一種超材料平板天線的製作方法
2023-06-10 00:19:46
一種超材料平板天線的製作方法
【專利摘要】本實用新型適用於通訊【技術領域】，提供了一種超材料平板天線，包括輻射體及設置於電磁波輻射方向的超材料平板，超材料平板包括介質板及在其表面陣列排布且使電磁波的透過率隨入射角的增大而減小的導電幾何結構，導電幾何結構為由金屬或非金屬的導電材料構成的微結構，微結構包括兩個相對設置的開口諧振環，開口諧振環包括中間開口的直線段和連接直線段兩端的曲線段或折線段，兩條直線段平行。本實用新型在介質板的表面設置相對的開口諧振環型微結構，使電磁波的透過率隨入射角的增大而減小，減小了大角度電磁波的透過率，抑制了遠區副瓣，與傳統天線相比，該超材料平板天線的遠區副瓣明顯降低，有效提升了天線性能，適用於各種通訊系統中。
【專利說明】一種超材料平板天線
【技術領域】
[0001]本實用新型屬於通訊【技術領域】，特別涉及一種超材料平板天線。
【背景技術】
[0002]天線的基本功能之一是把從饋源取得的能量向周圍空間輻射出去，之二是把大部分能量朝所需的方向輻射，輻射強度最大的瓣稱為主瓣，其餘的瓣稱為副瓣或旁瓣，副瓣的能量較大會影響天線的增益、方向性和抗幹擾能力。為了增大主瓣能量，優化輻射的方向性，提高天線的抗幹擾能力，通常要求儘量減小副瓣。現有天線的副瓣仍然佔有輻射能量的較大比例，影響天線的性能。
實用新型內容
[0003]本實用新型的目的在於提供一種超材料平板天線，旨在減小遠區副瓣，提高天線的增益和抗幹擾能力。
[0004]本實用新型是這樣實現的，一種超材料平板天線，包括輻射體及設置於電磁波輻射方向的超材料平板，所述超材料平板包括介質板及在其表面陣列排布且使電磁波的透過率隨入射角的增大而減小的導電幾何結構，所述導電幾何結構為由金屬或非金屬的導電材料構成的微結構，所述微結構包括兩個相對設置的開口諧振環，所述開口諧振環包括中間開口的直線段和連接所述直線段的兩端之間的曲線段或折線段，兩個所述開口諧振環的直線段相對設置且相互平行。
[0005]作為本實用新型的優選技術方案:
[0006]兩條所述開口諧振環的曲線段或折線段的中點之間連接一直導線，所述直導線自所述開口穿過並垂直於所述直線段。
[0007]所述開口諧振環為底邊開口的等腰三角形，兩個等腰三角形的底邊相對且平行。
[0008]所述開口諧振環為底邊開口的等腰梯形，兩個等腰梯形的底邊相對且平行。
[0009]所述開口諧振環的折線段是由至少三條線段依次成角度連接而成的多段線。
[0010]所述開口諧振環的曲線段為圓弧形。
[0011]相鄰微結構的間距為1/10?1/2波長。
[0012]所述輻射體為陣列結構輻射體。
[0013]所述微結構設置於所述介質板面向所述輻射體的表面。
[0014]所述介質板的兩表面均設有所述微結構。
[0015]各所述微結構的形狀相同，大小相等。
[0016]本實用新型提供的超材料平板天線在介質板的表面設置相對的開口諧振環型微結構，電磁波入射超材料平板時，由於穿過諧振環的磁場的變化，使電磁波的透過率隨入射角的增大而減小，進而減小了大角度電磁波的透過率，大幅度抑制了遠區副瓣，與傳統天線相比，該超材料平板天線的遠區副瓣可降低20dB，副瓣抑制效果顯著，有效提升了天線性能，適用於各種通訊系統中。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1是本實用新型實施例提供的超材料平板天線的結構示意圖；
[0018]圖2是本實用新型實施例提供的超材料平板的結構示意圖；
[0019]圖3是本實用新型實施例提供的超材料平板的微結構的一種結構示意圖；
[0020]圖4是本實用新型實施例提供的超材料平板的微結構的另一結構示意圖；
[0021]圖5是本實用新型實施例提供的超材料平板的透過率曲線圖；
[0022]圖6是本實用新型實施例提供的超材料平板天線和傳統天線的方向圖的對比圖。
【具體實施方式】
[0023]為了使本實用新型的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本實用新型進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本實用新型，並不用於限定本實用新型。
[0024]以下結合具體實施例對本實用新型的具體實現進行詳細描述:請參閱圖1?圖3，本實用新型實施例提供一種超材料平板天線，通過採用附有微結構的超材料平板對輻射電磁波進行角度選擇，以達到減小天線副瓣的目的。如圖1和2，該超材料平板天線包括輻射體I及設置於該輻射體I的輻射方向的超材料平板2，該超材料平板2包括介質板21及在其表面陣列排布的導電幾何結構，該導電幾何結構為由金屬或非金屬的導電材料構成的微結構22。可以理解，圖2中示出的微結構22為放大後的結構，以便於查看，實際製作的微結構尺寸較小，通常與響應波長的數量級相同或相差一個數量級。如圖3，該微結構22包括兩個相對設置的開口諧振環，該開口諧振環包括中間開口的直線段221和連接該直線段221的兩端之間的曲線段222或折線段222，兩個開口諧振環的直線段221相對設置且相互平行，這種微結構可使電磁波的透過率隨入射角的增大而減小，進而減小大角度入射的電磁波的透過率，有效抑制遠區副瓣。
[0025]在本實施例中，該微結構22可以是通過蝕刻、電鍍、鑽刻、光刻、電子刻或離子刻的方法附著在介質板21上。製作微結構22的金屬可以為金、銀、銅、金合金、銀合金、銅合金、鋅合金或鋁合金，製作微結構22的非金屬導電材料可以為導電石墨、銦錫氧化物或摻招氧化鋅。
[0026]該超材料平板天線的工作原理為:電磁波的電場和磁場的方向與電磁波的傳播方向垂直，當電磁波垂直入射超材料平板時，磁場方向與超材料平板2表面平行，夾角為0°，穿過諧振環的磁通量為零，電磁波可順利穿過超材料平板2，透過率接近100%;當電磁波斜入射，入射角度變大，磁場方向與超材料平板2表面的夾角增大，穿過微結構22的磁通量增大，磁場變化較大，產生感應電流，對電磁波的傳播起到阻礙作用，進而降低透過率。
[0027]參見圖5所示的透過率與入射角的曲線圖，其中縱坐標代表電磁波的透過率，橫坐標代表電磁波的頻率。可見，電磁波的入射角越大，透過率越低，因此該超材料平板2對電磁波進行了角度選擇，削弱了大角度電磁波的能量。而大角度傳播的電磁波是產生副瓣的主要因素之一，因此，採用該超材料平板2有效的降低了副瓣，提高了天線的增益以及方向性和抗幹擾能力。參考圖6，縱坐標代表天線的增益，橫坐標代表與主瓣中心軸的夾角，曲線A是傳統天線方向圖，曲線B是本實用新型的天線方向圖，與傳統天線相比，本實施例提供的超材料平板天線的遠區副瓣降低了接近20dB，副瓣抑制效果顯著。
[0028]進一步參考圖3，本實施例中的微結構22的開口諧振環可以為底邊開口的等腰三角形結構，並且兩個等腰三角形的底邊221相對且平行，底邊221彼此平行形成了電容結構，兩個開口相對。兩個等腰三角形相對構成類似方形的諧振環，電磁波入射時，穿過諧振環的磁場發生變化，在諧振環中產生感應電流進一步影響電磁波的透過率。
[0029]進一步優選的，還可以在兩個等腰三角形的頂點之間設置一直導線223，該直導線223自開口中穿過並與底邊221垂直，以增強微結構對電磁波的感應，進而增強對電磁波透過率的影響，提升超材料平板2對電磁波的角度選擇效應並改善微結構的穩定性。
[0030]另外參考圖4，還可以將諧振環設計為底邊開口的等腰梯形，兩等腰梯形的底邊221相對且平行，同樣的，也可以在兩等腰梯形的另一組平行的對邊的中點之間設置直導線223，該直導線223穿過底邊開口並與底邊垂直，效果同上。
[0031]作為另一種實現方式，該微結構的開口諧振環也可以是半圓形，還可以在兩個半圓形曲線段的中點之間連接一條直線段。該結構與上述等腰三角形的諧振環結構的功能相同。
[0032]可以理解，諧振環的形狀還可以有多種，例如，連接於直線型底邊兩端的折線段可以為由至少三條線段依次成角度連接而成的多段線，而作為優選的實現方式，在每種折線段的中點之間都設置一直導線，以進一步增強微結構對電磁波的感應，進而提升其對透過率的調節效果。同樣的，連接於直線型底邊兩端的曲線段也可以是任意形狀的曲線段，考慮加工難度，優選採用圓弧形曲線段，本實施例不再一一舉例。
[0033]如上所述，本實施例通過微結構調節電磁波透過率的原理是基於電磁波磁場以一定角度穿過諧振環產生感應電流而實現的，輻射源發出的電磁波類似球面波，入射超材料平板的角度自然不同，因此諧振環完全可以平鋪設置在介質板的表面，而不需要與介質板成角度設置，並且，基於上述原理，也不需將微結構設置為不同尺寸，可將微結構設置為相同形狀、相同大小且陣列排布，因此該超材料平板也比較便於製作。在本實施例中，超材料平板2通常由覆銅介質板加工而成，對覆銅介質板的覆銅層進行蝕刻形成上述微結構22，當然還可以採用其他方式製作。
[0034]進一步的，由於該超材料平板是在電磁波發射之前對其進行過濾，因此需要控制其損耗，本實施例的介質板優選介電常數較低(優選小於3)的材料製作，例如F4B。
[0035]進一步的，為了有效抑制遠區副瓣，需要合理設置微結構22的疏密程度，如果過於稀疏，則部分電磁波會直接透過，對副瓣的抑制效果不佳，本實施例優選相鄰微結構的間距為波長的1/10?1/2。
[0036]在本實施例中，輻射體I優選為陣列結構輻射體，由多個輻射單元11陣列排布於一平板12上構成，而超材料平板2可以在功能上劃分為多個與輻射單元11 一一對應的超材料平板單元，每個超材料平板單元對相應的輻射單元的輻射波進行角度選擇，整體超材料平板2對陣列輻射體I的輻射波的作用效果就體現在天線遠區副瓣的降低。
[0037]在本實施例中，可以在介質板21面向輻射體I的表面設置微結構22，也可以在介質板21的兩面均設置微結構22。
[0038]本實用新型在介質板的表面設置開口諧振環型微結構，通過微結構改變電磁波的透過率，降低入射角較大的電磁波的透過率，進而減小遠區副瓣。與傳統天線相比，本實施例提供的超材料平板天線的遠區副瓣降低了接近20dB，副瓣抑制效果顯著，有效提升了天線性能，該天線適用於各種通訊系統中。
[0039]以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，並不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本實用新型的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種超材料平板天線，其特徵在於，包括輻射體及設置於電磁波輻射方向的超材料平板，所述超材料平板包括介質板及在其表面陣列排布且使電磁波的透過率隨入射角的增大而減小的導電幾何結構，所述導電幾何結構為由金屬或非金屬的導電材料構成的微結構，所述微結構包括兩個相對設置的開口諧振環，所述開口諧振環包括中間開口的直線段和連接所述直線段的兩端之間的曲線段或折線段，兩個所述開口諧振環的直線段相對設置且相互平行。
2.如權利要求1所述的超材料平板天線，其特徵在於，兩條所述開口諧振環的曲線段或折線段的中點之間連接一直導線，所述直導線自所述開口穿過並垂直於所述直線段。
3.如權利要求1或2所述的超材料平板天線，其特徵在於，所述開口諧振環為底邊開口的等腰三角形，兩個等腰三角形的底邊相對且平行。
4.如權利要求1或2所述的超材料平板天線，其特徵在於，所述開口諧振環為底邊開口的等腰梯形，兩個等腰梯形的底邊相對且平行。
5.如權利要求1或2所述的超材料平板天線，其特徵在於，所述開口諧振環的折線段是由至少三條線段依次成角度連接而成的多段線。
6.如權利要求1或2所述的超材料平板天線，其特徵在於，所述開口諧振環的曲線段為圓弧形。
7.如權利要求1所述的超材料平板天線，其特徵在於，相鄰微結構的間距為1/10?1/2波長。
8.如權利要求1所述的超材料平板天線，其特徵在於，所述輻射體為陣列結構輻射體。
9.如權利要求8所述的超材料平板天線，其特徵在於，所述微結構設置於所述介質板面向所述輻射體的表面。
10.如權利要求8所述的超材料平板天線，其特徵在於，所述介質板的兩表面均設有所述微結構。
11.如權利要求1所述的超材料平板天線，其特徵在於，各所述微結構的形狀相同，大小相等。
【文檔編號】H01Q1/36GK204243177SQ201420646721
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年10月30日 優先權日:2014年10月30日
【發明者】不公告發明人 申請人:深圳光啟高等理工研究院