专利名称：一种前馈式微波天线的制作方法
技术领域：
本发明涉及天线领域，更具体地说，涉及一种前馈式微波天线。
背景技术：
现有的前馈式微波天线，通常由金属抛物面及位于金属抛物面焦点的辐射源构成，金属抛物面的作用为将外部的电磁波反射给辐射源或将辐射源发射的电磁波反射出 去。金属抛物面的面积以及金属抛物面的加工精度直接决定微波天线的各项参数，例如增益、方向性等。但现有的前馈式微波天线存在以下缺点一是从金属抛物面反射的电磁波部分会被辐射源阻挡造成一定的能量损失，二是金属抛物面制作困难，成本较高。金属抛物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。
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不足，提供一种体积较小、成本低廉、增益较高且传输距离远的前馈式微波天线。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是提出一种前馈式微波天线，包括辐射源、用于将所述辐射源发射的电磁波发散的第一超材料面板、第二超材料面板以及贴附于所述第二超材料面板背部的反射面板，电磁波经过所述第一超材料面板被发散后进入所述第二超材料面板产生折射并被所述反射面板反射后再次进入所述第二超材料面板再次发生折射并最终平行出射；所述第一超材料面板包括第一基材及周期排布于所述第一基材中的多个第三人造孔结构；所述第二超材料面板包括核心层，所述核心层包括多个具有相同折射率分布的核心超材料片层，所述核心超材料片层的折射率呈圆形分布，圆心处的折射率最大，随着半径的增大，折射率从np连续减小到Iitl且相同半径处的折射率相同；所述核心超材料片层包括基材及周期排布于所述核心超材料片层基材中的多个第一人造孔结构。进一步地，所述第二超材料面板还包括设置于所述核心层前侧的第一渐变超材料片层至第N渐变超材料片层，其中第N渐变超材料片层靠近所述核心层；每一渐变超材料片层折射率均呈圆形分布，且圆心处的折射率均为其最大折射率，随着半径的增大，折射率从其最大折射率逐渐减小到Iitl且相同半径处的折射率相同，两个相邻的渐变超材料片层的最大折射率表示为Hi和ni+1，其中nQ < Iii < ni+1 < np，i为正整数，Iii对应于距离所述核心层较远的渐变超材料片层的最大折射率值；所述每一渐变超材料片层包括基材以及周期排布于所述基材表面的多个第二人造孔结构。进一步地，所述第二超材料面板还包括设置于所述第一渐变超材料片层前侧的第一匹配层至第M匹配层，其中第M匹配层靠近所述第一渐变超材料片层；每一匹配层折射率分布均匀，靠近自由空间的所述第一匹配层折射率大致等于自由空间折射率，靠近所述第一渐变超材料片层的第M匹配层折射率大致等于所述第一渐变超材料片层最小折射率％。进一步地，每一渐变超材料片层和所有核心超材料片层随着半径r的变化，折射率分布关系式为n{r) = Wmax -2* ^ +\ ^ * Omax _n0)
^SS +/ 一 其中，nmax表示各超材料片层所具有的最大折射率值，n0表示各超材料片层所具有的相同的最小折射率值，ss表示辐射源距第一渐变超材料片层的垂直距离，I表示各超材 料片层所具有的相同的最大半径值。进一步地，所述第一人造孔结构内填充有折射率小于核心超材料片层基材折射率的介质，周期排布于所述核心超材料片层的基材中的多个所述第一人造孔结构的排布规律为所述每个第一人造孔结构和其所占的部分核心超材料片层基材构成了所述核心超材料片层的基本单元，所述核心超材料片层的基本单元在所述核心超材料片层基材上呈圆形分布，圆心处的核心超材料片层的基本单元上的第一人造孔结构体积最小，随着半径的增大，对应半径的核心超材料片层的基本单元上的第一人造孔结构体积变大且相同半径处的核心超材料片层的基本单元上的第一人造孔结构体积相同。进一步地，所述第二人造孔结构内填充有折射率小于渐变超材料片层基材折射率的介质，周期排布于所述渐变超材料片层基材中的所述第二人造孔结构的排布规律为所述每个第二人造孔结构和其所占的部分渐变超材料片层基材构成了所述渐变超材料片层的基本单元，所述渐变超材料片层的基本单元在所述渐变超材料片层基材上呈圆形分布，圆心处的渐变超材料片层的基本单元上的第二人造孔结构体积最小，随着半径的增大，对应半径的渐变超材料片层的基本单元上的第二人造孔结构体积变大且相同半径处的渐变超材料片层的基本单元上的第二人造孔结构体积相同。进一步地，所述第一超材料面板折射率呈圆形分布，圆心处的折射率最小且随着半径的增大，对应半径的折射率亦增大且相同半径处折射率相同。进一步地，所述第一超材料面板由多个折射率分布相同的第一超材料片层构成；所述第三人造孔结构内填充有折射率小于第一基材折射率的介质，周期排布于所述第一基材中的所述第三人造孔结构的排布规律为所述每个第三人造孔结构和其所占的部分第一基材构成了所述第一超材料面板的基本单元，所述第一超材料片层的基本单元在所述第一基材上呈圆形分布，圆心处的第一超材料片层的基本单元上的第三人造孔结构体积最大，随着半径的增大，对应半径的第三人造孔结构体积亦增大且相同半径处的第三人造孔结构体积相同。进一步地，所述介质为空气。进一步地，所述辐射源发射的电磁波频率为12. 4G赫兹至18G赫兹。实施本发明的技术方案，具有以下有益效果通过设计超材料面板核心层和渐变层上及各自之间的折射率变化将辐射源发射的电磁波经过两次折射后转换为平面波，从而提高了天线的汇聚性能，大大减少了反射损耗，也就避免了电磁能量的减少，增强了传输距离，提高了天线性能。进一步地，本发明还在辐射源前段设置具有发散功能的超材料，从而提高辐射源的近距离辐射范围，使得前馈式微波天线整体能够更小的尺寸并使得被核心层反射回来的电磁波绕过辐射源而不会产生辐射源阴影、造成能量损失。更进一步地，本发明采用人造孔结构构成超材料，具有工艺简单、成本低廉的有益效果。
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是构成超材料的基本单元的立体结构示意图；图2是本发明前馈式微波天线的结构示意图； 图3是本发明前馈式微波天线中构成第一超材料面板的第一超材料片层的结构示意图；图4是本发明前馈式微波天线中第二超材料面板的立体结构示意图；图5为本发明前馈式微波天线中第二超材料面板的匹配层的剖视图。
具体实施例方式光，作为电磁波的一种，其在穿过玻璃的时候，因为光线的波长远大于原子的尺寸，因此我们可以用玻璃的整体参数，例如折射率，而不是组成玻璃的原子的细节参数来描述玻璃对光线的响应。相应的，在研究材料对其他电磁波响应的时候，材料中任何尺度远小于电磁波波长的结构对电磁波的响应也可以用材料的整体参数，例如介电常数ε和磁导率μ来描述。通过设计材料每点的结构使得材料各点的介电常数和磁导率都相同或者不同从而使得材料整体的介电常数和磁导率呈一定规律排布，规律排布的磁导率和介电常数即可使得材料对电磁波具有宏观上的响应，例如汇聚电磁波、发散电磁波等。该类具有规律排布的磁导率和介电常数的材料我们称之为超材料。如图I所示，图I为构成超材料的基本单元的立体结构示意图。超材料的基本单元包括基材2以及在基材2中形成的人造孔结构I。在基材2中形成人造孔结构I使得基材2每点的介电常数和磁导率随着人造孔结构体积的不同而不同，从而每个超材料基本单元对相同频率的入射波具有不同的电磁响应。多个超材料基本单元按一定规律排列即可使得超材料对电磁波具有宏观的响应。由于超材料整体需对入射电磁波有宏观电磁响应因此各个超材料基本单元对入射电磁波的响应需形成连续响应，这要求每一超材料基本单元的尺寸为入射电磁波的十分之一至五分之一，优选为入射电磁波的十分之一。本段描述中，我们人为的将超材料整体划分为多个超材料基本单元，但应知此种划分方法仅为描述方便，不应看成超材料由多个超材料基本单元拼接或组装而成，实际应用中超材料是将人造孔结构周期排布于基材中即可构成，工艺简单且成本低廉。周期排布即指上述我们人为划分的各个超材料基本单元上能对入射电磁波产生连续的电磁响应。如图2所示，图2为本发明前馈式微波天线的结构示意图。图2中，本发明前馈式微波天线包括辐射源20、第一超材料面板30、第二超材料面板10以及位于第二超材料面板10背部的反射面板40，本发明中，辐射源20发射的电磁波频率为12. 4G赫兹至18G赫兹。第一超材料面板30可直接贴附于辐射源20的辐射端口上，但是，当第一超材料面板30直接贴附于辐射源20的辐射端口上时辐射源20辐射的电磁波部分会被第一超材料面板30反射造成能量损失，因此本发明中，第一超材料面板30设置于辐射源20前方。第一超材料面板30由多片折射率分布相 同的第一超材料片层300构成，如图3所示，图3为第一超材料片层300的立体结构示意图，第一超材料片层300包括第一基材301以及周期排布于第一基材中的多个第三人造孔结构302。构成第一超材料片层300的基本单元仍如图I所示，但第一超材料片层300需具有发散电磁波的功能，根据电磁学原理，电磁波向折射率大的方向偏折。因此，第一超材料片层300上的折射率变化规律为第一超材料片层300折射率呈圆形分布，圆心处的折射率最小且随着半径的增大，对应半径的折射率亦增大且相同半径处折射率相同。具有该类折射率分布的第一超材料片层300使得辐射源20辐射出来的电磁波被发散，从而提高辐射源的近距离辐射范围，使得前馈式微波天线整体能够更小的尺寸，并能使得被反射面反射出来的电磁波不被辐射源挡住。更具体地，本发明中，第一超材料片层300上的折射率分布规律可以为线性变化，即n(K) = nfflin+KR, K为常数，R为圆形分布的形成有第三人造孔结构的超材料基本单元中心点与第一基材中心点的连线距离，nmin为第一基材中心点所具有的折射率值。另外，第一超材料片层300上的折射率分布规律亦可为平方率变化，即n(K) = nmin+KR2 ;或为立方率变化即n(K) = nmin+KR3 ;或为冥函数变化，即n(K) = nmin*KE等。由上述第一超材料片层300的变化公式可知，只要第一超材料片层300满足发散辐射源发射的电磁波即可。下面详细描述本发明前馈式微波天线第二超材料面板。第二超材料面板将经由第一超材料面板发散的电磁波汇聚后使得发散的球面电磁波以更适于远距离传输的平面电磁波辐射出去。如图4所示，图4为本发明第二超材料面板的立体结构示意图。图4中，第二超材料面板10包括核心层，该核心层由多个折射率分布相同的核心超材料片层11构成；设置于核心层前侧的第一渐变超材料片层101至第N渐变超材料片层，本实施例中渐变超材料片层为第一渐变超材料片层101、第二渐变超材料片层102以及第三渐变超材料片层103 ;设置于第一渐变超材料片层101前侧的第一匹配层111至第M匹配层，每一匹配层折射率分布均匀且靠近自由空间的第一匹配层111折射率大致等于自由空间折射率，靠近第一渐变超材料片层的最后一层匹配层折射率大致等于该第一渐变超材料片层101最小的折射率。渐变超材料片层与匹配层均具有减少电磁波的反射，并起到阻抗匹配和相位补偿的作用，因此设置渐变超材料片层和匹配层是较优选的实施方式。本实施例中，匹配层由具有空腔1111的片层构成，空腔的体积越大使得片层的折射率越小，通过空腔的体积逐渐变化使得各匹配层的折射率逐渐变化。匹配层的剖视图如图5所示。构成核心超材料片层和渐变超材料片层的基本单元均如图I所示。核心超材料片层和渐变超材料片层均呈圆形分布，圆心处的折射率最大，随着半径的增大对应半径的折射率减小且相同半径处的折射率相同。其中核心超材料片层具有的最大折射率为np，两个相邻的渐变超材料片层的最大折射率为Iii和ni+1，ni对应于距离所述核心层较远的渐变超材料片层，rvrvrii、]^满足关系式nQ < Iii < ni+1 < np。由核心超材料片层和渐变超材料片层构成的功能层的具体每一层上具有相同半径r的超材料基本单元的折射率分布满足
权利要求
1.一种前馈式微波天线，其特征在于，包括辐射源、用于将所述辐射源发射的电磁波发散的第一超材料面板、第二超材料面板以及贴附于所述第二超材料面板背部的反射面板，电磁波经过所述第一超材料面板被发散后进入所述第二超材料面板产生折射并被所述反射面板反射后再次进入所述第二超材料面板再次发生折射并最终平行出射；所述第一超材料面板包括第一基材及周期排布于所述第一基材中的多个第三人造孔结构；所述第二超材料面板包括核心层，所述核心层包括多个具有相同折射率分布的核心超材料片层，所述核心超材料片层的折射率呈圆形分布，圆心处的折射率最大，随着半径的增大，折射率从Hp连续减小到Iitl且相同半径处的折射率相同；所述核心超材料片层包括基材及周期排布于所述核心超材料片层基材中的多个第一人造孔结构。
2.根据权利要求I所述的前馈式微波天线，其特征在于，所述第二超材料面板还包括设置于所述核心层前侧的第一渐变超材料片层至第N渐变超材料片层，其中第N渐变超材料片层靠近所述核心层；每一渐变超材料片层折射率均呈圆形分布，且圆心处的折射率均为其最大折射率，随着半径的增大，折射率从其最大折射率逐渐减小到Iitl且相同半径处的折射率相同，两个相邻的渐变超材料片层的最大折射率表示为Iii和ni+1，其中1 < Iii < ni+1<np, i为正整数，η,对应于距离所述核心层较远的渐变超材料片层的最大折射率值；所述每一渐变超材料片层包括基材以及周期排布于所述基材表面的多个第二人造孔结构。
3.根据权利要求2所述的前馈式微波天线，其特征在于，所述第二超材料面板还包括设置于所述第一渐变超材料片层前侧的第一匹配层至第M匹配层，其中第M匹配层靠近所述第一渐变超材料片层；每一匹配层折射率分布均匀，靠近自由空间的所述第一匹配层折射率大致等于自由空间折射率，靠近所述第一渐变超材料片层的第M匹配层折射率大致等于所述第一渐变超材料片层最小折射率IV
4.根据权利要求2所述的前馈式微波天线，其特征在于，每一渐变超材料片层和所有核心超材料片层随着半径r的变化，折射率分布关系式为
5.根据权利要求4所述的前馈式微波天线，其特征在于，所述第一人造孔结构内填充有折射率小于核心超材料片层基材折射率的介质，周期排布于所述核心超材料片层的基材中的多个所述第一人造孔结构的排布规律为所述每个第一人造孔结构和其所占的部分核心超材料片层基材构成了所述核心超材料片层的基本单元，所述核心超材料片层的基本单元在所述核心超材料片层基材上呈圆形分布，圆心处的核心超材料片层的基本单元上的第一人造孔结构体积最小，随着半径的增大，对应半径的核心超材料片层的基本单元上的第一人造孔结构体积变大且相同半径处的核心超材料片层的基本单元上的第一人造孔结构体积相同。
6.根据权利要求4所述的前馈式微波天线，其特征在于，所述第二人造孔结构内填充有折射率小于渐变超材料片层基材折射率的介质，周期排布于所述渐变超材料片层基材中的所述第二人造孔结构的排布规律为所述每个第二人造孔结构和其所占的部分渐变超材料片层基材构成了所述渐变超材料片层的基本单元，所述渐变超材料片层的基本单元在所述渐变超材料片层基材上呈圆形分布，圆心处的渐变超材料片层的基本单元上的第二人造孔结构体积最小，随着半径的增大，对应半径的渐变超材料片层的基本单元上的第二人造孔结构体积变大且相同半径处的渐变超材料片层的基本单元上的第二人造孔结构体积相同。
7.根据权利要求I所述的前馈式微波天线，其特征在于，所述第一超材料面板折射率呈圆形分布，圆心处的折射率最小且随着半径的增大，对应半径的折射率亦增大且相同半径处折射率相同。
8.根据权利要求7所述的前馈式微波天线，其特征在于，所述第一超材料面板由多个折射率分布相同的第一超材料片层构成；所述第三人造孔结构内填充有折射率小于第一基材折射率的介质，周期排布于所述第一基材中的所述第三人造孔结构的排布规律为所述每个第三人造孔结构和其所占的部分第一基材构成了所述第一超材料面板的基本单元，所述第一超材料片层的基本单元在所述第一基材上呈圆形分布，圆心处的第一超材料片层的基本单元上的第三人造孔结构体积最大，随着半径的增大，对应半径的第三人造孔结构体积亦增大且相同半径处的第三人造孔结构体积相同。
9.根据权利要求5、6或8所述的前馈式微波天线，其特征在于，所述介质为空气。
10.根据权利要求I所述的前馈式微波天线，其特征在于，所述辐射源发射的电磁波频率为12. 4G赫兹至18G赫兹。
全文摘要
本发明公开一种前馈式微波天线，其包括辐射源、用于将所述辐射源发射的电磁波发散的第一超材料面板、第二超材料面板以及贴附于所述第二超材料面板背部的反射面板，电磁波经过所述第一超材料面板被发散后进入所述第二超材料面板产生折射并被所述反射面板反射后再次进入所述第二超材料面板再次发生折射并最终平行出射。本发明采用超材料原理制作天线，使得天线脱离了常规的凸透镜形状、凹透镜形状以及抛物面形状的限制，采用本发明的天线，其形状可为平板状或任意形状且厚度更薄、体积更小、加工和制作更为方便，具有成本低廉、增益效果好的有益效果。
文档编号H01Q19/06GK102904037SQ201110210318
公开日2013年1月30日 申请日期2011年7月26日 优先权日2011年7月26日
发明者刘若鹏, 季春霖, 岳玉涛, 李勇祥 申请人:深圳光启高等理工研究院, 深圳光启创新技术有限公司