CN103682675B - 一种喇叭天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种喇叭天线，包括喇叭及设置在喇叭开口处的超材料套筒，所述超材料套筒包括至少一个超材料环层，所述超材料环层包括环状基板及附着在环状基板外侧表面上的多个人造微结构，每一超材料环层任一断面的折射率均沿垂直于喇叭口径面的方向由内向外逐渐增大。根据本发明的喇叭天线，将折射率渐变的超材料套筒加设在标准喇叭的开口处，可以使得波前电场的幅值分布较为均匀，从而提高喇叭天线口径面的利用效率，提高喇叭天线的远场增益。

Description

一种喇叭天线

技术领域

本发明涉及通信领域，更具体地说，涉及一种喇叭天线。

背景技术

喇叭天线，即波导终端张开成喇叭状的天线，由于喇叭天线结构简单和方向图易于控制，通常用作中等方向性天线，如标准喇叭，最常见的是用作反射面的馈源；喇叭天线具有结构简单、成本低、增益高等优点，在工程上有广泛应用，但是在某些特殊领域，由于工作环境、搭载设备等条件限制，往往要求进一步改善增益性能，传统的做法是加上校正相位的反射面或透镜，但是这些结构都是曲面结构，在加工、安装上有很多不便。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有的喇叭天线加工难度大、成本高的缺陷，提供一种结构简单的喇叭天线。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种喇叭天线，包括喇叭及设置在喇叭开口处的超材料套筒，所述超材料套筒包括至少一个超材料环层，所述超材料环层包括环状基板及附着在环状基板外侧表面上的多个人造微结构，每一超材料环层任一断面的折射率均沿垂直于喇叭口径面的方向由内向外逐渐增大。

进一步地，每一超材料环层具有相同形状及相同折射率分布的断面。

进一步地，所述超材料套筒包括顺序叠加的多个超材料环层。

进一步地，所述超材料套筒与喇叭的口径面平行的任一剖面具有单一的折射率分布。

进一步地，所述超材料套筒的断面形状为直角梯形或矩形。

进一步地，所述人造微结构为金属微结构，所述金属微结构由一条或多条金属线组成，所述金属线为铜线、银线或者铝线，所述环状基板上的多个人造微结构通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法得到。

进一步地，所述环状基板上的多个人造微结构由呈平面雪花状的金属微结构的拓扑图案的演变得到，所述呈平面雪花状的金属微结构具有相互垂直平分的第一金属线及第二金属线，所述第一金属线与第二金属线的长度相同，所述第一金属线两端连接有相同长度的两个第一金属分支，所述第一金属线两端连接在两个第一金属分支的中点上，所述第二金属线两端连接有相同长度的两个第二金属分支，所述第二金属线两端连接在两个第二金属分支的中点上，所述第一金属分支与第二金属分支的长度相等。

进一步地，所述呈平面雪花状的金属微结构的每个第一金属分支及每个第二金属分支的两端还连接有完全相同的第三金属分支，相应的第三金属分支的中点分别与第一金属分支及第二金属分支的端点相连。

进一步地，所述呈平面雪花状的金属微结构的第一金属线与第二金属线均设置有两个弯折部，所述呈平面雪花状的金属微结构绕第一金属线与第二金属线的交点在金属微结构所处平面内向任意方向旋转90度的图形都与原图重合。

进一步地，所述多个超材料环层中处于最外侧的超材料环层其外侧表面设置有保护层。

根据本发明的喇叭天线，将折射率渐变的超材料套筒加设在标准喇叭的开口处，可以使得波前电场的幅值分布较为均匀，从而提高喇叭天线口径面的利用效率，提高喇叭天线的远场增益。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明第一实施例的喇叭天线的结构示意图；

图2是图1所示的喇叭天线其超材料套筒的结构示意图；

图3是图2所示的超材料套筒其断面结构示意图；

图4是本发明第二实施例的喇叭天线的结构示意图；

图5是本发明的平面雪花状的金属微结构的拓扑图案的示意图；

图6是图5所示的平面雪花状的金属微结构的一种衍生结构；

图7是图5所示的平面雪花状的金属微结构的一种变形结构；

图8是本发明第一实施例的喇叭天线的远场仿真示意图。

具体实施方式

如图1至图4所示，根据本发明的喇叭天线包括喇叭LB及设置在喇叭开口处的超材料套筒TT，所述超材料套筒TT包括至少一个超材料环层10，所述超材料环层10包括环状基板1及附着在环状基板1外侧表面上的多个人造微结构2，每一超材料环层10任一断面的折射率均沿垂直于喇叭口径面的方向由内向外逐渐增大。所述超材料套筒TT可以套设在喇叭开口上，也可以通过胶水粘接在喇叭开口的外侧壁上。

本发明中，所述环状基板1由F4B复合材料、FR-4复合材料、聚四氟乙烯或聚苯乙烯制成。例如，聚四氟乙烯的电绝缘性非常好，因此不会对电磁波的电场产生干扰，并且具有优良的化学稳定性、耐腐蚀性，使用寿命长。

本发明中，所述环状基板的厚度为0.1-2mm，所述人造微结构的厚度为0.01-0.5mm。例如，环状基板的厚度为1mm，人造微结构的厚度为0.018mm。

本发明中，优选地，所述人造微结构2为金属微结构，所述金属微结构由一条或多条金属线组成，所述金属线为铜线、银线或者铝线，所述环状基板1上的多个人造微结构通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法得到。

本发明的超材料套筒，例如可以通过如下方法制得：

（1）在环状基板的外侧表面覆铜膜；

（2）通过蚀刻等工艺去掉不需要的部分铜膜，即得到了多个人造微结构在环状基板外侧表面的平面排布，也即形成了一个超材料环层；

（3）根据需要，由一个超材料环层形成超材料套筒，或者将多个超材料环层用热熔胶粘接得到多层的超材料套筒。热熔胶的材料最好与超材料环层的材料保持一致。

本发明中，优选地，所述环状基板1上的多个人造微结构由图5所示的呈平面雪花状的金属微结构的拓扑图案的演变得到。即图5所示的金属微结构的拓扑图案为呈平面雪花状的金属微结构的基本平面拓扑图案，同一基材上的所有金属微结构的拓扑图案均由图5所示的图案演变得到。

如图5所示，所述呈平面雪花状的金属微结构具有相互垂直平分的第一金属线J1及第二金属线J2，所述第一金属线J1与第二金属线J2的长度相同，所述第一金属线J1两端连接有相同长度的两个第一金属分支F1，所述第一金属线J1两端连接在两个第一金属分支F1的中点上，所述第二金属线J2两端连接有相同长度的两个第二金属分支F2，所述第二金属线J2两端连接在两个第二金属分支F2的中点上，所述第一金属分支F1与第二金属分支F2的长度相等。

图6是图5所示的平面雪花状的金属微结构的一种衍生结构。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金属微结构。同样，图6所示的只是基本平面拓扑图案。

图7是图5所示的平面雪花状的金属微结构的一种变形结构，此种结构的金属微结构，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，通过设置弯折部的朝向与弯折部在第一金属线与第二金属线上的相对位置，使得图7所示的金属微结构绕垂直于第一金属线与第二金属线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。同样，图7所示的只是基本平面拓扑图案。

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。在环状基板的材料选定的情况下，利用只对电场响应的人造微结构可以实现折射率的任意值（在一定范围内），在该喇叭天线中心频率下，利用仿真软件，如CST、MATLAB、COMSOL等，通过仿真获得某一特定形状的人造微结构（如图5所示的平面雪花状的金属微结构）的介电常数（折射率）随着拓扑图案的变化折射率变化的情况，即可列出一一对应的数据，即可设计出我们需要的特定折射率分布的超材料环层。

如图1至图3所示，为本发明第一实施例的喇叭天线。所述喇叭LB为角锥喇叭，所述超材料套筒TT由三个超材料环层10顺序叠加形成（相互之间通过胶水粘接），处于最外侧的超材料环层10其外侧表面设置有保护层20。所述保护层为PS塑料、PET塑料或HIPS塑料，所述保护层的厚度为0.1-2mm。例如，保护层为0.1mm的HIPS塑料。

本实施例中，每一超材料环层10具有相同形状及相同折射率分布的断面，且所述超材料套筒TT与喇叭的口径面平行的任一剖面具有单一的折射率分布，即超材料套筒在径向上具有相同的折射率，且所述超材料套筒TT与喇叭的口径面平行的任一剖面为方形环。

作为一个具体的例子，以最外层的超材料环层10为例，其环状基板的外侧表面上具有如图2所示的人造微结构排布形式。

在图2中，基板上的所述多个人造微结构具有相同的拓扑图案，即图5所示的金属微结构的拓扑图案为呈平面雪花状的金属微结构的基本平面拓扑图案。通过改变第一金属分支与第二金属分支的长度来实现超材料环层任一断面的折射率沿垂直于喇叭口径面的方向由内向外逐渐增大。第一金属分支与第二金属分支长度相等，这样第一金属分支或第二金属分支越长，则其与环状基板所构成的等效介电常数就越大，在磁导率不变的情况下，相当于，第一金属分支或第二金属分支越长则该人造微结构与环状基板所构成的等效折射率越大。

本实施例中，如图3所示，所述每一超材料环层10的断面均为直角梯形，由三个超材料环层10顺序叠加形成的所述超材料套筒的断面DM形状也为直角梯形。

根据第一实施例，对具有如下参数的喇叭天线进行仿真模拟测试：

喇叭天线的中心频率为18.356GHZ；

如图3所示，超材料套筒TT的直角梯形断面的上边SB为19mm，下边XB为3mm，高（即超材料套筒的径向厚度HD）为3.054mm。

超材料套筒TT靠近喇叭口径面的剖面其折射率为1.56，沿垂直于喇叭口径面的方向由内向外，各个剖面的折射率逐渐增大，最外侧的剖面的折射率为8。

如图8所示，为该喇叭天线的远场图，从图8中可以看出，本实施例的喇叭天线相较于标准喇叭，其增益提高了。

如图4所示，为本发明第二实施例的喇叭天线。所述喇叭LB为圆锥喇叭，所述超材料套筒TT由三个超材料环层顺序叠加形成（相互之间通过胶水粘接），处于最外侧的超材料环层其外侧表面设置有保护层20。所述保护层为PS塑料、PET塑料或HIPS塑料，所述保护层的厚度为0.1-2mm。例如，保护层为0.1mm的HIPS塑料。

本实施例中，每一超材料环层具有相同形状及相同折射率分布的断面，且所述超材料套筒TT与喇叭的口径面平行的任一剖面具有单一的折射率分布，即超材料套筒在径向上具有相同的折射率，且所述超材料套筒TT与喇叭的口径面平行的任一剖面为圆环。

本实施例中，所述每一超材料环层的断面均为直角梯形，由三个超材料环层顺序叠加形成的所述超材料套筒的断面形状也为直角梯形。

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，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (7)

1.一种喇叭天线，其特征在于，包括喇叭及设置在喇叭开口处的超材料套筒，所述超材料套筒包括顺序叠加的多个超材料环层，所述超材料环层包括环状基板及附着在环状基板外侧表面上的多个人造微结构，每一超材料环层任一断面的折射率均沿垂直于喇叭口径面的方向由内向外逐渐增大，其中，所述超材料套筒套设在喇叭开口上或者粘接在喇叭开口的外侧壁上，每一超材料环层具有相同形状及相同折射率分布的断面，且所述超材料套筒与喇叭的口径面平行的任一剖面具有单一的折射率分布。

2.根据权利要求1所述的喇叭天线，其特征在于，所述超材料套筒的断面形状为直角梯形或矩形。

3.根据权利要求1所述的喇叭天线，其特征在于，所述人造微结构为金属微结构，所述金属微结构由一条或多条金属线组成，所述金属线为铜线、银线或者铝线，所述环状基板上的多个人造微结构通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法得到。

4.根据权利要求3所述的喇叭天线，其特征在于，所述环状基板上的多个人造微结构由呈平面雪花状的金属微结构的拓扑图案的演变得到，所述呈平面雪花状的金属微结构具有相互垂直平分的第一金属线及第二金属线，所述第一金属线与第二金属线的长度相同，所述第一金属线两端连接有相同长度的两个第一金属分支，所述第一金属线两端连接在两个第一金属分支的中点上，所述第二金属线两端连接有相同长度的两个第二金属分支，所述第二金属线两端连接在两个第二金属分支的中点上，所述第一金属分支与第二金属分支的长度相等。

5.根据权利要求4所述的喇叭天线，其特征在于，所述呈平面雪花状的金属微结构的每个第一金属分支及每个第二金属分支的两端还连接有完全相同的第三金属分支，相应的第三金属分支的中点分别与第一金属分支及第二金属分支的端点相连。

6.根据权利要求4所述的喇叭天线，其特征在于，所述呈平面雪花状的金属微结构的第一金属线与第二金属线均设置有两个弯折部，所述呈平面雪花状的金属微结构绕第一金属线与第二金属线的交点在金属微结构所处平面内向任意方向旋转90度的图形都与原图重合。

7.根据权利要求1所述的喇叭天线，其特征在于，所述多个超材料环层中处于最外侧的超材料环层其外侧表面设置有保护层。