基於人工電磁材料的寬帶圓柱形透鏡天線的製作方法

2023-10-19 19:30:02

專利名稱：基於人工電磁材料的寬帶圓柱形透鏡天線的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種基於人工電磁材料的寬帶圓柱形透鏡天線，尤其涉及一種等 效折射率分布隨空間變化的新型人工媒質，通過設計不同的基本人工單元結構，
實現折射率分布由1到^變化的寬帶高增益圓柱形透鏡，以實現移動站對衛星 跟蹤等方面的應用。
背景技術：
Metamaterials做為一種新型人工電磁材料，其最大的特性就是在理論上可 以用人工結構實現任意的等效介電常數和磁導率。2006年，美國杜克大學David Smith研究小組第一次成功地應用新型人工電磁材料實驗驗證了隱身大衣的理 論(D. Schurig， ef al., Science 314, 977， 2006)，這對新型人工電磁材料的發展 起著極大的推動作用，也引起了各國媒體的廣泛關注。2009年初，美國杜克大 學的David Smith研究小組與東南大學崔鐵軍教授研究小組合作，應用新型人工 電磁材料成功地設計出基於人工媒質的隱身地毯(R. Liu， C. Ji,丄丄Mock,丄Y. Chin, T.丄Cui, and D. R. Smith, Science 323， 366, 2009)，再次引起國內外學 術界和媒體的強烈反響。龍伯(Luneberg)透鏡天線由R K Luneberg於1944 年提出，距今已有六十多年的歷史。由於龍伯透鏡天線的球對稱特性，可應用於 移動接收站對衛星的跟蹤等。本發明提出了應用新型人工電磁材料製作類似龍伯 透鏡的寬帶圓柱形透鏡天線，在保證高增益和高定向性等特性的前提下，克服了 傳統龍伯透鏡天線的造價高、重量重和製作困難等缺點。

發明內容
技術問題本發明的目的是提供一種基於人工電磁材料的寬帶圓柱形透鏡天 線，該天線應用新型人工電磁材料實現折射率按一定規律分布的圓形透鏡天線， 其主要特點是頻帶寬、增益高和定向性好，同時具有易於加工、重量輕和造價低 等優點。技術方案本發明的基於人工電磁材料的寬帶圓柱形透鏡天線由一系列不同 長度的人工電磁材料並排排列組成一個橫截面近似於圓形的人工媒質圓柱形透 鏡，饋源位於透鏡的邊緣處，理想導體反射器位於饋源的後面；每一片人工電磁 材料的印刷電路板是由印刷在介質基板上的一系列大小不一的人工媒質的非諧 振基本單元構成。
所述的圓柱形透鏡，其折射率變化為"=72-(r/及)2 ，其中^為圓柱形透鏡 的半徑，r為圓柱形透鏡上任意一點到圓心的距離，0SrS及。
所述的非諧振基本單元，其長度可改變，以得到不同的等效折射率分布。 本發明的基於人工電磁材料的圓柱形透鏡天線由新型人工電磁材料組成一 個圓形的折射率漸變透鏡，這種新型人工電磁材料由一系列不同尺寸的非諧振基 本單元構成，改變這些基本單元的尺寸可以實現不同折射率的等效媒質。將這些
新型人工電磁材料按一定的規律排列，以實現折射率漸變的透鏡，在透鏡的邊緣 處放置一饋源作為激勵，在饋源的後面製作一個反射器，以減小饋源的後向輻射， 提高天線的增益和定向性。
有益效果與現有技術相比，本發明具有以下優點-
1、 本發明具有製作簡單和便於加工的特點。調整新型人工電磁材料基本結 構單元尺寸，可以任意調節人工等效媒質的折射率和特性阻抗，實現透鏡天線在 設計上的簡單化，同時該透鏡天線僅僅由一系列的新型人工電磁材料基本單元排 列而成，使得該透鏡便於加工。
2、 本發明具有寬頻帶的特點。在本發明中，由於使用的新型人工電磁材料
基本結構為非諧振單元，由該基本單元構成的人工等效媒質的電磁特性對頻率的 響應不是很敏感，所以本發明具有寬頻帶特性。
3、 本發明同時具有重量輕的特點。傳統龍伯透鏡天線是由具有不同折射率 的球殼壓制而成的， 一般都比較笨重。本發明是由不同新型人工電磁材料基本單 元按一定的規律排列，構成折射率漸變的透鏡天線，其採用的工藝為印刷電路板 工藝，此新型透鏡天線將顯著降低重量。


圖1是本發明的結構示意圖。其中，圖1a為透鏡天線的整體結構圖，圖1b 為圖1a中某一片印刷電路板詳細結構圖，圖1c為本發明的單元結構。
4圖2是本發明的非諧振基本單元的等效媒質參數(介電常數、磁導率、波阻
抗、折射率)隨尺寸變化的情況。
圖3是本發明的天線輻射方向圖。其中，圖3a為8GHz下仿真和測量結果 的比較，圖3b為7GHz、 8GHz和8.5GHz下測量結果的比較。
具體實施例方式
本發明中，基於新型人工電磁材料的寬帶圓柱形透鏡天線是用一系列非諧振 基本單元按照一定規律排列構成的等效人工媒質實現的，整個天線包括基於新型 人工電磁材料1的圓柱形透鏡2、作為激勵的饋源3、抑制後向輻射的反射器4。 新型人工電磁材料1及其結構單元6是本發明的核心。可以通過調節新型人工 電磁材料中的基本單元6的尺寸，得到不同等效參數的人工媒質，從而設計透鏡 天線所需的參數分布。饋源用點源饋入，作為天線的激勵。發射器的作用是抑制 由饋源產生的後向輻射，提高天線的增益和定向性。
圖2為非諧振單元6的等效媒質參數隨單元結構尺寸g變化時的分布規律，
其中設計頻率為/ = 8G/fe。從圖2可以看出，當g由0.2 mm變化到2.4 mm
時，等效介電常數由1.31變到2.38，等效磁導率由1變化到0.97，折射率由 1.15變化到1.52，特性阻抗由0.96變化到0.7。由此可見，可以用該非諧振單
元結構6實現折射率為"-^-(r/i )2的分布。在實際設計過程中，透鏡中折射
率小於1.15的部分都設計成"=1.15。圖3為該發明的方向圖，圖3(a)為8 GHz 下的測量結果和仿真結果的比較，可見二者吻合很好，且有較高的方向性和增益； 圖3 (b)給出了該發明在7GHz， 8GHz和8.5GHz下測量方向圖的比較。其
結果表明，在不同頻率上該發明都可以很好地工作。
權利要求
1、一種基於人工電磁材料的寬帶圓柱形透鏡天線，其特徵在於此透鏡天線由一系列不同長度的人工電磁材料(1)並排排列組成一個橫截面近似於圓形的人工媒質圓柱形透鏡(2)，饋源(3)位於透鏡的邊緣處，理想導體反射器(4)位於饋源(3)的後面；每一片人工電磁材料(1)的印刷電路板(5)是由印刷在介質基板上的一系列大小不一的人工媒質的非諧振基本單元(6)構成。
2、 根據權利要求1所述的基於人工電磁材料的寬帶圓柱形透鏡天線，其特徵在於所述的圓柱形透鏡(2)，其折射率變化為 = >/2-(V及)2 ，其中A為圓 柱形透鏡(2)的半徑，r為圓柱形透鏡(2)上任意一點到圓心的距離，0Sa^/ 。
3、 根據權利要求1所述的基於人工電磁材料的寬帶圓柱形透鏡天線，其特 徵在於所述的非諧振基本單元(6)，其長度可改變，以得到不同的等效折射率分 布。
全文摘要
基於新型人工電磁材料的寬帶圓柱形透鏡天線由一系列新型人工電磁材料按照一定的規律排列而成，構成等效的折射率漸變的人工媒質。該新型透鏡天線包括基於新型人工電磁材料1的圓柱形透鏡2、作為激勵的饋源3、抑制後向輻射的反射器4。新型人工電磁材料1的某一片印刷電路板的具體結構5為印刷在介質基板上的一系列「I」形狀單元6，按照特定的規律排列。通過調節「I」形結構的大小，得到透鏡所需的折射率分布。選取合適裡想導體反射器4放置於饋源3的後面，用來減少由饋源產生的後向輻射，以便提高天線的增益和方向性。本發明具有高增益、寬頻帶、高定向性、易於加工、成本低、重量輕和便於集成等優點。
文檔編號H01Q15/00GK101587990SQ200910032139
公開日2009年11月25日 申請日期2009年7月1日 優先權日2009年7月1日
發明者崔鐵軍, 徐弘升, 楊歆汨, 強 程, 曦 陳, 馬慧鋒 申請人:東南大學