CN102810755A - 一种超材料天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超材料天线，该天线包括一个振子，用于产生电磁波；一超材料薄膜层，用于将所述振子产生的电磁波汇聚后并向外辐射，超材料薄膜层由多个超材料片层组成；该天线还包括一反射体，用于将振子产生的部分电磁波反射到超材料薄膜层里，反射体为一无盖腔体并与超材料薄膜层构成封闭腔体，振子位于反射体内。本发明通过改变超材料薄膜层内部的折射率分布情况，使得天线远场的半功率带宽减小了，进而提升了天线传播的距离，同时也增加了天线的前后比。

Description

一种超材料天线

技术领域

本发明涉及超材料领域，尤其涉及一种超材料天线。

背景技术

半功率角，也称3dB波束宽度、半功率波束宽度、半功率带宽。功率方向图中，在包含主瓣最大辐射方向的某一平面内，把相对最大辐射方向功率通量密度下降到一半处(或小于最大值3dB)的两点之间的夹角称为半功率波束宽度。场强方向图中，在包含主瓣最大辐射方向的某一平面内，把相对最大辐射方向场强下降到0.707倍处的夹角也称为半功率波束宽度。水平面半功率波束宽度是指水平面方向图的半功率波束宽度，垂直面半功率波束宽度是指垂直面方向图的半功率波束宽度。在定向天线中，天线传播的距离由垂直面半功率波束宽度决定，即垂直面半功率带宽越小，天线的增益就越大，天线发射的信号传播距离就越远，反之，天线的增益就越小，信号传播的距离也就越近。

现有技术中改进半功率带宽的方法一般有：介质覆层法。介质覆层法采用天线保护装置的形式加载在天线阵列的前端，这种方法可以提高天线阵列3db左右的增益，使半功率带宽变为36°并使得天线的方向性变好。但是在信号远距离传输时，半功率带宽没法达到我们的需求，为了满足长距离信号传输需要再建立一些基站或者中继站，这样加大的成本，也给信号发射或接受都带来麻烦。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术天线半功率带宽较小的问题，提供一种超材料天线，该天线通过在天线前端设置一超材料薄膜层，使得天线发出的信号通过超材料薄膜层后具有较小的半功率带宽，达到信号远距离发射和接收。

为了达到上述目的，本发明采用的如下技术方案：

一种超材料天线，所述天线包括一个振子，用于产生电磁波；一超材料薄膜层，用于将所述振子产生的电磁波汇聚后并向外辐射；所述超材料薄膜层由多个超材料片层组成，其中，最接近所述振子的超材料片层为第一超材料片层，所述第一超材料片层的折射率以其中心为圆心呈圆形分布，第一超材料片层的折射率分布随着半径r的变化规律如以下表达式：

$n\left(r\right)=n_{\max }-\frac{1}{d}\{\sqrt[4]{{(r-\frac{1}{2}d)}^4+s^4}-s\}$

式中n_max表示第一超材料片层中的最大折射率值，d表示第一超材料片层的厚度，s表示所述振子到第一超材料片层的距离，n(r)表示第一超材料片层内半径r处折射率值。

进一步地，所述天线还包括一反射体，用于将振子产生的部分电磁波反射到超材料薄膜层里，所述反射体为一无盖腔体并与超材料薄膜层相连构成封闭腔体，所述振子位于反射体内。

进一步地，所述反射体为电导体。

进一步地，所述第一超材料片层包括片状的基板和周期排布于所述基板上的多个人造微结构。

进一步地，所述超材料薄膜层内除了第一超材料片层的多个超材料片层均与第一超材料片层相同。

进一步地，所述人造微结构为由至少一根金属丝组成对电磁场有响应的平面结构或立体结构。

进一步地，所述金属丝为铜丝或银丝。

进一步地，所述金属丝通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法附着在基板上。

进一步地，所述人造微结构为在“工”字形、“工”字形的衍生形、雪花状或雪花状的衍生形任意一种。

进一步地，所述基板由陶瓷材料、环氧树脂、聚四氟乙烯、FR-4复合材料或F4B复合材料制得。

本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：本发明通过改变超材料薄膜层内部的折射率分布情况，使得天线远场的半功率带宽大大地减小了，进而提升了天线传播的距离，同时也增加了天线的前后比，使得天线更具方向性。

附图说明

图1是本发明一种超材料天线的结构示意图；

图2是本发明所述超材料薄膜层内圆形区域示意图；

图3是本发明所述超材料片层内折射率分布示意图；

图4是本发明另一实施例结构示意图；

图5A是超材料薄膜层上‘工字形’人造微结构；

图5B是超材料薄膜层上‘雪花状’人造微结构；

图5C是超材料薄膜层上的另一种‘雪花状’的人造微结构；

图5D是超材料薄膜层上的人造微结构的一种具体形式‘雪花状’结构的又一种衍生结构；

图6是采用工字形结构的人造微结构在超材料薄膜层的基板中的排列示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

超材料是一种以人造微结构为基本单元并以特定方式进行空间排布、具有特殊电磁响应的新型材料，包括周期排布的人造微结构和供人造微结构附着的基板。人造微结构为由至少一根金属丝组成对电磁波有响应的平面结构或立体结构，多个人造微结构在基板上阵列排布，每个人造微结构以及其所附着的基板所占部分即为一个超材料单元。基板可为任何与人造微结构不同的材料，这两种材料的叠加使每个超材料单元产生一个等效介电常数与磁导率，这两个物理参数分别对应了超材料单元的电场响应与磁场响应。超材料对电磁响应的特征是由人造微结构的特征所决定，而人造微结构的电磁响应很大程度上取决于其金属丝的图案所具有的拓扑特征和其几何尺寸。根据上述原理设计超材料空间中排列的每个人造微结构的拓扑图形和几何尺寸，就可对超材料中每一点的电磁参数进行设置。

请参阅图1，一种超材料天线，包括一个振子10、超材料薄膜层20以及反射体30。所述反射体30为一无盖腔体，所述超材料薄膜层20与反射体30构成一封闭腔体，所述振子10置于反射体30内。

振子10用于辐射电磁波，其中大部分电磁波直接进入超材料薄膜层20内进行折射汇聚，并转换为平面电磁波，还有少部分电磁波通过反射体30反射后再经过超材料薄膜层20折射汇聚后转换为平面电磁波，在本实施方式中，反射体300为电导体。

超材料薄膜层20的折射汇聚功能是通过设计其内的折射率分布来实现的，所述超材料薄膜层20由多个超材料片层组成，所述每一超材料片层均包括片状的基板和周期排布于所述基板上的多个人造微结构。

以图1为例，超材料薄膜层20包括第一超材料片层201、第二超材料片层202、第三超材料片层203。如图2所示，每一超材料片层的折射率均以其中心为圆心呈圆形分布。

所述第一超材料片层201在其圆形区域内的折射率分布规律如以下表达式：

$n\left(r\right)=n_{\max }-\frac{1}{d}\{\sqrt[4]{{(r-\frac{1}{2}d)}^4+s^4}-s\}$

其中式中n_max表示第一超材料片层中的最大折射率值，d表示第一超材料片层的厚度，s表示所述振子到第一超材料片层的距离，r表示第一超材料片层内圆形区域的半径，n(r)表示第一超材料片层内半径r处折射率值。

在本实施方式中，所述超材料薄膜层20可设计成对入射电磁波的折射率分布如图3所示，根据上述公式：

$n\left(r\right)=n_{\max }-\frac{1}{d}\{\sqrt[4]{{(r-\frac{1}{2}d)}^4+s^4}-s\}$ 可知，

n₁＞n₂＞n₃＞...＞n_p，m为大于3小于等于q的自然数。

超材料薄膜层20内的多个超材料片层都与第一超材料片层201相同，即第二超材料片层202和第三超材料片层203都与第一超材料片层201相同。

我们通常都知道折射率公式为

超材料的折射率也如此，也就是超材料的折射率平方与材料的介电常数和磁导率成正比，常规的介质材料的磁导率一般变化不大，可以看成是一个恒定的值，所以超材料的折射率很大程度上只与超材料的介电常数相关，介电常数越大，超材料的折射率就越大。

经过理论和实际证明，超材料的介电常数与基板和基板内的人造微结构形状和尺寸有关，基板采用介电绝缘材料制成，可以为陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料、铁磁材料等，高分子材料例如可以是、环氧树脂或聚四氟乙烯。人造微结构为以一定的几何形状附着在基板上能够对电磁波有响应的金属线，金属线可以是剖面为圆柱状或者扁平状的铜线、银线等，一般采用铜，因为铜丝相对比较便宜，当然金属线的剖面也可以为其他形状，金属线通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻等工艺附着在基板上，整个超材料片层划分为多个单元(包括该单元中的基板和附着在该单元基板上的人造微结构)，每个单元都具有一个人造微结构，每一个单元都会对通过其中的电磁波产生响应，从而影响电磁波在其中的传输，每个单元的尺寸取决于需要响应的电磁波，通常为所需响应的电磁波波长的十分之一，否则空间中包含人造微结构的单元所组成的排列在空间中不能被视为连续。

在基板选定的情况下，通过调整人造微结构的图案、尺寸及其在基板上的空间分布，可以调整超材料上各处的等效介电常数及等效磁导率进而改变超材料各处的等效折射率。当人造微结构采用相同的几何形状时，某处人造微结构的尺寸越大，则该处的等效介电常数越大，折射率也越大。

本实施例采用的人造微结构的图案为工字形，如图5A所示，人造微结构在基板上的分布如图6所示，由图6可知，基板上雪花状人造微结构的尺寸从中心向周围逐渐变小，在基板中心处，雪花状的人造微结构的尺寸最大，并且在距离中心相同半径处的雪花状人造微结构的尺寸相同，因此基板的等效介电常数由中间向四周逐渐变小，中间的等效介电常数最大，因而基板的折射率从中间向四周逐渐变小，中间部分的折射率最大。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，人造微结构的图案可以是二维、也可以是三维结构，不限于该实施例中使用的“工”字形(如图5A所示)，可以为“工”字形的衍生结构，可以是图5B所示的在三维空间中各条边相互垂直的雪花状及图5C和图5D所示的雪花状的衍生结构，也可以是其他的几何形状，其中不同的人造微结构可以是图案相同，但是其设计尺寸不同；也可以是图案和设计尺寸均不相同。构成超材料的基板的数量根据需要可增可减，每一片基板的结构可以相同，也可以不同，只要满足由天线单元发出的电磁波经过超材料面板传播后可以平行射出即可。

如图4所示是本发明一种超材料天线的另一个实施例，该天线包括：五个振子10′、超材料薄膜层20′以及反射体30′，所述五个振子10′并列排布于反射体30′，所述超材料薄膜层20′和反射体30′构成一个封闭腔体，其中，超材料薄膜层20′为五个第一实施例中的超材料薄膜层20并列排布组成。

五个振子10′发射出球面电磁波大部分直接通过超材料薄膜层20′折射汇聚并转换为平面电磁波，然后辐射出去，其余少部分电磁波经过反射体300′反射增益后通过超材料薄膜层200′折射汇聚并转换为平面电磁波，最后辐射出去。

本实施例中的超材料薄膜层20′的结构以及其内部折射率分布规律都与第一实施例中的超材料薄膜层20相同。

综上所述本本发明通过改变超材料薄膜层内部的折射率分布情况，使得天线远场的半功率带宽减小了，进而提升了天线传播的距离，同时也增加了天线的前后比。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未违背本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超材料天线，所述天线包括一个振子，用于产生电磁波；一超材料薄膜层，用于将所述振子产生的电磁波汇聚后并向外辐射；其特征在于，所述超材料薄膜层由多个超材料片层组成，其中，最接近所述振子的超材料片层为第一超材料片层，所述第一超材料片层的折射率以其中心为圆心呈圆形分布，第一超材料片层的折射率分布随着半径r的变化规律如以下表达式：

$n\left(r\right)=n_{\max }-\frac{1}{d}\{\sqrt[4]{{(r-\frac{1}{2}d)}^4+s^4}-s\}$

式中n_max表示第一超材料片层中的最大折射率值，d表示第一超材料片层的厚度，s表示所述振子到第一超材料片层的距离，n(r)表示第一超材料片层内半径r处折射率值。

2.根据权利要求1所述的一种超材料天线，其特征在于，所述天线还包括一反射体，用于将振子产生的部分电磁波反射到超材料薄膜层里，所述反射体为一无盖腔体并与超材料薄膜层相连构成封闭腔体，所述振子位于反射体内。

3.根据权利要求2所述的一种超材料天线，其特征在于，所述反射体为电导体。

4.根据权利要求1所述的一种超材料天线，其特征在于，所述第一超材料片层包括片状的基板和周期排布于所述基板上的多个人造微结构。

5.根据权利要求1所述的一种超材料天线，其特征在于，所述超材料薄膜层内除了第一超材料片层的多个超材料片层均与第一超材料片层相同。

6.根据权利要求4所述的一种超材料天线，其特征在于，所述人造微结构为由至少一根金属丝组成对电磁场有响应的平面结构或立体结构。

7.根据权利要求6所述的一种超材料天线，其特征在于，所述金属丝为铜丝或银丝。

8.根据权利要求7所述的一种超材料天线，其特征在于，所述金属丝通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法附着在基板上。

9.根据权利要求7所述的一种超材料天线，其特征在于，所述人造微结构为在“工”字形、“工”字形的衍生形、雪花状或雪花状的衍生形任意一种。

10.根据权利要求4所述的一种超材料天线，其特征在于，所述基板由陶瓷材料、环氧树脂、聚四氟乙烯、FR-4复合材料或F4B复合材料制得。

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