近場輻射能流分布可調節的天線的製作方法
2023-06-07 00:48:51 1
專利名稱：近場輻射能流分布可調節的天線的製作方法
技術領域：
本發明涉及電磁領域,具體地涉及一種近場福射能流分布可調節的天線。
背景技術：
隨著近距離通信的發展，對天線近場輻射的研究也越來越受到重視。例如，「行動支付」就是近距離通信的例子。在實際使用時，手機和讀卡器的天線往往都工作在近場區。為了實現可靠的交易，我們需要對天線的近場輻射有正確的定義。但是目前在實際的工程應用中，往往沿用天線遠場的輻射公式進行設計，其結果和從天線近場考慮相差甚遠。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是，提供一種近場輻射能流分布可調節的天線，可使 天線的近場能流分布集中到幾個特定區域。為解決上述技術問題，提供了一種近場輻射能流分布可調節的天線，所述天線包括常規天線以及覆蓋在常規天線上的超材料，所述超材料由至少一個超材料片層構成，所述超材料片層包括基板以及開設在基板上的多個孔，所述超材料包括多個帶狀區域，每個所述帶狀區域內均存在一個介電常數ε與磁導率P的乘積最大的第一區段，帶狀區域內其他各處的介電常數ε與磁導率μ的乘積從兩側向該第一區段連續增大。上述技術方案至少具有如下有益效果本發明的近場輻射能流分布可調節的天線，在常規天線的外面覆蓋有超材料，天線產生的輻射首先要通過功能層，然後才能輻射到自由空間，通過在超材料的基板上打孔以調整超材料的電磁參數分布，進而改變天線的近場能流分布，使能流集中到幾個特定區域。
圖I是本發明的近場輻射能流分布可調節的天線實現特定能流分布的示意圖。圖2是本發明所採用的超材料的第一實施例的結構示意圖。圖3是本發明所採用的超材料的第二實施例的結構示意圖。圖4是本發明所採用的超材料的第三實施例的結構示意圖。圖5是本發明所採用的超材料的第四實施例的結構示意圖。
具體實施例方式電磁波的折射率與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，通過改變折射率在材料中的分布，可以達到改變電磁波的傳播路徑的目的。在一塊電磁參數分布均勻的材料上，通過在材料某些區域打小孔，由於空氣介質會填入這些小孔，會導致該材料局部區域的電磁參數分布變化。根據上述原理，分析該材料的電磁參數和空氣電磁參數的相互作用關係，通過控制小孔的數量和大小分布就可以調整材料局部區域的電磁參數分布，以此類推，根據各個區域要求的電磁參數分布，就可以實現材料宏觀整體上的對電磁波的不同響應。如圖I是本發明的近場輻射能流分布可調節的天線實現特定能流分布的示意圖。本發明的近場輻射能流分布可調節的天線包括常規天線20以及覆蓋在常規天線20上的超材料10，超材料10由至少一個超材料片層構成，超材料片層包括至少一個基板I以及開設在基板I上的多個孔2。此處的常規天線20是指未加超材料10的天線，可以是任意的現有的天線，其具有發射和接收電磁波的功能。圖中SI為原來的近場能流分布圖，S2所示為常規天線20發出的電磁波穿過超材料10後發生改變的近場能流分布的示意圖，本發明的近場能流分布可調節的天線所採用的超材料10可使電磁波的近場能流分布集中到幾個特定的區域，在本實施例中常規天線20發出的電磁波穿過超材料10後近場能流分布集中到圖I所示S2的3個區域，具體實施時也可通過設計實現想要的近場輻射能流分布。本發明中的覆蓋可以是完全覆蓋，例如該超材料10為一殼體將常規天線20完全罩住，使得常規天線20向各個方向發射的電磁波都通過超材料10 ;當然也可以是部分覆蓋，例如只在常規天線20的方向圖的主瓣方向設置超材料10。本發明的近場輻射能流分布可調節的天線所產 的能流密度(坡印廷)矢量與#分別決定於介電常數ε與磁導率μ (統稱為電磁參數)，因此改變電磁參數(相當於f與#的改變)電磁波的能流密度矢量必然發生改變。因此，通過設計超材料10的電磁參數空間分布，可使電磁波的進場能流集中分布到幾個特定的區域。圖2 圖5分別為本發明的近場輻射能流分布可調節的天線所採用的超材料10的四個實施例的結構示意圖。在本實例中超材料10由多個相互平行的超材料片層堆疊形成，本實施例中每個超材料片層的折射率分布均相同。每個超材料片層包括片狀的基板1，每個片狀基板I分成多個單元格4，在每個單元格4內均開設有孔2。超材料片層由多個單元格4陣列形成，整個超材料10可看作是由多個單元格4沿X、Y、Z三個方向陣列排布而成。單元格4的尺寸取決於需要響應的電磁波的頻率，通常孔2的尺寸為所需響應的電磁波波長的十分之一。孔2可以為通孔，也可以採用盲孔的形式，孔2的具體形式本發明不做限制。如圖所示本發明的近場輻射能流分布可調節的天線所採用的每個超材料片層的折射率分布滿足如下規律超材料片層沿Y軸方向分成多個帶狀區域5，每個帶狀區域5的中部均存在一個介電常數ε與磁導率μ的乘積最大的第一區段，帶狀區域5內其他各處的介電常數ε與磁導率μ的乘積從兩側向該中部的第一區段連續增大，即每個帶狀區域5內存在一個折射率最大的第一區段，其他各處的折射率從兩側向第一區段方向連續增大。當電磁波通過本實施例的超材料10後，每個帶狀區域5內電磁波向中部匯聚，本實施的超材料10可使電磁波的近場能流分布到幾個特定的區域。具有上述折射率分布的超材料10有很多種實施方式，圖2所示實施例中通過在基板I上打孔2並在孔2內填充同一種填充體實現對超材料10各個單元格4的等效電磁參數進行調整。為了描述的更加清楚直觀，本實施例中所有孔2的深度均相同，圖中通過孔2的橫截面積變化來體現孔2的體積變化規律。本實施例中每個基板I的孔2內均填充有同一種折射率小於基板I的折射率的填充體，本實施例的超材料片層沿Y軸方向分成3個帶狀區域5，每個帶狀區域5的中部均存在一個第一區段，構成每個第一區段的單元格4內的孔2的體積最小，帶狀區域5內其他各處的孔2的體積從兩側向該中部的第一區段連續減小。由於孔2中填充的填充體的折射率小於基板I的折射率，所以孔2的體積越小與其對應的單兀格4的等效折射率越大，所以本實施中的超材料10的每個超材料片層的折射率平面分布滿足上述規律，每個帶狀區域5內電磁波向中部匯聚，可使電磁波的近場能流分布集中到圖I所示的3個區域。圖3所示為超材料10的第二實施例的結構示意圖。本實施例中所有孔2的深度均相同，圖中通過孔2的橫截面積變化來體現孔2的體積變化規律。本實施例中每個基板I的孔2內均填充有同一種折射率大於基板I的折射率的填充體。本實施例的超材料片層沿Y軸方向分成3個帶狀區域5，每個帶狀區域5的中部均存在一個第一區段，構成每個第一區段的單元格4內的孔2的體積最大，帶狀區域5內其他各處的孔2的體積從兩側向中部連續增大。由於孔2中填充的填充體的折射率大於基板I的折射率，所以孔2的體積越大與其對應的單兀格4的等效折射率越大，所以本實施中的超材料10的每個超材料片層的折射率平面分布均滿足上述規律，每個帶狀區域5內電磁波向該帶狀區域的中部匯聚，可使電磁波的近場能流分布集中到圖I所示的3個區域。
·
上述兩個實施例中超材料10的每個基板I上的所有孔2內均填充有相同的填充體，所填充的填充體的材料與基板I的材料不同。填充體可採用空氣、碘晶體、氧化銅、水晶、石英、聚苯乙烯、氯化鈉、玻璃或其他高分子材料。空氣的折射率小於基板I的折射率，適用於圖2所示實施例。根據基板I材料的不同，其他固體填充體適用於不同的實施例。圖4所示為超材料10的第三實施例的結構示意圖。本實施例中所有孔2的體積均相同，孔2的截面形狀和深度均可以相同，也可以設置深度和截面形狀不同的孔2，為了便於說明本實施例的所有孔2的橫截面積均相同且為正方形。由於本實施例中，各孔2的體積均相同且基板I的電磁參數分布均勻，因此要使超材料片層具有上述折射率分布規律，則需在基板I上的孔2中填充不同的填充體，本實施例中每個超材料片層沿Y軸方向分成3個帶狀區域5，每個帶狀區域5的中部均存在一個第一區段，每個第一區段內的孔2內所填充的填充體的折射率最大，帶狀區域5內其他各處的孔2內填充的填充體的折射率從兩側向中部連續增大，圖中用填充線的密度表示填充體的折射率的大小，密度越大則對應的填充體的折射率越大。如圖中超材料片層由8X15的單元格4陣列形成，整個超材料10可看作是由多個單元格沿X、Y、Z三個方向陣列排布而成。在圖中所示Y方向上超材料10分成3個帶狀區域5，在帶狀區域5內沿X方向上每個單元格4的孔2內填充有相同的填充體，沿Y軸方向可在單元格4的孔2內依次填充空氣、氯化鈉、石英、氯化鈉、空氣，其中，在這3種填充體中石英的折射率最大，空氣的折射率最小，所以本實施中的超材料10的每個超材料片層的折射率平面分布滿足上述規律。通過反覆對孔2大小和形狀進行設計，使每個帶狀區域5內電磁波向第一區段方向匯聚，進而實現圖I所示的近場能流分布。圖5所示實施例中孔2的形狀、截面大小、深度以及填充體均不完全相同，只要每個超材料片層3的折射率平面分布滿足上述規律就可實現圖I所示的近場能流分布。也就是說在基板I選定的情況下，可以通過設計孔2的形狀、尺寸和/或多個孔2在空間中的排布以及孔2內的填充體，設計出超材料片層的每一單元格4的等效介電常數e和等效磁導率U，進而犾得滿足上述規律的超材料10。具體實施時孔2可以為圓柱形、立方體形、圓錐形或圓臺形等。基板I可以採用陶瓷材料、高分子材料、鐵電材料、鐵氧材料或鐵磁材料製得，其中高分子材料可採用聚四氟乙烯、FR-4或F4B等。可以通過注塑、衝壓或數控打孔等方式在所述基板I上形成孔2，如果採用陶瓷材料製成的基板1，可通過高溫燒結的方式製成具有多個孔2的基板I。由於空氣介質填入孔2內，會導致該材料局部區域的電磁參數分布變化，通過調整孔2的體積進而實現電磁波匯聚功能的超材料10。也可以在孔2中填充其他材料的填充體以改變基板I的等效折射率，如碘晶體、氧化銅、水晶、石英、聚苯乙烯、氯化鈉、玻璃等，使超材料片層的折射率平面分布滿足上述規律，電磁波的近場能流分布到幾個特定的區域。通過設計孔2的位置、數量、大小分布以及填充介質的種類，可設計出多種不同結構的超材料10，以實現特定的近場能流分布。以上所述是本發明的具體實施方式
，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也視為 本發明的保護範圍。
權利要求
1.一種近場輻射能流分布可調節的天線，其特徵在於，所述天線包括常規天線以及覆蓋在常規天線上的超材料，所述超材料由至少一個超材料片層構成，所述超材料片層包括基板以及開設在基板上的多個孔，其中每一超材料片層劃分為多個帶狀區域，每一帶狀區域內介電常數ε與磁導率μ的乘積自兩側向中部連續增大。
2.如權利要求I所述的近場輻射能流分布可調節的天線，其特徵在於，所述超材料由多個相互平行的超材料片層堆疊形成。
3.如權利要求2所述的近場輻射能流分布可調節的天線，其特徵在於，所述基板分成多個單元格，每個單元格內均開設有孔。
4.如權利要求3所述的近場福射能流分布可調節的天線,其特徵在於,每一帶狀區域內中部的單元格的孔的體積最小，帶狀區域內其他各處的孔的體積從兩側向中部連續減小，每個孔內均填充有相同的填充體且該填充體的折射率小於基板的折射率。
5.如權利要求3所述的近場福射能流分布可調節的天線,其特徵在於,每一帶狀區域內中部的單元格的孔的體積最大，帶狀區域內其他各處的孔的體積從兩側向中部連續增大，每個孔內均填充有相同的填充體且該填充體的折射率大於基板的折射率。
6.如權利要求3所述的近場輻射能流分布可調節的天線，其特徵在於，每個所述基板上開設的孔的體積均相同，孔內分別填充有不同的填充體，每一帶狀區域內中部的單元格的孔所填充的填充體的折射率最大，帶狀區域內其他各處的孔內所填充的填充體的折射率從兩側向中部連續增大。
7.如權利要求I 3任一項所述的近場福射能流分布可調節的天線,其特徵在於,所述孔的形狀為圓柱形、立方體形、圓錐形或圓臺形。
8.如權利要求I 3任一項所述的近場福射能流分布可調節的天線,其特徵在於,所述孔通過注塑、衝壓或數控打孔的方法形成在所述基板上。
9.如權利要求I 3任一項所述的近場福射能流分布可調節的天線,其特徵在於,所述基板由陶瓷材料、高分子材料、鐵電材料、鐵氧材料或鐵磁材料製得。
10.如權利要求I 3任一項所述的近場福射能流分布可調節的天線,其特徵在於,所述孔為通孔或盲孔。
全文摘要
本發明涉及一種近場輻射能流分布可調節的天線，包括常規天線以及覆蓋在常規天線上的超材料，超材料由至少一個超材料片層構成，超材料片層包括基板以及開設在基板上的多個孔，超材料包括多個帶狀區域，每個帶狀區域內均存在一個介電常數ε與磁導率μ的乘積最大的第一區段，帶狀區域內其他各處的介電常數ε與磁導率μ的乘積從兩側向該第一區段連續增大。本發明的近場輻射能流分布可調節的天線，通過在常規天線外覆蓋基板上打孔的超材料，可對天線的近場輻射能流進行調節，使能流集中到幾個特定區域。
文檔編號H01Q19/06GK102790274SQ20111012559
公開日2012年11月21日 申請日期2011年5月16日 優先權日2011年5月16日
發明者劉若鵬, 季春霖, 嶽玉濤, 徐冠雄 申請人:深圳光啟創新技術有限公司, 深圳光啟高等理工研究院