一种基于人工电磁材料的透镜天线及通信设备的制作方法

1.本发明涉及天线设计的技术领域，具体为一种基于人工电磁材料的透镜天线及通信设备。


背景技术：

2.随着通信技术的发展，特别是定位技术的发展，要求天线具有更宽的波束。目前，传统的基于人工电磁材料的透镜天线需要调谐天线结构，通过调谐天线电流分布实现波束宽度的调节，此方法需要设计复杂的天线结构，并具有较大的设计工作量。
3.人工电磁材料，也称“超材料”，通过人工设计电磁结构实现具有特殊性质的材料。人们通过改变人工电磁材料单元的结构尺寸改变折射率的分布，并且按照一定的排布方式组成人工电磁材料透镜，进而能实现电磁波相位的调节。将此透镜加载在天线上，可以灵活的调节天线波束。然而，目前利用此透镜实现了窄波束、偏转波束、椭圆形波束以及多波束等，目前还没有宽波束的解决方案。


技术实现要素：

4.针对上述问题，本发明的目的在于提供一种基于人工电磁材料的透镜天线及通信设备，通过设计人工电磁材料透镜并加载在馈源天线的上方，通过调节人工电磁材料透镜的折射率分布，实现天线口面场相位由透镜中心到边缘具有较陡峭的变化趋势，进而实现天线的宽波束。且本发明设计周期短，所提供的透镜设计方法适用于所有天线中。
5.本发明的上述发明目的是通过以下技术方案得以实现的：
6.一种基于人工电磁材料的透镜天线，其特征在于，包括：人工电磁材料透镜和馈源天线，其中，所述人工电磁材料透镜位于所述馈源天线的上方，所述人工电磁材料透镜至少包括核心层；
7.所述人工电磁材料透镜，沿包括x方向和y方向在内的任意一个方向或两个方向上设置由透镜中心到边缘不同口径大小或不同间距排列的一系列孔，使得所述人工电磁材料透镜在包括x方向和y方向在内的任意一个方向或两个方向上具有递增的折射率分布，让包括x方向和y方向在内的任意一个方向或两个方向上的天线的口面场相位由中心到边缘具有较陡峭的变化趋势，实现天线的宽波束，其中，所述一系列孔，其形状采用包括圆形、椭圆形、多边形在内的任意一种形式，或多种形式之间的任意组合；
8.所述馈源天线，用于发射电磁波，其相位中心位于所述人工电磁材料透镜的法线上。
9.进一步地，所述人工电磁材料透镜，包括：所述核心层；
10.所述核心层x方向上由透镜中心到边缘设置相同间距、直径递减的孔实现折射率的递增，沿y方向上设置相同间距、直径相同的孔，实现方向图xoz方向上的宽波束；
11.或
12.所述核心层y方向上由透镜中心到边缘设置相同间距、直径递减的孔实现折射率
的递增，沿x方向上设置相同间距、直径相同的孔，实现方向图yoz方向上的宽波束；
13.或
14.所述核心层x方向上由透镜中心到边缘设置相同间距、直径递减的孔实现折射率的递增，沿y方向上由透镜中心到边缘设置相同间距、直径递减的孔实现折射率的递增，实现包括xoz方向和yoz方向在内的3d空间上的宽波束。
15.进一步地，所述人工电磁材料透镜，包括：所述核心层和匹配层；
16.所述匹配层，进一步包括第一匹配层、第二匹配层、第三匹配层和第四匹配层；
17.其中，所述第一匹配层设置于所述核心层的正下方，所述馈源天线的正上方；所述第二匹配层设置于所述核心层的正上方；所述第三匹配层设置于所述第一匹配层的正下方；所述第四匹配层设置于第二匹配层的正上方。
18.设置所述匹配层时，至少设置所述第一匹配层和所述第二匹配层中的任意一层结构，或同时设置第一匹配层和第二匹配层两层结构，或同时设置第一匹配层和第三匹配层两层结构，或同时设置第二匹配层和第四匹配层两层结构，或同时设置第一匹配层、第二匹配层和第三匹配层三层结构，或同时设置第一匹配层、第二匹配层和第四匹配层三层结构，或同时设置第一匹配层、第二匹配层、第三匹配层和第四匹配层四层结构。
19.所述核心层x方向上由透镜中心到边缘设置相同间距、直径递减的孔实现折射率的递增，沿y方向上设置相同间距、直径相同的孔，对应的，所述匹配层x方向上由透镜中心到边缘设置相同间距、直径递减的孔实现折射率的递增，沿y方向上设置相同间距、直径相同的孔，实现方向图xoz方向上的宽波束；
20.或
21.所述核心层沿x方向和y方向上均设置相同间距、直径相同的孔或不开孔，对应的，所述匹配层x方向上由透镜中心到边缘设置相同间距、直径递减的孔实现折射率的递增，沿y方向上设置相同间距、直径相同的孔，实现方向图xoz方向上的宽波束；
22.或
23.所述核心层y方向上由透镜中心到边缘设置相同间距、直径递减的孔实现折射率的递增，沿x方向上设置相同间距、直径相同的孔，对应的，所述匹配层y方向上由透镜中心到边缘设置相同间距、直径递减的孔实现折射率的递增，沿x方向上设置相同间距、直径相同的孔，实现方向图yoz方向上的宽波束；
24.或
25.所述核心层沿x方向和y方向上均设置相同间距、直径相同的孔或不开孔，对应的，所述匹配层y方向上由透镜中心到边缘设置相同间距、直径递减的孔实现折射率的递增，沿x方向上设置相同间距、直径相同的孔，实现方向图yoz方向上的宽波束；
26.或
27.所述核心层x方向上由透镜中心到边缘设置相同间距、直径递减的孔实现折射率的递增，沿y方向上由透镜中心到边缘设置相同间距、直径递减的孔实现折射率的递增，对应的，所述匹配层x方向上由透镜中心到边缘设置相同间距、直径递减的孔实现折射率的递增，沿y方向上由透镜中心到边缘设置相同间距、直径递减的孔实现折射率的递增，实现包括xoz方向和yoz方向在内的3d方向上的宽波束；
28.或
29.所述核心层沿x方向和y方向上均设置相同间距、直径相同的孔或不开孔，对应的，所述匹配层x方向上由透镜中心到边缘设置相同间距、直径递减的孔实现折射率的递增，沿y方向上由透镜中心到边缘设置相同间距、直径递减的孔实现折射率的递增，实现包括xoz方向和yoz方向在内的3d方向上的宽波束。
30.进一步地，所述第一匹配层的厚度设置为四分之一波长；
31.所述第一匹配层的等效介电常数介于所述核心层等效介电常数和第三匹配层介电常数之间；
32.所述第二匹配层的厚度设置为四分之一波长；
33.所述第二匹配层的等效介电常数介于所述核心层等效介电常数和第四匹配层的介电常数之间；
34.所述第三匹配层的厚度设置为四分之一波长；
35.所述第三匹配层的等效介电常数介于所述第一匹配层等效介电常数和1之间；
36.所述第四匹配层的厚度设置为四分之一波长；
37.所述第四匹配层的等效介电常数介于所述第二匹配层等效介电常数和1之间。
38.进一步地，所述馈源天线采用包括单线极化天线、双线极化天线、圆极化天线或双圆极化天线在内的任意一种。
39.进一步地，所述馈源天线，具体为：微带贴片天线，工作模式为tm01模式。
40.进一步地，所述微带贴片天线，包括：辐射贴片、介质基板、地板和激励点；
41.所述辐射贴片、所述介质基板、所述地板，从上到下依次设置；
42.所述激励点设置于所述辐射贴片的水平中轴线上；
43.所述辐射贴片设置于所述介质基板的正中央。
44.进一步地，所述核心层采用包括塑料、玻璃、陶瓷、pcb在内的任意一种材料。
45.进一步地，所述匹配层采用包括塑料、玻璃、陶瓷、pcb在内的任意一种材料。
46.一种通信设备，采用上述的基于人工电磁材料的透镜天线。
47.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
48.通过提供一种基于人工电磁材料的透镜天线，其特征在于，包括：人工电磁材料透镜和馈源天线，其中，所述人工电磁材料透镜位于所述馈源天线的上方，所述人工电磁材料透镜至少包括核心层；所述人工电磁材料透镜，沿包括x方向和y方向在内的任意一个方向或两个方向上设置由透镜中心到边缘不同直径或不同间距排列的孔，使得所述人工电磁材料透镜在包括x方向和y方向在内的任意一个方向或两个方向上具有递增的折射率分布，让包括x方向和y方向在内的任意一个方向或两个方向上的天线的口面场相位由中心到边缘具有较陡峭的变化趋势，实现天线的宽波束；所述馈源天线，用于发射电磁波，其相位中心位于人工电磁材料透镜的法线上。上述技术方案，通过设计人工电磁材料透镜并加载在馈源天线的上方，通过调节人工电磁材料透镜的折射率分布，实现天线口面场相位由透镜中心到边缘具有较陡峭的变化趋势，进而实现天线的宽波束。且本发明设计周期短，所提供的透镜设计方法适用于所有天线中。
附图说明
49.图1为本发明一种实施例中基于人工电磁材料的透镜天线的结构示意图；
50.图2为本发明第二实施例中核心层101过孔分布示意图；
51.图3为本发明另一种实施例中基于人工电磁材料的透镜天线的结构示意图；
52.图4为本发明第三实施例中第一匹配层102过孔分布示意图；
53.图5为本发明加载透镜和不加载透镜的反射系数仿真结果；
54.图6为本发明加载透镜和不加载透镜的xoz面波束宽度仿真结果。
55.附图标记
56.1、人工电磁材料透镜；101、核心层；102、第一匹配层；
57.2、馈源天线；201、辐射贴片；202、介质基板；203、地板；204、激励点。
具体实施方式
58.除非另作定义，在本说明书和权利要求书中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。
59.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
60.此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
61.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
62.下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要指出的是，在这些实施方式的具体描述过程中，为了进行简明扼要的描述，本说明书不可能对实际的实施方式的所有特征均作详尽的描述。
63.实施例一
64.如图1所示，本实施例提供了一种基于人工电磁材料的透镜天线，包括：人工电磁材料透镜和馈源天线，其中，所述人工电磁材料透镜位于所述馈源天线的上方，所述人工电磁材料透镜至少包括核心层。
65.所述人工电磁材料透镜，沿包括x方向和y方向在内的任意一个方向或两个方向上设置由透镜中心到边缘不同口径大小或不同间距排列的一系列孔，使得所述人工电磁材料透镜在包括x方向和y方向在内的任意一个方向或两个方向上具有递增的折射率分布，让包括x方向和y方向在内的任意一个方向或两个方向上的天线的口面场相位由中心到边缘具有较陡峭的变化趋势，实现天线的宽波束，其中，所述一系列孔，其形状采用包括圆形、椭圆形、多边形在内的任意一种形式，或多种形式之间的任意组合。所述馈源天线，用于发射电
磁波，其相位中心位于人工电磁材料透镜的法线上。
66.具体地，在本实施例中，人工电磁材料透镜用于通过调节透镜从中心到边缘的折射率实现天线的宽波束，可以选择针对于x方向、y方向中的一个或者全部设置宽波束。
67.其中，调节透镜从中心到边缘的方式为：在透镜上设置不同直径或者不同间距排列的孔，可以为相同间距不同直径、相同直径不同间距或不同间距不同直径中的任意一种方式。需要说明的是，本发明对透镜上孔径的具体的设置方式不做任何限制，只需要在设置完成满足在指定方向上具有递增的折射率即可。
68.人工电磁材料透镜，具体包括以下两种方案：
69.(1)只包含核心层，核心层上孔的设置方式举例如下：
70.a：实现xoz方向上的宽波束
71.所述核心层x方向上由透镜中心到边缘设置相同间距、直径递减的孔实现折射率的递增，沿y方向上设置相同间距、直径相同的孔，实现方向图xoz方向上的宽波束。
72.b：实现yoz方向上的宽波束
73.所述核心层y方向上由透镜中心到边缘设置相同间距、直径递减的孔实现折射率的递增，沿x方向上设置相同间距、直径相同的孔，实现方向图yoz方向上的宽波束；
74.c：实现3d空间上的宽波束
75.所述核心层x方向上由透镜中心到边缘设置相同间距、直径递减的孔实现折射率的递增，沿y方向上由透镜中心到边缘设置相同间距、直径递减的孔实现折射率的递增，实现包括xoz方向和yoz方向在内的3d空间上的宽波束。
76.(2)除了核心层以外，还包括了匹配层(图1中未标出)。
77.其中，匹配层仍然包括多种不同的方案，具体如下：
78.所述匹配层，进一步包括第一匹配层、第二匹配层、第三匹配层和第四匹配层；其中，所述第一匹配层设置于所述核心层的正下方，所述馈源天线的正上方；所述第二匹配层设置于所述核心层的正上方；所述第三匹配层设置于所述第一匹配层的正下方；所述第四匹配层设置于第二匹配层的正上方。
79.设置所述匹配层时，至少设置所述第一匹配层、所述第二匹配层、所述第三匹配层和所述第四匹配层中的任意一层结构，或同时设置第一匹配层和第二匹配层两层结构，或同时设置第一匹配层和第三匹配层两层结构，或同时设置第二匹配层和第四匹配层两层结构，或同时设置第一匹配层、第二匹配层和第三匹配层三层结构，或同时设置第一匹配层、第二匹配层和第四匹配层三层结构，或同时设置第一匹配层、第二匹配层、第三匹配层和第四匹配层四层结构。
80.同时包含核心层和匹配层时，核心层和匹配层上孔的设置方式举例如下：
81.a：实现xoz方向上的宽波束
82.所述核心层x方向上由透镜中心到边缘设置相同间距、直径递减的孔实现折射率的递增，沿y方向上设置相同间距、直径相同的孔，对应的，所述匹配层x方向上由透镜中心到边缘设置相同间距、直径递减的孔实现折射率的递增，沿y方向上设置相同间距、直径相同的孔，实现方向图xoz方向上的宽波束；
83.或
84.所述核心层沿x方向和y方向上均设置相同间距、直径相同的孔或不开孔，对应的，
所述匹配层x方向上由透镜中心到边缘设置相同间距、直径递减的孔实现折射率的递增，沿y方向上设置相同间距、直径相同的孔，实现方向图xoz方向上的宽波束；
85.b：实现yoz方向上的宽波束
86.所述核心层y方向上由透镜中心到边缘设置相同间距、直径递减的孔实现折射率的递增，沿x方向上设置相同间距、直径相同的孔，对应的，所述匹配层y方向上由透镜中心到边缘设置相同间距、直径递减的孔实现折射率的递增，沿x方向上设置相同间距、直径相同的孔，实现方向图yoz方向上的宽波束；
87.或
88.所述核心层沿x方向和y方向上均设置相同间距、直径相同的孔或不开孔，对应的，所述匹配层y方向上由透镜中心到边缘设置相同间距、直径递减的孔实现折射率的递增，沿x方向上设置相同间距、直径相同的孔，实现方向图yoz方向上的宽波束；
89.c：实现3d方向上的宽波束
90.所述核心层x方向上由透镜中心到边缘设置相同间距、直径递减的孔实现折射率的递增，沿y方向上由透镜中心到边缘设置相同间距、直径递减的孔实现折射率的递增，对应的，所述匹配层x方向上由透镜中心到边缘设置相同间距、直径递减的孔实现折射率的递增，沿y方向上由透镜中心到边缘设置相同间距、直径递减的孔实现折射率的递增，实现包括xoz方向和yoz方向在内的3d方向上的宽波束；
91.或
92.所述核心层沿x方向和y方向上均设置相同间距、直径相同的孔或不开孔，对应的，所述匹配层x方向上由透镜中心到边缘设置相同间距、直径递减的孔实现折射率的递增，沿y方向上由透镜中心到边缘设置相同间距、直径递减的孔实现折射率的递增，实现包括xoz方向和yoz方向在内的3d方向上的宽波束。
93.需要说明的是，以上对核心层和匹配层上的排列仅为一种优选的方案，实际应用中还可以其他很多中不同的排列。比如说，通过由透镜中心到边缘设置不同的间距实现折射率的递增。再比如，也可以将核心层和匹配层从透镜中心到边缘设置不同的厚度等方案。本发明不对核心层和匹配层的具体存在形式和上面的孔径的排列设置做任何限制。
94.进一步地，所述第一匹配层的厚度设置为四分之一波长；所述第一匹配层的等效介电常数介于所述核心层等效介电常数和第三匹配层介电常数之间；
95.所述第二匹配层的厚度设置为四分之一波长；所述第二匹配层的等效介电常数介于所述核心层等效介电常数和第四匹配层的介电常数之间；
96.所述第三匹配层的厚度设置为四分之一波长；所述第三匹配层的等效介电常数介于所述第一匹配层等效介电常数和1之间；
97.所述第四匹配层的厚度设置为四分之一波长；所述第四匹配层的等效介电常数介于所述第二匹配层等效介电常数和1之间。
98.进一步地，所述馈源天线采用包括单线极化天线、双线极化天线、圆极化天线或双圆极化天线在内的任意一种。
99.进一步地，所述馈源天线，具体为：微带贴片天线，工作模式为tm01模式。
100.进一步地，所述微带贴片天线，包括：辐射贴片、介质基板、地板和激励点；
101.所述辐射贴片、所述介质基板、所述地板，从上到下依次设置；
102.所述激励点设置于所述辐射贴片的水平中轴线上；
103.所述辐射贴片设置于所述介质基板的正中央。
104.进一步地，所述核心层采用包括塑料、玻璃、陶瓷、pcb在内的任意一种材料。
105.进一步地，所述匹配层采用包括塑料、玻璃、陶瓷、pcb在内的任意一种材料。
106.实施例二
107.如图1所示，本实施例提供了一种基于人工电磁材料的透镜天线的具体实施例，包括：人工电磁材料透镜1和馈源天线2。其中，人工电磁材料透镜1只包含核心层101。
108.馈源天线2为微带贴片天线，工作模式为tm01模式。微带贴片天线从上到下依次包括辐射贴片201、介质基板202和地板203，激励点204位于辐射贴片的水平中轴线上。辐射贴片201位于介质基板202的正中央。辐射贴片201和地板203的形状为矩形，介质基板203的形状为长方体。
109.核心层101为塑料材料ppo，其为长方体结构，其下表面和介质基板202的上表面平行。且辐射贴片201的中心和核心层101的中心连线垂直于核心层101的下表面和辐射贴片201的上表面。优选的，核心层101和辐射贴片201之间的最短间距为二分之一波长。
110.图2为核心层101过孔分布示意图，可见核心层101上包含7排过孔。x方向上，相邻过孔具有相同的间距，但从中心到两侧具有递减的孔径分布，其能够修改馈源天线2口面场x方向上的相位分布，使得口面场相位从中心到两侧具有更为陡峭的相位变化趋势，因此能够增加天线xoz面的波束宽度；y方向上，相邻过孔具有相同的间距，且具有相同的孔径。
111.实施例三
112.如图3所示，本实施例提供了一种基于人工电磁材料的透镜天线的具体实施例，包括：人工电磁材料透镜1和馈源天线2。其中，人工电磁材料透镜1包括核心层101和匹配层。匹配层在本实施例中只包含第一匹配层102。
113.馈源天线2为微带贴片天线，工作模式为tm01模式。微带贴片天线从上到下依次包括辐射贴片201、介质基板202和地板203，激励点204位于辐射贴片的水平中轴线上。辐射贴片201位于介质基板202的正中央。辐射贴片201和地板203的形状为矩形，介质基板203的形状为长方体。核心层101为玻璃，为长方体结构，介电常数为7.8，厚度为0.55mm，其内部没有设置过孔(可以理解为核心层101的孔径都为0)，其下表面和辐射贴片上表面平行设置。核心层101下方为第一匹配层102，其形状也为长方体，其上表面和核心层101下表面重合。第一匹配层102中心和辐射贴片201中心连线垂直于辐射贴片201和第一匹配层102。第一匹配层102下表面到辐射贴片上表面的最短距离为0.5mm，第一匹配层102采用ppo材料，介电常数为5.5，厚度为0.75mm。
114.如图4，为第一匹配层102结构示意图。可见第一匹配层102上包含7排过孔。x方向上，相邻过孔具有相同的间距，但从中心到两侧具有递减的孔径分布，其能够修改馈源天线口面场x方向上的相位分布，使得口面场相位从中心到两侧具有更为陡峭的相位变化趋势，因此能够增加天线xoz面的波束宽度；y方向上，相邻过孔具有相同的间距，且具有相同的孔径。
115.加载透镜和不加载透镜的反射系数仿真结果如图5。可见，加载透镜后频率略微往低频偏移。但具有基本相等的带宽。
116.加载透镜和不加载透镜的xoz面波束宽度仿真结果如图6。可见，加载透镜后xoz面
波束宽度明显展宽。
117.实施例四
118.一种通信设备，采用以上任意一个实施例中的基于人工电磁材料的透镜天线。
119.以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。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前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。