一種超材料微波天線的制作方法
【專利摘要】本發(fā)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(shè)置有第一中心孔，所述第二級副反射面的中心設(shè)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(fā)明利用超材料可進行匯聚電磁波的性質(zhì)及利用兩個旋轉(zhuǎn)橢圓面作為第一級副反射面和第二級副反射面，可使天線的結(jié)構(gòu)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(diào)節(jié)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(yīng)；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(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及通信領(lǐng)域，更具體地說，涉及一種超材料微波天線。
【背景技術(shù)】
[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(fā)射或接收天線統(tǒng)稱為微波天線。在微波天線中，應(yīng)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(xiàn)有的衛(wèi)星電視接收天線就是拋物面天線，所述拋物面天線負責(zé)將衛(wèi)星信號反射到饋源和高頻頭內(nèi)。饋源是在拋物面天線的焦點處設(shè)置的一個用于收集衛(wèi)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(zhuǎn)換。高頻頭LNB (亦稱降頻器)是將饋源送來的衛(wèi)星信號進行降頻和信號放大然后傳送至衛(wèi)星接收機。
[0004]LNB的工作流程就是先將衛(wèi)星高頻訊號放大至數(shù)十萬倍后再利用本地振蕩電路將高頻訊號轉(zhuǎn)換至中頻950MHz-2050MHz，以利于同軸電纜的傳輸及衛(wèi)星接收機的解調(diào)和工作。衛(wèi)星接收機是將高頻頭輸送來的衛(wèi)星信號進行解調(diào)，解調(diào)出衛(wèi)星電視圖像或數(shù)字信號和伴音信號。接收衛(wèi)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(yīng)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(xiàn)有的拋物面天線體積較大、口徑效率低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，針對現(xiàn)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(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)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(shè)置有第一中心孔，所述第二級副反射面的中心設(shè)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與第二級副反射面均為旋轉(zhuǎn)橢圓面；
[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，所述核心層片層包括片狀的基材以及設(shè)置在基材上的多個人造微結(jié)構(gòu)；
[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(huán)形區(qū)域，所述環(huán)形區(qū)域內(nèi)相同半徑處的折射率相同，且在環(huán)形區(qū)域各自的區(qū)域內(nèi)隨著半徑的增大折射率逐漸減小，相鄰兩個環(huán)形區(qū)域中處于內(nèi)側(cè)的環(huán)形區(qū)域的折射率的最小值小于處于外側(cè)的環(huán)形區(qū)域的折射率的最大值。[0011]進一步地，所述第一級副反射面與第二級副反射面共焦軸。
[0012]進一步地，所述第一級副反射面和第二級副反射面的焦軸與所述超材料面板的對稱軸重合。
[0013]進一步地，所述饋源的相位中心置于所述第一級副反射面的遠端焦點上，所述第二級副反射面的遠端焦點置于第一級副反射面的近端焦點上。
[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，所述第一級副反射面和第二級副反射面均為金屬反射面。
[0016]進一步地，所述核心層片層內(nèi)的每一環(huán)形區(qū)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(shè)置在核心層兩側(cè)的匹配層，以實現(xiàn)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(jié)構(gòu)形狀相同，所述環(huán)形區(qū)域內(nèi)相同半徑處的多個人造微結(jié)構(gòu)具有相同的幾何尺寸，且在環(huán)形區(qū)域各自的區(qū)域內(nèi)隨著半徑的增大人造微結(jié)構(gòu)的幾何尺寸逐漸減小，相鄰兩個環(huán)形區(qū)域，處于內(nèi)側(cè)的環(huán)形區(qū)域內(nèi)幾何尺寸最小的人造微結(jié)構(gòu)的幾何尺寸小于處于外側(cè)的環(huán)形區(qū)域內(nèi)幾何尺寸最大的人造微結(jié)構(gòu)的幾何尺寸。
[0019]進一步地，所述人造微結(jié)構(gòu)為平面雪花狀的金屬微結(jié)構(gòu)。
[0020]本發(fā)明超材料微波天線的有益效果:本發(fā)明利用超材料可進行匯聚電磁波的性質(zhì)及利用兩個旋轉(zhuǎn)橢圓面作為第一級副反射面和第二級副反射面，可使天線的結(jié)構(gòu)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(diào)節(jié)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(yīng)；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(fā)明的所述超材料微波天線的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖2是本發(fā)明的核心層片層的折射率分布示意圖。
【具體實施方式】
[0023]如圖1所示，根據(jù)本發(fā)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(shè)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(shè)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(shè)置在核心層401兩側(cè)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(shè)置在基材上的多個人造微結(jié)構(gòu)，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(huán)形區(qū)域。相鄰兩個環(huán)形區(qū)域中，處于內(nèi)側(cè)的環(huán)形區(qū)域的折射率的最小值小于處于外側(cè)的環(huán)形區(qū)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(huán)形區(qū)域是為了更好的描述本發(fā)明，并不意味著本發(fā)明的核心層片層具有此種實際結(jié)構(gòu)。
[0024]本發(fā)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(huán)形，還可以是其他本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠想到的圖形，如圖2所示，所述超材料面板40為環(huán)形，即該環(huán)形超材料面板包括環(huán)形核心層以及位于該環(huán)形核心層兩側(cè)的環(huán)形匹配層，匹配層用于電磁波從空氣傳輸?shù)江h(huán)形核心層或者環(huán)形核心層傳輸?shù)娇諝獾淖杩蛊ヅ?。其中，環(huán)形核心層包括至少一個環(huán)形核心層片層組成。每一環(huán)形核心層片層按照折射率排布規(guī)律可以分成多個環(huán)形區(qū)域，例如，如圖2所示，該環(huán)形核心層片層按照折射率的排布規(guī)律分為Hl、H2、H3三個區(qū)域，其中在Hl、H2、H3各自的區(qū)域內(nèi)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(qū)域內(nèi)，都具有相同的折射率變化范圍，例如:三個區(qū)域內(nèi)的折射率均為5、4、3、2、1，且相鄰兩個環(huán)形區(qū)域中處于內(nèi)側(cè)的環(huán)形區(qū)域的折射率的最小值小于處于外側(cè)的環(huán)形區(qū)域的折射率的最大值。即在Hl和H2區(qū)域的交界處，位于Hl的區(qū)域內(nèi)的折射率為1，但是位于H2區(qū)域內(nèi)的折射率就是為5，H2和H3區(qū)域之間的交界處也是如此。
[0025]本發(fā)明中，所述第一級副反射面20設(shè)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(huán)形超材料面板40的內(nèi)圓上；饋源10的相位中心(需要測定)置于第一級副反射面20的遠端焦點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的近端焦點B上,第二級副反射面30的近端焦點記為C ；
[0026]所述第一級副反射面20和第二級副反射面30均為旋轉(zhuǎn)橢圓面，本實施中的旋轉(zhuǎn)橢圓面包括金屬旋轉(zhuǎn)橢圓面，優(yōu)選銅旋轉(zhuǎn)橢圓面。上述兩個旋轉(zhuǎn)橢圓面共焦軸，且兩個旋轉(zhuǎn)橢圓面的焦軸與超材料面板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(fā)明的核心，采用傳統(tǒng)的支撐方式即可。另外饋源10優(yōu)選為喇叭天線。
[0027]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，相互之間可以通過雙面膠粘接，或者通過螺栓等固定連接。
[0028]本發(fā)明的人造微結(jié)構(gòu)優(yōu)選為金屬微結(jié)構(gòu)，所述金屬微結(jié)構(gòu)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(fā)明的金屬微結(jié)構(gòu)優(yōu)選為具有各向同性的電磁參數(shù)的金屬微結(jié)構(gòu)，所述金屬微結(jié)構(gòu)為平面雪花狀的金屬微結(jié)構(gòu)。
[0029]對于具有平面結(jié)構(gòu)的人造微結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)在該平面上的電場響應(yīng)和磁場響應(yīng)均相同，也即介電常數(shù)和磁導(dǎo)率相同；對于具有三維結(jié)構(gòu)的人造微結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)在三維空間上的電場響應(yīng)和磁場響應(yīng)均相同。當(dāng)人造微結(jié)構(gòu)為90度旋轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)時，人造微結(jié)構(gòu)即具有各向同性的特征。
[0030]對于二維平面結(jié)構(gòu)，90度旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)軸任意旋轉(zhuǎn)90度后與原結(jié)構(gòu)重合；對于三維結(jié)構(gòu)，如果具有兩兩垂直且共交點(交點為旋轉(zhuǎn)中心)的3條旋轉(zhuǎn)軸，使得該結(jié)構(gòu)繞任一旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)90度后均與原結(jié)構(gòu)重合或者與原結(jié)構(gòu)以一分界面對稱，則該結(jié)構(gòu)為90度旋轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)。
[0031]已知折射率n=V@，其中ii為相對磁導(dǎo)率，e為相對介電常數(shù)，U與e合稱為電磁參數(shù)。實驗證明，電磁波通過折射率非均勻的介質(zhì)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(fā)明的核心層對電磁波具有匯聚作用，衛(wèi)星或基站等發(fā)出的電磁波首先通過饋源10發(fā)射電磁波，依次經(jīng)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(shè)計核心層401的折射率分布，可以使得衛(wèi)星或基站等發(fā)出的電磁波依次經(jīng)過第一次反射、第二次反射后，再經(jīng)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(shè)計人造微結(jié)構(gòu)的形狀、幾何尺寸和/或人造微結(jié)構(gòu)在基材上的排布獲得超材料內(nèi)部的電磁參數(shù)分布，本發(fā)明中，所述核心層401的每一核心層片層的多個人造微結(jié)構(gòu)形狀相同，所述環(huán)形區(qū)域內(nèi)相同半徑處的多個人造微結(jié)構(gòu)具有相同的幾何尺寸，且在環(huán)形區(qū)域各自的區(qū)域內(nèi)隨著半徑的增大人造微結(jié)構(gòu)的幾何尺寸逐漸減小，相鄰兩個環(huán)形區(qū)域，處于內(nèi)側(cè)的環(huán)形區(qū)域內(nèi)幾何尺寸最小的人造微結(jié)構(gòu)的幾何尺寸小于處于外側(cè)的環(huán)形區(qū)域內(nèi)幾何尺寸最大的人造微結(jié)構(gòu)的幾何尺寸，從而設(shè)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(fā)計算出超材料內(nèi)部的電磁參數(shù)空間分布，根據(jù)電磁參數(shù)的空間分布來選擇人造微結(jié)構(gòu)的形狀、幾何尺寸(計算機中事先存放有多種人造微結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù))，對人造微結(jié)構(gòu)的設(shè)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(jié)構(gòu)，計算電磁參數(shù)，將得到的結(jié)果和我們想要的對比，循環(huán)多次，一直到找到我們想要的電磁參數(shù)為止，若找到了，則完成了人造微結(jié)構(gòu)的設(shè)計參數(shù)選擇；若沒找到，則換一種形狀的人造微結(jié)構(gòu)，重復(fù)上面的循環(huán)，一直到找到我們想要的電磁參數(shù)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(shù)的人造微結(jié)構(gòu)，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(fù)雜，其實很快就能完成。
[0032]本發(fā)明中，所述核心層401的基材由陶瓷材料、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(huán)氧樹脂、F4B復(fù)合材料、FR-4復(fù)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(chǎn)生干擾，并且具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、耐腐蝕性，使用壽命長。
[0033]本發(fā)明中，所述金屬微結(jié)構(gòu)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(dāng)然，也可以采用三維的激光加工工藝。
[0034]如圖1所示，為本發(fā)明第一實施例的超材料面板的結(jié)構(gòu)示意圖，在本實施例中，所述超材料面板還包括設(shè)置在核心層兩側(cè)的匹配層402，以實現(xiàn)從空氣到核心層401的阻抗匹配。我們知道，介質(zhì)之間的折射率相差越大，則電磁波從一介質(zhì)入射到另一介質(zhì)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，已知折射率實中u為相對磁導(dǎo)率，e為相對介電常數(shù)，y與e合稱為電磁參數(shù)。我們知道空氣的折射率為1，因此，這樣設(shè)計匹配層，即靠近空氣的一側(cè)的折射率與空氣基本相同，靠近核心層的一側(cè)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(xiàn)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?shù)母h。
[0035]綜上所述，本發(fā)明利用超材料可進行匯聚電磁波的性質(zhì)及利用旋轉(zhuǎn)橢圓面作為副反射面，可使天線的結(jié)構(gòu)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(diào)節(jié)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(yīng)；此外，其加工難度小，成本低。
[0036]上面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例進行了描述，但是本發(fā)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(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨和權(quán)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(fā)明的保護之內(nèi)。
【權(quán)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(shè)置有第一中心孔，所述第二級副反射面的中心設(shè)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與第二級副反射面均為旋轉(zhuǎn)橢圓面； 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，所述核心層片層包括片狀的基材以及設(shè)置在基材上的多個人造微結(jié)構(gòu)； 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(huán)形區(qū)域，所述環(huán)形區(qū)域內(nèi)相同半徑處的折射率相同，且在環(huán)形區(qū)域各自的區(qū)域內(nèi)隨著半徑的增大折射率逐漸減小，相鄰兩個環(huán)形區(qū)域中處于內(nèi)側(cè)的環(huán)形區(qū)域的折射率的最小值小于處于外側(cè)的環(huán)形區(qū)域的折射率的最大值。
2.根據(jù)權(quán)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與第二級副反射面共焦軸。
3.根據(jù)權(quán)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和第二級副反射面的焦軸與所述超材料面板的對稱軸重合。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超材料微波天線，其特征在于，所述饋源的相位中心置于所述第一級副反射面的遠端焦點上，所述第二級副反射面的遠端焦點置于第一級副反射面的近端焦點上。
5.根據(jù)權(quán)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(jù)權(quán)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和第二級副反射面均為金屬反射面。
7.根據(jù)權(quán)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(nèi)的每一環(huán)形區(qū)域均具有相同的折射率變化范圍。
8.根據(jù)權(quán)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(shè)置在核心層兩側(cè)的匹配層，以實現(xiàn)從空氣到核心層的阻抗匹配。
9.根據(jù)權(quán)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(jié)構(gòu)形狀相同，所述環(huán)形區(qū)域內(nèi)相同半徑處的多個人造微結(jié)構(gòu)具有相同的幾何尺寸，且在環(huán)形區(qū)域各自的區(qū)域內(nèi)隨著半徑的增大人造微結(jié)構(gòu)的幾何尺寸逐漸減小，相鄰兩個環(huán)形區(qū)域，處于內(nèi)側(cè)的環(huán)形區(qū)域內(nèi)幾何尺寸最小的人造微結(jié)構(gòu)的幾何尺寸小于處于外側(cè)的環(huán)形區(qū)域內(nèi)幾何尺寸最大的人造微結(jié)構(gòu)的幾何尺寸。
10.根據(jù)權(quán)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(jié)構(gòu)為平面雪花狀的金屬微結(jié)構(gòu)。
【文檔編號】H01Q19/06GK103682664SQ201210317205
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2012年8月31日 優(yōu)先權(quán)日:2012年8月31日
【發(fā)明者】劉若鵬, 季春霖, 岳玉濤, 楊青, 殷俊 申請人:深圳光啟創(chuàng)新技術(shù)有限公司