基於超材料的透鏡天線的製作方法
2023-10-04 01:35:59
專利名稱：基於超材料的透鏡天線的製作方法
技術領域：
本發明涉及無線通信領域，尤其涉及基於超材料的透鏡天線。
背景技術：
現有透鏡天線主要通過介質透鏡實現電磁波空間波束調製，依照透鏡介質作用機理的不同，可以分為加速型透鏡如圖1(a)所示和延遲型透鏡如圖1(b)所示。其中加速型透鏡主要通過E面金屬平板波導實現。延遲型透鏡主要通過H面金屬板和非金屬電介質，如合成樹脂，聚苯乙烯和聚四氟乙烯等材料實現。對波形的調製主要通過改變透鏡材質和厚度實現。在某些特定場合由於具體應用場景的特殊條件，透鏡天線的尺寸大小受到嚴格的限制，但由於減小透鏡尺寸會嚴重影響天線性能表現，所以傳統透鏡天線設計在狹窄空間的應用受到相當的限制。
發明內容
本發明的目的在於克服現有技術中透鏡天線因減小透鏡尺寸會嚴重影響天線性能的缺陷，提供一種基於超材料的透鏡天線，該天線採用超材料技術可應用在狹小空間且不影響天線的性能。為了達到上述目的，本發明採用的如下技術方案:基於超材料的透鏡天線，所述透鏡天線包括:饋源、波導、超材料阻抗變換器以及超材料透鏡，所述饋源、波導、超材料阻抗變換器以及超材料透鏡依次相連；所述超材料透鏡包括多個具有相同折射率分布的超材料片層，所述超材料片層包括一個圓形區域和與所述圓形區域同心的多個環形區域，所述圓形區域和所述環形區域內折射率隨著半徑的增大從np連續減小到Iitl且相同半徑處的折射率相同。進一步地，所述波導為圓形波導。進一步地，所述超材料阻抗變換器有多個超材料阻抗片層組成，且每一超材料阻抗片層內的折射率為均勻分布，相鄰間的超材料阻抗片層的折射率從入射端向出射端逐漸增加。進一步地，所述超材料阻抗變換器的厚度為入射電磁波波長的四分之一。進一步地,所述超材料片層由多個超材料單元組成。 進一步地，所述超材料阻抗片層均由多個超材料單元組成。進一步地,所述超材料片層內的超材料單元包括單元基材、人造微結構以及單元填充部分，所述人造微結構位於所述單元基材和單元填充部分的中間。進一步地，所述超材料片層內所在超材料單元內的人造微結構具有相同的幾何形狀，所述圓形區域和所述環形區域內所在超材料單元內的人造微結構的尺寸隨著半徑的增大連續減小且相同半徑處所在超材料單元內的人造微結構的尺寸相同。進一步地，所述每一超材料阻抗片層內所在超材料單元內的人造微結構的尺寸均相同，相鄰間的超材料阻抗片層內所在超材料單元內的人造微結構的尺寸從入射端向出射端逐漸變大。進一步地，所述人造微結構為風車型微結構。本發明相對於現有技術，具有以下有益效果:(I)本發明一種基於超材料的透鏡天線採用超材料阻抗變換器將從超材料透鏡表面反射回來的電磁波經變換後與入射波形相位抵消，實現從波導到超材料透鏡的阻抗匹配，降低反射，增加天線系統入射效率。(2)本發明一種基於超材料的透鏡天線通過超材料實現折射率變化，最終實現電磁波的相位調整，以達到將球面波前變化為平面波前的目的。
圖1 (a)為現有技術中加速型透鏡的原理示意圖；圖1(b)為現有技術中延遲型透鏡的原理示意圖；圖2為本發明基於超材料的透鏡的結構示意圖；圖3為本發明所述超材料阻抗變換器的結構示意圖；圖4為本發明所述超材料透鏡的結構示意圖；圖5為本發明所述超材料片層內的折射率分布規律示意圖；圖6為本發明所述超材料單元的結構示意圖；圖7為本發明所述人造微結構的結構示意圖。
具體實施例方式下面結合實施例及附圖，對本發明作進一步地詳細說明，但本發明的實施方式不限於此。如圖2所示，為本發明所述基於超材料的透鏡天線的結構示意圖，所述透鏡天線包括:饋源1、波導2、超材料阻抗變換器3以及超材料透鏡4，所述饋源1、波導2、超材料阻抗變換器3以及超材料透鏡4依次連接。饋源I通過外圍的饋線(圖中沒有畫出)與波導2相連，在波導2內形成電磁波進入超材料阻抗變換器3中，並最終通過所述超材料透鏡4匯聚輻射出去，為了使得超材料阻抗變換器3將從超材料透鏡4表面反射回來的電磁波經變換後與入射波形相位抵消，實現從波導2到超材料透鏡4的阻抗匹配，降低反射，增加天線系統入射效率，將所示超材料阻抗變換器3的厚度設計為入射電磁波波長的四分之一。本較佳實施利用中，所述波導2優選圓形波導，其他矩形波導也可以應用，具體因實際應用而定。如圖3所示，所述超材料阻抗變換器3由多個超材料阻抗片層組成，所述超材料阻抗片層均由多個超材料單元組成，如圖6所示，所述超材料阻抗片層內的超材料單元包括單元基材411、人造微結構412以及單元填充部分413，所述人造微結構412位於所述單元基材411和單元填充部分413的中間，圖3中出示了 6層超材料阻抗片層，從左到右依次為超材料阻抗片層31、超材料阻抗片層32、超材料阻抗片層33、超材料阻抗片層34、超材料阻抗片層35以及超材料阻抗片層36，且它們的折射率從左到右依次增加，其中超材料阻抗片層31內的折射率最小，超材料阻抗片層36內的折射率最大，在這六層超材料阻抗片層的每一層內部的折射率是均勻分布的。例如:假設6層超材料阻抗片層的折射率分布有1、2、3、
4、5以及6，則超材料阻抗片層31內的折射率為1、超材料阻抗片層32內的折射率為2、超材料阻抗片層33內的折射率為3、超材料阻抗片層34內的折射率為4、超材料阻抗片層35內的折射率為5以及超材料阻抗片層36內的折射率為6。在具體實施過程中，超材料阻抗變換器3內的超材料阻抗片層的數量不局限為六層，可以根據具體實際應用而定。作為公知常識我們可知，電磁波的折射率與X//成正比關係，當一束電磁波由一種介質傳播到另外一種介質時，電磁波會發生折射，當物質內部的折射率分布非均勻時，電磁波就會向折射率比較大的位置偏折，通過設計超材料中每一點的電磁參數，就可對超材料的折射率分布進行調整，進而達到改變電磁波的傳播路徑的目的。根據上述原理可以通過設計超材料透鏡4的折射率分布使從波導2發出的球面波形式的發散電磁波轉變成適於遠距離傳輸的平面波形式的匯聚電磁波。在所述超材料阻抗變換器3的出射端處緊貼有超材料透鏡4，所述超材料透鏡4包括多個具有相同折射率分布的超材料片層41，所述超材料片層41由多個超材料單元組成，所述超材料阻抗片層內的超材料單元跟超材料阻抗片層內的超材料單元一樣，也包括單元基材411、人造微結構412以及單元填充部分413，且所述人造微結構412位於所述單元基材411和單元填充部分413的中間，如圖4所示，本實施例中列舉了 6層相互疊加在一起的超材料片層41，但是本發明不局限6層超材料片層，根據實際情況而定。超材料透鏡4由多個超材料片層41堆疊形成，這各個超材料片層41之間等間距排列地組裝，或兩兩片層之間直接前、後表面相粘合地連接成一體。具體實施時，超材料片層41的數目可依據需求來進行設計。每個超材料片層41通過對人造微結構的拓撲圖案、幾何尺寸的設計，使其折射率分布滿足如下規律:每一層的折射率分布均相同，每一超材料片層41均包括一個圓形區域和與所述圓形區域同心的多個環形區域，所述圓形區域和所述環形區域內折射率隨著半徑的增大從np連續減小到Iitl且相同半徑處的折射率相同，如圖5所示。為了得到滿足上述折射率變化關係的超材料阻抗變換器3以及超材料透鏡4，本發明的基於超材料的透鏡天線通過設計超材料內部的人造微結構，得到超材料內的介電常數ε和磁導率μ，進而對超材料阻抗變換器3的折射率分布進行設計實現波導2與超材料透鏡4之間的阻抗匹配；對超材料透鏡4的折射率進行設計實現球面波形式發散的電磁波轉變為平面形式的電磁波。實驗證明，相同圖案的人造微結構，其幾何尺寸與介電常數成ε正比，因此在入射電磁波確定的情況下，通過合理設計人造微結構的拓撲圖案和不同尺寸的人造微結構在超材料片層上的排布，所述超材料片層41內所在超材料單元內的人造微結構412具有相同的幾何形狀，所述圓形區域和所述環形區域內所在超材料單元內的人造微結構412的尺寸隨著半徑的增大連續減小且相同半徑處所在超材料單元內的人造微結構412的尺寸相同；所述每一超材料阻抗片層內所在超材料單元內的人造微結構412的尺寸均相同，相鄰間的超材料阻抗片層內所在超材料單元內的人造微結構412的尺寸從入射端向出射端逐漸變大。實現上述折射率和折射率變化量分布關係的人造微結構412有很多種可實現方式，對於平面結構的人造微結構412，其幾何形狀可以是軸對稱也可以非軸對稱；對於三維結構，其可以是非90度旋轉對稱的任意三維圖形。如圖7所示，本較佳實施例中，人造微結構412為風車型微結構。人造微結構412為由至少一根金屬絲組成的平面結構或立體結構。金屬絲為銅絲或銀絲，可通過蝕刻、電鍍、鑽刻、光刻、電子刻或離子刻的方法附著在單元基材411上。本發明通過對超材料阻抗變換器3的折射率分布進行設計實現波導2與超材料透鏡4之間的阻抗匹配；對超材料透鏡4的折射率進行設計實現球面波形式發散的電磁波轉變為平面形式的電磁波，從而提高了透鏡天線的匯聚性能，大大減少了反射損耗，也就避免了電磁能量的減少，增強了傳輸距離，提高了透鏡天線的性能。上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式並不受上述實施例的限制，其他的任何未違背本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.關於超材料的透鏡天線，其特徵在於，所述透鏡天線包括:饋源、波導、超材料阻抗變換器以及超材料透鏡，所述饋源、波導、超材料阻抗變換器以及超材料透鏡依次相連；所述超材料透鏡包括多個具有相同折射率分布的超材料片層，所述超材料片層包括一個圓形區域和與所述圓形區域同心的多個環形區域，所述圓形區域和所述環形區域內折射率隨著半徑的增大從np連續減小到IItl且相同半徑處的折射率相同。
2.根據權利要求1所述的基於超材料的透鏡天線，其特徵在於，所述波導為圓形波導。
3.根據權利要求1所述的基於超材料的透鏡天線，其特徵在於，所述超材料阻抗變換器有多個超材料阻抗片層組成，且每一超材料阻抗片層內的折射率為均勻分布，相鄰間的超材料阻抗片層的折射率從入射端向出射端逐漸增加。
4.根據權利要求1或者3所述的基於超材料的透鏡天線，其特徵在於，所述超材料阻抗變換器的厚度為入射電磁波波長的四分之一。
5.根據權利要求1所述的基於超材料的透鏡天線，其特徵在於，所述超材料片層由多個超材料單元組成。
6.根據權利要求3所述的基於超材料的透鏡天線，其特徵在於，所述超材料阻抗片層均由多個超材料單元組成。
7.根據權利要求5或者6所述的基於超材料的透鏡天線，其特徵在於，所述超材料片層內的超材料單元包括單元基材、人造微結構以及單元填充部分，所述人造微結構位於所述單元基材和單元填充部分的中間。
8.根據權利要求7所述的基於超材料的透鏡天線，其特徵在於，所述超材料片層內所在超材料單元內的人造微結構具有相同的幾何形狀，所述圓形區域和所述環形區域內所在超材料單元內的人造微結構的尺寸隨著半徑的增大連續減小且相同半徑處所在超材料單元內的人造微結構的尺寸相同。
9.根據權利要求7所述的基於超材料的透鏡天線，其特徵在於，所述每一超材料阻抗片層內所在超材料單元內的人造微結構的尺寸均相同，相鄰間的超材料阻抗片層內所在超材料單元內的人造微結構的尺寸從入射端向出射端逐漸變大。
10.根據權利要求7 9任意一項所述的基於超材料的透鏡天線，其特徵在於，所述人造微結構為風車型微結構。
全文摘要
本發明涉及無線通信領域，提供一種基於超材料的透鏡天線，該透鏡天線包括饋源、波導、超材料阻抗變換器以及超材料透鏡，所述饋源、波導、超材料阻抗變換器以及超材料透鏡依次相連；所述超材料透鏡包括多個具有相同折射率分布的超材料片層，所述超材料片層包括一個圓形區域和與所述圓形區域同心的多個環形區域，所述圓形區域和所述環形區域內折射率隨著半徑的增大從np連續減小到n0且相同半徑處的折射率相同。本發明通過調節超材料內部的介電常數和磁導率的分布規律，使得超材料內的折射率達到使通過其內的電磁波信號能夠平行出射，最終使得透鏡天線方向性更好，增益更大。
文檔編號H01Q15/02GK103094705SQ201110337739
公開日2013年5月8日 申請日期2011年10月31日 優先權日2011年10月31日
發明者劉若鵬, 季春霖, 嶽玉濤, 殷俊 申請人:深圳光啟高等理工研究院, 深圳光啟創新技術有限公司