CN103326128B - 一种超材料天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超材料天线，包括设置在馈源后方的超材料面板，所述超材料面板包括核心层及设置在所述核心层一侧表面的反射板，所述核心层包括至少一个核心层片层，所述核心层片层包括片状的软性基板以及设置在所述软性基板上的多个人造微结构，其中，所述软性基板是可收缩和扩张的充气片层，所述充气片层以并排方式结合成整体，所述充气片层扩张后组成的所述超材料面板任一纵截面具有相同的形状与面积。本发明实施例的超材料天线采用软性基板，使得超材料附着于软性基板上面后可以按需要弯曲、折叠，进而在未使用时可以收起，大大减少存储、运输时的体积，携带方便，适用性强。

Description

一种超材料天线

技术领域

本发明涉及无线通信领域，特别是涉及一种超材料天线。

背景技术

超材料是指一种以人造微结构为基本单元、以特定方式进行空间排布且具有特殊电磁响应特性的新型材料。一般来说，材料的介电常数和磁导率由材料中的微观结构对电磁波的响应决定，超材料对电磁响应的特征往往不取决于其构成材料的本征特质，而是由其人造微结构的特征所决定，具体来说就是很大程度上取决于人造微结构的拓扑结构和几何尺寸，其几何尺寸通常不超过所需响应的电磁波波长的十分之一。超材料的人造微结构及其所附着支撑体在空间叠加产生一个等效介电常数和等效磁导率，分别对应超材料的电场响应和磁场响应。人为设计和改变人造微结构的拓扑结构和几何尺寸可以调整超材料的介电常数值和磁导率值，进而可以具备一系列诸如负折射率、完美透镜及完全吸收等特殊的电磁特性。目前，人们日益关注超材料在各类领域的应用，比如利用上述超材料所呈现的电磁特性设计天线，这种超材料天线可以得到很好的辐射效果以及实现天线小型化。

同时，传统的便携式小型天线大部分是刚性结构，一般为金属面或者金属结构加固定基板，其重量偏大，不可压缩折叠，而且需要固定在一定机械结构强度的支架上，可移动性差，不便于携带和调整维护。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有的天线重量体积偏大、不便折叠携带的缺陷，提供一种重量轻、便携的超材料天线。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：提供一种超材料天线，所述超材料天线包括：包括设置在馈源后方的超材料面板，所述超材料面板的下边沿与所述馈源的上端处于同一水平，所述超材料面板包括核心层及设置在所述核心层背对馈源的一侧表面的反射板，所述核心层包括至少一个核心层片层，所述核心层片层包括片状的软性基板以及设置在所述软性基板上的多个人造金属微结构；其中，所述软性基板为可收缩和扩张的充气片层，所述充气片层以并排方式结合成整体，所述充气片层充入的气体密度小于或等于所述充气片层外气体的密度；所述核心层片层的折射率分布满足如下公式：

$n\left(r\right)=n_{\max }-\frac{\mathrm{dis}-\mathrm{Vseg}}{D};$

Vseg＝ss+λ×NUMseg；

$\mathrm{NUMseg}=\mathrm{floor}\left\{\frac{\mathrm{dis}-\mathrm{ss}}{\mathrm{\λ}}\right\};$

dis＝d1+d2；

$d1=\sqrt{{\mathrm{sx}}^2+r^2};$

d2＝(L+sy-r)×sinγ；

ss＝(L+sy)×sinγ+sx×cosγ；

γ＝cos^-1(cosα×cosβ)；

其中，n(r)表示所述核心层片层上半径为r处的折射率值，所述核心层片层的折射率分布圆心即为馈源等效点在所述超材料面板外侧表面所在平面的投影；

$D=\frac{\mathrm{\λ}}{n_{\max }-n_{\min }};$

sx为所述馈源等效点到所述超材料面板的垂直距离；

sy为所述馈源等效点到所述超材料面板下边沿的距离，即圆心到所述超材料面板下边沿的距离；

L表示所述核心层片层的有效长度；

n_max表示所述核心层片层的折射率的最大值；

n_min表示所述核心层片层的折射率的最小值；

λ表示频率为天线中心频率的电磁波的波长；

γ表示从特定卫星发出的电磁波在所述超材料面板表面入射时与所述超材料面板法线所成的夹角；

α为特定地区，特定卫星的方位角；

β为特定地区，特定卫星的仰角；

floor表示向下取整。

其中，所述人造金属微结构呈平面雪花状。

其中，所述核心层片层折射率分布相同且相互平行。

其中，所述超材料面板还包括设置在所述核心层另一侧的阻抗匹配层，以实现从空气到所述核心层的折射率匹配。

其中，所述阻抗匹配层包括至少一个阻抗匹配层片层，所述阻抗匹配层片层的折射率分布满足如下公式：

$n_i\left(r\right)={n_{\min }}^{\frac{i}{m}}\×n{\left(r\right)}^{\frac{m-i}{m}};$

λ＝(n_max-n_min)×(D1+2×D2)；

其中，i表示所述阻抗匹配层片层的编号，靠近所述馈源的阻抗匹配层片层的编号为m，由所述馈源向所述核心层方向，编号依次减小，靠近所述核心层的所述阻抗匹配层片层的编号为1；

n(r)表示所述核心层片层上半径为r处的折射率值；

D1为所述阻抗匹配层的厚度；D2为所述核心层的厚度。

其中，所述充气片层扩张后组成的所述超材料面板任一纵截面具有相同的形状与面积。

其中，所述超材料面板的纵截面为方形，所述馈源等效点在所述超材料面板外侧表面所在平面的投影距离所述超材料面板的下边沿中点的距离为sy。

其中，所述超材料面板的纵截面为圆形或椭圆形，所述馈源等效点在所述超材料面板外侧表面所在平面的投影距离所述超材料面板的下边沿顶点的距离为sy。

其中，所述超材料面板的纵截面为L形，所述馈源等效点在所述超材料面板外侧表面所在平面的投影距离所述超材料面板的下边沿中点的距离为sy。

与现有技术相比，本发明实施例的超材料天线采用软性基板，使得超材料人造金属微结构附着于软性基板上面后可以按需要弯曲、折叠，进而在未使用时可以收起，大大减少存储、运输时的体积，携带方便，适用性强。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，其中：

图1是本发明超材料天线的结构示意图；

图2是本发明的核心层片层的结构示意图；

图3是方形的核心层片层的折射率分布示意图；

图4是圆形的核心层片层的折射率分布示意图；

图5是L形的核心层片层的折射率分布示意图；

图6是本发明的阻抗匹配层的结构示意图；

图7为方形的阻抗匹配层片层的折射率分布示意图；

图8为圆形的阻抗匹配层层片层的折射率分布示意图；

图9为L形的阻抗匹配层层片层的折射率分布示意图；

图10是本发明的人造金属微结构的示意图；

图11是图10所示的人造金属微结构的一种衍生结构；

图12是图10所示的人造金属微结构的一种变形结构。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面分两个实施例详细介绍本发明的超材料天线。

第一实施例

请参阅图1、图2及图3，本实施例采用馈源照射式馈电，本发明提供一种超材料天线，超材料天线包括：包括设置在馈源1后方的超材料面板100，超材料面板100的下边沿与馈源1的上端处于同一水平，超材料面板100包括核心层10及设置在核心层10一侧表面的反射板200，核心层10包括至少一个核心层片层11，核心层片层11包括片状的软性基板13以及设置在软性基板13上的多个人造金属微结构12，在本实施例中，超材料面板100还包括设置在核心层10另一侧的阻抗匹配层20，以实现从空气到核心层10的折射率匹配。馈源1与超材料面板100均有支架支撑，图中并未示出支架，其不是本发明的核心，采用传统的支撑方式即可。馈源1优选为喇叭天线，这个根据卫星的电视信号的极化方式不同有不同的选择，例如中星9号，其电视信号既有左旋圆极化又有右旋圆极化，因此馈源1应当采用双圆极化的波纹喇叭。本发明中，反射板200为具有光滑的表面的金属反射板，例如可以是抛光的铜板、铝板或铁板等，也可是PEC(理想电导体)反射面，当然也可以是金属涂层。

其中，软性基板13为可收缩和扩张的充气片层，具备良好的软性和绝缘性，充气片层13以并排方式结合成整体，本实施例中，充气片层13扩张后组成的超材料面板100任一纵截面具有相同的形状与面积，即核心层10与阻抗匹配层20具有相同的形状与面积的纵截面，此处的纵截面是指超材料面板100中与超材料面板100的中轴线Z2垂直的剖面。超材料面板100的纵截面为方形、圆形或L形，优选地，超材料面板100的纵截面为方形，这样得到的超材料面板100容易加工，例如450X450mm的正方形，圆形可以是直径为450mm的圆形。当然超材料面板100纵截面也可截取为预设的其他任意形状，具体形状可以根据实际需要进行选择。

充气片层13充入的气体密度小于或等于充气片层外气体的密度，当充气片层13内充入比空气密度小的气体时，超材料天线可漂浮在空中工作，当充气片层13内充入空气时，超材料天线可漂浮在海面工作。

请继续参阅图2，核心层10包括多个核心层片层11，每个核心层片层11折射率分布相同且相互平行，多个核心层片层11紧密贴合，相互之间可以通过双面胶粘接，或者通过螺栓等固定连接。相邻的核心层片层11还包括覆盖人造金属微结构12的填充层15，填充层15可以空气，也可以是其它介质板，优选为与软性基板13相同的材料制成的板状件。其中，核心层片层11的折射率分布满足如下9个公式：

$n\left(r\right)=n_{\max }-\frac{\mathrm{dis}-\mathrm{Vseg}}{D}---\left(1\right);$

Vseg＝ss+λ×NUMseg   (2)；

$\mathrm{NUMseg}=\mathrm{floor}\left\{\frac{\mathrm{dis}-\mathrm{ss}}{\mathrm{\λ}}\right\}---\left(3\right);$

$D=\frac{\mathrm{\λ}}{n_{\max }-n_{\min }}---\left(4\right);$

dis＝d1+d2   (5)；

$d1=\sqrt{{\mathrm{sx}}^2+r^2}---\left(6\right);$

d2＝(L+sy-r)×sinγ   (7)；

ss＝(L+sy)×sinγ+sx×cosγ   (8)；

γ＝cos^-1(cosα×cosβ)   (9)；

上述的n(r)表示核心层片层11上半径为r处的折射率值，核心层片层11的折射率分布圆心即为馈源等效点X在超材料面板100外侧表面所在平面的投影；此处馈源等效点X实际上就是天线的馈点(电磁波在馈源中发生聚焦的点)。如图3所示，超材料面板100的纵截面为方形，则馈源等效点X在超材料面板100外侧表面所在平面的投影(即圆心O1)距离超材料面板100的下边沿中点ZD的距离为sy。如图4所示，此时超材料面板100’的纵截面为圆形，馈源等效点X在超材料面板100’外侧表面所在平面的投影(即圆心O2)距离超材料面板100’的下边顶点DD的距离为sy。如图5所示，当超材料面板100”的纵截面为L形，馈源等效点X在超材料面板100”外侧表面所在平面的投影(即圆心O3)距离超材料面板100”的下边沿中点ED的距离为sy。

sx为馈源等效点X到超材料面板100的垂直距离；馈源1的偏转角θ(馈源中心轴Z1与水平面的夹角)发生变化时，sx也会发生细微变化。

sy为馈源等效点X到超材料面板100下边沿的距离，即圆心O1到超材料面板100下边沿的距离；

L表示核心层片层11的有效长度；此处的有效长度是指天线的口径，当超材料面板呈方形或L形时，有效长度即是指超材料面板的高度；当超材料面板呈圆形时，有效长度即是指超材料面板的直径。

n_max表示核心片层11的折射率的最大值；

n_min表示核心片层11的折射率的最小值；

λ表示频率为天线中心频率的电磁波的波长；

γ表示从特定卫星发出的电磁波在超材料面板100表面入射时与超材料面板100法线Z2所成的夹角；

α为特定地区，特定卫星的方位角；例如在深圳，中星9号卫星，其卫星方位角为南偏西46.22度，即α为46.22度；在西安的方位角为南偏西28.12度，即此时α为28.12度。

β为特定地区，特定卫星的仰角；例如在深圳，中星9号卫星，其仰角为52.82度；在西安仰角为46.32度。；

根据公式(9)即可得到中星9号卫星发出的电磁波在超材料面板100表面入射时与水平面所成的夹角，例如在深圳，γ＝cos^-1(cos46.22×cos52.82)，在西安，γ＝cos^-1(cos28.12×cos46.32)；

floor表示向下取整。例如，当(r处于某一数值范围)大于等于0小于1时，NUMseg取0，当(r处于某一数值范围)大于等于1小于2时，NUMseg取1，依此类推。

我们知道，介质之间的折射率相差越大，则电磁波从一介质入射到另一介质时，反射越大，反射大，意味着能量的损失，这时候就需要折射率的匹配，已知折射率其中μ为相对磁导率，ε为相对介电常数，μ与ε合称为电磁参数。我们知道空气的折射率为常数1.0，因此，这样设计阻抗匹配层20，即靠近空气的一侧的折射率与空气基本相同，靠近核心层10的一侧的折射率与其相接的核心层片层11折射率基本相同。这样，就实现了从空气到核心层10的折射率匹配，减小了反射，即能量损失可以大大的降低，这样电磁波可以传输的更远。

请参阅图6，阻抗匹配层20包括至少一个阻抗匹配层片层21，阻抗匹配层片层21的折射率分布满足如下公式：

$n_i\left(r\right)={n_{\min }}^{\frac{i}{m}}\×{\left(r\right)}^{\frac{m-i}{m}}---\left(10\right);$

λ＝(n_max-n_min)×(D1+2×D2)   (11)；

其中，n_i(r)表示阻抗匹配层片层21上半径为r处的折射率值，阻抗匹配层片层21的折射率分布圆心即为馈源等效点X在相应的阻抗匹配层片层21外侧表面所在平面的投影；此处馈源等效点X实际上就是天线的馈点(电磁波在馈源中发生聚焦的点)，其中，n_i(r)表示阻抗匹配层片层21上半径为r处的折射率值，阻抗匹配层片层21的折射率分布圆心O2即为馈源等效点X在相应的阻抗匹配层片层21外侧表面所在平面的投影；如图7所示，超材料面板100的纵截面为方形，则馈源等效点X在相应的阻抗匹配层片层21外侧表面所在平面的投影(即圆心O4)距离超材料面板100的下边沿中点FD的距离为sy。如图8所示，此时超材料面板100’的纵截面为圆形，馈源等效点X在相应的阻抗匹配层片层21’外侧表面所在平面的投影(即圆心O5)距离超材料面板100’的下边顶点GD的距离为sy。当超材料面板100”的纵截面为L形，如图9所示，馈源等效点X在相应的阻抗匹配层片层21’外侧表面所在平面的投影(即圆心O6)距离超材料面板100”的下边沿中点HD的距离为sy。

上述的i表示阻抗匹配层片层21的编号，靠近馈源1的阻抗匹配层片层21的编号为m，由馈源1向核心层10方向，编号依次减小，靠近核心层10的阻抗匹配层片层21的编号为1；

上述的n_max、n_min即为核心层片层11的折射率的最大值、最小值；

D1为阻抗匹配层20的厚度，即阻抗匹配层片层21的厚度与层数的乘积。D2为核心层10的厚度，即核心层片层11的厚度与层数的乘积。

在卫星及接收地区确定后(例如选定中星9号，地区深圳)，λ、γ都可以确定。公式(1)到公式(11)中还有如下变量：

馈源等效点X到超材料面板100的垂直距离sx；

馈源等效点X到超材料面板100下边沿的距离sy；

核心层片层11的有效长度L；

核心片层11的折射率的最大值n_max；

核心片层11的折射率的最小值n_min；

核心层10的厚度D1(或者阻抗匹配层20的厚度D2)；

利用仿真软件(例如CST、COMSOL、MATLAB)来调节上述几个变量的值，以获得电磁波在馈源等效点X处较好的汇聚效果，调制出特定波束的电磁波，进而可以使天线***达到最优的调制效果。

在本实施例中，每一个核心层片层11的软性基板13上都附着有多个形状相同人造金属微结构12，其中，核心层10的每一核心层片层11的软性基板13上的多个人造金属微结构12形状相同，相同半径处的多个人造金属微结构12具有相同的几何尺寸，且随着半径的增大人造金属微结构12的几何尺寸逐渐减小。为满足上述核心层片层11折射率分布要求的人造金属微结构12的几何形状有多种，但都为能对入射电磁波产生响应的几何形状，最典型的即为“工”字型结构，本实施例中，人造金属微结构12呈平面雪花状。图10至图12为能对电磁波产生响应以改变超材料基本单元折射率的人造金属微结构12的不同几何形状拓扑图案，该图案为平面雪花状的几何形状的人造金属微结构12，以下对其进行详细描述。

图10所示为平面雪花状的人造金属微结构12的示意图，该雪花状的人造金属微结构12具有相互垂直平分的第一金属线J1及第二金属线J2，第一金属线J1与第二金属线J2的长度相同，第一金属线J1两端连接有相同长度的两个第一金属分支F1，第一金属线J1两端连接在两个第一金属分支F1的中点上，第二金属线J2两端连接有相同长度的两个第二金属分支F2，第二金属线J2两端连接在两个第二金属分支F2的中点上，第一金属分支F1与第二金属分支F2的长度相等。

图11是图10所示的平面雪花状的人造金属微结构12的一种衍生结构。此种结构的人造金属微结构12’.其在每个第一金属分支F1’及每个第二金属分支F2’的两端均连接有完全相同的第三金属分支F3’，并且相应的第三金属分支F3’的中点分别与第一金属分支F1’及第二金属分支F2’的端点相连。依此类推，本发明还可以衍生出其它形式的人造金属微结构。

图12是图10所示的平面雪花状的人造金属微结构12的一种变形结构，此种结构的人造金属微结构12”，第一金属线J1”与第二金属线J2”不是直线，而是弯折线，第一金属线J1”与第二金属线J2”均设置有两个弯折部WZ，但是第一金属线J1”与第二金属线J2”仍然是垂直平分，通过设置弯折部WZ的朝向与弯折部在第一金属线J1”与第二金属线J2”上的相对位置，使得图8所示的人造金属微结构12”绕垂直于第一金属线J1”与第二金属线J2”交点的轴线向任意方向旋转90度的图形都与原图重合。另外，还可以有其它变形，例如，第一金属线J1”与第二金属线J2”均设置多个弯折部WZ。

本发明中，人造金属微结构12为铜线或银线等金属线。上述的金属线可以通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法附着在软性基板13上，当然，也可以采用三维的激光加工工艺。

第二实施例

在本实施例中，馈源位于超材料面板上采用类波导馈电，其它与第一实施例完全相同，本发明超材料面板折射率分布的设计原理同馈源照射式馈电，电磁波在软性基板充气后形成的囊状空间中传播经由超材料天线的调制形成特定波束辐射到空间中，在此不再赘述。

在以上的实施例中，核心层片层和阻抗匹配层片层呈方形、圆形和L形，当然，也可以根据情况采用其它具有类似功能的形状。此外，馈源的形状及位置设置也不限于图中所示，本领域技术人员可以结合实际情况进行相应变形。

综上所述，本发明的超材料微天线的特殊的形状尺寸及排布产生独特的折射率分布，根据实际需要人为设计、控制和优化超材料天线的电磁特性参数可以调制反射特殊波束的电磁波，进而可以使得天线***达到极佳的辐射效果。同时本发明为充气式天线，超材料人造金属微结构嵌在软性基板上，天线的重量和体积均得到极大的压缩，具有携带方便、制作简单、适用性强等特点。

以上仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种超材料天线，其特征在于，所述超材料天线包括：包括设置在馈源后方的超材料面板，所述超材料面板的下边沿与所述馈源的上端处于同一水平，所述超材料面板包括核心层及设置在所述核心层背对馈源的一侧表面的反射板，所述核心层包括至少一个核心层片层，所述核心层片层包括片状的软性基板以及设置在所述软性基板上的多个人造金属微结构；

其中，所述软性基板为可收缩和扩张的充气片层，所述充气片层以并排方式结合成整体；所述充气片层充入的气体密度小于或等于所述充气片层外气体的密度；所述核心层片层的折射率分布满足如下公式：

$n\left(r\right)=n_{\max }-\frac{\mathrm{dis}-\mathrm{Vseg}}{D};$

Vseg＝ss+λ×NUMseg；

$\mathrm{NUMseg}=\mathrm{floor}\left\{\frac{\mathrm{dis}-\mathrm{ss}}{\mathrm{\λ}}\right\};$

dis＝d1+d2；

$d1=\sqrt{{\mathrm{sx}}^2+r^2};$

d2＝(L+sy-r)×sinγ；

ss＝(L+sy)×sinγ+sx×cosγ；

γ＝cos^-1(cosα×cosβ)；

其中，n(r)表示所述核心层片层上半径为r处的折射率值，所述核心层片层的折射率分布圆心即为馈源等效点在所述超材料面板外侧表面所在平面的投影；

$D=\frac{\mathrm{\λ}}{n_{\max }-n_{\min }};$

sx为所述馈源等效点到所述超材料面板的垂直距离；

sy为所述馈源等效点到所述超材料面板下边沿的距离，即圆心到所述超材料面板下边沿的距离；

L表示所述核心层片层的有效长度；

n_max表示所述核心层片层的折射率的最大值；

n_min表示所述核心层片层的折射率的最小值；

λ表示频率为天线中心频率的电磁波的波长；

γ表示从特定卫星发出的电磁波在所述超材料面板表面入射时与所述超材料面板法线所成的夹角；

α为特定地区，特定卫星的方位角；

β为特定地区，特定卫星的仰角；

floor表示向下取整。

2.根据权利要求1所述的超材料天线，其特征在于，所述人造金属微结构呈平面雪花状。

3.根据权利要求1所述的超材料天线，其特征在于，每个所述核心层片层折射率分布相同且相互平行。

4.根据权利要求1所述的超材料天线，其特征在于，所述超材料面板还包括设置在所述核心层另一侧的阻抗匹配层，以实现从空气到所述核心层的折射率匹配。

5.根据权利要求4所述的超材料天线，其特征在于，所述阻抗匹配层包括至少一个阻抗匹配层片层，所述阻抗匹配层片层的折射率分布满足如下公式：

$n_i\left(r\right)={n_{\min }}^{\frac{i}{m}}\×n{\left(r\right)}^{\frac{m-i}{m}};$

λ＝(n_max-n_min)×(D1+2×D2)；

其中，i表示所述阻抗匹配层片层的编号，靠近所述馈源的阻抗匹配层片层的编号为m，由所述馈源向所述核心层方向，编号依次减小，靠近所述核心层的所述阻抗匹配层片层的编号为1；

n(r)表示所述核心层片层上半径为r处的折射率值；

D1为所述阻抗匹配层的厚度；D2为所述核心层的厚度。

6.根据权利要求1所述的超材料天线，其特征在于，所述充气片层扩张后组成的所述超材料面板任一纵截面具有相同的形状与面积。

7.根据权利要求6所述的超材料天线，其特征在于，所述超材料面板的纵截面为方形，所述馈源等效点在所述超材料面板外侧表面所在平面的投影距离所述超材料面板的下边沿中点的距离为sy。

8.根据权利要求6所述的超材料天线，其特征在于，所述超材料面板的纵截面为圆形或椭圆形，所述馈源等效点在所述超材料面板外侧表面所在平面的投影距离所述超材料面板的下边沿顶点的距离为sy。

9.根据权利要求6所述的超材料天线，其特征在于，所述超材料面板的纵截面为L形，所述馈源等效点在所述超材料面板外侧表面所在平面的投影距离所述超材料面板的下边沿中点的距离为sy。