CN102904040B - 一种偏馈式雷达天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种偏馈式雷达天线，所述天线包括：馈源、超材料面板以及反射板，所述馈源位于所述超材料面板的另一侧且在超材料面板的非正对区域，所述超材料面板包括多个具有相同折射率分布的核心层，所述每一核心层包括多个超材料单元，所述超材料单元包括设置有一个或者多个小孔的单元基材。本发明的偏馈式雷达天线通过改变超材料面板内部的折射率分布情况，使得天线远场功率大大地增强了，进而提升了天线传播的距离，同时增加了天线的前后比，使得天线更具方向性；本发明采用了偏馈式雷达天线，使得馈源对电磁波的辐射不再遮拦，同时也避免了辐射的电磁波对馈源的影响。

Description

一种偏馈式雷达天线

技术领域

本发明涉及雷达天线领域，更具体地说，涉及一种使用超材料的偏馈式雷达天线。

背景技术

雷达天线通过反射器将馈源辐射的球面波变为平面波，从而实现定向接收或者发射电磁波，目前使用的反射器是抛物面形状，馈源位于反射器的焦点附近。

雷达天线的工作原理与光学反射镜相似，现有的雷达抛物面天线如图1所示，包括溃源1、抛物面反射器2和支架3，在抛物面反射器2的焦点处放置有发射或者接收电磁波的馈源1，利用抛物面反射器2的聚焦特性，由馈源1发出的球面波经抛物面反射器2反射后变换成平面波，形成沿抛物面轴向辐射最强的窄波束。

为了制造抛物反射面通常利用模具铸造成型或者采用数控机床进行加工的方法。第一种方法的工艺流程包括：制作抛物面模具、铸造成型抛物面和进行抛物反射面的安装。工艺比较复杂，成本高，而且抛物面的形状要比较准确才能实现天线的定向传播，所以对加工精度的要求也比较高。第二种方法采用大型数控机床进行抛物面的加工，通过编辑程序，控制数控机床中刀具所走路径，从而切割出所需的抛物面形状。这种方法切割很精确，但是制造这种大型数控机床比较困难，而且成本比较高。

超材料是一种具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构材料。超材料通过对微结构的有序排列，可以改变超材料中每点的相对介电常数和磁导率，实现物质的折射率分布的非均匀性从而控制电磁波在材料中的传播路径。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中制造抛物面天线生产工艺复杂的问题，提供一种偏馈式雷达天线，该天线提出了一种结构简单的具有平面反射板的雷达天线，这种平面结构的天线具有抛物面天线可以定向接收或者发射电磁波的优点，同时避免了生产抛物面天线时的复杂工艺。

为了达到上述目的，本发明采用的如下技术方案：

一种偏馈式雷达天线，所述天线包括：馈源，用于辐射电磁波；超材料面板，用于将所述馈源辐射出的电磁波从球面电磁波转化为平面电磁波，所述天线还包括紧贴于所述超材料面板一侧的反射板，用于将电磁波反射到超材料面板进行汇聚折射并向远处辐射，所述馈源位于所述超材料面板的另一侧且在超材料面板的非正对区域，所述超材料面板包括多个具有相同折射率分布的核心层，所述每一核心层包括多个超材料单元，所述超材料单元包括设置有一个或者多个小孔的单元基材，所述超材料面板的每一核心层的折射率以所述馈源在每一核心层上的正投影为圆心呈半圆形分布，随着半径的增加折射率逐渐减小，且半径相同处的折射率相同。

进一步地，所述馈源所在点在超材料面板上正投影于超材料面板的底边中点。

进一步地，所述超材料面板还包括分布于所述核心层一侧的多个渐变层，所述每一渐变层均包括片状的基板层、片状的填充层以及设置在所述基板层和填充层之间的空气层。

进一步地，所述填充层内填充的介质包括空气以及与所述基板层相同材料的介质。

进一步地，所述每一超材料单元上形成有一个小孔，所述小孔内填充有折射率小于单元基材折射率的介质，且所有超材料单元内的小孔都填充相同材料的介质，所述设置在超材料单元内的小孔体积在每一核心层内的排布规律为：所述超材料单元上形成的小孔体积以所述馈源在每一核心层上的正投影为圆心呈半圆形分布，随着半径的增大超材料单元上形成的小孔体积亦增大，且具有相同半径处的超材料单元上形成的小孔体积相同。

进一步地，所述每一超材料单元上形成有一个小孔，所述小孔内填充有折射率大于单元基材折射率的介质，且所有超材料单元内的小孔都填充相同材料的介质，所述设置在超材料单元内的小孔体积在每一核心层内的排布规律为：所述超材料单元上形成的小孔体积以所述馈源在每一核心层上的正投影为圆心呈半圆形分布，随着半径的增大超材料单元上形成的小孔体积逐渐减小，且具有相同半径处的超材料单元上形成的小孔体积相同。

进一步地，所述超材料单元上形成有数量不同、体积相同的小孔，所述小孔内填充有折射率小于单元基材折射率的介质，且所有超材料单元内的小孔都填充相同材料的介质，所述设置在超材料单元内的小孔数量在每一核心层内的排布规律为：所述超材料单元上形成的小孔数量以所述馈源在每一核心层上的正投影为圆心呈半圆形分布，随着半径的增大超材料单元上形成的小孔数量亦逐渐增加，且具有相同半径处的超材料单元上形成的小孔数量相同。

进一步地，所述超材料单元上形成有数量不同、体积相同的小孔，所述小孔内填充有折射率大于单元基材折射率的介质，且所有超材料单元内的小孔都填充相同材料的介质，所述设置在超材料单元内的小孔数量在每一核心层内的排布规律为：所述超材料单元上形成的小孔数量以所述馈源在每一核心层上的正投影为圆心呈半圆形分布，随着半径的增大超材料单元上形成的小孔数量逐渐减小，且具有相同半径处的超材料单元上形成的小孔数量相同。

进一步地，所述超材料面板的每一核心层的折射率以所述馈源在每一核心层上的正投影为圆心，随着半径r的变化规律如以下表达式：

$n\left(r\right)=n_{\max }-\frac{\sqrt{{\mathrm{ss}}^2+r^2}-\mathrm{ss}}{2d};$

式中n_max表示所述每一核心层中的最大折射率值，d表示所有核心层的总厚度，ss表示所述馈源到最靠近馈源位置的核心层的距离，n(r)表示所述每一核心层内半径r处折射率值。

进一步地，所述超材料面板的每一渐变层内的折射率均匀分布的，且多个渐变层间折射率分布的变化规律如以下表达式：

$n_i={\left(\frac{n_{\max }+n_{\min }}{2}\right)}^{\frac{i}{m}},i=1,\mathrm{2,3},...,m,$

其中n_i表示第i层渐变层的折射率值，m表示渐变层的层数，n_min表示所述每一核心层内的最小折射率值，n_max表示所述每一核心层中的最大折射率值，其中第m层渐变层与核心层靠近，随着m值的变小逐渐远离核心层，第一层渐变层为最外层渐变层。

本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：一种偏馈式雷达天线，平面天线的结构简单，通过利用超材料对电磁波进行汇聚的特性，使得雷达天线不依赖电磁波汇聚设备的形状，省去了加工传统抛物面天线的复杂制造工艺，同时又可以实现传统抛物面天线定向接收或者发射电磁波的优点。还有本发明采用了偏馈式雷达天线，使得馈源对电磁波的辐射不再遮拦，同时也避免了辐射的电磁波对馈源的影响。

附图说明

图1是现有技术中抛物面雷达天线的结构示意图；

图2是本发明一种偏馈式雷达天线示意图；

图3是本发明一种偏馈式雷达天线示意图；

图4是本发明所述超材料面板的结构示意图；

图5是本发明所述核心层的结构示意图；

图6是本发明所述超材料单元结构示意图；

图7是本发明所述渐变层结构示意图；

图8是本发明核心层折射率变化示意图；

图9是本发明核心层折射率变化示意图。

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。

图2和图3是本发明偏馈式雷达天线的结构示意图，该天线包括馈源10、超材料面板20以及反射板30，所述馈源10和发射板30分别位于所述超材料面板20的两侧，反射板30与超材料面板20紧贴相连，馈源10所在点在所述超材料面板20上的正投影为超材料面板20下底边的中点。

通常从馈源10辐射的电磁波是球面电磁波，但是球面电磁波的远场方向性能不好，对于远距离以球面电磁波为载体的信号传输有很大的局限性，而且衰减快，本发明通过设计一具有电磁波汇聚功能的超材料面板20，该超材料面板20将馈源10辐射出来的大部分电磁波从球面电磁波转换为平面电磁波，且在通过超材料面板20的电磁波经过反射板30反射后再次通过超材料面板20折射汇聚并辐射出去，使得雷达天线的方向性更好，天线主瓣能量密度更高，能量更大，进而以该平面电磁波为载体的信号传输距离更远。

图4所示，所述超材料面板20包括多个具有相同折射率分布的核心层210以及分布在靠近馈源10一侧的多个渐变层220，所述核心层210也就是超材料面板10的功能层，由多个超材料单元组成，由于超材料面板20需对电磁波产生连续响应，因此超材料单元尺寸应小于所需响应电磁波波长的五分之一，本实施例优选为电磁波波长的十分之一。如图6所示，所述超材料单元包括设置有一个或多个小孔212的单元基材211。这样设置有小孔212的每一核心层210叠加在一起就构成超材料面板20的功能层，如图5所示。

所述超材料面板20的多个核心层210通过改变其内部的折射率分布以实现通过所述超材料面板20后的电磁波等相位辐射，即实现从所述馈源10辐射出的球面电磁波转换为平面电磁波。本发明中每一核心层210的折射率分布均相同，这里仅对一个超材料核心层210的折射率分布规律进行详细描述。通过对小孔212的体积、小孔212内填充的介质以及小孔212的密度的设计使得每一核心层210的折射率分布如图9所示。超材料面板20的每一核心层210包括一个以馈源10在每一核心层210上的正投影为圆心的半圆形面域，半圆形面域的圆心处折射率最大为n_max，具有相同半径处折射率相同，半径越大，折射率越小。图8中给出折射率变化图，但应知本发明的折射率变化并不以此为限。本发明设计目的为：使电磁波经过各核心层210时，电磁波偏折角度被逐渐改变并最终平行辐射。通过公式Sinθ＝q·Δn，其中θ为所需偏折电磁波的角度、Δn为前后折射率变化差值，q为超材料功能层的厚度并通过计算机仿真即可确定所需参数值并达到本发明设计目的。

图8为图9所示超材料核心层折射率分布在r方向上的视图。作为公知常识我们可知，电磁波的折射率与成正比关系，其中μ为磁导率，ε为介电常数，当一束电磁波由一种介质传播到另外一种介质时，电磁波会发生折射，当物质内部的折射率分布非均匀时，电磁波就会向折射率比较大的位置偏折，因此，设计超材料面板20各点的折射率使其满足上述折射率变化规律，需要说明的是，由于实际上超材料单元是一个立方体而非一个点，因此上述半圆形面域只是近似描述，实际上的折射率相同或基本相同的超材料单元是在一个锯齿形半圆周上分布的。其具体设计类似于计算机用方形像素点绘制半圆形、半椭圆形等平滑曲线时进行描点的编程模式(例如OpenGL)，当像素点相对于曲线很小时曲线显示为光滑，而当像素点相对于曲线较大时曲线显示有锯齿。

为使功能层实现图8和图9所示折射率的变化，可对小孔212的体积、小孔212内填充的介质进行设计。下面详细论述两种较佳实施方式。

如图5所示，超材料面板20的每一核心层210由多个超材料单元组成，每一超材料单元包括设置有一个小孔212的单元基材211。单元基材211可选用高分子聚合物、陶瓷材料、铁电材料、铁氧材料等。其中高分子聚合物优选FR-4或F4B材料。对应不同的单元基材211可采用不同的工艺在单元基材211上形成小孔212，例如当单元基材211选用高分子聚合物时，可通过钻床钻孔、冲压成型或者注塑成型等方式形成小孔212，当单元基材211选用陶瓷时则可通过钻床钻孔、冲压成型或者高温烧结等方式形成小孔212。

小孔212内可填充介质，本较佳实施方式中，小孔212内填充的介质均为空气，而空气的折射率必然小于单元基材211的折射率，当小孔212体积越大时，小孔212所在的超材料单元的折射率则越小。本较佳实施方式中，设置在超材料单元内的小孔212在每一核心层210内的排布规律为：所述超材料单元上形成的小孔212体积以馈源10在每一核心层210上的正投影为圆心呈半圆形分布，其中圆心处的超材料单元上形成的小孔212的体积最小，随着半径的增大超材料单元上形成的小孔212体积亦增大，且具有相同半径处的超材料单元上形成的小孔212体积相同。可以想象地，当小孔212内填充有折射率大于单元基材211的同种介质时，则此时小孔212体积越大，小孔212所占据的超材料单元的折射率亦越大，因此此时设置在超材料单元内的小孔212在每一核心层210内的排布规律将与小孔212内填充为空气的排布规律完全相反。

本发明的另一实施例，与第一较佳实施方式的不同点在于，每一超材料单元中存在多个体积相同的小孔212，这样能简化在单元基材211上设置小孔212的工艺难度。与第一较佳实施方式相同的地方在于，本较佳实施方式中每一超材料单元中所有小孔占超材料单元的体积的分布规律与第一较佳实施方式相同，即分为两种情况：(1)所有小孔内填充的介质折射率小于单元基材折射率时，每一核心层210包括一个以馈源10在每一核心层210上的正投影为圆心的半圆形面域且圆心处的超材料单元上形成的小孔212的数量最少，具有相同半径的超材料单元上形成的小孔212的数量相同，随着半径的增大、对应半径的各处的超材料单元上形成的小孔212的数量亦增多。本较佳实施方式即为此种情况且所有小孔2内填充介质为空气；(2)所有小孔212内填充的介质折射率大于基板折射率时，每一核心层210包括一个以馈源10在每一核心层210上的正投影为圆心的半圆形面域且圆心处的超材料单元上形成的小孔212的数量最多，具有相同半径的各处的超材料单元上形成的小孔212的数量相同，随着半径的增大、对应半径的各处的超材料单元上形成的小孔212的数量减少。

本发明实施例中，所述超材料面板20的每一核心层210的折射率以馈源10在每一核心层210上的正投影为圆心，随着半径r的变化规律如以下表达式：

$n\left(r\right)=n_{\max }-\frac{\sqrt{{\mathrm{ss}}^2+r^2}-\mathrm{ss}}{2d};$

式中n_max表示所述每一核心层210中的最大折射率值，d表示所有核心层210的总厚度，ss表示所述馈源10到最靠近馈源位置的核心层210的距离，n(r)表示所述每一核心层210内半径r处折射率值。

通常当电磁波从一种介质传输到另一种介质的时候，由于阻抗不匹配的问题，会出现一部分电磁波反射，这样影响电磁波的传输性能，本发明中，当从馈源10辐射出来的电磁波入射到超材料面板20时同样会产生反射，为了减少反射对雷达天线的影响，我们在超材料面板20的核心层210一侧堆成设置多个超材料渐变层220，如图4所示。

如图7所示，每一超材料渐变层220均包括片状的基板层221、片状的填充层223以及设置在所述基板层221和填充层223之间的空气层222。基板层221可选用高分子聚合物、陶瓷材料、铁电材料、铁氧材料等。其中高分子聚合物优选FR-4或F4B材料。每一渐变层220内的折射率分布是均匀的，多个渐变层之间的折射率是不同的，为了匹配空气与核心层210的阻抗，通常是通过调整所述空气层222的距离和通过在填充层223内填充含有不同折射率的介质来实现阻抗匹配，该介质也可以是与基板层221相同的材料也可以是空气，其中靠近空气的超材料渐变层220的折射率最接近空气且朝核心层210方向折射率逐渐增加。

本发明中实施例中，所述超材料面板20的每一渐变层220内的折射率均匀分布的，且多个渐变层220间折射率分布的变化规律如以下表达式：

$n_i={\left(\frac{n_{\max }+n_{\min }}{2}\right)}^{\frac{i}{m}},i=1,\mathrm{2,3},...,m,$

其中n_i表示第i层渐变层的折射率值，m表示渐变层的层数，n_min表示所述每一核心层内的最小折射率值，n_max表示所述每一核心层中的最大折射率值，其中第m层渐变层与核心层靠近，随着m值的变小逐渐远离核心层，第一层渐变层为最外层渐变层。

综上所述，本发明的一种偏馈式雷达天线通过改变超材料面板20内部的折射率分布情况，使得天线远场功率大大地增强了，进而提升了天线传播的距离，同时增加了天线的前后比，使得天线更具方向性；本发明采用了偏馈式雷达天线，使得馈源10对电磁波的辐射不再遮拦，同时也避免了辐射的电磁波对馈源10的影响。

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 (9)

1.一种偏馈式雷达天线，所述天线包括：馈源，用于辐射电磁波；超材料面板，用于将所述馈源辐射出的电磁波从球面电磁波转化为平面电磁波，其特征在于，所述天线还包括紧贴于所述超材料面板一侧的反射板，用于将电磁波反射到超材料面板进行汇聚折射并向远处辐射，所述馈源位于所述超材料面板的另一侧且在超材料面板的非正对区域，所述超材料面板包括多个具有相同折射率分布的核心层，所述每一核心层包括多个超材料单元，所述超材料单元包括设置有一个或者多个小孔的单元基材，所述超材料面板的每一核心层的折射率以所述馈源在每一核心层上的正投影为圆心呈半圆形分布，随着半径的增加折射率逐渐减小，且半径相同处的折射率相同；

所述超材料面板的每一核心层的折射率以所述馈源在每一核心层上的正投影为圆心，随着半径r的变化规律如以下表达式：

$n\left(r\right)=n_{\max }-\frac{\sqrt{{\mathrm{ss}}^2+r^2}-\mathrm{ss}}{2d};$

式中n_max表示所述每一核心层中的最大折射率值，d表示所有核心层的总厚度，ss表示所述馈源到最靠近馈源位置的核心层的距离，n(r)表示所述每一核心层内半径r处折射率值。

2.根据权利要求1所述的一种偏馈式雷达天线，其特征在于，所述馈源所在点在超材料面板上正投影于超材料面板的底边中点。

3.根据权利要求1所述的一种偏馈式雷达天线，其特征在于，所述超材料面板还包括分布于所述核心层一侧的多个渐变层，所述每一渐变层均包括片状的基板层、片状的填充层以及设置在所述基板层和填充层之间的空气层。

4.根据权利要求3所述的一种偏馈式雷达天线，其特征在于，所述填充层内填充的介质包括空气以及与所述基板层相同材料的介质。

5.根据权利要求1所述的一种偏馈式雷达天线，其特征在于：所述每一超材料单元上形成有一个小孔，所述小孔内填充有折射率小于单元基材折射率的介质，且所有超材料单元内的小孔都填充相同材料的介质，所述设置在超材料单元内的小孔体积在每一核心层内的排布规律为：所述超材料单元上形成的小孔体积以所述馈源在每一核心层上的正投影为圆心呈半圆形分布，随着半径的增大超材料单元上形成的小孔体积亦增大，且具有相同半径处的超材料单元上形成的小孔体积相同。

6.根据权利要求1所述的一种偏馈式雷达天线，其特征在于，所述每一超材料单元上形成有一个小孔，所述小孔内填充有折射率大于单元基材折射率的介质，且所有超材料单元内的小孔都填充相同材料的介质，所述设置在超材料单元内的小孔体积在每一核心层内的排布规律为：所述超材料单元上形成的小孔体积以所述馈源在每一核心层上的正投影为圆心呈半圆形分布，随着半径的增大超材料单元上形成的小孔体积逐渐减小，且具有相同半径处的超材料单元上形成的小孔体积相同。

7.根据权利要求1所述的一种偏馈式雷达天线，其特征在于，所述超材料单元上形成有数量不同、体积相同的小孔，所述小孔内填充有折射率小于单元基材折射率的介质，且所有超材料单元内的小孔都填充相同材料的介质，所述设置在超材料单元内的小孔数量在每一核心层内的排布规律为：所述超材料单元上形成的小孔数量以所述馈源在每一核心层上的正投影为圆心呈半圆形分布，随着半径的增大超材料单元上形成的小孔数量亦逐渐增加，且具有相同半径处的超材料单元上形成的小孔数量相同。

8.根据权利要求1所述的一种偏馈式雷达天线，其特征在于，所述超材料单元上形成有数量不同、体积相同的小孔，所述小孔内填充有折射率大于单元基材折射率的介质，且所有超材料单元内的小孔都填充相同材料的介质，所述设置在超材料单元内的小孔数量在每一核心层内的排布规律为：所述超材料单元上形成的小孔数量以所述馈源在每一核心层上的正投影为圆心呈半圆形分布，随着半径的增大超材料单元上形成的小孔数量逐渐减小，且具有相同半径处的超材料单元上形成的小孔数量相同。

9.根据权利要求3所述的一种偏馈式雷达天线，其特征在于，所述超材料面板的每一渐变层内的折射率均匀分布的，且多个渐变层间折射率分布的变化规律如以下表达式：

$n_i={\left(\frac{n_{\max }+n_{\min }}{2}\right)}^{\frac{i}{m}},i=\mathrm{1,2,3},...,m,$

其中n_i表示第i层渐变层的折射率值，m表示渐变层的层数，n_min表示所述每一核心层内的最小折射率值，n_max表示所述每一核心层中的最大折射率值，其中第m层渐变层与核心层靠近，随着m值的变小逐渐远离核心层，第一层渐变层为最外层渐变层。