一種基于超材料加載的高增益喇叭天線的制作方法
【技術領域】
[0001]本實用新型屬于微波毫米波天線技術領域，涉及一種高增益喇叭天線。
【背景技術】
[0002]喇叭天線是現代通信以及雷達系統中常用的一種天線形式，因其具有高功率容量以及低損耗等特點，特別適用于大功率以及極高頻系統中。只是，隨著現代通信以及雷達系統的快速發展，微波毫米波天線的電性能要求越來越高，同時還向著小型化、輕量化、集成化、低成本化的方向發展，因此，喇叭天線的改進設計仍是科學界以及工業界的一大熱點。
[0003]為提高喇叭天線的輻射增益進而實現系統的遠距離工作，楊銳等人公開了一種介質透鏡加載的高增益超寬帶波紋雙脊喇叭天線(楊銳、孔祥輝、王慧、雷振亞，透鏡加載的高增益超寬帶波紋雙脊喇叭天線，中國發明專利，申請號201410740432.6，申請日2014.12.08)，通過加載特定曲面的介質材料，實現了喇叭天線輸出端口面的電磁波相位調整進而提高了天線的輻射增益。只是該喇叭天線存在結構復雜、加工成本高、重量重等缺點。Abdelrahman等人公開了一種通過三層透射表面加載的高增益天線(A.H.Abdelrahman, A.Z.Elsherbeni, and Y.Fan, ^High-Gain and BroadbandTransmitarray Antenna Using Triple-Layer Spiral Dipole Elements, "Antennas andWireless Propagat1n Letters, IEEE, vol.13, pp.1288-1291，2014)，通過調整三層透射結構的不同尺寸單元排布，實現天線輸出端口面的電磁波相位調整進而提升天線的輻射增益。只是三層透射表面的加工誤差大、成本高，各層結構之間耦合特性分析困難導致設計周期長。
【發明內容】
[0004]本實用新型的目的在于克服上述現有技術存在的不足，提供一種基于超材料加載的高增益喇叭天線，在實現天線高增益輻射的前提下，同時實現其結構的集成化、輕量化和低成本化。
[0005]為實現上述目的，本實用新型采取的技術方案是:一種基于超材料加載的高增益喇叭天線，包括標準喇叭天線、超材料平板以及用于超材料平板定位固定的四個螺絲釘；所述超材料平板由印制在單層介質基片上的多個第一超材料結構單元、第二超材料結構單元、第三超材料結構單元以及第四超材料結構單元平行緊貼排列而成，四種超材料結構單元的具體個數與排列順序由標準喇叭天線輸出端口面的尺寸以及電磁波幅度相位分布情況而定，在超材料平板的四角鉆有四個定位固定用的通孔；所述標準喇叭天線的輸出端面四角鉆有四個定位固定用的螺絲孔；所述四個螺絲釘的螺紋直徑與標準喇叭天線上的四個螺絲孔直徑以及超材料平板上的四個通孔直徑相同，通過四個螺絲釘將超材料平板固定在標準喇叭天線的輸出端面上。
[0006]進一步的，所述第一超材料結構單元由印制在介質基片正面的單層直金屬條構成；所述第二超材料結構單元由印制在介質基片正面的單層工字型金屬條構成；所述第三超材料結構單元由印制在介質基片正反面的雙層直金屬條構成；所述第四超材料結構單元由印制在介質基片正反面的雙層直金屬縫隙構成；所述第一超材料結構單元、第二超材料結構單元、第三超材料結構單元以及第四超材料結構單元其整個單元外邊框均成正方形，且具有相同邊長。
[0007]進一步的，所述超材料平板的外邊框尺寸不超過標準喇叭天線I的輸出端面外邊框尺寸。
[0008]本實用新型與現有技術相比，具有以下優點和有益效果:
[0009](I)本實用新型所采用的超材料平板由單層平面介質基板印制四種不同超材料結構單元并按照一定規律平行緊貼排列而成，具有設計簡單、成本低、制備周期短、重量輕等優點；同時，因為采用了四種不同超材料結構單元的組合排列，可以實現喇叭天線輸出端口面電磁波幅度相位的大范圍調整，進而提高喇叭天線的輻射增益。
[0010](2)本實用新型是在已經批量化生產使用的標準喇叭天線輸出端口面上通過四個螺絲釘將超材料平板加載上去，來提升其輻射增益，應用推廣便捷、成本低，且整體結構具有高集成化優點。
[0011](3)本實用新型可以通過更換不同結構尺寸的超材料平板來輕松實現不同輻射特性的高增益喇叭天線，而且超材料平板還能起到保護喇叭天線免遭粉塵、沙粒填充的危險，因此其適用場合廣泛。
【附圖說明】
[0012]圖1是本實用新型的總體結構展開示意圖。
[0013]圖2是本實用新型所采用的超材料平板正視圖。
[0014]圖3是本實用新型在IlOGHz極高頻遠場E面方向圖。
【具體實施方式】
[0015]為了使本實用新型的目的、解決的技術問題以及技術方案更加清晰，下面結合附圖和具體實施例對本實用新型做進一步的描述。
[0016]圖1為本實用新型的一個具體實施例總體結構展開示意圖，包括標準喇叭天線1、超材料平板2以及用于超材料平板定位固定的四個螺絲釘3。所述超材料平板2由印制在厚度為0.127mm的低損耗Rogers 5880介質基片20兩面的22個第一超材料結構單元21、22個第二超材料結構單元22、73個第三超材料結構單元23以及46個第四超材料結構單元24平行緊貼排列而成，在超材料平板的四角鉆有四個定位固定用的通孔25 ;所述標準喇叭天線I選擇工作于75?IlOGHz的W波段標準角錐喇叭天線，在其輸出端面四角鉆有四個定位固定用的螺絲孔11 ;所述四個螺絲釘3的螺紋直徑與標準喇叭天線I上的四個螺絲孔11直徑以及超材料平板上的四個通孔25直徑相同，均為2mm ;通過四個螺絲釘3將超材料平板2集成固定在標準喇叭天線I的輸出端面上。
[0017]進一步的，如圖2的超材料平板正視圖所示，所述22個第一超材料結構單元21由印制在介質基片20正面的單層直金屬條構成，每個結構單元的金屬條尺寸根據位置不同略有調整；所述22個第二超材料結構單元22由印制在介質基片20正面的單層工字型金屬條構成，每個結構單元的工字型金屬條尺寸根據位置不同也略有調整；所述73個第三超材料結構單元23由印制在介質基片20正反面的雙層直金屬條構成，每個結構單元的雙層金屬條結構尺寸根據位置不同也略有調整；所述46個第四超材料結構單元24由印制在介質基片20正反面的雙層直金屬縫隙構成，每個結構單元的雙層直金屬縫隙尺寸同樣根據位置不同略做調整；所述第一超材料結構單元21、第二超材料結構單元22、第三超材料結構單元23以及第四超材料結構單元24雖然其內部金屬部分結構尺寸各不相同，但是其整個單元邊界尺寸均成正方形，且具有相同的1.5mm邊長。
[0018]進一步的，所述超材料平板2的外邊框尺寸與標準喇叭天線I的輸出端面外邊框尺寸相同，均為40mm*36mm。
[0019]本實用新型的技術方案的原理是:第一超材料結構單元21、第二超材料結構單元22、第三超材料結構單元23以及第四超材料結構單元24受電磁波照射后，可宏觀等效為具有不同介電常數以及磁導率的超材料，改變上述四種超材料結構中的金屬部分結構尺寸，可以對其所等效的介電常數以及磁導率參數值進行調整。將多種具有不同內部結構尺寸的第一超材料結構單元21、第二超材料結構單元22、第三超材料結構單元23以及第四超材料結構單元24平行緊貼排列在一起后，就形成了具有各向異性的超材料平板。利用該超材料平板可以實現空間電磁波的幅度、相位調整。而對于傳統的標準喇叭天線，因為其輻射口徑面是從一個標準矩形波導通過線性漸變方式逐步擴展而成的，在其最終的輸出端口面上，電磁波的幅度和相位分布均不相同，這就導致了其輻射增益受限。本實用新型正是通過將具有空間電磁波幅度、相位調整能力的超材料平板加載到標準喇叭天線輸出端口面上，在不增加口徑面積的前提下，實現喇叭天線輸出端口面上的電磁波幅度和相位均勻化，進而提升其輻射增益。
[0020]圖3給出了本具體實施中喇叭天線在IlOGHz的E面方向圖，其最大增益達到26.3dB，比未加載超材料平板之前的標準角錐喇叭天線增益增加了 2.7dB ;相應的反射系數小于-10dB。
[0021]本領域的普通技術人員將會意識到，這里所述的實施例是為了幫助讀者理解本實用新型的原理，應被理解為本實用新型的保護范圍并不局限于這樣的特別陳述和實施例。本領域的普通技術人員可以根據本實用新型公開的這些技術啟示做出各種不脫離本實用新型的其它各種具體變形和組合，這些變形和組合仍然在本實用新型的保護范圍內。
【主權項】
1.一種基于超材料加載的高增益喇叭天線，包括標準喇叭天線(I)、超材料平板(2)以及用于超材料平板定位固定的四個螺絲釘(3)，其特征在于:所述超材料平板(2)由印制在單層介質基片(20)上的多個第一超材料結構單元(21)、第二超材料結構單元(22)、第三超材料結構單元(23)以及第四超材料結構單元(24)平行緊貼排列而成，四種超材料結構單元的具體個數與排列順序由標準喇叭天線輸出端口面的尺寸以及電磁波幅度相位分布情況而定，在超材料平板的四角鉆有四個定位固定用的通孔(25);所述標準喇叭天線(I)的輸出端面四角鉆有四個定位固定用的螺絲孔(11);所述四個螺絲釘(3)的螺紋直徑與標準喇叭天線(I)上的四個螺絲孔(11)直徑以及超材料平板上的四個通孔(25)直徑相同，通過四個螺絲釘(3)將超材料平板(2)固定在標準喇叭天線⑴的輸出端面上。2.根據權利要求1所述的基于超材料加載的高增益喇叭天線，其特征在于:所述第一超材料結構單元(21)由印制在介質基片(20)正面的單層直金屬條構成；所述第二超材料結構單元(22)由印制在介質基片(20)正面的單層工字型金屬條構成；所述第三超材料結構單元(23)由印制在介質基片(20)正反面的雙層直金屬條構成；所述第四超材料結構單元(24)由印制在介質基片(20)正反面的雙層直金屬縫隙構成；所述第一超材料結構單元(21)、第二超材料結構單元(22)、第三超材料結構單元(23)以及第四超材料結構單元(24)其整個單元邊界均成正方形，且具有相同邊長。3.根據權利要求1所述的基于超材料加載的高增益喇叭天線，其特征在于:所述超材料平板(2)的外邊框尺寸不超過標準喇叭天線(I)的輸出端面外邊框尺寸。
【專利摘要】本實用新型公開了一種基于超材料加載的高增益喇叭天線，包括標準喇叭天線、超材料平板以及用于超材料平板定位固定的四個螺絲釘，超材料平板由多個具有不同內部金屬結構尺寸的四種超材料結構單元平行緊貼排列而成，將其加載到標準喇叭天線的輸出端口面上，可以調整喇叭天線的電磁波幅度與相位分布，進而實現其高增益輻射。本實用新型可用于微波毫米波通信以及雷達天饋系統中，其優點是適用于天饋系統的小型化、輕量化、集成化、低成本化，而且其加工周期短，多種輻射性能可以通過更換不同結構單元排布的超材料平板來輕松實現。
【IPC分類】H01Q13/02, H01Q1/38
【公開號】CN204632922
【申請號】CN201520262991
【發明人】林先其, 于家偉, 梅鵬, 陳哲, 聶麗瑛, 江源, 張瑾, 侯岳峰
【申請人】電子科技大學
【公開日】2015年9月9日
【申請日】2015年4月28日