面為金屬反射面。
7.根據權利要求5所述的一種超材料微波天線，其特征在于，所述核心層片層內的每一環形區域均具有相同的折射率變化范圍。
8.根據權利要求1所述的一種超材料微波天線，其特征在于，所述超材料面板還包括設置在核心層兩側的匹配層，以實現從空氣到核心層的阻抗匹配。
9.根據權利要求1至8任意一項所述的一種超材料微波天線，其特征在于，所述核心層的每一核心層片層的多個人造微結構形狀相同，所述環形區域內相同半徑處的多個人造微結構具有相同的幾何尺寸，且在環形區域各自的區域內隨著半徑的增大人造微結構的幾何尺寸逐漸減小，相鄰兩個環形區域，處于內側的環形區域內幾何尺寸最小的人造微結構的幾何尺寸小于處于外側的環形區域內幾何尺寸最大的人造微結構的幾何尺寸。
10.根據權利要求1所述的一種超材料微波天線，其特征在于，所述人造微結構為平面雪花狀的金屬微結構。
【文檔編號】H01Q15/23GK103682671SQ201210319666
【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, 楊青, 殷俊 申請人:深圳光啟創新技術有限公司