专利名称：近场辐射能流分布可调节的天线的制作方法
技术领域：
本发明涉及电磁领域,具体地涉及一种近场福射能流分布可调节的天线。
背景技术：
随着近距离通信的发展，对天线近场辐射的研究也越来越受到重视。例如，“移动支付”就是近距离通信的例子。在实际使用时，手机和读卡器的天线往往都工作在近场区。为了实现可靠的交易，我们需要对天线的近场辐射有正确的定义。但是目前在实际的工程应用中，往往沿用天线远场的辐射公式进行设计，其结果和从天线近场考虑相差甚远。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种近场辐射能流分布可调节的天线，可使 天线的近场能流分布集中到几个特定区域。为解决上述技术问题，提供了一种近场辐射能流分布可调节的天线，所述天线包括常规天线以及覆盖在常规天线上的超材料，所述超材料由至少一个超材料片层构成，所述超材料片层包括基板以及开设在基板上的多个孔，所述超材料包括多个带状区域，每个所述带状区域内均存在一个介电常数ε与磁导率P的乘积最大的第一区段，带状区域内其他各处的介电常数ε与磁导率μ的乘积从两侧向该第一区段连续增大。上述技术方案至少具有如下有益效果本发明的近场辐射能流分布可调节的天线，在常规天线的外面覆盖有超材料，天线产生的辐射首先要通过功能层，然后才能辐射到自由空间，通过在超材料的基板上打孔以调整超材料的电磁参数分布，进而改变天线的近场能流分布，使能流集中到几个特定区域。
图I是本发明的近场辐射能流分布可调节的天线实现特定能流分布的示意图。图2是本发明所采用的超材料的第一实施例的结构示意图。图3是本发明所采用的超材料的第二实施例的结构示意图。图4是本发明所采用的超材料的第三实施例的结构示意图。图5是本发明所采用的超材料的第四实施例的结构示意图。
具体实施例方式电磁波的折射率与X//成正比关系，当一束电磁波由一种介质传播到另外一种介质时，电磁波会发生折射，当物质内部的折射率分布非均匀时，电磁波就会向折射率比较大的位置偏折，通过改变折射率在材料中的分布，可以达到改变电磁波的传播路径的目的。在一块电磁参数分布均匀的材料上，通过在材料某些区域打小孔，由于空气介质会填入这些小孔，会导致该材料局部区域的电磁参数分布变化。根据上述原理，分析该材料的电磁参数和空气电磁参数的相互作用关系，通过控制小孔的数量和大小分布就可以调整材料局部区域的电磁参数分布，以此类推，根据各个区域要求的电磁参数分布，就可以实现材料宏观整体上的对电磁波的不同响应。如图I是本发明的近场辐射能流分布可调节的天线实现特定能流分布的示意图。本发明的近场辐射能流分布可调节的天线包括常规天线20以及覆盖在常规天线20上的超材料10，超材料10由至少一个超材料片层构成，超材料片层包括至少一个基板I以及开设在基板I上的多个孔2。此处的常规天线20是指未加超材料10的天线，可以是任意的现有的天线，其具有发射和接收电磁波的功能。图中SI为原来的近场能流分布图，S2所示为常规天线20发出的电磁波穿过超材料10后发生改变的近场能流分布的示意图，本发明的近场能流分布可调节的天线所采用的超材料10可使电磁波的近场能流分布集中到几个特定的区域，在本实施例中常规天线20发出的电磁波穿过超材料10后近场能流分布集中到图I所示S2的3个区域，具体实施时也可通过设计实现想要的近场辐射能流分布。本发明中的覆盖可以是完全覆盖，例如该超材料10为一壳体将常规天线20完全罩住，使得常规天线20向各个方向发射的电磁波都通过超材料10 ;当然也可以是部分覆盖，例如只在常规天线20的方向图的主瓣方向设置超材料10。本发明的近场辐射能流分布可调节的天线所产 的能流密度(坡印廷)矢量与#分别决定于介电常数ε与磁导率μ (统称为电磁参数)，因此改变电磁参数(相当于f与#的改变)电磁波的能流密度矢量必然发生改变。因此，通过设计超材料10的电磁参数空间分布，可使电磁波的进场能流集中分布到几个特定的区域。图2 图5分别为本发明的近场辐射能流分布可调节的天线所采用的超材料10的四个实施例的结构示意图。在本实例中超材料10由多个相互平行的超材料片层堆叠形成，本实施例中每个超材料片层的折射率分布均相同。每个超材料片层包括片状的基板1，每个片状基板I分成多个单元格4，在每个单元格4内均开设有孔2。超材料片层由多个单元格4阵列形成，整个超材料10可看作是由多个单元格4沿X、Y、Z三个方向阵列排布而成。单元格4的尺寸取决于需要响应的电磁波的频率，通常孔2的尺寸为所需响应的电磁波波长的十分之一。孔2可以为通孔，也可以采用盲孔的形式，孔2的具体形式本发明不做限制。如图所示本发明的近场辐射能流分布可调节的天线所采用的每个超材料片层的折射率分布满足如下规律超材料片层沿Y轴方向分成多个带状区域5，每个带状区域5的中部均存在一个介电常数ε与磁导率μ的乘积最大的第一区段，带状区域5内其他各处的介电常数ε与磁导率μ的乘积从两侧向该中部的第一区段连续增大，即每个带状区域5内存在一个折射率最大的第一区段，其他各处的折射率从两侧向第一区段方向连续增大。当电磁波通过本实施例的超材料10后，每个带状区域5内电磁波向中部汇聚，本实施的超材料10可使电磁波的近场能流分布到几个特定的区域。具有上述折射率分布的超材料10有很多种实施方式，图2所示实施例中通过在基板I上打孔2并在孔2内填充同一种填充体实现对超材料10各个单元格4的等效电磁参数进行调整。为了描述的更加清楚直观，本实施例中所有孔2的深度均相同，图中通过孔2的横截面积变化来体现孔2的体积变化规律。本实施例中每个基板I的孔2内均填充有同一种折射率小于基板I的折射率的填充体，本实施例的超材料片层沿Y轴方向分成3个带状区域5，每个带状区域5的中部均存在一个第一区段，构成每个第一区段的单元格4内的孔2的体积最小，带状区域5内其他各处的孔2的体积从两侧向该中部的第一区段连续减小。由于孔2中填充的填充体的折射率小于基板I的折射率，所以孔2的体积越小与其对应的单兀格4的等效折射率越大，所以本实施中的超材料10的每个超材料片层的折射率平面分布满足上述规律，每个带状区域5内电磁波向中部汇聚，可使电磁波的近场能流分布集中到图I所示的3个区域。图3所示为超材料10的第二实施例的结构示意图。本实施例中所有孔2的深度均相同，图中通过孔2的横截面积变化来体现孔2的体积变化规律。本实施例中每个基板I的孔2内均填充有同一种折射率大于基板I的折射率的填充体。本实施例的超材料片层沿Y轴方向分成3个带状区域5，每个带状区域5的中部均存在一个第一区段，构成每个第一区段的单元格4内的孔2的体积最大，带状区域5内其他各处的孔2的体积从两侧向中部连续增大。由于孔2中填充的填充体的折射率大于基板I的折射率，所以孔2的体积越大与其对应的单兀格4的等效折射率越大，所以本实施中的超材料10的每个超材料片层的折射率平面分布均满足上述规律，每个带状区域5内电磁波向该带状区域的中部汇聚，可使电磁波的近场能流分布集中到图I所示的3个区域。
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上述两个实施例中超材料10的每个基板I上的所有孔2内均填充有相同的填充体，所填充的填充体的材料与基板I的材料不同。填充体可采用空气、碘晶体、氧化铜、水晶、石英、聚苯乙烯、氯化钠、玻璃或其他高分子材料。空气的折射率小于基板I的折射率，适用于图2所示实施例。根据基板I材料的不同，其他固体填充体适用于不同的实施例。图4所示为超材料10的第三实施例的结构示意图。本实施例中所有孔2的体积均相同，孔2的截面形状和深度均可以相同，也可以设置深度和截面形状不同的孔2，为了便于说明本实施例的所有孔2的横截面积均相同且为正方形。由于本实施例中，各孔2的体积均相同且基板I的电磁参数分布均匀，因此要使超材料片层具有上述折射率分布规律，则需在基板I上的孔2中填充不同的填充体，本实施例中每个超材料片层沿Y轴方向分成3个带状区域5，每个带状区域5的中部均存在一个第一区段，每个第一区段内的孔2内所填充的填充体的折射率最大，带状区域5内其他各处的孔2内填充的填充体的折射率从两侧向中部连续增大，图中用填充线的密度表示填充体的折射率的大小，密度越大则对应的填充体的折射率越大。如图中超材料片层由8X15的单元格4阵列形成，整个超材料10可看作是由多个单元格沿X、Y、Z三个方向阵列排布而成。在图中所示Y方向上超材料10分成3个带状区域5，在带状区域5内沿X方向上每个单元格4的孔2内填充有相同的填充体，沿Y轴方向可在单元格4的孔2内依次填充空气、氯化钠、石英、氯化钠、空气，其中，在这3种填充体中石英的折射率最大，空气的折射率最小，所以本实施中的超材料10的每个超材料片层的折射率平面分布满足上述规律。通过反复对孔2大小和形状进行设计，使每个带状区域5内电磁波向第一区段方向汇聚，进而实现图I所示的近场能流分布。图5所示实施例中孔2的形状、截面大小、深度以及填充体均不完全相同，只要每个超材料片层3的折射率平面分布满足上述规律就可实现图I所示的近场能流分布。也就是说在基板I选定的情况下，可以通过设计孔2的形状、尺寸和/或多个孔2在空间中的排布以及孔2内的填充体，设计出超材料片层的每一单元格4的等效介电常数e和等效磁导率U，进而犾得满足上述规律的超材料10。具体实施时孔2可以为圆柱形、立方体形、圆锥形或圆台形等。基板I可以采用陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制得，其中高分子材料可采用聚四氟乙烯、FR-4或F4B等。可以通过注塑、冲压或数控打孔等方式在所述基板I上形成孔2，如果采用陶瓷材料制成的基板1，可通过高温烧结的方式制成具有多个孔2的基板I。由于空气介质填入孔2内，会导致该材料局部区域的电磁参数分布变化，通过调整孔2的体积进而实现电磁波汇聚功能的超材料10。也可以在孔2中填充其他材料的填充体以改变基板I的等效折射率，如碘晶体、氧化铜、水晶、石英、聚苯乙烯、氯化钠、玻璃等，使超材料片层的折射率平面分布满足上述规律，电磁波的近场能流分布到几个特定的区域。通过设计孔2的位置、数量、大小分布以及填充介质的种类，可设计出多种不同结构的超材料10，以实现特定的近场能流分布。以上所述是本发明的具体实施方式
，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，这些改进和润饰也视为 本发明的保护范围。
权利要求
1.一种近场辐射能流分布可调节的天线，其特征在于，所述天线包括常规天线以及覆盖在常规天线上的超材料，所述超材料由至少一个超材料片层构成，所述超材料片层包括基板以及开设在基板上的多个孔，其中每一超材料片层划分为多个带状区域，每一带状区域内介电常数ε与磁导率μ的乘积自两侧向中部连续增大。
2.如权利要求I所述的近场辐射能流分布可调节的天线，其特征在于，所述超材料由多个相互平行的超材料片层堆叠形成。
3.如权利要求2所述的近场辐射能流分布可调节的天线，其特征在于，所述基板分成多个单元格，每个单元格内均开设有孔。
4.如权利要求3所述的近场福射能流分布可调节的天线,其特征在于,每一带状区域内中部的单元格的孔的体积最小，带状区域内其他各处的孔的体积从两侧向中部连续减小，每个孔内均填充有相同的填充体且该填充体的折射率小于基板的折射率。
5.如权利要求3所述的近场福射能流分布可调节的天线,其特征在于,每一带状区域内中部的单元格的孔的体积最大，带状区域内其他各处的孔的体积从两侧向中部连续增大，每个孔内均填充有相同的填充体且该填充体的折射率大于基板的折射率。
6.如权利要求3所述的近场辐射能流分布可调节的天线，其特征在于，每个所述基板上开设的孔的体积均相同，孔内分别填充有不同的填充体，每一带状区域内中部的单元格的孔所填充的填充体的折射率最大，带状区域内其他各处的孔内所填充的填充体的折射率从两侧向中部连续增大。
7.如权利要求I 3任一项所述的近场福射能流分布可调节的天线,其特征在于,所述孔的形状为圆柱形、立方体形、圆锥形或圆台形。
8.如权利要求I 3任一项所述的近场福射能流分布可调节的天线,其特征在于,所述孔通过注塑、冲压或数控打孔的方法形成在所述基板上。
9.如权利要求I 3任一项所述的近场福射能流分布可调节的天线,其特征在于,所述基板由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制得。
10.如权利要求I 3任一项所述的近场福射能流分布可调节的天线,其特征在于,所述孔为通孔或盲孔。
全文摘要
本发明涉及一种近场辐射能流分布可调节的天线，包括常规天线以及覆盖在常规天线上的超材料，超材料由至少一个超材料片层构成，超材料片层包括基板以及开设在基板上的多个孔，超材料包括多个带状区域，每个带状区域内均存在一个介电常数ε与磁导率μ的乘积最大的第一区段，带状区域内其他各处的介电常数ε与磁导率μ的乘积从两侧向该第一区段连续增大。本发明的近场辐射能流分布可调节的天线，通过在常规天线外覆盖基板上打孔的超材料，可对天线的近场辐射能流进行调节，使能流集中到几个特定区域。
文档编号H01Q19/06GK102790274SQ20111012559
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, 徐冠雄 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