一種後饋式微波天線的製作方法

2023-04-27 13:35:41 2

專利名稱：一種後饋式微波天線的製作方法
技術領域：
本發明涉及天線領域，更具體地說，涉及一種後饋式微波天線。
背景技術：
在常規的光學器件中，利用透鏡能使位於透鏡焦點上的點光源輻射出的球面波經過透鏡折射後變為平面波。透鏡天線是由透鏡和放在透鏡焦點上的輻射器組成，利用透鏡匯聚的特性，將輻射器輻射出的電磁波經過透鏡匯聚後再發射出去的天線，這種天線方向性比較強。目前透鏡的匯聚是依靠透鏡的球面形狀的折射來實現，如圖1所示，輻射器1000 發出的球面波經過球形的透鏡2000匯聚後以平面波射出。發明人在實施本發明過程中，發現透鏡天線至少存在如下技術問題球形透鏡1000的體積大而且笨重，不利於小型化的使用；球形透鏡1000對於形狀有很大的依賴性，需要比較精準才能實現天線的定向傳播；電磁波反射幹擾和損耗比較嚴重，電磁能量減少。當電磁波經過不同介質的分界面時，會發生部分反射現象。通常兩邊介質的電磁參數(介電常數或者磁導率)差距越大反射就會越大。由於部分電磁波的反射，沿傳播方向的電磁能量就會相應損耗，嚴重影響電磁信號傳播的距離和傳輸信號的質量。

發明內容
本發明要解決的技術問題在於，針對現有技術的上述反射損耗大、電磁能量減少的缺陷，提供一種體積較小、天線前後比好、增益較高且傳輸距離遠的後饋式微波天線。本發明解決其技術問題所採用的技術方案是提出一種後饋式微波天線，包括 輻射源、用於將所述輻射源發射的電磁波發散的第一超材料面板、具有電磁波匯聚功能並用於將所述第一超材料面板發散出來的電磁波轉換為平面波的第二超材料面板；所述第一超材料面板包括第一基材及周期排布於所述第一基材上的多個第三人造金屬微結構；所述第二超材料面板包括核心層，所述核心層包括多個具有相同折射率分布的核心超材料片層，每一核心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變化範圍相同，均隨著半徑的增大從 連續減小到 且相同半徑處的折射率相同；所述核心超材料片層包括核心超材料片層基材及周期排布於所述核心超材料片層基材表面的多個第一人造金屬微結構。進一步地，所述第二超材料面板還包括對稱設置於所述核心層兩側的第一漸變超材料片層至第N漸變超材料片層，其中對稱設置的兩層第N漸變超材料片層均靠近所述核心層；每一漸變超材料片層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， 每一漸變超材料片層對應的所述圓形區域和所述環形區域內的折射率變化範圍均相同且隨著半徑的增大從其最大折射率連續減小到IV相同半徑處的折射率相同，兩個相鄰的漸變超材料片層的最大折射率表示為Iii和ni+1，其中nQ < Hi < ni+1 < np, i為正整數，Iii對應於距離所述核心層較遠的漸變超材料片層的最大折射率值；所述每一漸變超材料片層包括漸變超材料片層基材以及周期排布於所述漸變超材料片層基材表面的多個第二人造金屬微結構；全部的漸變超材料片層和全部的核心超材料片層構成了所述第二超材料面板的功
會邑M。進一步地，所述第二超材料面板還包括對稱設置於所述功能層兩側的第一匹配層至第M匹配層，其中對稱設置的兩層第M匹配層均靠近所述第一漸變超材料片層；每一匹配層折射率分布均勻，靠近自由空間的所述第一匹配層折射率大致等於自由空間折射率，靠近所述第一漸變超材料片層的第M匹配層折射率大致等於所述第一漸變超材料片層最小折射率IV進一步地，所有漸變超材料片層與所有核心超材料片層上被劃分的圓形區域和與圓形區域同心的環形區域的起始半徑和終止半徑均相等；每一漸變超材料片層和所有核心超材料片層隨著半徑r的變化，折射率分布關係式為
^J K夢為其中，第一漸變超材料片層至第N漸變超材料片層對應的i值即為數值一至N，所有的核心超材料片層對應的i值均為N+l，s為所述輻射源距所述第一漸變超材料片層的垂直距離；d為第一漸變超材料片層至第N漸變超材料片層與所有的核心超材料片層所具有
, λ
的總厚度，d=~其中λ為所述第二超材料面板的工作波長；L(j)表示核心超材料片
nP ( O
層與漸變超材料片層上的圓形區域以及與所述圓形區域同心的多個環形區域的起始半徑值，j表示第幾區域，其中L(I)表示第一區域，即所述圓形區域，L(I) = 0。進一步地，所述核心超材料片層為三層，每層核心超材料片層還包括覆蓋於所述第一人造金屬微結構上的覆蓋層；周期排布於所述基材上的多個所述第一人造金屬微結構的尺寸變化規律為多個所述第一人造金屬微結構的幾何形狀相同，所述基材包括圓形區域以及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第一人造金屬微結構尺寸變化範圍相同，均隨著半徑的增大從最大尺寸連續減小到最小尺寸且相同半徑處的第一人造金屬微結構尺寸相同。進一步地，所述核心層兩側對稱設置有第一漸變超材料片層至第三漸變超材料片層，每層漸變超材料片層還包括覆蓋於所述第二人造金屬微結構上的覆蓋層；周期排布於所述基材上的所述第二人造金屬微結構的尺寸變化規律為多個所述第二人造金屬微結構的幾何形狀相同，所述基材包括圓形區域以及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第二人造金屬微結構尺寸變化範圍相同，均隨著半徑的增大從最大尺寸連續減小到最小尺寸且相同半徑處的第二人造金屬微結構尺寸相同。進一步地，所述第一超材料面板折射率呈圓形分布，圓心處的折射率最小且隨著半徑的增大，對應半徑的折射率亦增大且相同半徑處折射率相同。進一步地，所述第一超材料面板由多個折射率分布相同的第一超材料片層構成， 所述第一超材料片層還包括覆蓋於所述第三人造微結構上的覆蓋層；多個第三人造微結構為第三人造金屬微結構且幾何形狀相同，所述第三人造金屬微結構在所述第一基材上呈圓形分布，且圓心處的第三人造金屬微結構尺寸最小，隨著半徑的增大，對應半徑的第三人造金屬微結構尺寸亦增大且相同半徑處的第三人造金屬微結構尺寸相同。進一步地，所述多個第一人造金屬微結構、所述多個第二人造金屬微結構和所述多個第三人造金屬結構具有相同的幾何形狀。進一步地，所述幾何形狀為「工」字形，包括豎直的第一金屬分支以及位於所述第一金屬分支兩端且垂直於所述第一金屬分支的第二金屬分支。進一步地，所述幾何形狀還包括位於所述第二金屬分支兩端且垂直於所述第二金屬分支的第三金屬分支。進一步地，所述幾何形狀為平面雪花型，包括相互垂直的兩條第一金屬分支以及位於所述第一金屬分支兩端且垂直於所述第一金屬分支的第二金屬分支。進一步地，所述後饋式微波天線還包括外殼，所述外殼與所述第二超材料面板構成封閉腔體，與所述第二超材料面板相接的外殼壁內側還附著有吸波材料，與所述第二超材料面板相對的外殼壁由金屬材質或高分子材料製成。進一步地，所述第一超材料面板通過支架固定於所述輻射源前方，所述輻射源距所述第一超材料面板的距離為30釐米。進一步地，所述輻射源發射的電磁波頻率為12. 4G赫茲至18G赫茲。進一步地，與所述第二超材料面板相對的外殼壁內側也附著有吸波材料。實施本發明的技術方案，具有以下有益效果通過設計超材料面板核心層和漸變層上及各自之間的折射率變化將輻射源發射的電磁波轉換為平面波，從而提高了天線的匯聚性能，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，提高了天線性能。進一步地，本發明還在輻射源前端設置具有發散功能的超材料，從而提高輻射源的近距離輻射範圍，使得後饋式微波天線整體能夠更小的尺寸。


下面將結合附圖及實施例對本發明作進一步說明，附圖中圖1是現有的球面形狀的透鏡天線匯聚電磁波的示意圖；圖2是構成超材料的基本單元的立體結構示意圖；圖3是本發明後饋式微波天線的結構示意圖；圖4是本發明後饋式微波天線中構成第一超材料面板的第一超材料片層的結構示意圖；圖5是本發明後饋式微波天線中第二超材料面板的立體結構示意圖；圖6是本發明後饋式微波天線中第二超材料面板上核心層隨半徑變化的折射率分布示意圖；圖7是能對電磁波產生響應以改變超材料基本單元折射率的第一較佳實施方式的人造金屬微結構的幾何形狀拓撲圖案；圖7a為圖7中人造金屬微結構幾何形狀拓撲圖案的衍生圖案；圖8是能對電磁波產生響應以改變超材料基本單元折射率的第二較佳實施方式的人造金屬微結構的幾何形狀拓撲圖案；圖為圖8中人造金屬微結構幾何形狀拓撲圖案的衍生圖案。
具體實施例方式光，作為電磁波的一種，其在穿過玻璃的時候，因為光線的波長遠大於原子的尺寸，因此我們可以用玻璃的整體參數，例如折射率，而不是組成玻璃的原子的細節參數來描述玻璃對光線的響應。相應的，在研究材料對其他電磁波響應的時候，材料中任何尺度遠小於電磁波波長的結構對電磁波的響應也可以用材料的整體參數，例如介電常數ε和磁導率μ來描述。通過設計材料每點的結構使得材料各點的介電常數和磁導率都相同或者不同從而使得材料整體的介電常數和磁導率呈一定規律排布，規律排布的磁導率和介電常數即可使得材料對電磁波具有宏觀上的響應，例如匯聚電磁波、發散電磁波等。該類具有規律排布的磁導率和介電常數的材料我們稱之為超材料。如圖2所示，圖2為構成超材料的基本單元的立體結構示意圖。超材料的基本單元包括人造微結構1以及該人造微結構附著的基材2。本發明中，人造微結構為人造金屬微結構，人造金屬微結構具有能對入射電磁波電場和/或磁場產生響應的平面或立體拓撲結構，改變每個超材料基本單元上的人造金屬微結構的圖案和/或尺寸即可改變每個超材料基本單元對入射電磁波的響應。多個超材料基本單元按一定規律排列即可使得超材料對電磁波具有宏觀的響應。由於超材料整體需對入射電磁波有宏觀電磁響應因此各個超材料基本單元對入射電磁波的響應需形成連續響應，這要求每一超材料基本單元的尺寸為入射電磁波的十分之一至五分之一，優選為入射電磁波的十分之一。本段描述中，我們人為的將超材料整體劃分為多個超材料基本單元，但應知此種劃分方法僅為描述方便，不應看成超材料由多個超材料基本單元拼接或組裝而成，實際應用中超材料是將人造金屬微結構周期排布於基材上即可構成，工藝簡單且成本低廉。周期排布即指上述我們人為劃分的各個超材料基本單元上的人造金屬微結構能對入射電磁波產生連續的電磁響應。如圖3所示，圖3為本發明後饋式微波天線的結構示意圖。圖3中，本發明後饋式微波天線包括輻射源20、第一超材料面板30、第二超材料面板10以及外殼40，本發明中，輻射源20發射的電磁波頻率為12. 4G赫茲至18G赫茲。第二超材料面板10與外殼40構成密封腔體。圖2中，該密封腔體為長方體形，但實際應用中，由於輻射源20尺寸小於第二超材料面板10的尺寸，因此密封腔體多為圓錐形。與第二超材料面板10相接的外殼壁內側設置有吸波材料50，吸波材料50可為常規的吸波塗層亦可為吸波海綿等，輻射源20部分輻射到吸波材料50上的電磁波被吸波材料50吸收以增強天線的前後比。同時，與第二超材料面板10相對的外殼由金屬或高分子材料製成，輻射源20部分輻射到金屬或高分子材料外殼的電磁波被反射到第二超材料面板10或第一超材料面板30以進一步增強天線的前後比。進一步地，在距第二超材料面板10半波長處還設置有天線防護罩(圖中未示)，天線防護罩保護第二超材料面板不受外部環境影響，此處的半波長是指輻射源20發出的電磁波的波長的一半。第一超材料面板30可直接貼附於輻射源20的輻射埠上，但是，當第一超材料面板30直接貼附於輻射源20的輻射埠上時輻射源20輻射的電磁波部分會被第一超材料面板30反射造成能量損失，因此本發明中，第一超材料面板30通過支架60固定於輻射源 20前方。優選地，第一超材料面板30距輻射源20的間隔距離為30釐米。第一超材料面板30由多片折射率分布相同的第一超材料片層300構成，如圖4所示，圖4為第一超材料片層300的立體結構示意圖，為清楚介紹第一超材料片層300，圖4採用透視圖畫法，第一超材料片層300包括第一基材301以及周期排布於第一基材上的多個第三人造金屬微結構 302，優選地，在多個第三人造金屬微結構302上還覆蓋有覆蓋層303使得第三人造金屬微結構302被封裝，覆蓋層303與第一基材材質302相等且厚度相等。本發明中，覆蓋層303 與第一基材302的厚度均為0. 4毫米，而人造金屬微結構層的厚度為0. 018毫米，因此整個第一超材料片層的厚度為0. 818毫米。從這個數值上可以看出，本發明所有的超材料片層的厚度相較常規凸鏡天線有很大的優勢。構成第一超材料片層300的基本單元仍如圖2所示，但第一超材料片層300需具有發散電磁波的功能，根據電磁學原理，電磁波向折射率大的方向偏折。因此，第一超材料片層300上的折射率變化規律為第一超材料片層300折射率呈圓形分布，圓心處的折射率最小且隨著半徑的增大，對應半徑的折射率亦增大且相同半徑處折射率相同。具有該類折射率分布的第一超材料片層300使得輻射源20輻射出來的電磁波被發散，從而提高輻射源的近距離輻射範圍，使得後饋式微波天線整體能夠更小的尺寸。更具體地，本發明中，第一超材料片層300上的折射率分布規律可以為線性變化， 即n = nmin+KR，K為常數，R為圓形分布的第三人造金屬微結構附著的超材料基本單元中心點與第一基材中心點的連線距離，nmin為第一基材中心點所具有的折射率值。另外，第一超材料片層300上的折射率分布規律亦可為平方率變化，即n(K) = nmin+KR2 ；或為立方率變化即n = nmin+KR3 ；或為冥函數變化，即n(K) = nmin*KK等。由上述第一超材料片層300的變化公式可知，只要第一超材料片層300滿足發散輻射源發射的電磁波即可。下面詳細描述本發明後饋式微波天線第二超材料面板。第二超材料面板將經由第一超材料面板發散的電磁波匯聚後使得發散的球面電磁波以更適於遠距離傳輸的平面電磁波輻射出去。如圖5所示，圖5為本發明第二超材料面板的立體結構示意圖。圖5中， 第二超材料面板10包括核心層，該核心層由多個折射率分布相同的核心超材料片層11構成；對稱設置於核心層兩側的第一漸變超材料片層101至第N漸變超材料片層，本實施例中漸變超材料片層為第一漸變超材料片層101、第二漸變超材料片層102以及第三漸變超材料片層103 ；所有的漸變超材料片層與所有的核心超材料片層構成第二超材料面板的功能層；對稱設置於該功能層兩側的第一匹配層111至第M匹配層，每一匹配層折射率分布均勻且靠近自由空間的第一匹配層111折射率大致等於自由空間折射率，靠近第一漸變超材料片層的最後一層匹配層折射率大致等於該第一漸變超材料片層101最小的折射率；本實施例中匹配層包括第一匹配層111、第二匹配層112以及第三匹配層113。漸變超材料片層與匹配層均具有減少電磁波的反射，並起到阻抗匹配和相位補償的作用，因此設置漸變超材料片層和匹配層是較優選的實施方式。匹配層結構與第一超材料片層類似，由覆蓋層和基材構成，與第一超材料片層不同之處在於，覆蓋層和基材中間全部填充有空氣，通過改變覆蓋層與基材的間距以改變空氣的佔空比從而使得各匹配層具有不同的折射率。構成核心超材料片層和漸變超材料片層的基本單元均如圖2所示，且本發明中， 為簡化製作工藝，核心超材料片層和漸變超材料片層的尺寸結構與第一超材料片層相同， 即均由0. 4毫米的覆蓋層、0. 4毫米的基材以及0. 018毫米的人造金屬微結構構成各核心超材料片層與各漸變超材料片層。同時，本發明中，分別構成核心超材料片層、漸變超材料片
層與第一超材料片層的第一人造金屬微結構、第二人造金屬微結構與第三人造金屬微結構的幾何形狀均相同。核心超材料片層和漸變超材料片層均被劃分為一個圓形區域和與所述圓形區域同心的多個環形區域，且圓形區域和環形區域內的折射率均隨著半徑的增大從各片層所具有的最大折射率連續減小到IV處於相同半徑的超材料基本單元的折射率值相同。其中核心超材料片層具有的最大折射率為np，兩個相鄰的漸變超材料片層的最大折射率為Iii和 ni+1, η,對應於距離所述核心層較遠的漸變超材料片層，ηρ、η。、叫、ni+1滿足關係式nQ < η, < ni+1 < np。由核心超材料片層和漸變超材料片層構成的功能層的具體每一層上具有相同半徑r的超材料基本單元的折射率分布滿足
Λη j,- ,- (nP Γ^^ Vo)
——^7^))(-np U0其中，第一漸變超材料片層至第N漸變超材料片層對應的i值即為數值一至N， 所有的核心層對應的i值均為N+l，s為所述輻射源距所述第一漸變超材料片層的垂直距離，d為第一漸變超材料片層至第N漸變超材料片層與所有的核心超材料片層所具有的總
厚度，d=^^,其中λ為第二超材料面板的工作波長，第二超材料面板的工作波長在實
nP
際應用時確定，根據上述對超材料片層的描述可知，本實施例中各超材料片層的厚度均為 0. 818毫米，當確定第二超材料面板的工作波長以後即可確定d值，從而可得到實際應用中應製作的超材料片層的層數；L(j)表示所述核心超材料片層與所述漸變超材料片層上的所述圓形區域以及與所述圓形區域同心的多個環形區域的起始半徑值，j表示第幾區域，其中L(I)表示第一區域，即所述圓形區域，L(I) = 0。下面論述較佳的L(j)的確定方法，從輻射源輻射的電磁波入射進入第一漸變超材料片層時，由於不同的出射角度使得入射到第一漸變超材料片層的電磁波經過的光程不相等，s為輻射源距第一漸變超材料片層的垂直距離也是入射到第一漸變超材料片層的電磁波所經過的最短光程，此時，該入射點即對應第一漸變超材料片層的圓形區域起始半徑， 即j = 1時對應的L(I) = 0。當輻射源發出的某束電磁波入射到第一漸變超材料片層時， 其經過的光程為s+λ時，該束電磁波的入射點與垂直入射時入射點的距離即為多個環形區域的第一環形區域的起始半徑亦為圓形區域的終止半徑，根據數學公式可知，j = 2時，
對應的lp)=VJ7TT77，其中λ為入射電磁波的波長值。當輻射源發出的某束電磁波
入射第一漸變超材料片層時，其經過的光程為8+2λ時，該束電磁波的入射點與垂直入射時入射點的距離即為多個環形區域的第二環形區域的起始半徑亦為第一環形區域的終止
半徑，根據數學公式可知，j = 3時，對應的l(3)=VJ7^IT77，以此類推可知圓形區域和
與圓形區域同心的各環形區域的起始半徑和終止半徑。為了更直觀表示上述變化規律，圖6給出了核心層隨半徑變化的折射率示意圖。 圖6中，每個區域的折射率均由np逐漸變化到IV各個區域的起始半徑和終止半徑根據上述L(j)的關係式給出。圖6僅給出了三個區域即L (2)至L (4)的區域變化範圍，但應知其僅為示意性的，實際應用中可根據需要應用上述L(j)的推導得出任意區域的起始和終止
10半徑。漸變層折射率隨半徑變化的折射率示意圖與圖6類似，不同之處僅在於其最大值不為np，而是其自身的折射率最大值。本發明中，第二超材料面板包括由三層折射率分布相同的核心超材料片層構成的核心層，核心層兩側對稱設置有各三層漸變超材料片層，該九層超材料片層構成了第二超材料面板的功能層，功能層兩側還對稱設置有各三層折射率分布均勻的匹配層。其中三層匹配層的總厚度為0. 46毫米，折射率分別為1. 15、1. 3,1. 45，核心超材料片層以及核心超材料片層一側的三層漸變超材料片層的折射率分布可由上述公式求出，其中輻射源距第一匹配層的距離為0. 3米，即輻射源距第一漸變超材料片層的距離為0. 3046米，第二超材料面板的總體厚度為(0. 46*2+0. 818*9) = 8. 282毫米。第二超材料面板的整體高度為0. 6 米，由第二超材料面板的厚度和高度可知，相比傳統透鏡天線，超材料製成的天線更為輕薄、體積更小。上面詳細論述了第一超材料面板和第二超材料面板的整體折射率分布關係，由超材料原理可知，基材上附著的人造金屬微結構的尺寸和圖案直接決定超材料各點的折射率值。同時，根據實驗可知，相同幾何形狀的人造金屬微結構其尺寸越大時，對應的超材料基本單元折射率越大。本發明中，由於多個第一人造金屬微結構、多個第二人造金屬微結構、 多個第三人造金屬微結構幾何形狀均相同，因此構成第一超材料面板的第一超材料片層上的第三人造金屬微結構排布規律為多個第三人造微結構為第三人造金屬微結構且幾何形狀相同，所述第三人造金屬微結構在所述第一基材上呈圓形分布，且圓心處的第三人造金屬微結構尺寸最小，隨著半徑的增大，對應半徑的第三人造金屬微結構尺寸亦增大且相同半徑處的第三人造金屬微結構尺寸相同。漸變超材料片層上的第二人造金屬微結構排布規律為多個第二人造金屬微結構的幾何形狀相同，漸變超材料片層的基材包括圓形區域以及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第二人造金屬微結構尺寸變化範圍相同，均隨著半徑的增大從最大尺寸連續減小到最小尺寸且相同半徑處的第二人造金屬微結構尺寸相同。核心超材料片層上的第一人造金屬微結構排布規律為 多個第一人造金屬微結構的幾何形狀相同，核心超材料片層的基材包括圓形區域以及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第一人造金屬微結構尺寸變化範圍相同，均隨著半徑的增大從最大尺寸連續減小到最小尺寸且相同半徑處的第一人造金屬微結構尺寸相同。滿足上述第一超材料面板和第二超材料面板折射率分布要求的人造金屬微結構的幾何形狀有多種，但基本都為能對入射電磁波產生響應的幾何形狀。由於改變入射電磁波磁場較為困難，因此目前多數人造金屬微結構均為能對入射電磁波電場響應的幾何形狀，最典型的即為「工」字形人造金屬微結構。下面詳細描述幾種人造金屬微結構幾何形狀。第一超材料面板和第二超材料面板上可根據其需要的最大折射率和最小折射率調整人造金屬微結構的尺寸以使其滿足要求，調整的方式可通過計算機仿真亦可通過手工計算， 由於其不是本發明重點，因此不作詳細描述。如圖7所示，圖7為能對電磁波產生響應以改變超材料基本單元折射率的第一較佳實施方式的人造金屬微結構的幾何形狀拓撲圖案。圖7中，人造金屬微結構呈「工」字形， 包括豎直的第一金屬分支1021以及分別垂直該第一金屬分支1021且位於第一金屬分支兩端的第二金屬分支1022，圖7a為圖7中人造金屬微結構幾何形狀拓撲圖案的衍生圖案，其不僅包括第一金屬分支1021、第二金屬分支1022，每條第二金屬分支兩端還垂直設置有第三金屬分支1023。圖8為能對電磁波產生響應以改變超材料基本單元折射率的第二較佳實施方式的人造金屬微結構的幾何形狀拓撲圖案。圖8中，人造金屬微結構呈平面雪花型，包括相互垂直的第一金屬分支1021』以及兩條第一金屬分支1021』兩端均垂直設置有第二金屬分支 1022』 ；圖8a為圖8所示人造金屬微結構幾何形狀拓撲圖案的衍生圖案，其不僅包括兩條第一金屬分支1021』、四條第二金屬分支1022』，四條第二金屬分支兩端還垂直設置有第三金屬分支1023』。優選地，第一金屬分支1021』長度相等且垂直於中點相交，第二金屬分支 1022』長度相等且中點位於第一金屬分支端點，第三金屬分支1023』長度相等且中點位於第二金屬分支端點；上述金屬分支的設置使得人造金屬微結構呈各向同性，即在人造金屬微結構所屬平面內任意方向旋轉人造金屬微結構90°都能與原人造金屬微結構重合。採用各向同性的人造金屬微結構能簡化設計、減少幹擾。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
1.一種後饋式微波天線，其特徵在於，包括輻射源、用於將所述輻射源發射的電磁波發散的第一超材料面板、具有電磁波匯聚功能並用於將所述第一超材料面板發散出來的電磁波轉換為平面波的第二超材料面板；所述第一超材料面板包括第一基材及周期排布於所述第一基材上的多個第三人造金屬微結構；所述第二超材料面板包括核心層，所述核心層包括多個具有相同折射率分布的核心超材料片層，每一核心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變化範圍相同，均隨著半徑的增大從np連續減小到Iitl且相同半徑處的折射率相同；所述核心超材料片層包括核心超材料片層基材及周期排布於所述核心超材料片層基材表面的多個第一人造金屬微結構。
2.根據權利要求1所述的後饋式微波天線，其特徵在於，所述第二超材料面板還包括對稱設置於所述核心層兩側的第一漸變超材料片層至第N漸變超材料片層，其中對稱設置的兩層第N漸變超材料片層均靠近所述核心層；每一漸變超材料片層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，每一漸變超材料片層對應的所述圓形區域和所述環形區域內的折射率變化範圍均相同且隨著半徑的增大從其最大折射率連續減小到IV相同半徑處的折射率相同，兩個相鄰的漸變超材料片層的最大折射率表示為Ili和^+1，其中Iltl < Iii < ni+1 < np, i為正整數，Iii對應於距離所述核心層較遠的漸變超材料片層的最大折射率值；所述每一漸變超材料片層包括漸變超材料片層基材以及周期排布於所述漸變超材料片層基材表面的多個第二人造金屬微結構；全部的漸變超材料片層和全部的核心超材料片層構成了所述第二超材料面板的功能層。
3.根據權利要求2所述的後饋式微波天線，其特徵在於，所述第二超材料面板還包括對稱設置於所述功能層兩側的第一匹配層至第M匹配層，其中對稱設置的兩層第M匹配層均靠近所述第一漸變超材料片層；每一匹配層折射率分布均勻，靠近自由空間的所述第一匹配層折射率大致等於自由空間折射率，靠近所述第一漸變超材料片層的第M匹配層折射率大致等於所述第一漸變超材料片層最小折射率IV
4.根據權利要求2所述的後饋式微波天線，其特徵在於，所有漸變超材料片層與所有核心超材料片層上被劃分的圓形區域和與圓形區域同心的環形區域的起始半徑和終止半徑均相等；每一漸變超材料片層和所有核心超材料片層隨著半徑r的變化，折射率分布關係式為i*n ι- ι- 、np^ no)η,(r) = —(-——-)H^Jr2+s2- ^L(j)2 +s2)*-^-jV +1 (TV +1) * <inp-n0其中，第一漸變超材料片層至第N漸變超材料片層對應的i值即為數值1至N，所有的核心超材料片層對應的i值均為N+l，s為所述輻射源距所述第一漸變超材料片層的垂直距離；d為第一漸變超材料片層至第N漸變超材料片層與所有的核心超材料片層所具有的 ,λ—λ力腿||二腿*棚反白勺心腿14臘nP ~n0與漸變超材料片層上的圓形區域以及與所述圓形區域同心的多個環形區域的起始半徑值， j表示第幾區域，其中L(I)表示第一區域，即所述圓形區域，L(I) =0。
5.根據權利要求4所述的後饋式微波天線，其特徵在於，所述核心超材料片層為三層，每層核心超材料片層還包括覆蓋於所述第一人造金屬微結構上的覆蓋層；周期排布於所述基材上的多個所述第一人造金屬微結構的尺寸變化規律為多個所述第一人造金屬微結構的幾何形狀相同，所述基材包括圓形區域以及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第一人造金屬微結構尺寸變化範圍相同，均隨著半徑的增大從最大尺寸連續減小到最小尺寸且相同半徑處的第一人造金屬微結構尺寸相同。
6.根據權利要求4所述的後饋式微波天線，其特徵在於，所述核心層兩側對稱設置有第一漸變超材料片層至第三漸變超材料片層，每層漸變超材料片層還包括覆蓋於所述第二人造金屬微結構上的覆蓋層；周期排布於所述基材上的所述第二人造金屬微結構的尺寸變化規律為多個所述第二人造金屬微結構的幾何形狀相同，所述基材包括圓形區域以及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第二人造金屬微結構尺寸變化範圍相同，均隨著半徑的增大從最大尺寸連續減小到最小尺寸且相同半徑處的第二人造金屬微結構尺寸相同。
7.根據權利要求1所述的後饋式微波天線，其特徵在於，所述第一超材料面板折射率呈圓形分布，圓心處的折射率最小且隨著半徑的增大，對應半徑的折射率亦增大且相同半徑處折射率相同。
8.根據權利要求7所述的後饋式微波天線，其特徵在於，所述第一超材料面板由多個折射率分布相同的第一超材料片層構成，所述第一超材料片層還包括覆蓋於所述第三人造微結構上的覆蓋層；多個第三人造微結構為第三人造金屬微結構且幾何形狀相同，所述第三人造金屬微結構在所述第一基材上呈圓形分布，且圓心處的第三人造金屬微結構尺寸最小，隨著半徑的增大，對應半徑的第三人造金屬微結構尺寸亦增大且相同半徑處的第三人造金屬微結構尺寸相同。
9.根據權利要求2所述的後饋式微波天線，其特徵在於，所述多個第一人造金屬微結構、所述多個第二人造金屬微結構和所述多個第三人造金屬結構具有相同的幾何形狀。
10.根據權利要求9所述的後饋式微波天線，其特徵在於，所述幾何形狀為「工」字形， 包括豎直的第一金屬分支以及位於所述第一金屬分支兩端且垂直於所述第一金屬分支的第二金屬分支。
11.根據權利要求10所述的超材料，其特徵在於，所述幾何形狀還包括位於所述第二金屬分支兩端且垂直於所述第二金屬分支的第三金屬分支。
12.根據權利要求9所述的超材料，其特徵在於所述幾何形狀為平面雪花型，包括相互垂直的兩條第一金屬分支以及位於所述第一金屬分支兩端且垂直於所述第一金屬分支的第二金屬分支。
13.根據權利要求1所述的後饋式微波天線，其特徵在於，所述後饋式微波天線還包括外殼，所述外殼與所述第二超材料面板構成封閉腔體，與所述第二超材料面板相接的外殼壁內側還附著有吸波材料，與所述第二超材料面板相對的外殼壁由金屬材質或高分子材料製成。
14.根據權利要求1所述的後饋式微波天線，其特徵在於，所述第一超材料面板通過支架固定於所述輻射源前方，所述輻射源距所述第一超材料面板的距離為30釐米。
15.根據權利要求1所述的後饋式微波天線，其特徵在於，所述輻射源發射的電磁波頻率為12. 4G赫茲至18G赫茲。
16.根據權利要求13所述的後饋式微波天線，其特徵在於，與所述第二超材料面板相對的外殼壁內側也附著有吸波材料。
全文摘要
本發明公開一種後饋式微波天線，其包括輻射源、用於將所述輻射源發射的電磁波發散的第一超材料面板、具有電磁波匯聚功能並用於將所述第一超材料面板發散出來的電磁波轉換為平面波的第二超材料面板。本發明採用超材料原理製作天線，使得天線脫離了常規的凸透鏡形狀、凹透鏡形狀以及拋物面形狀的限制，採用本發明的天線，其形狀可為平板狀或任意形狀且厚度更薄、體積更小、加工和製作更為方便，具有成本低廉、增益效果好的有益效果。
文檔編號H01Q19/06GK102480034SQ20111021100
公開日2012年5月30日 申請日期2011年7月26日 優先權日2011年7月26日
發明者劉若鵬, 季春霖, 尹小明, 嶽玉濤 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