专利名称：一种后馈式微波天线的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及天线领域，更具体地说，涉及一种后馈式微波天线。
背景技术：
在常规的光学器件中，利用透镜能使位于透镜焦点上的点光源辐射出的球面波经过透镜折射后变为平面波。透镜天线是由透镜和放在透镜焦点上的辐射器组成，利用透镜汇聚的特性，将辐射器辐射出的电磁波经过透镜汇聚后再发射出去的天线，这种天线方向性比较强。目前透镜的汇聚是依靠透镜的球面形状的折射来实现，如图1所示，辐射器1000 发出的球面波经过球形的透镜2000汇聚后以平面波射出。实用新型人在实施本实用新型过程中，发现透镜天线至少存在如下技术问题球形透镜1000的体积大而且笨重，不利于小型化的使用；球形透镜1000对于形状有很大的依赖性，需要比较精准才能实现天线的定向传播；电磁波反射干扰和损耗比较严重，电磁能量减少。当电磁波经过不同介质的分界面时，会发生部分反射现象。通常两边介质的电磁参数(介电常数或者磁导率)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。
实用新型内容本实用新型要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述反射损耗大、电磁能量减少的缺陷，提供一种体积较小、天线前后比好、增益较高且传输距离远的后馈式微波天线。本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是提出一种后馈式微波天线，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、具有电磁波汇聚功能并用于将所述第一超材料面板发散出来的电磁波转换为平面波的第二超材料面板；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上的多个第三人造金属微结构；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，每一核心超材料片层包括一个圆形区域和与所述圆形区域同心的多个环形区域，所述圆形区域和所述环形区域内折射率变化范围相同，均随着半径的增大从 连续减小到 且相同半径处的折射率相同；所述核心超材料片层包括核心超材料片层基材及周期排布于所述核心超材料片层基材表面的多个第一人造金属微结构。进一步地，所述第二超材料面板还包括对称设置于所述核心层两侧的第一渐变超材料片层至第N渐变超材料片层，其中对称设置的两层第N渐变超材料片层均靠近所述核心层；每一渐变超材料片层均包括一个圆形区域和与所述圆形区域同心的多个环形区域， 每一渐变超材料片层对应的所述圆形区域和所述环形区域内的折射率变化范围均相同且随着半径的增大从其最大折射率连续减小到IV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nQ < Hi < 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渐变超材料片层基材以及周期排布于所述渐变超材料片层基材表面的多个第二人造金属微结构；全部的渐变超材料片层和全部的核心超材料片层构成了所述第二超材料面板的功
會邑M。进一步地，所述第二超材料面板还包括对称设置于所述功能层两侧的第一匹配层至第M匹配层，其中对称设置的两层第M匹配层均靠近所述第一渐变超材料片层；每一匹配层折射率分布均勻，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进一步地，所有渐变超材料片层与所有核心超材料片层上被划分的圆形区域和与圆形区域同心的环形区域的起始半径和终止半径均相等；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
Λη j,- ,- (nP Γ^^ Vo)
——VtW)、·J,。其中，第一渐变超材料片层至第N渐变超材料片层对应的i值即为数值一至N，所有的核心超材料片层对应的i值均为N+l，s为所述辐射源距所述第一渐变超材料片层的垂直距离；d为第一渐变超材料片层至第N渐变超材料片层与所有的核心超材料片层所具有
, λ
的总厚度，d=~其中λ为所述第二超材料面板的工作波长；L(j)表示核心超材料片
nP ( O
层与渐变超材料片层上的圆形区域以及与所述圆形区域同心的多个环形区域的起始半径值，j表示第几区域，其中L(I)表示第一区域，即所述圆形区域，L(I) = 0。进一步地，所述核心超材料片层为三层，每层核心超材料片层还包括覆盖于所述第一人造金属微结构上的覆盖层；周期排布于所述基材上的多个所述第一人造金属微结构的尺寸变化规律为多个所述第一人造金属微结构的几何形状相同，所述基材包括圆形区域以及与所述圆形区域同心的多个环形区域，所述圆形区域和所述环形区域内第一人造金属微结构尺寸变化范围相同，均随着半径的增大从最大尺寸连续减小到最小尺寸且相同半径处的第一人造金属微结构尺寸相同。进一步地，所述核心层两侧对称设置有第一渐变超材料片层至第三渐变超材料片层，每层渐变超材料片层还包括覆盖于所述第二人造金属微结构上的覆盖层；周期排布于所述基材上的所述第二人造金属微结构的尺寸变化规律为多个所述第二人造金属微结构的几何形状相同，所述基材包括圆形区域以及与所述圆形区域同心的多个环形区域，所述圆形区域和所述环形区域内第二人造金属微结构尺寸变化范围相同，均随着半径的增大从最大尺寸连续减小到最小尺寸且相同半径处的第二人造金属微结构尺寸相同。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， 所述第一超材料片层还包括覆盖于所述第三人造微结构上的覆盖层；多个第三人造微结构为第三人造金属微结构且几何形状相同，所述第三人造金属微结构在所述第一基材上呈圆形分布，且圆心处的第三人造金属微结构尺寸最小，随着半径的增大，对应半径的第三人造金属微结构尺寸亦增大且相同半径处的第三人造金属微结构尺寸相同。进一步地，所述多个第一人造金属微结构、所述多个第二人造金属微结构和所述多个第三人造金属结构具有相同的几何形状。进一步地，所述几何形状为“工”字形，包括竖直的第一金属分支以及位于所述第一金属分支两端且垂直于所述第一金属分支的第二金属分支。进一步地，所述几何形状还包括位于所述第二金属分支两端且垂直于所述第二金属分支的第三金属分支。进一步地，所述几何形状为平面雪花型，包括相互垂直的两条第一金属分支以及位于所述第一金属分支两端且垂直于所述第一金属分支的第二金属分支。进一步地，所述后馈式微波天线还包括外壳，所述外壳与所述第二超材料面板构成封闭腔体，与所述第二超材料面板相接的外壳壁内侧还附着有吸波材料，与所述第二超材料面板相对的外壳壁由金属材质或高分子材料制成。进一步地，所述第一超材料面板通过支架固定于所述辐射源前方，所述辐射源距所述第一超材料面板的距离为30厘米。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。进一步地，与所述第二超材料面板相对的外壳壁内侧也附着有吸波材料。实施本实用新型的技术方案，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，本实用新型还在辐射源前端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，使得后馈式微波天线整体能够更小的尺寸。
下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中图1是现有的球面形状的透镜天线汇聚电磁波的示意图；图2是构成超材料的基本单元的立体结构示意图；图3是本实用新型后馈式微波天线的结构示意图；图4是本实用新型后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5是本实用新型后馈式微波天线中第二超材料面板的立体结构示意图；图6是本实用新型后馈式微波天线中第二超材料面板上核心层随半径变化的折射率分布示意图；图7是能对电磁波产生响应以改变超材料基本单元折射率的第一较佳实施方式的人造金属微结构的几何形状拓扑图案；图7a为图7中人造金属微结构几何形状拓扑图案的衍生图案；图8是能对电磁波产生响应以改变超材料基本单元折射率的第二较佳实施方式的人造金属微结构的几何形状拓扑图案；[0034]图8a为图8中人造金属微结构几何形状拓扑图案的衍生图案。
具体实施方式
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2所示，图2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人造微结构1以及该人造微结构附着的基材2。本实用新型中，人造微结构为人造金属微结构，人造金属微结构具有能对入射电磁波电场和/或磁场产生响应的平面或立体拓扑结构，改变每个超材料基本单元上的人造金属微结构的图案和/或尺寸即可改变每个超材料基本单元对入射电磁波的响应。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金属微结构周期排布于基材上即可构成，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的人造金属微结构能对入射电磁波产生连续的电磁响应。如图3所示，图3为本实用新型后馈式微波天线的结构示意图。图3中，本实用新型后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以及外壳40，本实用新型中，辐射源20发射的电磁波频率为12. 4G赫兹至18G赫兹。第二超材料面板10与外壳40构成密封腔体。图2中，该密封腔体为长方体形，但实际应用中，由于辐射源20尺寸小于第二超材料面板10的尺寸，因此密封腔体多为圆锥形。与第二超材料面板10相接的外壳壁内侧设置有吸波材料50，吸波材料50可为常规的吸波涂层亦可为吸波海绵等，辐射源20部分辐射到吸波材料50上的电磁波被吸波材料50吸收以增强天线的前后比。同时，与第二超材料面板10相对的外壳由金属或高分子材料制成，辐射源20部分辐射到金属或高分子材料外壳的电磁波被反射到第二超材料面板10或第一超材料面板30以进一步增强天线的前后比。进一步地，在距第二超材料面板10半波长处还设置有天线防护罩(图中未示)，天线防护罩保护第二超材料面板不受外部环境影响，此处的半波长是指辐射源20 发出的电磁波的波长的一半。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，因此本实用新型中，第一超材料面板30通过支架60固定于辐射源20前方。优选地，第一超材料面板30距辐射源20的间隔距离为30厘米。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4所示，图4为第一超材料片层300的立体结构示意图，为清楚介绍第一超材料片层300，图4采用透视图画法，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上的多个第三人造金属微结构302，优选地，在多个第三人造金属微结构302上还覆盖有覆盖层303使得第三人造金属微结构302被封装，覆盖层303与第一基材材质302相等且厚度相等。本实用新型中，覆盖层303与第一基材302的厚度均为0. 4毫米，而人造金属微结构层的厚度为0. 018毫米，因此整个第一超材料片层的厚度为0. 818毫米。从这个数值上可以看出，本实用新型所有的超材料片层的厚度相较常规凸镜天线有很大的优势。构成第一超材料片层300的基本单元仍如图2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，使得后馈式微波天线整体能够更小的尺寸。更具体地，本实用新型中，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) = nmin+KR，K为常数，R为圆形分布的第三人造金属微结构附着的超材料基本单元中心点与第一基材中心点的连线距离，nfflin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) = nfflin+KR2 ；或为立方率变化即n(K) = nfflin+KR3 ；或为冥函数变化，即η = nmin*KR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。下面详细描述本实用新型后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5所示，图5为本实用新型第二超材料面板的立体结构示意图。图 5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；对称设置于核心层两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 ；所有的渐变超材料片层与所有的核心超材料片层构成第二超材料面板的功能层；对称设置于该功能层两侧的第一匹配层111至第M匹配层，每一匹配层折射率分布均勻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； 本实施例中匹配层包括第一匹配层111、第二匹配层112以及第三匹配层113。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。匹配层结构与第一超材料片层类似，由覆盖层和基材构成，与第一超材料片层不同之处在于，覆盖层和基材中间全部填充有空气，通过改变覆盖层与基材的间距以改变空气的占空比从而使得各匹配层具有不同的折射率。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2所示，且本实用新型中，为简化制作工艺，核心超材料片层和渐变超材料片层的尺寸结构与第一超材料片层相同，即均由0. 4毫米的覆盖层、0. 4毫米的基材以及0. 018毫米的人造金属微结构构成各核心超材料片层与各渐变超材料片层。同时，本实用新型中，分别构成核心超材料片层、渐变超材料片层与第一超材料片层的第一人造金属微结构、第二人造金属微结构与第三人造金属微结构的几何形状均相同。核心超材料片层和渐变超材料片层均被划分为一个圆形区域和与所述圆形区域同心的多个环形区域，且圆形区域和环形区域内的折射率均随着半径的增大从各片层所具有的最大折射率连续减小到IV处于相同半径的超材料基本单元的折射率值相同。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, η,对应于距离所述核心层较远的渐变超材料片层，ηρ、η。、叫、ni+1满足关系式nQ < η, < 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1.一种后馈式微波天线，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、具有电磁波汇聚功能并用于将所述第一超材料面板发散出来的电磁波转换为平面波的第二超材料面板；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上的多个第三人造金属微结构；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，每一核心超材料片层包括一个圆形区域和与所述圆形区域同心的多个环形区域，所述圆形区域和所述环形区域内折射率变化范围相同，均随着半径的增大从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核心超材料片层基材及周期排布于所述核心超材料片层基材表面的多个第一人造金属微结构。
2.根据权利要求1所述的后馈式微波天线，其特征在于，所述第二超材料面板还包括对称设置于所述核心层两侧的第一渐变超材料片层至第N渐变超材料片层，其中对称设置的两层第N渐变超材料片层均靠近所述核心层；每一渐变超材料片层均包括一个圆形区域和与所述圆形区域同心的多个环形区域，每一渐变超材料片层对应的所述圆形区域和所述环形区域内的折射率变化范围均相同且随着半径的增大从其最大折射率连续减小到IV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Ili和^+1，其中Iltl < 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渐变超材料片层基材以及周期排布于所述渐变超材料片层基材表面的多个第二人造金属微结构；全部的渐变超材料片层和全部的核心超材料片层构成了所述第二超材料面板的功能层。
3.根据权利要求2所述的后馈式微波天线，其特征在于，所述第二超材料面板还包括对称设置于所述功能层两侧的第一匹配层至第M匹配层，其中对称设置的两层第M匹配层均靠近所述第一渐变超材料片层；每一匹配层折射率分布均勻，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所述的后馈式微波天线，其特征在于，所有渐变超材料片层与所有核心超材料片层上被划分的圆形区域和与圆形区域同心的环形区域的起始半径和终止半径均相等；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所述的后馈式微波天线，其特征在于，所述核心超材料片层为三层，每层核心超材料片层还包括覆盖于所述第一人造金属微结构上的覆盖层；周期排布于所述基材上的多个所述第一人造金属微结构的尺寸变化规律为多个所述第一人造金属微结构的几何形状相同，所述基材包括圆形区域以及与所述圆形区域同心的多个环形区域，所述圆形区域和所述环形区域内第一人造金属微结构尺寸变化范围相同，均随着半径的增大从最大尺寸连续减小到最小尺寸且相同半径处的第一人造金属微结构尺寸相同。
6.根据权利要求4所述的后馈式微波天线，其特征在于，所述核心层两侧对称设置有第一渐变超材料片层至第三渐变超材料片层，每层渐变超材料片层还包括覆盖于所述第二人造金属微结构上的覆盖层；周期排布于所述基材上的所述第二人造金属微结构的尺寸变化规律为多个所述第二人造金属微结构的几何形状相同，所述基材包括圆形区域以及与所述圆形区域同心的多个环形区域，所述圆形区域和所述环形区域内第二人造金属微结构尺寸变化范围相同，均随着半径的增大从最大尺寸连续减小到最小尺寸且相同半径处的第二人造金属微结构尺寸相同。
7.根据权利要求1所述的后馈式微波天线，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所述的后馈式微波天线，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，所述第一超材料片层还包括覆盖于所述第三人造微结构上的覆盖层；多个第三人造微结构为第三人造金属微结构且几何形状相同，所述第三人造金属微结构在所述第一基材上呈圆形分布，且圆心处的第三人造金属微结构尺寸最小，随着半径的增大，对应半径的第三人造金属微结构尺寸亦增大且相同半径处的第三人造金属微结构尺寸相同。
9.根据权利要求2所述的后馈式微波天线，其特征在于，所述多个第一人造金属微结构、所述多个第二人造金属微结构和所述多个第三人造金属结构具有相同的几何形状。
10.根据权利要求9所述的后馈式微波天线，其特征在于，所述几何形状为“工”字形， 包括竖直的第一金属分支以及位于所述第一金属分支两端且垂直于所述第一金属分支的第二金属分支。
11.根据权利要求10所述的超材料，其特征在于，所述几何形状还包括位于所述第二金属分支两端且垂直于所述第二金属分支的第三金属分支。
12.根据权利要求9所述的超材料，其特征在于所述几何形状为平面雪花型，包括相互垂直的两条第一金属分支以及位于所述第一金属分支两端且垂直于所述第一金属分支的第二金属分支。
13.根据权利要求1所述的后馈式微波天线，其特征在于，所述后馈式微波天线还包括外壳，所述外壳与所述第二超材料面板构成封闭腔体，与所述第二超材料面板相接的外壳壁内侧还附着有吸波材料，与所述第二超材料面板相对的外壳壁由金属材质或高分子材料制成。
14.根据权利要求1所述的后馈式微波天线，其特征在于，所述第一超材料面板通过支架固定于所述辐射源前方，所述辐射源距所述第一超材料面板的距离为30厘米。
15.根据权利要求1所述的后馈式微波天线，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。
16.根据权利要求13所述的后馈式微波天线，其特征在于，与所述第二超材料面板相对的外壳壁内侧也附着有吸波材料。
专利摘要本实用新型公开一种后馈式微波天线，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、具有电磁波汇聚功能并用于将所述第一超材料面板发散出来的电磁波转换为平面波的第二超材料面板。本实用新型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，采用本实用新型的天线，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H01Q19/06GK202231156SQ201120267098
公开日2012年5月23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, 尹小明, 岳玉涛 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