是光程相等原理， 即费马原理。对于较薄的透镜，光线在透镜中的传播可近似认为平行于Z轴。因此可得到 平板透镜沿径向折射率分布的表达式为：
[0029] 对于透镜天线来说，为了减小天线因其媒质特征阻抗与自由空间阻抗不匹配而产 生的反射，提高天线的效率，根据四分之一波长传输线阻抗匹配理论，在透镜主体的两侧各 增加一层四分之一波长的阻抗匹配层。
[0030] 为了实现大角度的波束扫描，本案需要在扫描角0为0°到90°的范围内针对不 同角度计算透镜主体及阻抗匹配层沿径向的折射率分布。
[0031] 图3和图4所示为本发明中波束扫描角度为0°和30°时的两个例子。为实现 0°的波束扫描，透镜主体1和匹配层2的折射率沿径向分布曲线如图3所示。该折射率分 布关于光轴对称。为实现30°的波束扫描，透镜主体1和匹配层2的折射率沿径向分布曲 线如图4所示。对于其他的角度，也可以计算出对应的透镜主体1和匹配层2的折射率分 布曲线。
[0032] 图5为本案的一种实施方式。所述金属谐振单元为双开口环金属谐振结构，压控 变容二极管加载在上部开口处并连接开口的两端。当压控变容二极管两端的外加电压变化 时，电容值会发生改变，从而改变了变容二极管所对应的金属谐振单元的谐振频率，进而改 变了该金属谐振单元所处位置的折射率，进而改变了在某一工作频率时透镜主体和匹配层 的折射率分布。位于同一介质基板上的透镜主体和匹配层单元结构需要连接不同路的外加 电压信号。
[0033] 作为一个实施例，当本案中的透镜工作在8. 5GHz时，可采用型号为 SMV1231-079LF的压控变容二极管，其能承受的反向偏置电压的范围为OV至15V。可采用 尺寸为4mm的新型人工电磁材料单元。偏置电压从OV变化至15V的过程中，其折射率大小 的变化趋势为，先增大至最大值，再减小至最小值，后增大趋于稳定。在这个过程中，其折射 率的变化范围可达到0. 5至4。
[0034]作为一个实施例，开口环金属谐振单元的金属环边长a，开口宽度g，内折臂长h可 以用于对折射率变化范围进行辅助调整。
[0035]图6和图7为本案的一种实施方式。该基于新型人工电磁材料的电压控制波束可 调控透镜天线工作在8. 5GHz，波束扫描范围为0°至60°。介质基板以平面形式等间距排 列，介质基板平行于中轴线，每层介质基板上的所有金属谐振单元以矩形阵列方式排布，同 一行金属谐振单元形成的直线与中轴线垂直，同一列的金属谐振单元形成的直线与中轴线 平行；每片介质基板的两端有2个开口环金属谐振单元结构作为匹配层，中间有6个开口环 金属谐振单元结构作为芯层（透镜主体）。馈电时为了防止竖直的金属线形成谐振反射电 磁波，将焊盘分散在介质基板的两端进行馈电。
[0036]作为一个实施例，金属谐振单元结构可以通过刻蚀、电镀、钻刻、光刻、电子刻或粒 子刻的方法附着在介质基板上。
[0037]作为又一实施例，选用环氧树脂来制作基材。环氧树脂硬度较高，电绝缘性良好， 不会对电磁场的电场产生干扰，并且具有优良的化学稳定性、耐腐蚀性，使用寿命长，作为 金属结构附着基材是很好的选择。
[0038]作为又一实施例，所述金属结构和金属馈线为铜线或银线。铜与银的导电性能好， 对电场的响应更加灵敏。
[0039]本发明中的透镜天线根据工作频段不同，可采用不同加工工艺实现。
[0040] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应 视为本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种基于新型人工电磁材料的电压控制波束可调透镜天线，包括中轴线位于同一直 线上的透镜主体（1)、阻抗匹配层（2)和馈源（3)，透镜主体（1)和阻抗匹配层（2)的折射 率均沿径向渐变分布、沿轴向均匀分布；其特征在于：所述透镜主体（1)和阻抗匹配层（2) 由新型人工电磁材料构成，通过外部电压信号调节透镜主体（1)和阻抗匹配层（2)折射率 的分布； 所述新型人工电磁材料由一层以上相互平行的介质基板等间距排列构成，介质基板的 正面周期性排布有金属谐振单元，介质基板的背面设置有金属馈线，金属谐振单元通过介 质基板上的金属化通孔与金属馈线电连接；所述金属谐振单元为带有一个以上开口的环 形，在其中一个开口的两个金属端之间连接有一个压控变容二极管，外部电压信号通过金 属馈线加载在压控变容二极管上； 所述透镜主体（1)和阻抗匹配层（2)中的所有金属谐振单元的结构和尺寸完全相同， 不同介质基板上金属谐振单元根据折射率要求设计。2. 根据权利要求1所述的基于新型人工电磁材料的电压控制波束可调透镜天线，其特 征在于：外部电压信号经过多路通道加载到所有压控变容二极管上，每个压控变容二极管 仅与一路外部电压信号接通。3. 根据权利要求1所述的基于新型人工电磁材料的电压控制波束可调透镜天线，其特 征在于：所述金属谐振单元为带有两个以上开口的矩形环。4. 根据权利要求1所述的基于新型人工电磁材料的电压控制波束可调透镜天线，其特 征在于：所述新型人工电磁材料的结构为以下两种方式之一：①一层以上相互平行的介质 基板以平面形式等间距排列，介质基板平行于中轴线，每层介质基板上的所有金属谐振单 元以矩形阵列方式排布，同一行金属谐振单元形成的直线与中轴线垂直，同一列的金属谐 振单元形成的直线与中轴线平行；②介质基板卷绕成环形，一层以上相互平行的介质基板 以同心圆形式等间距排列，每层介质基板上的所有金属谐振单元以矩形阵列方式排布，同 一行金属谐振单元形成的圆形与中轴线垂直，同一列的金属谐振单元形成的直线与中轴线 平行。5. 根据权利要求1所述的基于新型人工电磁材料的电压控制波束可调透镜天线，其特 征在于：所述介质基板的材质为环氧树脂或聚四氟乙烯。6. 根据权利要求1所述的基于新型人工电磁材料的电压控制波束可调透镜天线，其特 征在于：所述馈源（3)为一个用于照射圆形口径或矩形口径透镜的低后瓣、宽波束的喇叭 天线。
【专利摘要】本发明公开了一种基于新型人工电磁材料的电压控制波束可调透镜天线，包括透镜主体、阻抗匹配层和馈源，透镜主体和阻抗匹配层的折射率均沿径向渐变分布、沿轴向均匀分布；透镜主体和阻抗匹配层由新型人工电磁材料构成，通过外部电压信号调节透镜主体和阻抗匹配层折射率的分布；新型人工电磁材料由一层以上相互平行的介质基板等间距排列构成，介质基板的正面周期性排布有金属谐振单元，金属谐振单元为带有开口的环形，在其中一个开口的两个金属端之间连接有一个压控变容二极管，外部电压信号加载在压控变容二极管上。本发明首次在微波段采用新型人工电磁材料实现了一种在不改变透镜和馈源的物理结构和位置的前提下进行波束扫描的透镜天线。
【IPC分类】H01Q1/38, H01Q1/50, H01Q15/02
【公开号】CN104966905
【申请号】CN201510387021
【发明人】汤文轩, 武展妮, 崔铁军
【申请人】东南大学
【公开日】2015年10月7日
【申请日】2015年6月30日