一種卡塞格倫超材料天線的製作方法
2023-05-03 20:35:31 1
專利名稱：一種卡塞格倫超材料天線的製作方法
技術領域：
本發明涉及天線領域，更具體地說，涉及一種卡塞格倫超材料天線。
背景技術：
眾所周知，卡塞格倫天線由三部分組成，即主反射器、副反射器和輻射源。其中主反射器為旋轉型拋物面，副反射面為雙曲面。在結構上，雙曲面的一個焦點與拋物面的焦點重合，而輻射源位於雙曲面的另一焦點上。卡塞格倫天線是由副反射器對輻射源發出的電磁波進行的一次反射，將電磁波反射到主反射器上，然後再經主反射器反射後獲得相應方向的平面波波束，以實現定向發射。當輻射器位於旋轉雙曲面的實焦點處時，發出的射線經過雙曲面反射後的射線，就相當於由雙曲面的虛焦點直接發射出的射線。因此只要是雙曲面的虛焦點與拋物面的焦點相重合，就可使副反射面反射到主反射面上的射線被拋物面反射成平面波輻射出去。
卡塞格倫天線相對於拋物面天線來講，它將饋源的輻射方式由拋物面的前饋方式改變為後饋方式，這使天線的結構較為緊湊，製作起來也比較方便。另外卡塞格倫天線可等效為具有長焦距的拋物面天線，而這種長焦距可以使天線從焦點至口面各點的距離接近於常數，因而空間衰耗對饋源輻射的影響要小，使得卡塞格倫天線的效率比標準拋物面天線要高。卡賽格倫天線與普通拋物面天線相比，其主要優點在於(I)因為有副面和主面兩個的先後反射，便於設計使得主面面場分布最佳化，以提高主面利用係數，改善天線增益。(2)由於照射器是放置在靠近主面頂點處，可方便地從主面後面伸出，大大縮短了饋線長度，不僅使得結構緊湊，而且使得接收機高頻部分可以直接放在主面後面成為可能，這在低噪聲系統中有重要意義。(3)由於雙鏡面天線用短焦距拋物面實現了長焦距拋物面的性能，所以卡賽格倫天線能以縮短了的天線縱向尺寸，去解決存在於單鏡面天線中的焦距大時性能好但結構複雜的矛盾。(4)由於雙曲面反射是擴散型的，所以，雙鏡面系統中，返回饋源的能量較單鏡面天線要小，從而減弱了對饋源匹配的影響。事物總是一分為二的，卡塞格倫天線的缺點是小尺寸的副面的邊緣繞射效應較大，容易引起主面面場的振幅起伏與相位畸變，加上副面的遮當，會使天線增益有所下降、旁瓣電平有所上升；特別是在現有技術中，由於饋源及其支撐杆擋在旋轉型拋物面的前面，饋源發射電磁波的過程中，電磁波不可避免的要穿過饋線，造成不需要的反射和損耗，降低了天線的性能。
發明內容
本發明要解決的技術問題在於，針對現有技術的饋源及其支撐杆對天線輻射不利影響，提供一種提供消除不利影響、易於實現以及成本低的卡塞格倫超材料天線。本發明解決其技術問題所採用的技術方案是提供一種卡塞格倫超材料天線，包括旋轉型拋物面、饋源、超材料以及雙曲面，所述旋轉型拋物面、饋源、超材料、雙曲面依次順序相對設置，所述饋源用於發射電磁波；所述超材料置於所述的雙曲面的實焦點處，所述超材料由基材以及基材上多個人造微結構組成，用於將電磁波散射至所述的雙曲面；所述雙曲面之虛焦點與所述旋轉型拋物面的焦點重合，用於將所述散射的電磁波再反射回所述的旋轉型拋物面；所述的旋轉型拋物面用於將所述反射回的電磁波以平面波的方式定向發送至空間。在本發明所述的卡塞格倫超材料天線中，所述超材料與所述的饋源為集合整體，所述的集合整體置於所述的雙曲面的實焦點處。在本發明所述的卡塞格倫超材料天線中，所述超材料由多個片狀基板堆疊形成，所述片狀基板由基材以及附著於基材上的多個人造微結構組成，所有的人造微結構在空間 中形成周期陣列。在本發明所述的卡塞格倫超材料天線中，所述的人造微結構在空間中呈均勻性的周期陣列。在本發明所述的卡塞格倫超材料天線中，在基材選定的情況下，通過改變人造微結構的圖案、設計尺寸和/或人造微結構在空間中的排布獲得想要的影響電磁波的等效折射率，從而決定所述電磁波的散射。在本發明所述的卡塞格倫超材料天線中，所述基材由陶瓷材料、高分子材料、鐵電材料、鐵氧材料或鐵磁材料製得。在本發明所述的卡塞格倫超材料天線中，所述的人造微結構為具有圖案的附著在基材上的金屬線。在本發明所述的卡塞格倫超材料天線中，所述金屬線通過蝕刻、電鍍、鑽刻、光刻、電子刻或離子刻的方法附著在基材上。在本發明所述的卡塞格倫超材料天線中，所述金屬線為銅線或銀線。在本發明所述的卡塞格倫超材料天線中，所述金屬線呈「工」字型以及「工」字型的衍生型。在本發明所述的卡塞格倫超材料天線中，所述卡塞格倫超材料天線還包括連接杆，用於將所述的集合整體與所述的雙曲面連接在一起。在本發明所述的卡塞格倫超材料天線中，所述影響電磁波的等效折射率取值範圍為1. 5 至 5. 2。在本發明所述的卡塞格倫超材料天線中，所述電磁波為釐米級電磁波。實施本發明的卡塞格倫超材料天線，具有以下有益效果由饋源發出的電磁波經過超材料後，將輻射波束分開一定角度至雙曲面，從而使從雙曲面反射的波束繞過饋源、超材料以及連接杆，降低了損耗、提高了效率，這樣饋源及其支架對天線輻射的影響就被很大程度地消除了。
圖I是現有技術卡塞格倫天線發射電磁波示意圖2是本發明實施例卡塞格倫超材料天線發射電磁波示意圖；圖3為本發明超材料的示意圖。
具體實施例方式為詳細說明本發明的技術內容、構造特徵、所實現目的及效果，以下結合實施方式並配合附圖詳予說明。「超材料"是指一些具有天然材料所不具備的超常物理性質的人工複合結構或複合材料。通過在材料的關鍵物理尺度上的結構有序設計，可以突破某些表觀自然規律的限制，從而獲得超出自然界固有的普通性質的超常材料功能。「超材料"重要的三個重要特徵(I) 「超材料"通常是具有新奇人工結構的複合材料； (2) 「超材料"具有超常的物理性質(往往是自然界的材料中所不具備的)；(3) 「超材料"性質往往不主要決定於構成材料的本徵性質，而決定於其中的人工結構。請參閱圖1，現有技術的普遍使用卡塞格倫天線，包括旋轉型拋物面10、饋源20、連接杆30以及雙曲面40。在結構上，雙曲面40的一個虛焦點與旋轉型拋物面10的實焦點重合，雙曲面40焦軸與旋轉型拋物面10的焦軸重合，而饋源20位於雙曲面40的另一實焦點上。它是由雙曲面40對饋源20發出的電磁波進行的一次反射，將電磁波反射到旋轉型拋物面10上，然後再經旋轉型拋物面10反射後獲得相應方向的平面波波束，以實現定向發射。當饋源20位於雙曲面40的實焦點處時，由該實焦點發出的射線經過雙曲面40反射後的射線，就相當於由雙曲面40的虛焦點直接發射出的射線。因此只要是雙曲面40的虛焦點與旋轉型拋物面10的焦點相重合，就可使雙曲面40反射到旋轉型拋物面10上的射線被旋轉型拋物面10反射成平面波輻射出去。由圖I可以看出，饋源20及其連接杆30擋在旋轉型拋物面10的前面，饋源20發射電磁波的過程中，電磁波不可避免的要穿過饋源20，造成不需要的反射和損耗，降低了天線的性能。請參閱圖2及圖3，在本發明實例中，一種卡塞格倫超材料天線，包括包括旋轉型拋物面10、饋源20、超材料25、連接杆30以及雙曲面40。旋轉型拋物面10、饋源20、超材料25、連接杆30以及雙曲面40依次相對設置，在現有技術基礎上進行改進的地方在於在饋源20之前設置超材料25，饋源20用於發射電磁波；超材料25置於雙曲面40的實焦點處，超材料25由基材I以及基材上多個人造微結構2組成，用於將電磁波散射至雙曲面40 ；雙曲面40之虛焦點與旋轉型拋物面10的焦點重合，用於將所述散射的電磁波再反射迴旋轉型拋物面10 ;所述的旋轉型拋物面10用於將所述反射回的電磁波以平面波的方式定向發送至空間。優選地，超材料25與饋源20為集合整體，集合整體置於雙曲面40的實焦點處，這樣的散射效果更佳，效率更高。要達到饋源20發出的電磁波散射的效果，要求超材料25的電磁特性具有散射的特性，即，超材料25中部單元的等效介電常數e與等效磁導率U為最小值，與最小值相鄰的各單元的等效介電常數e與等效磁導率U之積自小到大呈漸變趨勢，通過累加效應，會漸漸發散從而繞開饋源20，由於電磁波會向折射率大的地方偏折後散射至雙曲面40上，由雙曲面40反射至旋轉型拋物面10，由旋轉型拋物面10以平面波的方式再定向反射至空間，從而達到本發明所需的效果。優選地，超材料25的介電常數範圍是從I. 5到5. 2，在該範圍內，釐米級的微波，可以將波束分開60°的夾角。即該卡塞格倫反射面天線，由饋源20發射出波束，經由超材料25將波束分開60°，在雙曲面40進行一次反射，在旋轉型拋物面10進行二次反射，然後平行射出，經測試，該天線的增益、效率和方向性都較普通天線有了較大提升。電磁波的折射率跟物質的介電常數e和磁導率U的乘積反應有關係，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，而且折射率越大的位置偏折角度越大，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，可以改變電磁波的傳播路徑。超材料可以對電場或者磁場，或者兩者同時進行相應。對電場的響應取決於超材料的介電常數e，而對磁場的響應取決於超材料的磁導率U。通過對超材料空間中每一點 的介電常數e與磁導率U的精確控制，我們可以實現通過超材料對電磁波的影響。超材料的電磁參數在空間中的均勻或者非均勻的分布是超材料的重要特徵之一。電磁參數在空間中的均勻分布為非均勻分布的一種特殊形式，但其具體特性，仍然是由空間中排列的各個單元結構的特性所決定。因此，通過設計空間中排列的每個結構的特性，就可以設計出整個新型超材料在空間中每一點的電磁特性，這種電磁材料系統將會具有眾多奇異特性，對電磁波的傳播可以起到特殊的引導作用。由圖3所示，作為本發明的實施例，為了獲得更好的累加散射效果，本發明的超材料25由多個片狀基板11堆疊而成，其中一個片狀基板是由一個基材I和人造微結構2組成的，換句話說，超材料25由多個「小」的超材料堆疊而成的。一個基材I可以由陶瓷材料、高分子材料、鐵電材料、鐵氧材料或鐵磁材料製得。作為一個實施例，選用聚四氟乙烯來製成基材。聚四氟乙烯的電絕緣性非常好，因此不會對電磁波的電場產生幹擾，並且具有優良的化學穩定性、耐腐蝕性、使用壽命長、作為人造微結構附著的基材是很好的選擇。本實施例中，優選地，所述的人造微結構2為金屬微結構，所述的每個金屬微結構為一具有圖案的附著在片狀基板上的金屬線。作為一個實施例，所述金屬線通過蝕刻、電鍍、鑽刻、光刻、電子刻或離子刻的方法附著在片狀基板上。當然，也可以是三維雷射加工等其它可行的加工方法。作為一個實施例，所述金屬線為銅線或銀線。銅與銀的導電性能好，對電場的響應更加靈敏。作為本發明人造微結構的實施例，金屬線的結構為「工」字型以及「工」字型的衍生型；另外還有許多對磁場響應的金屬微結構，如在許多文獻中都被引用到的開口諧振環結構。另外金屬微結構還可以有很多變形圖案，本發明並不能對此一一列舉。在基材選定的情況下，可以通過設計金屬微結構2的圖案、設計尺寸和/或金屬微結構在空間中的排布獲得想要的散射效果。這是因為，通過設計金屬微結構的圖案、設計尺寸和/或金屬微結構在空間中的排布，即可設計出超材料所在空間中每一單元的電磁參數￡和U。至於怎麼得到金屬微結構的圖案、設計尺寸和/或金屬微結構在空間中的排布，這個方法是多種的，舉個例子，可以通過逆向的計算機仿真模擬得到，首先我們確定需要的散射分布，根據散射分布去設計超材料整體的電磁參數分布，再從整體出發計算出空間中每一點的電磁參數分布，根據這每一點的電磁參數來選擇相應的金屬微結構2的圖案、設計尺寸和/或金屬微結構2在空間中的排布(計算機中事先存放有多種金屬微結構數據)，對每個點的設計可以用窮舉法，例如先選定一個具有特定圖案的金屬微結構，計算電磁參數，將得到的結果和我們想要的對比，對比再循環多次，一直到找到我們想要的電磁參數為止，若找到了，則完成了金屬微結構的設計參數選擇；若沒找到，則換一種圖案的金屬微結構，重複上面的循環，一直到找到我們想要的電磁參數為止。如果還是未找到，則上述過程也不會停止。也就是說只有找到了我們需要的電磁參數的金屬微結構2後，程序才會停止。由於這個過程都是由計算機完成的，因此，看似複雜，其實很快就能完成。實施本發明的卡塞格倫超材料天線，具有以下有益效果由饋源20發出的電磁波經過超材料25後，散射繞開一定的角度，投射到天線的雙曲面40上，由雙曲面40反射迴旋轉型拋物面10將電磁波變成平面電磁波發射出去，由於反射波繞開了饋源10和超材料25以及連接杆30，這樣饋源20及其支架30對天線輻射的影響就被很大程度地消除了。
上面結合附圖對本發明的實施例進行了描述，但是本發明並不局限於上述的具體實施方式
，上述的具體實施方式
僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領域的普通技術人員在本發明的啟示下，在不脫離本發明宗旨和權利要求所保護的範圍情況下，還可做出很多形式，這些均屬於本發明的保護之內。
權利要求
1.一種卡塞格倫超材料天線，其特徵在於，包括旋轉型拋物面、饋源、超材料以及雙曲面，所述旋轉型拋物面、饋源、超材料、雙曲面依次順序相對設置，所述饋源用於發射電磁波；所述超材料置於所述的雙曲面的實焦點處，所述超材料由基材以及附著於基材上多個人造微結構組成，用於將電磁波散射至所述的雙曲面；所述雙曲面之虛焦點與所述旋轉型拋物面的焦點重合，用於將所述散射的電磁波再反射回所述的旋轉型拋物面；所述的旋轉型拋物面用於將所述反射回的電磁波以平面波的方式定向發送至空間。
2.根據權利要求I所述的卡塞格倫超材料天線，其特徵在於，所述超材料與所述的饋源為集合整體，所述的集合整體置於所述的雙曲面的實焦點處。
3.根據權利要求I所述的卡塞格倫超材料天線，其特徵在於，所述超材料由多個片狀基板堆疊形成，所述片狀基板由基材以及附著於基材上多個人造微結構組成，所有的人造微結構在空間中形成周期陣列。
4.根據權利要求3所述的卡塞格倫超材料天線，其特徵在於，所述的人造微結構在空間中呈均勻性的周期陣列。
5.根據權利要求I所述的卡塞格倫超材料天線，其特徵在於，在基材選定的情況下，通過改變人造微結構的圖案、設計尺寸和/或人造微結構在空間中的排布獲得想要的影響電磁波的等效折射率，從而決定所述電磁波的散射。
6.根據權利要求I所述的卡塞格倫超材料天線,其特徵在於,所述基材由陶瓷材料、高分子材料、鐵電材料、鐵氧材料或鐵磁材料製得。
7.根據權利要求I所述的卡塞格倫超材料天線，其特徵在於，所述的人造微結構為具有圖案的附著在基材上的金屬線。
8.根據權利要求7所述的卡塞格倫超材料天線，其特徵在於，所述金屬線通過蝕刻、電鍍、鑽刻、光刻、電子刻或離子刻的方法附著在基材上。
9.根據權利要求7所述的卡塞格倫超材料天線，其特徵在於，所述金屬線為銅線或銀線。
10.根據權利要求7所述的卡塞格倫超材料天線，其特徵在於，所述金屬線呈「工」字型以及「工」字型的衍生型。
11.根據權利要求2所述的卡塞格倫超材料天線，其特徵在於，所述卡塞格倫超材料天線還包括連接杆，用於將所述的集合整體與所述的雙曲面連接在一起。
12.根據權利要求5所述的卡塞格倫超材料天線，其特徵在於，所述影響電磁波的等效折射率取值範圍為1. 5至5. 2。
13.根據權利要求12所述的卡塞格倫超材料天線，其特徵在於，所述電磁波為釐米級 電磁波。
全文摘要
本發明公開了一種卡塞格倫超材料天線，包括旋轉型拋物面、饋源、超材料以及雙曲面，所述饋源用於發射電磁波；所述超材料置於所述的雙曲面的實焦點處，所述超材料由基材以及基材上多個人造微結構組成，用於將電磁波散射至所述的雙曲面；所述雙曲面之虛焦點與所述旋轉型拋物面的焦點重合，用於將所述散射的電磁波再反射回所述的旋轉型拋物面；所述的旋轉型拋物面用於將所述反射回的電磁波以平面波的方式定向發送至空間。本發明的卡塞格倫超材料天線由饋源發出的電磁波經過超材料後，散射一定的角度至所述的雙曲面，由雙曲面反射到天線的旋轉型拋物面上，這樣饋源及其支架對天線輻射的影響就被很大程度地消除了。
文檔編號H01Q19/19GK102800992SQ201110148908
公開日2012年11月28日 申請日期2011年6月3日 優先權日2011年6月3日
發明者劉若鵬, 季春霖, 嶽玉濤, 張凌飛 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