專利名稱：以旋轉(zhuǎn)雙曲面為副反射面的超材料微波天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通信領(lǐng)域，更具體地說，涉及一種以旋轉(zhuǎn)雙曲面為副反射面的超材料微波天線。
背景技術(shù)：
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O. Im)。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。
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(fù)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(diǎn)處設(shè)置的一個(gè)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(gè)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(jìn)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(jìn)行降頻和信號放大然后傳送至衛(wèi)星接收機(jī)。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(jī)的解調(diào)和工作。衛(wèi)星接收機(jī)是將高頻頭輸送來的衛(wèi)星信號進(jìn)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(shí)，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(gè)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
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、制造成本低的以旋轉(zhuǎn)雙曲面為副反射面的超材料微波天線。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種以旋轉(zhuǎn)雙曲面為副反射面的超材料微波天線，其包括超材料面板、饋源及副反射面，所述超材料面板設(shè)置有位于其中心的中心孔，所述超材料面板包括核心層及設(shè)置在核心層一側(cè)表面的反射板，所述核心層包括至少一個(gè)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(gè)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中心孔周圍且與所述中心孔共圓心的多個(gè)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(gè)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；所述饋源設(shè)置在中心孔上；所述副反射面是旋轉(zhuǎn)雙曲面，該副反射面位于所述超材料面板的前方，并用于將從所述超材料面板匯聚過來的電磁波反射到所述饋源上。
進(jìn)一步地，所述饋源相位中心置于所述旋轉(zhuǎn)雙曲面的外側(cè)焦點(diǎn)上。進(jìn)一步地，所述核心層片層還包括覆蓋人造微結(jié)構(gòu)的填充層。進(jìn)一步地，所述核心層包括多個(gè)折射率分布相同且相互平行的核心層片層。進(jìn)一步地，所述超材料面板還包括設(shè)置在核心層另一側(cè)的匹配層，以實(shí)現(xiàn)從空氣到核心層的折射率匹配。進(jìn)一步地，所述中心孔的圓心為核心層片層的中心，所述多個(gè)環(huán)形區(qū)域的折射率變化范圍相同，所述核心層片層的折射率n(r)分布滿足如下公式 n(r) = 隨—mod(V^-/，沒;
其中，n(r)表示核心層片層上半徑為r處的折射率值；I表示旋轉(zhuǎn)雙曲面內(nèi)側(cè)的、異于饋源相位中心的焦點(diǎn)與超材料前表面的距離；d為核心層的厚度，d =------ --；
2Cnmax -nmin)η_表示核心層片層上的折射率最大值；Iiniin表示核心層片層上的折射率最小值；λ表示工作波長。進(jìn)一步地，所述匹配層包括多個(gè)匹配層片層，每一匹配層片層具有單一的折射率，所述匹配層的多個(gè)匹配層片層的折射率均滿足以下公式n(i) = ((^max + Wmin) / 2)m其中，m表示匹配層的總層數(shù)，i表示匹配層片層的編號，其中，靠近核心層的匹配層片層的編號為m。進(jìn)一步地，所述每一匹配層片層包括材料相同的第一基板及第二基板，所述第一基板與第二基板之間填充空氣。進(jìn)一步地，所述核心層的每一核心層片層的多個(gè)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(gè)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(gè)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。進(jìn)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)。本發(fā)明以旋轉(zhuǎn)雙曲面為副反射面的超材料微波天線的有益效果本發(fā)明利用超材料可進(jìn)行匯聚電磁波的性質(zhì)及利用旋轉(zhuǎn)雙曲面作為副反射面，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(shí)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(yuǎn)場輻射場響應(yīng)；此外，其加工難度小，成本低。


圖I是本發(fā)明的以旋轉(zhuǎn)雙曲面為副反射面的超材料微波天線的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明一種形式的超材料單元的透視示意圖；圖3是本發(fā)明的核心層片層的折射率分布示意圖；圖4是本發(fā)明的一種形式的核心層片層的結(jié)構(gòu)示意圖5是本發(fā)明的匹配層的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式如圖I至圖5所示，根據(jù)本發(fā)明以旋轉(zhuǎn)雙曲面為副反射面的超材料微波天線包括超材料面板100、饋源I及副反射面300。所述超材料面板100設(shè)置有位于其中心的圓形的中心孔Y，所述超材料面板100包括核心層10及設(shè)置在核心層10 —側(cè)表面的反射板200，所述核心層10包括至少一個(gè)核心層片層11，所述核心層片層11包括片狀的基材13以及設(shè)置在基材13上的多個(gè)人造微結(jié)構(gòu)12，所述核心層片層11按照折射率分布可劃分為分布在中心孔Y周圍且與所述中心孔Y共圓心的多個(gè)環(huán)形區(qū)域(圖中分別用H1，H2，H3，H4，H5表示)。相鄰兩個(gè)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11按照折射率劃分為多個(gè)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11具有此種實(shí)際結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明中，所述饋源I設(shè)置在超材料面板的中心孔Y上，并位于所述超材料面板的中軸線上，即饋源I與核心層片層11的中心的連線與超材料面板的中軸線重合。所述副反射面300是旋轉(zhuǎn)雙曲面，該副反射面300位于所述超材料面板100的前方，所述饋源I相位中心置于所述旋轉(zhuǎn)雙曲面的外側(cè)焦點(diǎn)上，所述旋轉(zhuǎn)雙曲面的焦軸與超材料的對稱軸重合。所述饋源I與超材料面板100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I優(yōu)選為喇叭天線。圖中的核心層片層11呈圓形，當(dāng)然，也可以是其它形狀。另外，圖3中，也可以沒有環(huán)形區(qū)域H4及H5，此時(shí)的H4及H5可以是均勻的折射率分布(即H4及H5的位置上不設(shè)置人造微結(jié)構(gòu))。另外，反射板為具有光滑的表面的金屬反射板，例如可以是拋光的銅板、鋁板或鐵板等。如圖I至圖4所示，所述核心層10包括多個(gè)折射率分布相同且相互平行的核心層片層11。多個(gè)核心層片層11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。另外相鄰的核心層片層11還包括填充層15，填充層15可以空氣，也可以是其它介質(zhì)板，優(yōu)選為與基材13相同的材料制成的板狀件。每一核心層片層11的基材13可以劃分為多個(gè)相同超材料單元D，每一超材料單元D由一個(gè)人造微結(jié)構(gòu)12、單元基材V及單元填充層W構(gòu)成,每一核心層片層11在厚度方向上只有一個(gè)超材料單兀D。每一超材料單兀D可以是完全相同的方塊，可以是立方體，也可是長方體，每一超材料單元D的長、寬、高幾何尺寸不大于入射電磁波波長的五分之一(通常為入射電磁波波長的十分之一)，以使得整個(gè)核心層對電磁波具有連續(xù)的電場和/或磁場響應(yīng)。優(yōu)選情況下，所述超材料單元D為邊長是入射電磁波波長十分之一的立方體。當(dāng)然，填充層的厚度是可以調(diào)節(jié)的，其最小值可以至
O,也就是說不需要填充層，此種情況下，基材與人造微結(jié)構(gòu)組成超材料單元，即此時(shí)超材料單元D的厚度等于單元基材V的厚度加上人造微結(jié)構(gòu)的厚度，但是此時(shí)，超材料單元D的厚度也要滿足十分之一波長的要求，因此，實(shí)際上，在超材料單元D的厚度選定在十分之一波長的情況下，單元基材V的厚度越大，則單元填充層W的厚度越小，當(dāng)然最優(yōu)的情況下，即是如圖2所示的情況，即單元基材V的厚度等于單元填充層W的厚度，且元單元基材V的材料與填充層W的相同。本發(fā)明的人造微結(jié)構(gòu)12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)，如圖2所述的平面雪花狀的金屬微結(jié)構(gòu)。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(gè)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(shí)，人造微結(jié)構(gòu)即具有各向同性的特征。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(diǎn)(交點(diǎn)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)。圖2所示的平面雪花狀的金屬微結(jié)構(gòu)即為各向同性的人造 微結(jié)構(gòu)的一種形式，所述的雪花狀的金屬微結(jié)構(gòu)具有相互垂直平分的第一金屬線121及第二金屬線122，所述第一金屬線121兩端連接有相同長度的兩個(gè)第一金屬分支1211，所述第一金屬線121兩端連接在兩個(gè)第一金屬分支1211的中點(diǎn)上，所述第二金屬線122兩端連接有相同長度的兩個(gè)第二金屬分支1221，所述第二金屬線122兩端連接在兩個(gè)第二金屬分支1221的中點(diǎn)上。已知折射率η=‘，其中μ為相對磁導(dǎo)率，e為相對介電常數(shù)，μ與e合稱為電磁參數(shù)。實(shí)驗(yàn)證明，電磁波通過折射率非均勻的介質(zhì)材料時(shí)，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核心層的第一次匯聚作用，經(jīng)過反射板反射，再通過核心層的第二次匯聚作用，因此，合理設(shè)計(jì)核心層的折射率分布，可以使得衛(wèi)星或基站等發(fā)出的電磁波依次經(jīng)過第一次匯聚、反射板反射及第二次匯聚后，可以匯聚到副反射面上，再通過所述副反射面反射到饋源上。在基材的材料以及填充層的材料選定的情況下，可以通過設(shè)計(jì)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，從而設(shè)計(jì)出每一超材料單元的折射率。首先從超材料所需要的效果出發(fā)計(jì)算出超材料內(nèi)部的電磁參數(shù)空間分布(即每一超材料單元的電磁參數(shù))，根據(jù)電磁參數(shù)的空間分布來選擇每一超材料單元上的人造微結(jié)構(gòu)的形狀、幾何尺寸(計(jì)算機(jī)中事先存放有多種人造微結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù))，對每一超材料單元的設(shè)計(jì)可以用窮舉法，例如先選定一個(gè)具有特定形狀的人造微結(jié)構(gòu)，計(jì)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(jì)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。如果還是未找至IJ，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(gè)過程都是由計(jì)算機(jī)完成的，因此，看似復(fù)雜，其實(shí)很快就能完成。 本發(fā)明中，所述核心層的基材由陶瓷材料、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。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。
如圖I所示，為本發(fā)明第一實(shí)施例的超材料面板的結(jié)構(gòu)示意圖，在本實(shí)施例中，所述超材料面板還包括設(shè)置在核心層另一側(cè)的匹配層20，以實(shí)現(xiàn)從空氣到核心層10的折射率匹配。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(shí)，反射越大，反射大，意味著能量的損失，這時(shí)候就需要折射率的匹配，已知折射率n= ，其中μ為相對磁導(dǎo)率，e為相對介電常數(shù)，μ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(jì)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(shí)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(yuǎn)。本實(shí)施例中，如圖I及圖3所示，所述中心孔Y的中心為核心層片層11的中心0，所述多個(gè)環(huán)形區(qū)域的折射率變化范圍相同，所述核心層片層11的折射率n(r)分布滿足如下公式
權(quán)利要求
1.一種以旋轉(zhuǎn)雙曲面為副反射面的超材料微波天線，其特征在于，包括超材料面板、饋源及副反射面，所述超材料面板設(shè)置有位于其中心的中心孔，所述超材料面板包括核心層及設(shè)置在核心層一側(cè)表面的反射板，所述核心層包括至少一個(gè)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(gè)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中心孔周圍且與所述中心孔共圓心的多個(gè)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(gè)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； 所述饋源設(shè)置在中心孔上；所述副反射面是旋轉(zhuǎn)雙曲面，該副反射面位于所述超材料面板的前方，并用于將從所述超材料面板匯聚過來的電磁波反射到所述饋源上。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的以旋轉(zhuǎn)雙曲面為副反射面的超材料微波天線，其特征在于，所述饋源相位中心置于所述旋轉(zhuǎn)雙曲面的外側(cè)焦點(diǎn)上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的以旋轉(zhuǎn)雙曲面為副反射面的超材料微波天線，其特征在于，所述核心層片層還包括覆蓋人造微結(jié)構(gòu)的填充層。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的以旋轉(zhuǎn)雙曲面為副反射面的超材料微波天線，其特征在于，所述核心層包括多個(gè)折射率分布相同且相互平行的核心層片層。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的以旋轉(zhuǎn)雙曲面為副反射面的超材料微波天線，其特征在于，所述超材料面板還包括設(shè)置在核心層另一側(cè)的匹配層，以實(shí)現(xiàn)從空氣到核心層的折射率匹配。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的以旋轉(zhuǎn)雙曲面為副反射面的超材料微波天線，其特征在于，所述中心孔的圓心為核心層片層的中心，所述多個(gè)環(huán)形區(qū)域的折射率變化范圍相同，所述核心層片層的折射率n(r)分布滿足如下公式
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的以旋轉(zhuǎn)雙曲面為副反射面的超材料微波天線，其特征在于，所述匹配層包括多個(gè)匹配層片層，每一匹配層片層具有單一的折射率，所述匹配層的多個(gè)匹配層片層的折射率均滿足以下公式
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的以旋轉(zhuǎn)雙曲面為副反射面的超材料微波天線，其特征在于，所述每一匹配層片層包括材料相同的第一基板及第二基板，所述第一基板與第二基板之間填充空氣。
9.根據(jù)權(quán)利要求I至8任意一項(xiàng)所述的以旋轉(zhuǎn)雙曲面為副反射面的超材料微波天線，其特征在于，所述核心層的每一核心層片層的多個(gè)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(gè)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(gè)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I所述的以旋轉(zhuǎn)雙曲面為副反射面的超材料微波天線，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)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種以旋轉(zhuǎn)雙曲面為副反射面的超材料微波天線，包括超材料面板、饋源及副反射面，所述超材料面板設(shè)置有位于其中心的中心孔，所述超材料面板包括核心層及設(shè)置在核心層一側(cè)表面的反射板，所述核心層包括至少一個(gè)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(gè)人造微結(jié)構(gòu)；所述饋源設(shè)置在中心孔上；所述副反射面是旋轉(zhuǎn)雙曲面，其用于將從所述超材料面板匯聚過來的電磁波反射到所述饋源上。本發(fā)明天線的結(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(shí)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(yuǎn)場輻射場響應(yīng)；此外，其加工難度小，成本低。
文檔編號H01Q19/18GK102820551SQ20121026884
公開日2012年12月12日 申請日期2012年7月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年7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