专利名称：一种基于非均匀介质的高增益喇叭天线的制作方法
技术领域：
本发明设计到一种喇叭天线，特别是一种基于非均勻介质的高增益喇叭天线。
背景技术：
喇叭天线是一种定向天线，它可以看成是张开的波导。喇叭的功能是在比波导更 大的口径上产生均勻的相位波前，从而获得较高的定向性。由于其设计、制造容易以及成本 均比较低，喇叭天线在实际生活中有着广泛的用途。限制喇叭天线方向性的主要是喇叭口面上相位的不一致性。当电磁波从波导进入 喇叭喉部到达喇叭口面时，电磁波的波面由平面变成球面，在喇叭口面上电磁波的相位已 经不再是相等的了。为了减小口面上相位的不一致性，经常采用的手段是改变喇叭的张角 或者喇叭的长度，但是采用上述手段只能减小相位差，并不能从根本上消除掉相位不一致 的不良影响。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有的普通喇叭天线喇叭口面上位相不一致的 缺点，提供一种基于非均勻介质的高增益喇叭天线，采用非均勻介质消除位相差，提高了喇 叭天线的增益。本发明的技术解决方案基于非均勻介质的高增益喇叭天线，制作步骤如下(1)确定天线工作的中心频率f，根据天线工作的中心频率按照普通喇叭天线的 设计方法设计出一个工作在该频段的喇叭天线，所述喇叭天线的H面口径为a，E面口径为 b，喇叭长度为h;(2)在喇叭天线的喇叭口面上增加一层非均勻介质，根据非均勻介质的厚度d和 非均勻介质在坐标原点处的折射率IV求出置于喇叭口面的非均勻介质的折射率分布η (X，
7)，《&，>0 = 。-^^^，其中17代表非均勻介质各点在以天线口面中心为坐标原点，
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以喇叭天线辐射方向为χ轴正向建立的坐标系中的坐标；(3)将非均勻介质离散化成边长为1的多个立方体单元，由步骤(2)中的公式求出 每一立方体单元的折射率η (m，η)，其中(m，η)为单元的编号；(4)建立“工”字型亚波长人工结构材料的有限元模型，采用有限元法计算材料的 等效折射率，改变材料的结构参数％，a0为“工”字型结构中“工”形金属结构的边长，仿真 计算出不同边长的结构对应的等效折射率η ；(5)由步骤(4)中得到的％和11的关系得到步骤(3)中每一个小单元的结构尺寸， 以该尺寸加工每一个单元，再将所有单元组合即可得到需要的非均勻介质。所述步骤O)中的IItl的取值应根据后面所述的人工结构材料的最小和最大 折射率来确定，设“工”字型人工结构材料的最小和最大折射率为nmin，nmax，则％满足
权利要求
1.一种基于非均勻介质的高增益喇叭天线，其特征在于所述天线的制作步骤如下(1)确定天线工作的中心频率f，根据天线工作的中心频率按照普通喇叭天线的设计 方法设计出一个工作在该频段的喇叭天线，所述喇叭天线的H面口径为a，E面口径为b，喇 叭长度为h ；(2)在喇叭天线的喇叭口面上增加一层非均勻介质，根据非均勻介质的厚度d和非均 勻介质在坐标原点处的折射率IV求出置于喇叭口面的非均勻介质的折射率分布n(x，y)，MU) = A-A+^ ，其中X，y代表非均勻介质各点在以天线口面中心为坐标原点，以 d喇叭天线辐射方向为χ轴正向建立的坐标系中的坐标；(3)将非均勻介质离散化成边长为1的多个立方体单元，由步骤( 中的公式求出每一 立方体单元的折射率η (m，η)，其中(m，η)为单元的编号；(4)建立“工”字型亚波长人工结构材料的有限元模型，采用有限元法计算材料的等效 折射率，改变材料的结构参数％，为工字型结构中“工”形金属结构的边长，仿真计算出不 同边长的结构对应的等效折射率η ；(5)由步骤⑷中得到的％和η的关系得到步骤(3)中每一个小单元的结构尺寸，以 该尺寸加工每一个单元，再将所有单元组合即可得到需要的非均勻介质。
2.根据权利要求1所述的一种基于非均勻介质的高增益喇叭天线，其特征在于 所述步骤⑵中的Iitl的取值根据后面所述的人工结构材料的最小和最大折射率来 确定，设“工”字型人工结构材料的最小折射率为nmin，最大折射率为nmax，则Iitl满足.h2+ — -hV 4η + --<nn < η 。mmτ0 maxα
3.根据权利要求1所述的一种基于非均勻介质的高增益喇叭天线，其特征在于所述 步骤(3)中的立方体单元的边长1小于等于天线工作波长的十分之一。
4.根据权利要求1所述的一种基于非均勻介质的高增益喇叭天线，其特征在于所述 步骤中的“工”字型亚波长人工结构材料由边长为1的立方体单元组成，每一单元由三 部分组成厚度为％的FR-4基底、在基底上刻蚀出的厚度为0. 017mm的“工”字型金属铜 膜以及包裹它们的介质，其中“工”字型中间的竖边宽度为W1、上下两边的横边宽度为W2，介 质的介电常数为ε0Ο
5.根据权利要求1所述的一种基于非均勻介质的高增益喇叭天线，其特征在于所述 的介质的为空气或硅，选用的介质的介电常数越大，得到的等效折射率也越大。
6.根据权利要求1所述的一种基于非均勻介质的高增益喇叭天线，其特征在于所述 步骤中利用有限元法计算材料的等效折射率具体实施如下采用CST或者HFSS商用 电磁仿真软件，建立“工”字型人工结构材料的单元模型，模型的结构尺寸如4中所述，模型 的正面为“工”字型铜膜，模型侧面设置为周期性边界条件，正面和背面分别设置两个波端 口，仿真的频段应该包含天线的工作频率，通过仿真计算得到模型的散射参数，再根据散射 参数反演法计算出材料的等效折射率。
7.根据权利要求1所述的一种基于非均勻介质的高增益喇叭天线，其特征在于所述 步骤(5)中加工每一个单元采用PCB板的加工方法，位于同一层的所有单元的基底可共用一块大的FR-4板材，只是在板材的不同位置处刻蚀出相应尺寸的工字型金属结构，每一层 FR-4板材之间填充选用的介质。
全文摘要
一种基于非均匀介质的高增益喇叭天线，制作如下(1)确定天线工作的中心频率f；(2)根据喇叭天线的一般设计方法设计出工作在该中心频率的普通喇叭天线，天线的H面口径为a，E面口径为b，喇叭长度为h；(3)确定置于喇叭口面的非均匀介质的折射率分布n(x，y)；(4)利用“工”字型亚波长人工结构材料构建折射率按n(x，y)分布的非均匀介质，采用有限元软件仿真的方式求出每一折射率对应的工字型亚波长人工结构材料单元的结构尺寸。
文档编号H01Q15/08GK102110890SQ20111003623
公开日2011年6月29日 申请日期2011年2月11日 优先权日2011年2月11日
发明者杜春雷, 董小春, 袁桂山, 邓启凌 申请人:中国科学院光电技术研究所