一種超材料天線的製作方法

2023-09-20 13:32:35 2

專利名稱：一種超材料天線的製作方法
技術領域：
本發明涉及超材料領域,尤其涉及一種超材料天線。
背景技術：
半功率角，也稱3dB波束寬度、半功率波束寬度、半功率帶寬。功率方向圖中，在包含主瓣最大輻射方向的某一平面內，把相對最大輻射方向功率通量密度下降到一半處(或小於最大值3dB)的兩點之間的夾角稱為半功率波束寬度。場強方向圖中,在包含主瓣最大輻射方向的某一平面內，把相對最大輻射方向場強下降到0. 707倍處的夾角也稱為半功率波束寬度。水平面半功率波束寬度是指水平面方向圖的半功率波束寬度，垂直面半功率波束寬度是指垂直面方向圖的半功率波束寬度。在定向天線中，天線傳播的距離由垂直面半功率波束寬度決定，即垂直面半功率帶寬越小，天線的增益就越大，天線發射的信號傳播距離就越遠，反之，天線的增益就越小，信號傳播的距離也就越近。
現有技術中改進半功率帶寬的方法一般有介質覆層法。介質覆層法採用天線保護裝置的形式加載在天線陣列的前端，這種方法可以提高天線陣列3db左右的增益，使半功率帶寬變為36°並使得天線的方向性變好。但是在信號遠距離傳輸時，半功率帶寬沒法達到我們的需求，為了滿足長距離信號傳輸需要再建立一些基站或者中繼站，這樣加大的成本，也給信號發射或接受都帶來麻煩。

發明內容
本發明的目的在於解決現有技術天線半功率帶寬較小的問題，提供一種超材料天線，該天線通過在天線前端設置一超材料薄膜層，使得天線發出的信號通過超材料薄膜層後具有較小的半功率帶寬，達到信號遠距離發射和接收。為了達到上述目的，本發明採用的如下技術方案一種超材料天線，所述天線包括一個振子，用於產生電磁波；一超材料薄膜層，用於將所述振子產生的電磁波匯聚後並向外輻射；所述超材料薄膜層由多個超材料片層組成，其中，最接近所述振子的超材料片層為第一超材料片層，所述第一超材料片層的折射率以其中心為圓心呈圓形分布，第一超材料片層的折射率分布隨著半徑I■的變化規律如以下表達式n{r) = max-^J)4+^4 -式中n_表示第一超材料片層中的最大折射率值，d表示第一超材料片層的厚度，s表示所述振子到第一超材料片層的距離，n(r)表示第一超材料片層內半徑r處折射率值。進一步地，所述天線還包括一反射體，用於將振子產生的部分電磁波反射到超材料薄膜層裡，所述反射體為一無蓋腔體並與超材料薄膜層相連構成封閉腔體，所述振子位於反射體內。進一步地，所述反射體為電導體。
進一步地，所述第一超材料片層包括片狀的基板和周期排布於所述基板上的多個人造微結構。進一步地，所述超材料薄膜層內除了第一超材料片層的多個超材料片層均與第一超材料片層相同。進一步地，所述人造微結構為由至少一根金屬絲組成對電磁場有響應的平面結構或立體結構。進一步地，所述金屬絲為銅絲或銀絲。進一步地，所述金屬絲通過蝕刻、電鍍、鑽刻、光刻、電子刻或離子刻的方法附著在基板上。進一步地，所述人造微結構為在「工」字形、「工」字形的衍生形、雪花狀或雪花狀的 衍生形任意一種。進一步地，所述基板由陶瓷材料、環氧樹脂、聚四氟乙烯、FR-4複合材料或F4B複合材料製得。本發明相對於現有技術，具有以下有益效果本發明通過改變超材料薄膜層內部的折射率分布情況，使得天線遠場的半功率帶寬大大地減小了，進而提升了天線傳播的距離，同時也增加了天線的前後比，使得天線更具方向性。


圖I是本發明一種超材料天線的結構示意圖；圖2是本發明所述超材料薄膜層內圓形區域示意圖；圖3是本發明所述超材料片層內折射率分布示意圖；圖4是本發明另一實施例結構示意圖；圖5A是超材料薄膜層上『工字形』人造微結構；圖5B是超材料薄膜層上『雪花狀』人造微結構；圖5C是超材料薄膜層上的另一種『雪花狀』的人造微結構；圖是超材料薄膜層上的人造微結構的一種具體形式『雪花狀』結構的又一種衍生結構；圖6是採用工字形結構的人造微結構在超材料薄膜層的基板中的排列示意圖。
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。超材料是一種以人造微結構為基本單元並以特定方式進行空間排布、具有特殊電磁響應的新型材料，包括周期排布的人造微結構和供人造微結構附著的基板。人造微結構為由至少一根金屬絲組成對電磁波有響應的平面結構或立體結構，多個人造微結構在基板上陣列排布，每個人造微結構以及其所附著的基板所佔部分即為一個超材料單元。基板可為任何與人造微結構不同的材料，這兩種材料的疊加使每個超材料單元產生一個等效介電常數與磁導率，這兩個物理參數分別對應了超材料單元的電場響應與磁場響應。超材料對電磁響應的特徵是由人造微結構的特徵所決定，而人造微結構的電磁響應很大程度上取決於其金屬絲的圖案所具有的拓撲特徵和其幾何尺寸。根據上述原理設計超材料空間中排列的每個人造微結構的拓撲圖形和幾何尺寸，就可對超材料中每一點的電磁參數進行設置。請參閱圖I，一種超材料天線，包括一個振子10、超材料薄膜層20以及反射體30。所述反射體30為一無蓋腔體，所述超材料薄膜層20與反射體30構成一封閉腔體，所述振子10置於反射體30內。 振子10用於輻射電磁波，其中大部分電磁波直接進入超材料薄膜層20內進行折射匯聚，並轉換為平面電磁波，還有少部分電磁波通過反射體30反射後再經過超材料薄膜層20折射匯聚後轉換為平面電磁波，在本實施方式中，反射體300為電導體。超材料薄膜層20的折射匯聚功能是通過設計其內的折射率分布來實現的，所述超材料薄膜層20由多個超材料片層組成，所述每一超材料片層均包括片狀的基板和周期排布於所述基板上的多個人造微結構。以圖I為例，超材料薄膜層20包括第一超材料片層201、第二超材料片層202、第三超材料片層203。如圖2所示，每一超材料片層的折射率均以其中心為圓心呈圓形分布。所述第一超材料片層201在其圓形區域內的折射率分布規律如以下表達式n{r) = max-^J)4+^4 -其中式中n_表示第一超材料片層中的最大折射率值，d表示第一超材料片層的厚度，s表示所述振子到第一超材料片層的距離，r表示第一超材料片層內圓形區域的半徑，n(r)表示第一超材料片層內半徑r處折射率值。在本實施方式中，所述超材料薄膜層20可設計成對入射電磁波的折射率分布如圖3所示，根據上述公式n{r) = max ~~\df + J可知，H1 > n2 > n3 > . . . > np，m為大於3小於等於q的自然數。超材料薄膜層20內的多個超材料片層都與第一超材料片層201相同，即第二超材料片層202和第三超材料片層203都與第一超材料片層201相同。我們通常都知道折射率公式為n=『，超材料的折射率也如此，也就是超材料的折射率平方與材料的介電常數和磁導率成正比，常規的介質材料的磁導率一般變化不大，可以看成是一個恆定的值，所以超材料的折射率很大程度上只與超材料的介電常數相關，介電常數越大，超材料的折射率就越大。經過理論和實際證明，超材料的介電常數與基板和基板內的人造微結構形狀和尺寸有關，基板採用介電絕緣材料製成，可以為陶瓷材料、高分子材料、鐵電材料、鐵氧材料、鐵磁材料等，高分子材料例如可以是、環氧樹脂或聚四氟乙烯。人造微結構為以一定的幾何形狀附著在基板上能夠對電磁波有響應的金屬線，金屬線可以是剖面為圓柱狀或者扁平狀的銅線、銀線等，一般採用銅，因為銅絲相對比較便宜，當然金屬線的剖面也可以為其他形狀，金屬線通過蝕刻、電鍍、鑽刻、光刻、電子刻或離子刻等工藝附著在基板上，整個超材料片層劃分為多個單元(包括該單元中的基板和附著在該單元基板上的人造微結構)，每個單元都具有一個人造微結構，每一個單元都會對通過其中的電磁波產生響應，從而影響電磁波在其中的傳輸，每個單元的尺寸取決於需要響應的電磁波，通常為所需響應的電磁波波長的十分之一，否則空間中包含人造微結構的單元所組成的排列在空間中不能被視為連續。在基板選定的情況下，通過調整人造微結構的圖案、尺寸及其在基板上的空間分布，可以調整超材料上各處的等效介電常數及等效磁導率進而改變超材料各處的等效折射率。當人造微結構採用相同的幾何形狀時，某處人造微結構的尺寸越大，則該處的等效介電常數越大，折射率也越大。本實施例採用的人造微結構的圖案為工字形，如圖5A所示，人造微結構在基板上的分布如圖6所示，由圖6可知，基板上雪花狀人造微結構的尺寸從中心向周圍逐漸變小，在基板中心處，雪花狀的人造微結構的尺寸最大，並且在距離中心相同半徑處的雪花狀人造微結構的尺寸相同，因此基板的等效介電常數由中間向四周逐漸變小，中間的等效介電 常數最大，因而基板的折射率從中間向四周逐漸變小，中間部分的折射率最大。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
，人造微結構的圖案可以是二維、也可以是三維結構，不限於該實施例中使用的「工」字形(如圖5A所示)，可以為「工」字形的衍生結構，可以是圖5B所示的在三維空間中各條邊相互垂直的雪花狀及圖5C和圖所示的雪花狀的衍生結構，也可以是其他的幾何形狀，其中不同的人造微結構可以是圖案相同，但是其設計尺寸不同；也可以是圖案和設計尺寸均不相同。構成超材料的基板的數量根據需要可增可減，每一片基板的結構可以相同，也可以不同，只要滿足由天線單元發出的電磁波經過超材料面板傳播後可以平行射出即可。如圖4所示是本發明一種超材料天線的另一個實施例，該天線包括五個振子10'、超材料薄膜層20'以及反射體30'，所述五個振子10'並列排布於反射體30'，所述超材料薄膜層20'和反射體30'構成一個封閉腔體，其中，超材料薄膜層20'為五個第一實施例中的超材料薄膜層20並列排布組成。五個振子10'發射出球面電磁波大部分直接通過超材料薄膜層20'折射匯聚並轉換為平面電磁波，然後輻射出去，其餘少部分電磁波經過反射體300'反射增益後通過超材料薄膜層200'折射匯聚並轉換為平面電磁波，最後輻射出去。本實施例中的超材料薄膜層20'的結構以及其內部折射率分布規律都與第一實施例中的超材料薄膜層20相同。綜上所述本本發明通過改變超材料薄膜層內部的折射率分布情況，使得天線遠場的半功率帶寬減小了，進而提升了天線傳播的距離，同時也增加了天線的前後比。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
1.一種超材料天線，所述天線包括一個振子，用於產生電磁波；一超材料薄膜層，用於將所述振子產生的電磁波匯聚後並向外輻射；其特徵在於，所述超材料薄膜層由多個超材料片層組成，其中，最接近所述振子的超材料片層為第一超材料片層，所述第一超材料片層的折射率以其中心為圓心呈圓形分布，第一超材料片層的折射率分布隨著半徑r的變化規律如以下表達式 n(r) = max -^|^-^)4+^4 - 式中nmax表不第一超材料片層中的最大折射率值，d表不第一超材料片層的厚度，s表示所述振子到第一超材料片層的距離，n(r)表示第一超材料片層內半徑r處折射率值。
2.根據權利要求I所述的一種超材料天線，其特徵在於，所述天線還包括一反射體，用於將振子產生的部分電磁波反射到超材料薄膜層裡，所述反射體為一無蓋腔體並與超材料薄膜層相連構成封閉腔體，所述振子位於反射體內。
3.根據權利要求2所述的一種超材料天線，其特徵在於，所述反射體為電導體。
4.根據權利要求I所述的一種超材料天線，其特徵在於，所述第一超材料片層包括片狀的基板和周期排布於所述基板上的多個人造微結構。
5.根據權利要求I所述的一種超材料天線，其特徵在於，所述超材料薄膜層內除了第一超材料片層的多個超材料片層均與第一超材料片層相同。
6.根據權利要求4所述的一種超材料天線，其特徵在於，所述人造微結構為由至少一根金屬絲組成對電磁場有響應的平面結構或立體結構。
7.根據權利要求6所述的一種超材料天線，其特徵在於，所述金屬絲為銅絲或銀絲。
8.根據權利要求7所述的一種超材料天線，其特徵在於，所述金屬絲通過蝕刻、電鍍、鑽刻、光刻、電子刻或離子刻的方法附著在基板上。
9.根據權利要求7所述的一種超材料天線，其特徵在於，所述人造微結構為在「工」字形 工」字形的衍生形、雪花狀或雪花狀的衍生形任意一種。
10.根據權利要求4所述的一種超材料天線，其特徵在於，所述基板由陶瓷材料、環氧樹脂、聚四氟乙烯、FR-4複合材料或F4B複合材料製得。
全文摘要
本發明涉及一種超材料天線，該天線包括一個振子，用於產生電磁波；一超材料薄膜層，用於將所述振子產生的電磁波匯聚後並向外輻射，超材料薄膜層由多個超材料片層組成；該天線還包括一反射體，用於將振子產生的部分電磁波反射到超材料薄膜層裡，反射體為一無蓋腔體並與超材料薄膜層構成封閉腔體，振子位於反射體內。本發明通過改變超材料薄膜層內部的折射率分布情況，使得天線遠場的半功率帶寬減小了，進而提升了天線傳播的距離，同時也增加了天線的前後比。
文檔編號H01Q19/06GK102810755SQ20111017965
公開日2012年12月5日 申請日期2011年6月29日 優先權日2011年6月29日
發明者劉若鵬, 季春霖, 嶽玉濤, 李雲龍 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