专利名称：波导馈源及天线的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种天线馈源领域，尤其涉及一种波导馈源及应用该波导馈源的天线。
背景技术：
馈源是天线的心脏，它用作高增益聚集天线的初级辐射器，为反射面(抛物面反射面)天线提供有效的照射，对经反射面反射而来的电磁波进行整理，使其极化方向一致并进行阻抗变换，由波导馈源辐射出来的电磁波散射于反射面板上。然后通过反射面将电磁波传播至大气空间。其中波导馈源包括各种各样的馈源，如波导馈源一般应用于反射面天线中，然而一般的波导馈源辐射出来的电磁波束通常为70度左右，因此，在天线设计中一般的波导馈源不能满足设计要求。
发明内容
基于此，本发明一种电磁波束辐射范围宽，且体积相对较小的波导馈源。本发明还提供一种应用该波导馈源的天线。一种天线包括一波导馈源及用于反射电磁波的反射单元，所述波导馈源包括一端开口一端封闭的波导、设置于波导内的电磁复合材料单元及电磁辐射单元，所述电磁复合材料单元设置在电磁辐射单元与波导的封闭端之间；电磁辐射单元接收电信号并将电信号后转化为电磁波，电磁复合材料单元包括至少一片电磁复合材料片层，每一电磁复合材料片层包括片状基板和设置在片状基板上的多个人造微结构；所述每一电磁复合材料片层的折射率由中间区域向两端逐渐增大。进一步地，所述波导为矩形波导。进一步地，所述矩形波导一侧面上设置有一通孔，所述电磁辐射单元一端穿过所述通孔并伸入矩形波导中。进一步地，所述电磁辐射单元为一金属制成的圆柱形探针。进一步地，所述电磁复合材料片层上的人造微结构呈矩阵式排布且人造微结构尺寸由中间向两端逐渐增大，所述电磁复合材料片层的中间区域上的人造微结构尺寸最小。—种波导馈源包括一端开口一端封闭的波导、设置于波导内的电磁复合材料单兀及电磁辐射单元，所述电磁复合材料单元设置在电磁辐射单元与波导的封闭端之间；电磁辐射单元接收电信号并将电信号后转化为电磁波，电磁复合材料单元包括至少一片电磁复合材料片层，每一电磁复合材料片层包括片状基板和设置在片状基板上的多个人造微结构；所述每一电磁复合材料片层的折射率由中间区域向两端逐渐增大。进一步地，所述人造微结构的排布方向一致。进一步地，所述人造微结构的排布方向不一致。进一步地，所述人造微结构光轴由每一电磁复合材料片层的中间区域向两侧逐渐旋转。
进一步地，所述电磁复合材料片层的中间区域中的人造微结构光轴与处于两端的人造微结构光轴相互垂直。相比现有技术，在波导中填充或者设置有特定折射率分布的电磁复合材料单元，可以使电磁辐射单元产生的电磁波发散，进而从波导口辐射出来电磁波束辐射范围角度超过100度，从天线设计中，所述波导馈源电磁波束辐射范围满足要求。
图I是本发明天线中一实施例的侧面示意图；图2为图I所示天线中的波导馈源立体图；图3为图2所示波导馈源中的电磁复合材料单元的折射率分布示意图；图4为图3所示电磁复合材料单元的一实施方式具体结构示意图； 图5为图4所示电磁复合材料单元的另一实施方式具体结构示俯视图；图6为图5所示电磁复合材料层中的平面雪花状的人造微结构示意图；图7为图5所示电磁复合材料层中的立体雪花状的人造微结构示意图；图8为图6所示电磁复合材料层中的立体雪花状的人造微结构示意图。
具体实施例方式下面结合相关附图及具体实施例对本发明做进一步的描述请参阅图1，本发明天线中一实施例的侧面示意图。所述天线10包括一波导馈源12及用于反射波导馈源12辐射的电磁波的反射单元11。在本实施方式中，所述反射单元11采用金属材料制成的曲面状的反射面板。请一并参阅图2，波导馈源12包括一端开口一端封闭的波导121、设置于波导121内电磁复合材料单元122及电磁辐射单元123。在本实施方式中，所述波导121为矩形波导且在波导121 —侧面上设置有一通孔102，所述电磁辐射单元123 —端穿过所述通孔102并伸入波导121中，所述电磁辐射单元123为一铜轴电缆且伸入波导121内的部分为裸露的铜缆，用于接收处理电路的电信号并将电信后转化为电磁波信号。在其他实施方式中，所述波导121为圆波导。在本实施方式中，电磁复合材料单元122为长方体状且设置于波导121的封闭端和电磁辐射单元123之间。所述电磁复合材料单元122是由人工电磁复合材料制成，人工电磁复合材料是指一些具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。通过在材料的关键物理尺度上的结构有序设计，可以突破某些表观自然规律的限制，从而获得超出自然界固有的普通性质的超常材料功能。例如，利用人工电磁材料技术可以设计出如图3所示折射率分布的电磁复合材料。如图4所示,为图3所示电磁复合材料单元的一实施方式具体结构示意图所述电磁复合材料单元122包括至少一片电磁复合材料片层1，每一电磁复合材料片层I包括片状基板2和附着在片状基板2上阵列排布的多个人造微结构3，每一人造微结构3与周围的片状基板2基材认为划分为一个电磁复合材料子单兀,每一电磁复合材料片层I沿X轴方向排布的电磁复合材料子单元，且在中间区域SI分布尺寸最小的人造微结构3，由此，使得中间区域SI的折射率相对于其他区域为最小，该中间区域SI包括一个电磁复合材料子单元或相同折射率的多个电磁复合材料子单元，该中间区域SI两侧的电磁复合材料子单元的折射率分别沿向两端逐渐增大，且所述每一电磁复合材料子单元具有各向异性的电磁参数。每一电磁复合材料子单元可以是完全相同的方块，可以是立方体，也可是长方体，每一电磁复合材料子单元的长、宽、高尺寸为入射电磁波波长的五分之一以下(通常为波长的十分之一)，以使得整个超材料对电磁波具有连续的电场和/或磁场响应。每一电磁复合材料子单元具有各向异性的电磁参数是指，单元格空间中每一点的折射率分布并不是每点都相同，其折射率呈椭球分布，此椭球称为折射率椭球。对于任一给定的单元格，可通过现有技术的模拟仿真软件和计算方法算出其折射率椭球，例如参考文献Electromagneticparameter retrieval from inhomogeneous metamaterials, D.R.Smith, D.C. Vier,T. Koschny, C. M. Soukoulis, Physical Review E 71,036617 (2005)中记载的方法。对于具有平面结构的人造微结构，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；对于具有三维结构的人造微结构，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。当人造微结构为90度旋转对称结构时，人造微结构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且过其对称中心的旋转轴任意旋转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(交点为旋转中心)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分界面对称，则该结构为90度旋转对称结构。相应地，如果人造微结构不满足平面或三维的90度旋转对称(非90度旋转对称)，则其是各向异性(同样有二维的各向异性与三维的各向异性)。在本实施方式中，所述人造微结构3为工字形的金属微结构,每一电磁复合材料片层I上的人造微结构3呈矩形阵列排布，每一电磁复合材料片层I上的多个人造微结构3具有相同的工字形图形，并且沿X轴方向排布的多个人造微结构3中尺寸最小的人造微结构位于中间区域SI，而沿y轴方向排布的多个人造微结构3其尺寸保持不变。图4表示的实施例中，中间区域SI为一个电磁复合材料子单元。但是，根据不同需要，中间区域SI也可以是多个具有相同尺寸的电磁复合材料子单元，所述工字形的金属微结构排布方向一致，即金属微结构的光轴方向相同。图5所示电磁复合材料单元的另一实施方式具体结构示俯视图。与上述实施例一不同的是，每一电磁复合材料片层I沿X方向排布的多个人造微结构3光轴由中间区域SI向两侧逐渐旋转。每一电磁复合材料片层I沿X方向排布的多个电磁复合材料子单兀,其中处于中间区域SI中的人造微结构3的光轴与y方向平行，处于两端的人造微结构3光轴与X方向平行，即中间区域中的人造微结构光轴与处于两端的人造微结构光轴相互垂直。另外，本实施例中，位于中间区域SI中的人造微结构3中尺寸最小，该中间区域SI两侧的人造微结构3分别向两端尺寸逐渐增大。所述第二区域S2中的人造微结构3以中间区域SI的中央位置为对称轴对称设置，以使得所述第二区域S2两侧的电磁复合材料子单元的折射率以中间区域SI为中心对称分布。这就是说，所述电磁复合材料片层I的折射率如图3所示分布。本实施例中，由于电磁复合材料单元122在X与z方向上具有同样的折射率分布规律，因此，通过合理设计每一电磁复合材料子单元的折射率，可以实现发散。另外，由于光轴的特殊排布，可以使得电磁波更加的发散，达到电磁波更大的区域覆盖。另外，相比于第一实施例，由于光轴是有序的依次旋转的，不会造成电磁波的分裂。本发明的片状基板2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成。上述的高分子材料可以是聚四氟乙烯。聚四氟乙烯的电绝缘性非常好，因此不会对电磁波的电场产生干扰，并且具有优良的化学稳定性、耐腐蚀性，使用寿命长，作为金属微结构附着的基材是很好的选择。当然，上述的高分子材料也可是FR-4、F4b等复合材料。本发明的人造微结构，优选地，采用金属微结构，所述金属微结构为具有一定图形的金属线。例如，铜线或银线等金属线。上述的金属线可以通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法附着在片状基板上。当然，也可以采用三维的激光加工工艺。另外，在本实施方式中，电磁复合材料单元122采用的是工字形的人造微结构，工 字形呈非90度旋转对称图形，工字形是各向异性的一种比较简单的结构，除此之外，本发明的人造微结构还可以是如图6所示的平面雪花状结构。当然，不管是工字形人造微结构，还是如图6所示的平面雪花状的人造微结构，只要其具有各向异性(非旋转90度对称的图形)的特性即可，如图7、8所示的衍生结构。我们知道，当电磁波经过不同介质的分界面时，会发生部分反射现象。通常两边介质的阻抗差距越大反射就会越大。由于部分电磁波的反射，沿传播方向的电磁能量就会相应损耗，严重影响电磁信号传播的距离和传输信号的质量。因此，在波导121中填充或者设置采用折射率如上述所述的分布电磁复合材料单元122，可以使电磁辐射单元123产生的电磁波发散，进而从波导口辐射出来电磁波束辐射范围角度超过100度，从天线设计中，所述波导馈源电磁波束辐射范围满足要求。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
1.一种天线，其特征在于，所述天线包括一波导馈源及用于反射电磁波的反射单元，所述波导馈源包括一端开口一端封闭的波导、设置于波导内的电磁复合材料单元及电磁辐射单元，所述电磁复合材料单元设置在电磁辐射单元与波导的封闭端之间；电磁辐射单元接收电信号并将电信号后转化为电磁波，电磁复合材料单元包括至少一片电磁复合材料片层，每一电磁复合材料片层包括片状基板和设置在片状基板上的多个人造微结构；所述每一电磁复合材料片层的折射率由中间区域向两端逐渐增大。
2.根据权利要求I所述的天线，其特征在于，所述波导为矩形波导。
3.根据权利要求2所述的天线，其特征在于，所述矩形波导一侧面上设置有一通孔，所述电磁辐射单元一端穿过所述通孔并伸入矩形波导中。
4.根据权利要求3所述的天线，其特征在于，所述电磁辐射单元为一金属制成的圆柱形探针。
5.根据权利要求I所述的天线，其特征在于，所述电磁复合材料片层上的人造微结构呈矩阵式排布且人造微结构尺寸由中间向两端逐渐增大，所述电磁复合材料片层的中间区域上的人造微结构尺寸最小。
6.一种波导馈源，其特征在于，所述波导馈源包括一端开口一端封闭的波导、设置于波导内的电磁复合材料单元及电磁辐射单元，所述电磁复合材料单元设置在电磁辐射单元与波导的封闭端之间；电磁辐射单元接收电信号并将电信号后转化为电磁波，电磁复合材料单元包括至少一片电磁复合材料片层，每一电磁复合材料片层包括片状基板和设置在片状基板上的多个人造微结构；所述每一电磁复合材料片层的折射率由中间区域向两端逐渐增大。
7.根据权利要求5所述的波导馈源，其特征在于，所述人造微结构的排布方向一致。
8.根据权利要求5所述的波导馈源，其特征在于，所述人造微结构的排布方向不一致。
9.根据权利要求5所述的波导馈源，其特征在于，所述人造微结构光轴由每一电磁复合材料片层的中间区域向两侧逐渐旋转。
10.根据权利要求9所述的波导馈源，其特征在于，所述电磁复合材料片层的中间区域中的人造微结构光轴与处于两端的人造微结构光轴相互垂直。
全文摘要
一种波导馈源包括一端开口一端封闭的波导、设置于波导内的电磁复合材料单元及电磁辐射单元，所述电磁复合材料单元设置在电磁辐射单元与波导的封闭端之间；电磁辐射单元接收电信号并将电信号后转化为电磁波，电磁复合材料单元包括至少一片电磁复合材料片层，每一电磁复合材料片层包括片状基板和设置在片状基板上的多个人造微结构；所述每一电磁复合材料片层的折射率由中间区域向两端逐渐增大。在波导中填充或者设置有特定折射率分布的电磁复合材料单元，可以使电磁辐射单元产生的电磁波发散，进而从波导口辐射出来电磁波束辐射范围角度超过100度，使波导馈源电磁波束辐射范围满足天线的设计要求。本发明还提供一种应用波导馈源的天线。
文档编号H01Q13/02GK102800969SQ20111017880
公开日2012年11月28日 申请日期2011年6月29日 优先权日2011年6月29日
发明者刘若鹏, 徐冠雄 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