專利名稱：一種超材料定向天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及天線領(lǐng)域,更具體地說,涉及一種超材料定向天線。
背景技術(shù)：
目前，對于電磁波的定向，利用定向天線來完成，常用透鏡天線來達(dá)成。在光學(xué)中，利用透鏡能使放在透鏡焦點上的點光源輻射出的球面波，經(jīng)過透鏡折射后變?yōu)槠矫娌?。透鏡天線就是利用這一原理制作而成的，它由透鏡和放在透鏡焦點上的輻射器組成。天線是在無線電設(shè)備中用來發(fā)射或接收電磁波的部件。天線是一種變換器，它把傳輸線上傳播的導(dǎo)行波，變換成在無界媒介(通常是自由空間)中傳播的電磁波，或者進(jìn)行相反的變換。衡量天線性能的參數(shù)有很多，如，波瓣圖、有效口徑、增益、方向性、阻抗等等，其中方向性是天線很重要的性能指標(biāo)，方向性越強(qiáng)，越有利于接收機(jī)的接收。定向天線，是指在某一個或某幾個特定方向上輻射，發(fā)射及接收電磁波特別強(qiáng)，而在其它的方向上發(fā)射及接收電磁波則為零或極小。定向天線可以增加輻射功率的有效利用率，增加保密性，采用定向接收天線的主要目的是增加抗干擾能力。傳統(tǒng)定向如喇機(jī)天線,Vivaldi天線體積較大,其余增加定向性的方法有在天線后增加背腔、反射板或者使用吸波材料等，但是這些方法往往增加天線的尺寸，同時增加天線的制作難度?，F(xiàn)有技術(shù)制作天線的拋物面反射，一般采用鑄造或者數(shù)控機(jī)床加工，加工工藝復(fù)雜；其次要獲得好的定向天線，要求拋物面的精度比較高。如果可以發(fā)明出一種具有天線拋物面優(yōu)勢的物體，又不需要復(fù)雜的工藝加工，而且可以省去復(fù)雜笨重的支架結(jié)構(gòu)，定向天線就更容易實現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于，針對現(xiàn)有技術(shù)的實現(xiàn)定向天線的體積大、設(shè)計不靈活以及成本高等缺陷，提供一種體積小、簡單、易于實現(xiàn)以及成本低的超材料定向天線。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的第一技術(shù)方案是提供一種超材料定向天線，包括饋源、超材料以及第一反射板，所述饋源、超材料、第一反射板依次順序相對設(shè)置，所述饋源用于發(fā)射電磁波；所述超材料由基材以及基材上多個人造微結(jié)構(gòu)組成，用于匯聚電磁波；所述第一反射板用于將匯聚的電磁波全部以反射回空間。在本發(fā)明所述的超材料定向天線中，所述饋源置于所述超材料及所述第一反射板之等效焦點處，用于使所述的第一反射板將所述的超材料匯聚的電磁波又穿透超材料后以平面波的形式全部反射回空間。在本發(fā)明所述的超材料定向天線中，所述超材料定向天線還包括支架，用于支持所述饋源。在本發(fā)明所述的超材料定向天線中，所述超材料定向天線還包括第二反射板，于所述饋源處設(shè)置，用于使饋源發(fā)射出的電磁波全部投射到所述的超材料上，第二反射板為
光滑金屬鏡面。在本發(fā)明所述的超材料定向天線中，所述超材料由多個片狀基板堆疊形成，所述所有的人造微結(jié)構(gòu)在空間中呈均勻性的周期陣列。在本發(fā)明所述的超材料定向天線中，所有的人造微結(jié)構(gòu)在空間中形成周期陣列。在本發(fā)明所述的超材料定向天線中，在基材選定的情況下，通過改變?nèi)嗽煳⒔Y(jié)構(gòu)的圖案、設(shè)計尺寸和/或人造微結(jié)構(gòu)在空間中的排布獲得想要的等效介電常數(shù)e與等效磁導(dǎo)率U從而決定所述的焦點。在本發(fā)明所述的超材料定向天線中，所述基材由陶瓷材料、高分子材料、鐵電材料、鐵氧材料或鐵磁材料制得。 在本發(fā)明所述的超材料定向天線中，所述的人造微結(jié)構(gòu)為一具有圖案的附著在基材上的金屬線。在本發(fā)明所述的超材料定向天線中，所述金屬線通過蝕刻、電鍍、鉆刻、光刻、電子刻或離子刻的方法附著在基材上。在本發(fā)明所述的超材料定向天線中，所述金屬線為銅線或銀線。在本發(fā)明所述的超材料定向天線中，所述第一反射板為光滑金屬鏡面。在本發(fā)明所述的超材料定向天線中，所述金屬線所述金屬線呈“工”字型以及“工”字型的衍生型。實施本發(fā)明的超材料定向天線，具有以下有益效果I.不需要復(fù)雜形狀、結(jié)構(gòu)笨重的拋物面反射面，而只需要平板反射面就可以實現(xiàn)高定向性天線；2.反射面和超材料可放置在地面上，用簡單支架將饋點置于合適位置即可，無需設(shè)計支架去支撐反射面；3.由于超材料的良好性能，可以穩(wěn)定地實現(xiàn)天線的高定向性。


圖I是現(xiàn)有技術(shù)定向發(fā)射電磁波示意圖；圖2是本發(fā)明第一實施例一種超材料定向天線結(jié)構(gòu)方框圖；圖3是本發(fā)明第二實施例一種超材料定向天線結(jié)構(gòu)方框圖；圖4為本發(fā)明超材料的示意圖。
具體實施例方式為詳細(xì)說明本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容、構(gòu)造特征、所實現(xiàn)目的及效果，以下結(jié)合實施方式并配合附圖詳予說明?！俺牧?是指一些具有天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的人工復(fù)合結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料。通過在材料的關(guān)鍵物理尺度上的結(jié)構(gòu)有序設(shè)計，可以突破某些表觀自然規(guī)律的限制，從而獲得超出自然界固有的普通性質(zhì)的超常材料功能?！俺牧?重要的三個重要特征(I) “超材料"通常是具有新奇人工結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料；
(2) “超材料"具有超常的物理性質(zhì)(往往是自然界的材料中所不具備的)；(3) “超材料"性質(zhì)往往不主要決定于構(gòu)成材料的本征性質(zhì)，而決定于其中的人工結(jié)構(gòu)。
請參閱圖1，現(xiàn)有技術(shù)的定向天線，目前普遍使用在雷達(dá)中的拋物面天線就是主反射器60為拋物面，饋源10位于其焦點附近，能把饋源10輻射的球面波變?yōu)槠矫娌ǖ亩ㄏ蛱炀€。而且由于拋物面是一個不規(guī)則面，所以需要設(shè)計和搭建支架40來安裝它。它的工作原理與光學(xué)反射鏡相似，是利用拋物反射面的聚焦特性。由饋源10發(fā)出的球面波經(jīng)拋物面反射后就變換成平面波，形成沿拋物面軸向輻射最強(qiáng)的窄波束。拋物面天線的優(yōu)點就是在拋物反射天線的焦點處放置發(fā)射源，經(jīng)過反射后的電磁波是平行波束，使天線定向傳輸，這是其他形狀的天線難以做到的；缺點是一般采用鑄造或者數(shù)控機(jī)床加工，加工工藝復(fù)雜；其次要獲得好的定向天線，要求拋物面的精度比較聞。請參閱圖2及圖4，在本發(fā)明實例一中，一種超材料定向天線，包括饋源10、超材料20以及第一反射板30。饋源10、超材料20、第一反射板30依次順序相對設(shè)置，饋源10由支架40加以支撐，為了更好的信號強(qiáng)度，于饋源10頂點位置處放置第二反射板50，第二反射板50為一光滑金屬鏡面,將饋源10發(fā)出去的背向超材料20的電磁波全部反射向超材料20，超材料20由基材I以及基材上若干人造微結(jié)構(gòu)2組成，實際應(yīng)用中，由饋源10輻射出的電磁波經(jīng)過超材料20時，由超材料20匯聚后發(fā)射到第一反射板30上，由第一反射板30反射后又穿透超材料后向自由空間發(fā)送，增加了天線的方向性。為了更好的反射效果，第一反射板30為光滑的金屬鏡面。優(yōu)選地，饋源10置于超材料20及第一反射板30之等效焦點處，用于使第一反射板30將超材料20匯聚的電磁波又穿透超材料后以平面波的形式向自由空間發(fā)送。焦點位置由超材料20及第一反射板30共同決定，即由其等效介電常數(shù)e與等效磁導(dǎo)率U共同決定。一般地，饋源10處于與超材料20相對應(yīng)的中部位置，故要求超材料20及第一反射板30的等效介電常數(shù)e與等效磁導(dǎo)率U之乘積中部各單元為最大值，其它兩側(cè)相鄰各單元的等效介電常數(shù)e與等效磁導(dǎo)率U之乘積自大變小趨勢，且該趨勢自中部最大值單元漸減。由圖2可以看出，由饋源10輻射出的電磁波經(jīng)過超材料20時，由超材料20匯聚后發(fā)射到第一反射板30上，由第一反射板30反射后穿透超材料20后以平面波的形式向自由空間發(fā)送，增加了天線的方向性。為了更好的反射效果，第一反射板30為光滑的金屬鏡面。請參閱圖3及圖4，本發(fā)明實施例二中，一種超材料定向天線，包括饋源10、超材料20以及第一反射板30。饋源10、超材料20、第一反射板30依次順序相對設(shè)置，饋源10置于超材料20邊緣處，由支架40加以支撐，為了更好的信號強(qiáng)度，將饋源10旁側(cè)位置放置第二反射板50,第二反射板50為一光滑金屬鏡面,將饋源10發(fā)出去的背離超材料20的電磁波全部反射向超材料20，超材料20由基材I以及基材上若干人造微結(jié)構(gòu)2組成。實際應(yīng)用中，由饋源10輻射出的電磁波經(jīng)過超材料20時，由超材料20匯聚后發(fā)射到第一反射板30上，由第一反射板30反射后又穿透超材料20后向自由空間發(fā)送，增加了天線的方向性。為了更好的反射效果，第一反射板30為光滑的金屬鏡面。優(yōu)選地，饋源10置于超材料20及第一反射板30之電磁波折射匯合處，用于使第一反射板30將超材料20匯聚的電磁波以平面波的形式全部反射回空間。該匯合處由超材料20及第一反射板30共同決定，即由其等效介電常數(shù)e與等效磁導(dǎo)率U共同決定，饋源10處于與超材料20相對應(yīng)的邊緣位置，故要求超材料20及第一反射板30的等效介電常數(shù)e與等效磁導(dǎo)率U之乘積中部邊緣處為最大值，其它一側(cè)相鄰各單元的等效介電常數(shù)￡與等效磁導(dǎo)率U之乘積自大變小趨勢，且該趨勢自邊緣最大值單元漸減。由圖3可以看出，由饋源10輻射出的電磁波經(jīng)過超材料20時，由超材料20匯聚后發(fā)射到第一反射板30上，由第一反射板30反射后又穿透超材料以平面波的形式向自由空間發(fā)送，增加了天線的方向性。為了更好的反射效果，第一反射板30為光滑的金屬鏡面。由于饋源10置于超材料20的邊緣處，故不會如實施例一中那樣“擋住”反射回的平面波，使平面波的信號更強(qiáng)。電磁波的折射率跟物質(zhì)的介電常數(shù)e和磁導(dǎo)率U的乘積反應(yīng)有關(guān)系 ，當(dāng)一束電磁波由一種介質(zhì)傳播到另外一種介質(zhì)時，電磁波會發(fā)生折射，而且折射率越大的位置偏折角度越大，當(dāng)物質(zhì)內(nèi)部的折射率分布非均勻時，電磁波就會向折射率比較大的位置偏折，通過改變折射率在材料中的分布，可以改變電磁波的傳播路徑。超材料可以對電場或者磁場，或者兩者同時進(jìn)行相應(yīng)。對電場的響應(yīng)取決于超材料的介電常數(shù)e，而對磁場的響應(yīng)取決于超材料的磁導(dǎo)率U。通過對超材料空間中每一點的介電常數(shù)e與磁導(dǎo)率U的精確控制，我們可以實現(xiàn)通過超材料對電磁波的影響。超材料的電磁參數(shù)在空間中的均勻或者非均勻的分布是超材料的重要特征之一。電磁參數(shù)在空間中的均勻分布為非均勻分布的一種特殊形式，但其具體特性，仍然是由空間中排列的各個單元結(jié)構(gòu)的特性所決定。因此，通過設(shè)計空間中排列的每個結(jié)構(gòu)的特性，就可以設(shè)計出整個新型超材料在空間中每一點的電磁特性。這種電磁材料系統(tǒng)將會具有眾多奇異特性，對電磁波的傳播可以起到特殊的調(diào)制作用。由圖4所示，作為本發(fā)明的實施例，為了獲得更好的累加折射效果，本發(fā)明的超材料20由多個片狀基板11堆疊而成，其中一個片狀基板11是由一個基材I和人造微結(jié)構(gòu)2組成的，換句話說，超材料20由多個“小”的超材料堆疊而成的。一個基材I可以由陶瓷材料、高分子材料、鐵電材料、鐵氧材料或鐵磁材料制得。作為一個實施例，選用聚四氟乙烯、FR4、F46來制成基材。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，作為人造微結(jié)構(gòu)附著的基材是很好的選擇。本實施例中，優(yōu)選地，所述的人造微結(jié)構(gòu)2為金屬微結(jié)構(gòu)，所述的每個金屬微結(jié)構(gòu)為一具有圖案的附著在片狀基板上的金屬線。作為一個實施例，所述金屬線通過蝕刻、電鍍、鉆刻、光刻、電子刻或離子刻的方法附著在片狀基板上。當(dāng)然，也可以是三維激光加工等其它可行的加工方法。作為一個實施例，所述金屬線為銅線或銀線。銅與銀的導(dǎo)電性能好，對電場的響應(yīng)更加靈敏。作為本發(fā)明人造微結(jié)構(gòu)的實施例，金屬線的結(jié)構(gòu)為“工”字型以及“工”字型的衍生型；另外還有許多對磁場響應(yīng)的金屬微結(jié)構(gòu)，如在許多文獻(xiàn)中都被引用到的開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)。另外金屬微結(jié)構(gòu)還可以有很多變形圖案，本發(fā)明并不能對此一一列舉。在基材以及第一反射板選定的情況下，可以通過設(shè)計金屬微結(jié)構(gòu)的圖案、設(shè)計尺寸和/或金屬微結(jié)構(gòu)在空間中的排布獲得想要的焦點/匯合點及折射率。這是因為，通過設(shè)計金屬微結(jié)構(gòu)的圖案、設(shè)計尺寸和/或金屬微結(jié)構(gòu)在空間中的排布，即可設(shè)計出超材料所在空間中每一單元的電磁參數(shù)e和U。至于怎么得到金屬微結(jié)構(gòu)的圖案、設(shè)計尺寸和/或金屬微結(jié)構(gòu)在空間中的排布，這個方法是多種的，舉個例子，可以通過逆向的計算機(jī)仿真模擬得到，首先我們確定需要的焦點/匯合點及折射率分布，根據(jù)此效果去設(shè)計超材料整體的電磁參數(shù)分布，再從整體出發(fā)計算出空間中每一點的電磁參數(shù)分布，根據(jù)這每一點的電磁參數(shù)來選擇相應(yīng)的金屬微結(jié)構(gòu)的圖案、設(shè)計尺寸和/或金屬微結(jié)構(gòu)在空間中的排布(計算機(jī)中事先存放有多種金屬微結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù))，對每個點的設(shè)計可以用窮舉法，例如先選定一個具有特定圖案的金屬微結(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，對比再循環(huán)多次，一直到找到我們想要的電磁參數(shù)為止，若找到了，則完成了金屬微結(jié)構(gòu)的設(shè)計參數(shù)選擇；若沒找到，則換一種圖案的金屬微結(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)的金屬微結(jié)構(gòu)后，程序才會停止。由于這個過 程都是由計算機(jī)完成的，因此，看似復(fù)雜，其實很快就能完成。實施本發(fā)明的超材料定向天線，具有以下有益效果I.不需要復(fù)雜形狀、結(jié)構(gòu)笨重的拋物面反射面，而只需要平板反射面就可以實現(xiàn)高定向性天線；2.反射面和超材料可放置在地面上，用簡單支架將饋點置于合適位置即可，無需設(shè)計支架去支撐反射面；3.由于超材料的良好性能，可以穩(wěn)定地實現(xiàn)天線的高定向性。上面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例進(jìn)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(hù)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(hù)之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種超材料定向天線，其特征在于，包括饋源、超材料以及第一反射板，所述饋源、超材料及第一反射板依次順序相對設(shè)置，所述饋源用于發(fā)射電磁波；所述超材料由基材以及基材上多個人造微結(jié)構(gòu)組成，用于匯聚電磁波；所述第一反射板用于將匯聚的電磁波全部反射回空間。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的超材料定向天線，其特征在于，所述饋源置于所述超材料及所述第一反射板之等效焦點處，用于使所述的第一反射板將所述的超材料匯聚的電磁波穿透超材料后以平面波的形式全部反射回空間。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的超材料定向天線，其特征在于，所述超材料定向天線還包括支架，用于支持所述饋源。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的超材料定向天線，其特征在于，所述超材料定向天線還包括第二反射板，于所述饋源處設(shè)置，用于使饋源發(fā)射出背離超材料的電磁波全部投射到所述的超材料上，所述的第二反射板為光滑的金屬鏡面。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的超材料定向天線，其特征在于，所述超材料由多個片狀基板堆疊形成，所有的人造微結(jié)構(gòu)在空間中形成周期陣列。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的超材料定向天線，其特征在于，所述的人造微結(jié)構(gòu)在空間中呈均勻性的周期陣列。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的超材料定向天線，其特征在于，在基材以及所述的第一反射板選定的情況下，通過改變?nèi)嗽煳⒔Y(jié)構(gòu)的圖案、設(shè)計尺寸和/或人造微結(jié)構(gòu)在空間中的排布獲得內(nèi)部的等效介電常數(shù)ε與等效磁導(dǎo)率μ的分布，從而決定所述等效焦點的位置。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的超材料定向天線，其特征在于，所述基材由陶瓷材料、高分子材料、鐵電材料、鐵氧材料或鐵磁材料制得。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的超材料定向天線，其特征在于，所述的人造微結(jié)構(gòu)為一具有圖案的附著在基材上的金屬線。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的超材料定向天線，其特征在于，所述的第一反射板為光滑的金屬鏡面。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的超材料定向天線，其特征在于，所述金屬線通過蝕刻、電鍍、鉆刻、光刻、電子刻或離子刻的方法附著在基材上。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的超材料定向天線，其特征在于，所述金屬線為銅線或銀線。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的超材料定向天線，其特征在于，所述金屬線呈“工”字型以及“工”字型的衍生型。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種超材料定向天線，包括饋源、超材料以及第一反射板。所述饋源、超材料、第一反射板依次順序相對設(shè)置，所述饋源用于發(fā)射電磁波；所述超材料由基材以及基材上多個人造微結(jié)構(gòu)組成；用于匯聚電磁波；所述第一反射板用于將匯聚的電磁波全部反射回空間。本發(fā)明的超材料定向天線體積小、簡單、易于實現(xiàn)、成本低。
文檔編號H01Q15/23GK102760969SQ20111011173
公開日2012年10月31日 申請日期2011年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月29日
發(fā)明者劉若鵬, 徐冠雄, 楊松濤, 石小紅 申請人:深圳光啟創(chuàng)新技術(shù)有限公司, 深圳光啟高等理工研究院