一种渐变折射率超材料天线罩的制作方法

文档序号:10018448
一种渐变折射率超材料天线罩的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种用于Ku频段的新型天线罩,属于天线罩和新型人工电磁材 料领域。
【背景技术】
[0002] 传统天线罩大都是由蒙皮层-芯层-蒙皮层结构组成,这种天线罩存在一个显著 缺点就是大角度入射时,由于蒙皮层和芯层的介电常数相差较大,因此阻抗不匹配,导致反 射率高,透波率较低。
[0003] 新型人工电磁材料(Metamaterials)是电磁学中新兴的研究领域,其基础是等效 媒质理论,由一系列设计的结构单元在亚波长尺度上按照一定规律排列构成。通过精心设 计单元结构和尺寸大小,可以得到所需要的等效介电常数和磁导率。经过近些年的发展,新 型人工电磁材料得到了长足的发展,在隐身、天线工程等方面都有广泛的应用。基于渐变折 射率人工电磁材料的新型天线罩是利用打孔结构等效介电常数来实现参数可控,可以达到 介质材料等效介电常数的预期分布,从而实现介电常数的渐变,实现匹配,增大透波率和减 小反射。传统的天线罩一般由蒙皮层-芯层-蒙皮层构成,由于蒙皮层需要起抗高温、承 载压力等作用,因此一般需要选用高介电常数的材料,而芯层需要起隔热的作用,一般需要 选用介电常数较低的材料,从而存在蒙皮层与芯层之间的阻抗失配问题,导致这种结构的 天线罩透波率较低,而本实用新型设计的天线罩由蒙皮层-过渡层-芯层-过渡层-蒙皮 层-过渡层构成,利用渐变折射率人工电磁材料来制作匹配层,明显降低了反射率,提高了 透波率,尤其在大角度入射时,天线的透波率也能得到显著提高。所以本实用新型具有很高 的工程应用价值。 【实用新型内容】
[0004] 技术问题:本实用新型提供一种能在Ku波段实现高透过率折射率分布,易于加 工,可批量生产的渐变折射率超材料天线罩。
[0005] 技术方案:本实用新型的渐变折射率超材料天线罩,为由外至内依次设置的蒙皮 层-过渡层-芯层-过渡层-蒙皮层-过渡层组成的多层结构,所述过渡层由多层渐变折射 率超材料构成,所述渐变折射率超材料是在介质板上加工用以减小折射率的通孔制成的, 从而实现在天线罩径向上的折射率渐变。
[0006] 进一步的,本实用新型的天线罩中,每个过渡层均由四小层渐变折射率超材料组 成,从内至外共 12 小层,折射率分别为:1. 8, 2. 35, 2. 78, 3. 16, 3. 19, 2. 84, 2. 44,1.96,1.8, 2· 18,2· 5,2· 79〇
[0007] 进一步的,本实用新型的天线罩中,渐变折射率超材料是在介质板上根据等效媒 质理论分割成同样大小的单元,每个单元的中心都加工一个用以减小折射率的通孔,实现 折射率渐变。
[0008] 本实用新型的天线罩是在传统天线罩的蒙皮层-芯层-蒙皮层结构基础上,增加 了阻抗渐变层(阻抗匹配层),从而使天线罩整体呈现阻抗渐变的状态,可提高透波率。利 用新型人工电磁材料来制作阻抗匹配层,以达到增大透波率,减小反射率的目的,尤其是在 大角度入射时,透波率可显著提高。基于渐变折射率人工电磁材料的新型天线罩的匹配层 由打孔结构的介质基片构成,具有易于加工、制作成本低、重量轻、灵活性高等特点。
[0009] 本实用新型的天线罩整体阻抗渐变,相比传统天线罩,在蒙皮层与芯层之间增加 了过渡层(阻抗匹配层),在天线罩内部也增加了过渡层。对于传统天线罩,存在蒙皮层 与芯层之间的阻抗失配问题,从而透波率较低。本实用新型提出了在蒙皮层与芯层之间增 加折射率线性变化的过渡层,在天线罩内部增加从蒙皮层到空气的折射率线性变化的过渡 层,从而使得天线罩阻抗渐变。我们采用在高介电常数介质板上打孔的方案来实现介电常 数的渐变,以便达到阻抗匹配的效果。
[0010] 本实用新型中,由于渐变折射率人工电磁材料的引入,使天线罩的阻抗实现渐变, 从而所设计出来的天线罩克服了传统天线罩阻抗失配问题,透波率显著提高。通过增加匹 配层可以达到介电常数渐变,以此来增大透波率,降低反射率。
[0011] 本实用新型的优选方案中,过渡层的结构中,根据等效媒质理论被分割成等大的 单元块,每个单元块的中心都加工有用以减小折射率的通孔。
[0012] 本实用新型是根据超材料的全新特性进行设计的,超材料也称为新型人工电磁材 料,由尺寸远小于波长的电磁谐振单元按一定周期或非周期方式排列。有一种超材料的实 现方式为打孔的方式。以等效媒质理论为基础,设计单元结构的尺寸大小,然后对单元结构 进行打孔,根据孔径大小,最后得到的单元结构的折射率也会随之变化。其变化关系大致遵 循着孔径越大折射率越小的规律。
[0013] 渐变折射率的理想情况是折射率由大到小或者由小到大连续均匀变化,但现实生 活中并不存在这种渐变材料,故我们用离散化的梯度折射率分布来代替理想的线性折射率 分布。过渡层首先被离散为4小层,且厚度相同,厚度主要受限于超材料中的等效媒质理 论。每一小层的折射率取值取决于蒙皮层和芯层的折射率只差。首先每一小层的折射率 计算我们取蒙皮层和芯层只差除4,然后在加上上一层的折射率值,即为每一小层的折射率 值,其次,我们根据微小量来调控优化每一小层的折射率值,最终得到整个渐变折射率天线 罩的折射率分布。
[0014] 有益效果:本实用新型与现有技术相比,具有以下优点:
[0015] 1.本实用新型为在现有天线罩结构基础上的改进型天线罩,在三层必备层中加入 过渡层,也称为匹配层,每个过渡层分为四小层,这四小层中没小层之间折射率差别很小, 这意味着加入之后使得整个结构的折射率接近于连续变化,如果电磁波入射到折射率连续 变化的介质,而非突变的介质上,根据电磁波传播理论,电磁波不会发生反射,而是全部透 射过去,因此,加入过渡层后的天线罩,使得电磁波在穿过天线罩时不会发生大的反射,而 将绝大多数能量通过渐变折射率材料的引导而传播出去,因此这种基于新型人工电磁材料 的天线罩,在同样角度的入射下,与传统天线罩相比,可以提高10%的透过率,在大角度入 射的情况下,透过率也是大幅度提高。
[0016] 2.本实用新型提供的基于新型人工电磁材料的天线罩,是一种可用于各种场合的 装置,可以在Ku波段显著提高天线的透过率。在光学波段,所需要的过渡层由硬质玻璃或 石英组成,其工艺需要特殊的打磨加工。在Ku波段,过渡层一般由人工树脂或者聚苯乙烯 等利用模具加工而成,加工更加容易,误差明显减小,稳定性更高。
[0017] 3.现有的一些超材料的结构大多采用电磁谐振结构,通过谐振的位置不同,可以 选择不同的电磁参数,从而调整整个结构的折射率分布,实现各种功能,而本实用新型采用 的是打孔的方式来实现折射率的改变。打孔方式的超材料相比于其他的超材料有几个优 点:其一,电磁波从不同的方向入射时打孔结构的电磁特性变化不大,基本上可以等效成成 是各项
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