专利名称：一种阵列天线的制作方法
技术领域：
本发明涉及天线领域，更具体地说，涉及能够调整天线单元之间的距离的阵列天线。
背景技术：
随着近年来无线宽带移动通信的快速发展，为了避免系统升级过快造成的设备闲置，同时也为了更好的应用新的技术，出现了无线通信设备的2G/3G或3G/4G的双模组合，如GSM/TD-SCDMA、TD-SCDMA/LTE。不同模式之间的切换需要使用不同的天线，从而使得移动设备的安装、设计等时间被明显拖延，成本也明显增加。以阵列天线为例，阵列天线是由两个或两个以上天线单元按照某种规则排列并通 过适当激励获得预定辐射特性的特殊天线。阵列天线比单个单元天线的方向性好，所以为了获得更好的方向性，通常构造阵列天线来实现。按单元排列方式不同可将阵列天线分为线阵和面阵。最常用的线阵是各单元的中心依次等距排列在一条直线上的直线阵。多个直线阵在某一平面上按一定间隔排列就构成平面阵。图I为平面阵列天线的示意图，整个平面阵列由一系列天线单元排列而成。阵列天线一经制作完成，其尺寸也即固定，无法更改。对于需要较广辐射范围的需求时，天线单元之间的距离也就需要增加，目前天线间的距离要靠机械方法调整。而天线单元之间的距离需求越大，则天线尺寸和体积越大。若阵列天线的尺寸无法满足需求时，只能通过重新制作新的阵列天线来实现，这样就会造成天线的设计、安装、维护成本的增加，适用性很差。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述成本高、尺寸大、适用性差的缺陷，提供一种阵列天线。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是构造一种阵列天线，包括至少两个天线单元，还包括具有平移功能的超材料面板，所述超材料面板使得所述阵列天线发射的电磁波的辐射范围扩大；所述超材料面板相对设置于所述阵列天线的电磁波传播方向上。实施本发明的技术方案，具有以下有益效果通过在阵列天线的电磁波传播方向上设置具有平移功能的超材料面板，使得阵列天线中的天线单元发射的电磁波向外平移，等效于增加了天线单元间的距离，从而扩大了阵列天线的辐射范围。既满足了应用需求又无需增加天线单元间的实际距离，即无需增加天线尺寸，适用性强，调节比较灵活。而且，对于相同的应用需求下，采用本发明的技术方案，所需的天线的尺寸和体积大大减少，实现了天线的小型化，降低了天线的设计、安装、维护成本。
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I是平面阵列天线的示意图；图2是依据本发明第一实施例的阵列天线的结构示意图；图3是图2所示的超材料面板102的结构示意图；图4是图3所示的人造微结构的主视图；图5是使用图3所示的超材料面板102的阵列天线的电磁波传播示意图；图6是依据本发明第二实施例的阵列天线的结构示意图；图7是图6所示的超材料面板602的结构示意图；图8是图7所示的人造微结构的主视图；
图9是使用图7所示的超材料面板602的阵列天线的电磁波传播示意图；图10是依据本发明第三实施例的阵列天线的结构示意图；图11是图10所示的超材料面板602的结构示意图；图12是图11所示的人造微结构的主视图；图13是使用图11所示的超材料面板1002的阵列天线的电磁波传播示意图；图14是是依据本发明第四实施例的阵列天线的结构示意图；图15是使用图14所示的包含汇聚元件的阵列天线的电磁波传播示意图；图16是电磁波汇聚成平面波后射入超材料面板的示意图。
具体实施例方式图2是依据本发明第一实施例的阵列天线100的示意图。阵列天线100包括多个(至少两个)天线单元101，还包括具有平移功能的超材料面板102，超材料面板102使得所述阵列天线发射的电磁波的辐射范围扩大；超材料面板102相对设置于阵列天线的电磁波传播方向d上(如图2中的箭头所示)。图2中的阵列天线100中的天线单元的结构仅为示意，其具体结构可依据需要进行设置，对此本发明不做限制。图2所示的超材料面板102包括至少一个超材料片层，每个片层包括片状的基材和附着在所述基材上的多个人造微结构。超材料面板102的具体结构如图3所示，这里以多个超材料片层为例，实际的超材料片层的数目可依据需求来设置)。超材料面板102由一个或多个厚度相同的超材料片层构成，这些超材料片层之间等间距排列地组装，或两两片层之间直接前、后表面相粘合地连接成一体。每个超材料片层包括前后表面平行从而成等厚片状的基材1，还包括附着在基材I前表面上或嵌在每片基材I内部的多个阵列排布的人造微结构2。这些人造微结构2均匀分布在基材I表面上。这里的均匀分布是指，任一人造微结构2与其周围几个人造微结构2之间的间隔距离，和其他人造微结构2与其周围几个人造微结构2之间的间隔距离都是相同的，换句话说，也就是每个人造微结构2所占据的基材I体积是相同的。每个人造微结构2是由细而薄的金属丝组成的，这些金属丝在基材I前表面上或基材I内部组成一定的几何形状，与所附着占据的基材I部分一起构成一个超材料单元4，这个超材料单元4具有不同于附着基材I的等效介电常数和等效磁导率，因此可对电磁场产生不同的响应。超材料片层是由多个这样的完全相同的超材料单元4无缝结合起来的，通过所有超材料单元4的共同响应，使整个超材料面板实现对电磁波的平移。
要使电磁波平移，必须具备两个条件，其一是超材料面板整体对电磁波呈均质且各向异性。由于整个超材料面板是由规则排布的超材料片层组成的，片层的分布是均匀且平行的，而每个片层上的人造微结构2的分布也是均匀的，因此，只要每个人造微结构2自身的结构为各向异性，则超材料面板整体就会对电磁波呈现各向异性的特征；若人造微结构2为各向同性结构，则超材料面板整体对电磁波体现出各向同性的特征。要实现超材料面板对电磁波来说是均质的，即要求每个人造微结构2对电磁波的响应是相同的，也即每个人造微结构2对电磁波的折射率椭球5是相同的，也即每个折射率椭球5形状相同，大小相等。对于平面结构的人造微结构2，这里的各向同性，是指对于在该二维平面上以任一角度入射的任一电磁波，上述人造微结构2在该平面上的电场响应和磁场响应均相同，也即介电常数和磁导率相同；对于三维结构的人造微结构2，各向同性是指对于在三维空间的任一方向上入射的电磁波,每个上述人造微结构2在三维空间上的电场响应和磁场响应均相同。当人造微结构2为90度旋转对称结构时，人造微结构2即具有各向同性的特征。对于二维平面结构，90度旋转对称是指其在该平面上绕一垂直于该平面的旋转轴 任意旋转90度后与原结构重合；对于三维结构，如果具有两两垂直且共交点的3条旋转轴，使得该结构绕任一旋转轴旋转90度后均与原结构重合或者与原结构以一对称面对称，则该结构为90度旋转对称结构。因此，要实现各向异性，则本发明的人造微结构2不能为90度旋转对称结构。电磁波平移的另一必要条件是整个超材料面板的光学主轴必然不平行且不垂直于入射电磁波的传播方向。本实施例中，电磁波平行于基材I前表面地入射到超材料片层的一侧边缘，多个超材料片层沿垂直于其前表面的方向堆叠粘合，使得多个侧边缘合并构成入射电磁波的入射表面。同样，由于超材料片层均匀规则排布，每个人造微结构2也均匀排列，因此，要使整个超材料面板的光学主轴不垂直且不平行于入射电磁波传播方向，本实施例中，必须使每个超材料单元4的折射率椭球5的非寻常光光轴ne相互平行，且每个非寻常光光轴ne均不垂直且不平行于所述入射表面，与折射率椭球5的非寻常光光轴平行的方向即为该超材料面板的光学主轴方向。非寻常光光轴Iiej为折射率椭球5的长轴方向，寻常光光轴n。为其短轴方向。由于超材料单元4的基材选用的是普通天然材料，通常为各向同性的均质材料，因此，其折射率特征为圆球，对超材料单元4的折射率特征没有影响，故而只要人造微结构2的折射率椭球5的非寻常光光轴不垂直且不平行于所述入射表面即可。当基材不是普通的各向同性且均质的材料，则本文的折射率椭球均指人造微结构2和所附着的基材部分的折射率特性二者叠加所对应的折射率椭球,也即超材料单元4的折射率椭球5。折射率椭球用来表示折射率特性，对于任一给定的超材料单元4，可通过现有技术的模拟仿真软件和计算方法算出来，例如参考文献Electromagnetic parameterretrieval from inhomogeneous metamaterials, D. R. Smith，D. C.Vier, T. Koschny,C. M. Soukoulis, Physical Review E 71，036617(2005)。综上所述，要实现平移，必须使每个人造微结构2具有相同的折射率椭球5，且每个折射率椭球5的非寻常光光轴ne相互平行同时均不垂直且不平行于电磁波入射方向。这里的每个人造微结构2可以相同，也可以不同，均可通过设计来实现。为了便于制造，本发明的优选实施例中，各个人造微结构2完全相同，且相互均匀且平行地排布，调整超材料面板使得各折射率椭球5的非寻常光光轴ne不垂直且不平行于入射方向，即可满足上述条件，实现平移。这里的相互平行是指，每个人造微结构2上任意两点的连线，与另一个人造微结构2上相应两点的连线平行，或者说，每个人造微结构2都可通过水平和竖直移动最终与任意另一人造微结构2重合。对于图3所示实施例中的超材料单元4，其折射率椭球5的寻常光光轴n。、非寻常光光轴ne如图4中所示。假定坐标原点在折射率椭球5的中心上，且以n。轴为x轴，ne轴为y轴，折射率椭球5上的任意一点用nx, ny表示,则当电磁波经过超材料单元4时,其用kx,ky表示的对应于此折射率椭球5的波传播椭球50有以下关系，即ky □ nx /c，kx □ ny /c，其中，co为电磁波的角频率，c为光速，波传播椭球50与折射率椭球5共中心点，kx，ky是波传播椭球50上的点坐标。由公式可知，波传播椭球50与折射率椭球5为相似图形，且其长轴方向为折射率椭球5的短轴方向，而短轴方向为折射率椭球5的长轴方向。电磁波经过超材料单元4后的偏折方向可通过波传播椭球50画出来。如图4所 示，对于如图中所示方向入射的电磁波，与要出射的波传播椭球50的面上一点相交，做此相交点关于波传播椭球50的切线，自切点做的切线的法线方向即为电磁波的能量传播方向，因此电磁波在超材料面板内部沿此方向传播。当电磁波离开超材料面板时，所述法线延伸至与超材料面板的一表面也即出射面相交后，自出射面上的交点继续沿与入射方向平行的方向出射，此出射方向为电磁波相位传播方向。实现上述两个必备条件的人造微结构2有很多种可实现方式，对于平面结构的人造微结构2，其几何形状可以是轴对称也可以非轴对称；对于三维结构，其可以是非90度旋转对称的任意三维图形。平面的人造微结构2均附着在片状基材I的表面上。如图3所示，其人造微结构2呈“工”字形，包括两根相互平行且长度相等的第一金属丝60、两端分别连接两第一金属丝60且垂直平分第一金属丝60的第二金属丝61。所有人造微结构2按照正方形阵列排布，且第二金属丝61相对于水平或竖直阵列方向的倾斜角为45度。每个人造微结构2的折射率椭球5如图4所示，其非寻常光光轴与第二金属丝61的方向平行，整个超材料面板的光学主轴即为与非寻常光光轴I平行的方向。图5是使用图3所示的超材料面板102的阵列天线的电磁波传播示意图。这里为了描述清楚起见，仅示出了超材料面板102的一个超材料片层中的一列超材料单元中紧邻的几个超材料单元，以及多个天线单元中的两个天线单元SI、S2。图3中的超材料面板的尺寸小于阵列天线的尺寸，其中覆盖在超材料面板作用范围内的一部分天线单元(图中仅示出了 S2)发射的电磁波经过超材料面板后会发生平移，即图5所示的向下平移，而未覆盖在超材料面板作用范围内的另一部分天线单元(图中仅示出了 SI)发射的电磁波以原方向射出。由图5可知，天线单元S2发射的电磁波经平移后射出的电磁波方向看起来好像是从S2’中射出，也即，虽然天线单元SI与S2之间的实际距离LI没有改变，但是通过使用超材料面板将SI和S2的辐射范围扩大，等效于增加了天线单元间的距离，使其扩展为L2。当然图5中仅示出了一个超材料片层中的一列超材料单元中紧邻的几个超材料单元，随着列数的增加，平移的距离也会增加，相应地所等效增加的天线单元间的距离也会增加。
图6是依据本发明第二实施例的阵列天线的结构示意图。阵列天线600包括多个(至少两个)天线单元601，还包括具有平移功能的超材料面板602，超材料面板602相对设置于阵列天线的电磁波传播方向d上(如图6中的箭头所示)。图6中的阵列天线600中的天线单元的结构仅为示意，其具体结构可依据需要进行设置，对此本发明不做限制。图6所示的超材料面板602包括至少一个超材料片层，每个片层包括片状的基材和附着在所述基材上的多个人造微结构。超材料面板602的具体结构如图7所示，这里以多个超材料片层为例，实际的超材料片层的数目可依据需求来设置)。超材料面板602由一个或多个厚度相同的超材料片层构成，这些超材料片层之间等间距排列地组装，或两两片层之间直接前、后表面相粘合地连接成一体。每个超材料片层包括前后表面平行从而成等厚片状的基材1，还包括附着在基材I前表面上或嵌在每片基材I内部的多个阵列排布的人造微结构2。 对于图6所示实施例中的超材料单元4，其折射率椭球5的寻常光光轴n。、非寻常光光轴ne如图8中所示。假定坐标原点在折射率椭球5的中心上，且以n。轴为x轴，ne轴为y轴，折射率椭球5上的任意一点用nx, ny表示,则当电磁波经过超材料单元4时,其用kx,ky表示的对应于此折射率椭球5的波传播椭球50有以下关系，即ky □ nx /c，kx □ ny /c，其中，co为电磁波的角频率，c为光速，波传播椭球50与折射率椭球5共中心点，kx，ky是波传播椭球50上的点坐标。由公式可知，波传播椭球50与折射率椭球5为相似图形，且其长轴方向为折射率椭球5的短轴方向，而短轴方向为折射率椭球5的长轴方向。电磁波经过超材料单元4后的偏折方向可通过波传播椭球50画出来。如图8所示，对于如图中所示方向入射的电磁波，与要出射的波传播椭球50的面上一点相交，做此相交点关于波传播椭球50的切线，自切点做的切线的法线方向即为电磁波的能量传播方向，因此电磁波在超材料面板内部沿此方向传播。当电磁波离开超材料面板时，所述法线延伸至与超材料面板的一表面也即出射面相交后，自出射面上的交点继续沿与入射方向平行的方向出射，此出射方向为电磁波相位传播方向。实现上述两个必备条件的人造微结构2有很多种可实现方式，对于平面结构的人造微结构2，其几何形状可以是轴对称也可以非轴对称；对于三维结构，其可以是非90度旋转对称的任意三维图形。平面的人造微结构2均附着在片状基材I的表面上。如图7所示，其人造微结构2呈“工”字形，包括两根相互平行且长度相等的第一金属丝60、两端分别连接两第一金属丝60且垂直平分第一金属丝60的第二金属丝61。所有人造微结构2按照正方形阵列排布，且第二金属丝61相对于水平或竖直阵列方向的倾斜角为45度。每个人造微结构2的折射率椭球5如图8所示，其非寻常光光轴与第二金属丝61的方向平行，整个超材料面板的光学主轴即为与非寻常光光轴I平行的方向。图9是使用图7所示的超材料面板602的阵列天线的电磁波传播示意图。这里为了描述清楚起见，仅示出了超材料面板102的一个超材料片层中的一列超材料单元中紧邻的几个超材料单元，以及多个天线单元中的两个天线单元SI、S2。图6中的超材料面板的尺寸小于阵列天线的尺寸，其中覆盖在超材料面板作用范围内的一部分天线单元(图中仅示出了 S2)发射的电磁波经过超材料面板后会发生平移，即图9所示的向上平移，而未覆盖在超材料面板作用范围内的另一部分天线单元(图中仅示出了 SI)发射的电磁波以原方向射出。由图9可知，天线单元S2发射的电磁波经平移后射出的电磁波方向看起来好像是从S2’中射出，也即，虽然天线单元SI与S2之间的实际距离LI没有改变，但是通过使用超材料面板将SI和S2的辐射范围扩大，等效于增加了天线单元间的距离，使其扩展为L2。当然图9中仅示出了一个超材料片层中的一列超材料单元中紧邻的几个超材料单元，随着列数的增加，平移的距离也会增加，相应地所等效增加的天线单元间的距离也会增加。图10是依据本发明第二实施例的阵列天线的结构示意图。阵列天线1000包括多个(至少两个)天线单元1001，还包括具有平移功能的超材料面板1002，超材料面板1002相对设置于阵列天线的电磁波传播方向d上(如图10中的箭头所示)。图10中的阵列天线1000中的天线单元的结构仅为示意，其具体结构可依据需要进行设置，对此本发明不做限制。
图10所示的超材料面板1002包括至少一个超材料片层，每个片层包括片状的基材和附着在所述基材上的多个人造微结构。超材料面板1002的具体结构如图11所示，这里以多个超材料片层为例，实际的超材料片层的数目可依据需求来设置)。超材料面板1002由一个或多个厚度相同的超材料片层构成，这些超材料片层之间等间距排列地组装，或两两片层之间直接前、后表面相粘合地连接成一体。每个超材料片层包括前后表面平行从而成等厚片状的基材1，还包括附着在基材I前表面上或嵌在每片基材I内部的多个阵列排布的人造微结构2。与前文描述的两个实施例不同的是，每一片层的人造微结构设置不同，在此实施例中，每一片层包括两种式样的人造微结构。如图11所示，两种人造微结构形状相同，只是以一分界面上下划分，排布的位置不同，分别为第一人造微结构21、第二人造微结构22。关于两种人造微结构，见图12所示。第一人造微结构21与第二人造微结构22 二者的临界线所在的且垂直于基材I表面的平面为它们的分界面。该分界面可以是两行超材料单元4的交界面，也可以是其中一行超材料单元4中心点连线所在的平面。多个第一人造微结构21具有相同的折射率椭球，同时折射率椭球的非寻常光光轴相互平行；多个第二人造微结构22具有相同的折射率椭球，同时折射率椭球的非寻常光光轴相互平行。第一人造微结构和第二人造微结构均为非90度旋转对称结构，二者的折射率椭球的非寻常光光轴的夹角不为零或180度，且位于所述分界面法线的同一侧；所述夹角的开口方向与所述阵列天线的电磁波传播方向一致。多个第一人造微结构21具有相同的几何形状且相互平行地均匀排布，使得其折射率椭球相同且非寻常光光轴相互平行；多个第二人造微结构22具有相同的几何形状且相互平行地均匀排布，使得其折射率椭球相同且非寻常光光轴相互平行。对于一束入射电磁波，已知折射率椭球5,可以推知电磁波对应于该折射率椭球5的波传播椭球50。如图12所示，假定坐标原点在折射率椭球5的中心上，且以n。轴为X轴，ne轴为Y轴,椭球上的任意一点用nx, nY表示,则当如图6所示的电磁波经过超材料单元4时，其用kx，kY表示的对应于此折射率椭球5的波传播椭球50有以下关系，即kY □ nxco/c,kx □ nY /c，其中，《为电磁波的角频率，c为光速，波传播椭球50与折射率椭球5共中心点，kx，kY是波传播椭球50上的点坐标。由公式可知，波传播椭球50与折射率椭球5为相似图形，且其长轴方向为折射率椭球5的短轴方向，而短轴方向为折射率椭球5的长轴方向。任意一束电磁波经过超材料单元4后的偏折方向可通过波传播椭球50画出来。如图12所不,对于如图中所不方向入射的电磁波，与要出射的传播椭球的面上一点相交，做此相交点关于波传播椭球50的切线，自相交点做的切线的法线方向即为电磁波的能量传播方向。此法线延伸至与超材料面板的一表面也即出射面相交后，自出射面上的交点继续沿与入射方向平行的方向出射，此出射方向为电磁波相位传播方向。由于分界面3两侧的第一人造微结构21和第二人造微结构22对称分布，因此，如图12所示，二者的折射率椭球5的非寻常光主轴分别相对于分界面3对称并成一定夹角。入射电磁波的一部分电磁波经过第一人造微结构21后向下偏折，而另一部分电磁波经过第二人造微结构22从而向上偏折，两部分电磁波在超材料面板内部相互远离实现平移，并在离开超材料面板时保持与入射方向平行。第一人造微结构21和第二人造微结构22 二者的折射率椭球5的非寻常光光轴延长至分界面所形成的线段，均位于分界面法线的同一侧，同时所有的第一人造微结构的非寻常光光轴延长至分界面与分界面的夹角都在O度到90度之间。这样也可保证所有第一人造微结构21均使电磁波向下远离分界面，第二人造微结构22也均向上远离分界面，最 终实现平移。需要说明的是，由以上实施例可知，分界面3两侧的非寻常光光轴所形成的夹角其张开方向与电磁波传播方向一致，两侧的电磁波才能向远离分界面3的方向偏移。人造微结构2有很多种可实现方式，是由至少一根金属丝组成的具有几何图案的平面或立体结构，如“工”字形、“十”字形、椭圆环形、任意三角形、非正方形的四边形或不规则闭合曲线。对于平面结构的人造微结构2，其几何形状可以是轴对称也可以非轴对称；对于三维结构，其可以是非90度旋转对称的任意三维图形。平面的人造微结构2均附着在片状基材I的表面上。如图11所示，第一人造微结构21和第二人造微结构22呈“工”字形，包括两根相互平行且长度相等的第一金属丝60、两端分别连接两第一金属丝60且垂直平分第一金属丝60的第二金属丝61。所有人造微结构按照正方形阵列排布，且第二金属丝61相对于水平或竖直阵列方向的倾斜角为45度。人造微结构21、22的折射率椭球5如图12所示，其非寻常光光轴与第二金属丝61的方向平行，整个超材料面板的光学主轴即为与非寻常光光轴I平行的方向。图13是使用图11所示的超材料面板1002的阵列天线的电磁波传播示意图。这里为了描述清楚起见，仅示出了超材料面板1002的一个超材料片层中的一列超材料单元中紧邻的几个超材料单元，以及多个天线单元中的两个天线单元SI、S2。其中覆盖在超材料面板上面部分人造微结构的作用范围内的一部分天线单元(图中仅示出了 S2)发射的电磁波经过超材料面板后会发生平移，即图13所示的向上平移，而覆盖在超材料面板下面部分人造微结构的作用范围内的一部分天线单元(图中仅示出了 SI)发射的电磁波经过超材料面板后会发生平移，即图13所示的向上平移。由图13可知，天线单元S1、S2发射的电磁波经平移后射出的电磁波方向看起来好像是从SI’、S2’中射出，也即，虽然天线单元SI与S2之间的实际距离LI没有改变，但是通过使用超材料面板将SI和S2的辐射范围扩大，等效于增加了天线单元间的距离，使其扩展为L2。当然图13中仅示出了一个超材料片层中的一列超材料单元中的紧邻的几个超材料单元，随着列数的增加，平移的距离也会增加，相应地所等效增加的天线单元间的距离也会增加。上述实施例中，超材料面板和所述阵列天线之间还可以设置用于将阵列天线所发射的电磁波汇聚成平面波的汇聚元件。如图14所示的阵列天线1400，包括多个天线单元1401、具有平移功能的超材料面板1402、用于将阵列天线所发射的电磁波汇聚成平面波的汇聚元件1403，汇聚元件1403设置在超材料面板1402和阵列天线之间。汇聚元件1403具体结构本发明不做限制，只要能够实现将阵列天线所发射的电磁波汇聚成平面波即可。汇聚元件1403可以是透镜、也可以是具有汇聚功能的超材料来实现。实现汇聚元件的汇聚超材料可以包括至少一个超材料片层，每个片层包括片状的非金属的基材，每个基材划分为多个完全相同且阵列排布的立方体的基材单元，每个基材单元上附着有一个人造微结构。作为一非限制性示例，汇聚超材料的折射率在垂直于该汇聚超材料的中心轴上最大，以中心轴为圆心，随着半径的增大，折射率逐渐变小且折射率的变化量逐渐增大，相同半径处的折射率相同。超材料面板1402相对汇聚元件1403设置于阵列天线的电磁波传播方向d上(如图14中的箭头所示)。图14中的阵列天线1400中的天线单元的结构仅为示意，其具体结构可依据需要进行设置，对此本发明不做限制。超材料面板1402可采用前文所述的结构来实现。汇聚元件1403将阵列天线所发射的电磁波汇聚成平面波后，再射入超材料面板1402中，超材料面板1402可以采用前文所述的任一种结构，只要能够实现平移即可。图15是使用图14所示的包含汇聚元件的阵列天线的电磁波传播示意图，其中超材料面板1402采用图11所示的超材料面板，电磁波汇聚成平面波后再射入超材料面板的示意图见图16所示。图15中，为了描述清楚起见，仅示出了多个天线单元中的两个天线单元SI、S2。图13是使用图11所示的超材料面板1002的阵列天线的电磁波传播示意图。这里为了描述清楚起见，仅示出了超材料面板1002的一个超材料片层中的一列超材料单元中紧邻的几个超材料单元，以及多个天线单元中的两个天线单元SI、S2。其中覆盖在超材料面板上面部分人造微结构的作用范围内的一部分天线单元(图中仅示出了 S2)发射的电磁波经过超材料面板后会发生平移，即图15所示的向上平移，而覆盖在超材料面板下面部分人造微结构的作用范围内的一部分天线单元(图中仅示出了 SI)发射的电磁波经过超材料面板后会发生平移，即图13所示的向上平移。由图15可知，天线单元S1、S2发射的电磁波经平移后射出的电磁波辐射范围明显扩大，也即，虽然天线单元SI与S2之间的实际距离LI没有改变，但是通过使用超材料面板将SI和S2的辐射范围扩大，等效于增加了天线单元间的距离，使其扩展为L2，而且使得电磁波以平面波的形式传播使得传播距离更远，能量更加集中。关于超材料面板的内容详见前文所述。本发明通过在阵列天线的电磁波传播方向上设置具有平移功能的超材料面板，使得阵列天线中的天线单元发射的电磁波向外平移，等效于增加了天线单元间的距离，从而扩大了阵列天线的辐射范围。既满足了应用需求又无需增加天线单元间的实际距离，即无需增加天线尺寸，可根据辐射范围的大小来确定所要使用的超材料面板中超材料单元的行数和列数，适用性强，调节比较灵活。而且，对于相同的应用需求下，采用本发明的技术方案，所需的天线的尺寸和体积大大减少，实现天线的小型化，降低了天线的设计、安装、维护成本。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。·
权利要求
1.一种阵列天线，包括至少两个天线单元，其特征在于，还包括具有平移功能的超材料面板，所述超材料面板使得所述阵列天线发射的电磁波的辐射范围扩大；所述超材料面板相对设置于所述阵列天线的电磁波传播方向上。
2.根据权利要求I所述的阵列天线，其特征在于，所述超材料面板包括至少一个超材料片层，每个片层包括片状的基材和附着在所述基材上的多个人造微结构。
3.根据权利要求2所述的阵列天线，其特征在于，其中每个所述人造微结构为非90度旋转对称结构，使得所述超材料面板呈各向异性；每个所述人造微结构的折射率椭球相同，且各个折射率椭球的非寻常光光轴相互平行，各个非寻常光光轴均不垂直且不平行于电磁波传播方向，从而使得所述阵列天线的光学主轴不垂直且不平行于电磁波传播方向。
4.根据权利要求3所述的阵列天线，其特征在于，所述多个人造微结构均相同且相互平行地均匀排布在所述基材上，使得其折射率椭球大小相同且非寻常光光轴相互平行。
5.根据权利要求2所述的阵列天线，其特征在于，所述多个人造微结构以一垂直于所述基材的平面为分界面被分为多个第一人造微结构和多个第二人造微结构； 所述多个第一人造微结构具有相同的折射率椭球，同时折射率椭球的非寻常光光轴相互平行；所述多个第二人造微结构具有相同的折射率椭球，同时折射率椭球的非寻常光光轴相互平行； 每个所述第一人造微结构和第二人造微结构均为非90度旋转对称结构，二者的折射率椭球的非寻常光光轴的夹角不为零或180度；所述夹角的开口方向与所述阵列天线的电磁波传播方向一致。
6.根据权利要求5所述的阵列天线，其特征在于， 所述多个第一人造微结构具有相同的几何形状且相互平行地均匀排布，使得其折射率椭球相同且非寻常光光轴相互平行； 所述多个第二人造微结构具有相同的几何形状且相互平行地均匀排布，使得其折射率椭球相同且非寻常光光轴相互平行。
7.根据权利要求I 6任一项所述的阵列天线，其特征在于，所述超材料面板和所述阵列天线之间设置有用于将阵列天线所发射的电磁波汇聚成平面波的汇聚元件。
8.根据权利要求I 6任一项所述的阵列天线，其特征在于，所述超材料面板包括多个超材料片层，所述多个超材料片层沿垂直于所述超材料片层表面的方向堆叠成为一体。
9.根据权利要求2 6任一项所述的阵列天线，其特征在于，每个所述人造微结构为由至少一根金属丝组成的具有几何图案的平面或立体结构。
10.根据权利要求2 6任一项所述的阵列天线，其特征在于，每个所述人造微结构为“工”字形、“十”字形或者椭圆形。
全文摘要
本发明涉及一种阵列天线，包括至少两个天线单元，还包括具有平移功能的超材料面板，所述超材料面板使得所述阵列天线发射的电磁波的辐射范围扩大；所述超材料面板相对设置于所述阵列天线的电磁波传播方向上。通过在阵列天线的电磁波传播方向上设置具有平移功能的超材料面板，使得阵列天线中的天线单元发射的电磁波向外平移，等效于增加了天线单元间的距离，从而扩大了阵列天线的辐射范围。既满足了应用需求又无需增加天线单元间的实际距离，即无需增加天线尺寸，适用性强，调节比较灵活。而且，对于相同的应用需求下，采用本发明的技术方案，所需的天线的尺寸和体积大大减少，实现天线的小型化，降低了天线的设计、安装、维护成本。
文档编号H01Q15/00GK102790290SQ20111012533
公开日2012年11月21日 申请日期2011年5月16日 优先权日2011年5月16日
发明者刘若鹏, 季春霖, 岳玉涛, 黄沣 申请人:深圳光启创新技术有限公司, 深圳光启高等理工研究院