以旋轉雙曲面為副反射面的超材料微波天線的製作方法

2023-05-16 10:10:26

專利名稱：以旋轉雙曲面為副反射面的超材料微波天線的製作方法
技術領域：
本發明涉及通信領域，更具體地說，涉及一種以旋轉雙曲面為副反射面的超材料微波天線。
背景技術：
微波是電磁波譜中介於超短波與紅外線之間的波段，它屬於無線電中波長最短(頻率最高)的波段，其頻率範圍從300MHz (波長Im)至300GHz (波長O. Im)。工作於米波、分米波、釐米波、毫米波等波段的發射或接收天線統稱為微波天線。在微波天線中，應用較廣的有拋物面天線、喇叭拋物面天線、喇叭天線及透鏡天線等。
例如，現有的衛星電視接收天線就是拋物面天線，所述拋物面天線負責將衛星信號反射到饋源和高頻頭內。饋源是在拋物面天線的焦點處設置的一個用於收集衛星信號的喇叭，又稱波紋喇叭。其主要功能有兩個一是將天線接收的電磁波信號收集起來，變換成信號電壓，供給高頻頭。二是對接收的電磁波進行極化轉換。高頻頭LNB(亦稱降頻器)是將饋源送來的衛星信號進行降頻和信號放大然後傳送至衛星接收機。LNB的工作流程就是先將衛星高頻訊號放大至數十萬倍後再利用本地振蕩電路將高頻訊號轉換至中頻950MHz-2050MHz，以利於同軸電纜的傳輸及衛星接收機的解調和工作。衛星接收機是將高頻頭輸送來的衛星信號進行解調，解調出衛星電視圖像或數位訊號和伴音信號。接收衛星信號時，平行的電磁波通過拋物面天線反射後，匯聚到饋源上。通常，拋物面天線對應的饋源是一個喇叭天線。然而，由於拋物面天線的反射面的曲面加工難度大，精度要求也高，製造麻煩，且成本較高。此外，所述現有的拋物面天線體積較大、口徑效率低。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是，針對現有的微波天線加工不易、成本高的缺陷，提供一種加工簡單、製造成本低的以旋轉雙曲面為副反射面的超材料微波天線。本發明解決其技術問題所採用的技術方案是一種以旋轉雙曲面為副反射面的超材料微波天線，其包括超材料面板、饋源及副反射面，所述超材料面板設置有位於其中心的中心孔，所述超材料面板包括核心層及設置在核心層一側表面的反射板，所述核心層包括至少一個核心層片層，所述核心層片層包括片狀的基材以及設置在基材上的多個人造微結構；所述核心層片層按照折射率分布可劃分為分布在中心孔周圍且與所述中心孔共圓心的多個環形區域，所述環形區域內相同半徑處的折射率相同，且在環形區域各自的區域內隨著半徑的增大折射率逐漸減小，相鄰兩個環形區域中處於內側的環形區域的折射率的最小值小於處於外側的環形區域的折射率的最大值；所述饋源設置在中心孔上；所述副反射面是旋轉雙曲面，該副反射面位於所述超材料面板的前方，並用於將從所述超材料面板匯聚過來的電磁波反射到所述饋源上。
進一步地，所述饋源相位中心置於所述旋轉雙曲面的外側焦點上。進一步地，所述核心層片層還包括覆蓋人造微結構的填充層。進一步地，所述核心層包括多個折射率分布相同且相互平行的核心層片層。進一步地，所述超材料面板還包括設置在核心層另一側的匹配層，以實現從空氣到核心層的折射率匹配。進一步地，所述中心孔的圓心為核心層片層的中心，所述多個環形區域的折射率變化範圍相同，所述核心層片層的折射率n(r)分布滿足如下公式 n(r) = 隨—mod(V^-/，沒;
其中，n(r)表示核心層片層上半徑為r處的折射率值；I表示旋轉雙曲面內側的、異於饋源相位中心的焦點與超材料前表面的距離；d為核心層的厚度，d =------ --；
2Cnmax -nmin)η_表示核心層片層上的折射率最大值；Iiniin表示核心層片層上的折射率最小值；λ表示工作波長。進一步地，所述匹配層包括多個匹配層片層，每一匹配層片層具有單一的折射率，所述匹配層的多個匹配層片層的折射率均滿足以下公式n(i) = ((^max + Wmin) / 2)m其中，m表示匹配層的總層數，i表示匹配層片層的編號，其中，靠近核心層的匹配層片層的編號為m。進一步地，所述每一匹配層片層包括材料相同的第一基板及第二基板，所述第一基板與第二基板之間填充空氣。進一步地，所述核心層的每一核心層片層的多個人造微結構形狀相同，所述環形區域內相同半徑處的多個人造微結構具有相同的幾何尺寸，且在環形區域各自的區域內隨著半徑的增大人造微結構的幾何尺寸逐漸減小，相鄰兩個環形區域，處於內側的環形區域內幾何尺寸最小的人造微結構的幾何尺寸小於處於外側的環形區域內幾何尺寸最大的人造微結構的幾何尺寸。進一步地，所述人造微結構為平面雪花狀的金屬微結構。本發明以旋轉雙曲面為副反射面的超材料微波天線的有益效果本發明利用超材料可進行匯聚電磁波的性質及利用旋轉雙曲面作為副反射面，可使天線的結構更加緊湊，且在效果上等效於具有長焦距的微波天線，同時調節口徑面上的能量分布，從而提高天線的口徑效率，得到了良好的遠場輻射場響應；此外，其加工難度小，成本低。


圖I是本發明的以旋轉雙曲面為副反射面的超材料微波天線的結構示意圖；圖2是本發明一種形式的超材料單元的透視示意圖；圖3是本發明的核心層片層的折射率分布示意圖；圖4是本發明的一種形式的核心層片層的結構示意圖5是本發明的匹配層的結構示意圖。
具體實施例方式如圖I至圖5所示，根據本發明以旋轉雙曲面為副反射面的超材料微波天線包括超材料面板100、饋源I及副反射面300。所述超材料面板100設置有位於其中心的圓形的中心孔Y，所述超材料面板100包括核心層10及設置在核心層10 —側表面的反射板200，所述核心層10包括至少一個核心層片層11，所述核心層片層11包括片狀的基材13以及設置在基材13上的多個人造微結構12，所述核心層片層11按照折射率分布可劃分為分布在中心孔Y周圍且與所述中心孔Y共圓心的多個環形區域(圖中分別用H1，H2，H3，H4，H5表示)。相鄰兩個環形區域中，處於內側的環形區域的折射率的最小值小於處於外側的環形區域的折射率的最大值。核心層片層11按照折射率劃分為多個環形區域是為了更好的描述本發明，並不意味著本發明的核心層片層11具有此種實際結構。
本發明中，所述饋源I設置在超材料面板的中心孔Y上，並位於所述超材料面板的中軸線上，即饋源I與核心層片層11的中心的連線與超材料面板的中軸線重合。所述副反射面300是旋轉雙曲面，該副反射面300位於所述超材料面板100的前方，所述饋源I相位中心置於所述旋轉雙曲面的外側焦點上，所述旋轉雙曲面的焦軸與超材料的對稱軸重合。所述饋源I與超材料面板100均有支架支撐，圖中並未示出支架，其不是本發明的核心，採用傳統的支撐方式即可。另外饋源I優選為喇叭天線。圖中的核心層片層11呈圓形，當然，也可以是其它形狀。另外，圖3中，也可以沒有環形區域H4及H5，此時的H4及H5可以是均勻的折射率分布(即H4及H5的位置上不設置人造微結構)。另外，反射板為具有光滑的表面的金屬反射板，例如可以是拋光的銅板、鋁板或鐵板等。如圖I至圖4所示，所述核心層10包括多個折射率分布相同且相互平行的核心層片層11。多個核心層片層11緊密貼合，相互之間可以通過雙面膠粘接，或者通過螺栓等固定連接。另外相鄰的核心層片層11還包括填充層15，填充層15可以空氣，也可以是其它介質板，優選為與基材13相同的材料製成的板狀件。每一核心層片層11的基材13可以劃分為多個相同超材料單元D，每一超材料單元D由一個人造微結構12、單元基材V及單元填充層W構成,每一核心層片層11在厚度方向上只有一個超材料單兀D。每一超材料單兀D可以是完全相同的方塊，可以是立方體，也可是長方體，每一超材料單元D的長、寬、高几何尺寸不大於入射電磁波波長的五分之一(通常為入射電磁波波長的十分之一)，以使得整個核心層對電磁波具有連續的電場和/或磁場響應。優選情況下，所述超材料單元D為邊長是入射電磁波波長十分之一的立方體。當然，填充層的厚度是可以調節的，其最小值可以至
O,也就是說不需要填充層，此種情況下，基材與人造微結構組成超材料單元，即此時超材料單元D的厚度等於單元基材V的厚度加上人造微結構的厚度，但是此時，超材料單元D的厚度也要滿足十分之一波長的要求，因此，實際上，在超材料單元D的厚度選定在十分之一波長的情況下，單元基材V的厚度越大，則單元填充層W的厚度越小，當然最優的情況下，即是如圖2所示的情況，即單元基材V的厚度等於單元填充層W的厚度，且元單元基材V的材料與填充層W的相同。本發明的人造微結構12優選為金屬微結構,所述金屬微結構由一條或多條金屬線組成。金屬線本身具有一定的寬度及厚度。本發明的金屬微結構優選為具有各向同性的電磁參數的金屬微結構，如圖2所述的平面雪花狀的金屬微結構。對於具有平面結構的人造微結構，各向同性，是指對於在該二維平面上以任一角度入射的任一電磁波，上述人造微結構在該平面上的電場響應和磁場響應均相同，也即介電常數和磁導率相同；對於具有三維結構的人造微結構，各向同性是指對於在三維空間的任一方向上入射的電磁波,每個上述人造微結構在三維空間上的電場響應和磁場響應均相同。當人造微結構為90度旋轉對稱結構時，人造微結構即具有各向同性的特徵。對於二維平面結構，90度旋轉對稱是指其在該平面上繞一垂直於該平面且過其對稱中心的旋轉軸任意旋轉90度後與原結構重合；對於三維結構，如果具有兩兩垂直且共交點(交點為旋轉中心)的3條旋轉軸，使得該結構繞任一旋轉軸旋轉90度後均與原結構重合或者與原結構以一分界面對稱，則該結構為90度旋轉對稱結構。圖2所示的平面雪花狀的金屬微結構即為各向同性的人造 微結構的一種形式，所述的雪花狀的金屬微結構具有相互垂直平分的第一金屬線121及第二金屬線122，所述第一金屬線121兩端連接有相同長度的兩個第一金屬分支1211，所述第一金屬線121兩端連接在兩個第一金屬分支1211的中點上，所述第二金屬線122兩端連接有相同長度的兩個第二金屬分支1221，所述第二金屬線122兩端連接在兩個第二金屬分支1221的中點上。已知折射率η=『，其中μ為相對磁導率，e為相對介電常數，μ與e合稱為電磁參數。實驗證明，電磁波通過折射率非均勻的介質材料時，會向折射率大的方向偏折(向折射率大的超材料單元偏折)。因此，本發明的核心層對電磁波具有匯聚作用，衛星或基站等發出的電磁波首先通過核心層的第一次匯聚作用，經過反射板反射，再通過核心層的第二次匯聚作用，因此，合理設計核心層的折射率分布，可以使得衛星或基站等發出的電磁波依次經過第一次匯聚、反射板反射及第二次匯聚後，可以匯聚到副反射面上，再通過所述副反射面反射到饋源上。在基材的材料以及填充層的材料選定的情況下，可以通過設計人造微結構的形狀、幾何尺寸和/或人造微結構在基材上的排布獲得超材料內部的電磁參數分布，從而設計出每一超材料單元的折射率。首先從超材料所需要的效果出發計算出超材料內部的電磁參數空間分布(即每一超材料單元的電磁參數)，根據電磁參數的空間分布來選擇每一超材料單元上的人造微結構的形狀、幾何尺寸(計算機中事先存放有多種人造微結構數據)，對每一超材料單元的設計可以用窮舉法，例如先選定一個具有特定形狀的人造微結構，計算電磁參數，將得到的結果和我們想要的對比，循環多次，一直到找到我們想要的電磁參數為止，若找到了，則完成了人造微結構的設計參數選擇；若沒找到，則換一種形狀的人造微結構，重複上面的循環，一直到找到我們想要的電磁參數為止。如果還是未找至IJ，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人造微結構，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。 本發明中，所述核心層的基材由陶瓷材料、高分子材料、鐵電材料、鐵氧材料或鐵磁材料等製得。高分子材料可選用的有聚四氟乙烯、環氧樹脂、F4B複合材料、FR-4複合材料等。例如，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。本發明中，所述金屬微結構為銅線或銀線等金屬線。上述的金屬線可以通過蝕刻、電鍍、鑽刻、光刻、電子刻或離子刻的方法附著在基材上。當然，也可以採用三維的雷射加工工藝。
如圖I所示，為本發明第一實施例的超材料面板的結構示意圖，在本實施例中，所述超材料面板還包括設置在核心層另一側的匹配層20，以實現從空氣到核心層10的折射率匹配。我們知道，介質之間的折射率相差越大，則電磁波從一介質入射到另一介質時，反射越大，反射大，意味著能量的損失，這時候就需要折射率的匹配，已知折射率n= ，其中μ為相對磁導率，e為相對介電常數，μ與e合稱為電磁參數。我們知道空氣的折射率為1，因此，這樣設計匹配層，即靠近空氣的一側的折射率與空氣基本相同，靠近核心層的一側的折射率與其相接的核心層片層折射率基本相同。這樣，就實現了從空氣到核心層的折射率匹配，減小了反射，即能量損失可以大大的降低，這樣電磁波可以傳輸的更遠。本實施例中，如圖I及圖3所示，所述中心孔Y的中心為核心層片層11的中心0，所述多個環形區域的折射率變化範圍相同，所述核心層片層11的折射率n(r)分布滿足如下公式
權利要求
1.一種以旋轉雙曲面為副反射面的超材料微波天線，其特徵在於，包括超材料面板、饋源及副反射面，所述超材料面板設置有位於其中心的中心孔，所述超材料面板包括核心層及設置在核心層一側表面的反射板，所述核心層包括至少一個核心層片層，所述核心層片層包括片狀的基材以及設置在基材上的多個人造微結構； 所述核心層片層按照折射率分布可劃分為分布在中心孔周圍且與所述中心孔共圓心的多個環形區域，所述環形區域內相同半徑處的折射率相同，且在環形區域各自的區域內隨著半徑的增大折射率逐漸減小，相鄰兩個環形區域中處於內側的環形區域的折射率的最小值小於處於外側的環形區域的折射率的最大值； 所述饋源設置在中心孔上；所述副反射面是旋轉雙曲面，該副反射面位於所述超材料面板的前方，並用於將從所述超材料面板匯聚過來的電磁波反射到所述饋源上。
2.根據權利要求I所述的以旋轉雙曲面為副反射面的超材料微波天線，其特徵在於，所述饋源相位中心置於所述旋轉雙曲面的外側焦點上。
3.根據權利要求2所述的以旋轉雙曲面為副反射面的超材料微波天線，其特徵在於，所述核心層片層還包括覆蓋人造微結構的填充層。
4.根據權利要求3所述的以旋轉雙曲面為副反射面的超材料微波天線，其特徵在於，所述核心層包括多個折射率分布相同且相互平行的核心層片層。
5.根據權利要求4所述的以旋轉雙曲面為副反射面的超材料微波天線，其特徵在於，所述超材料面板還包括設置在核心層另一側的匹配層，以實現從空氣到核心層的折射率匹配。
6.根據權利要求5所述的以旋轉雙曲面為副反射面的超材料微波天線，其特徵在於，所述中心孔的圓心為核心層片層的中心，所述多個環形區域的折射率變化範圍相同，所述核心層片層的折射率n(r)分布滿足如下公式
7.根據權利要求6所述的以旋轉雙曲面為副反射面的超材料微波天線，其特徵在於，所述匹配層包括多個匹配層片層，每一匹配層片層具有單一的折射率，所述匹配層的多個匹配層片層的折射率均滿足以下公式
8.根據權利要求7所述的以旋轉雙曲面為副反射面的超材料微波天線，其特徵在於，所述每一匹配層片層包括材料相同的第一基板及第二基板，所述第一基板與第二基板之間填充空氣。
9.根據權利要求I至8任意一項所述的以旋轉雙曲面為副反射面的超材料微波天線，其特徵在於，所述核心層的每一核心層片層的多個人造微結構形狀相同，所述環形區域內相同半徑處的多個人造微結構具有相同的幾何尺寸，且在環形區域各自的區域內隨著半徑的增大人造微結構的幾何尺寸逐漸減小，相鄰兩個環形區域，處於內側的環形區域內幾何尺寸最小的人造微結構的幾何尺寸小於處於外側的環形區域內幾何尺寸最大的人造微結構的幾何尺寸。
10.根據權利要求I所述的以旋轉雙曲面為副反射面的超材料微波天線，其特徵在於，所述人造微結構為平面雪花狀的金屬微結構。
全文摘要
本發明公開了一種以旋轉雙曲面為副反射面的超材料微波天線，包括超材料面板、饋源及副反射面，所述超材料面板設置有位於其中心的中心孔，所述超材料面板包括核心層及設置在核心層一側表面的反射板，所述核心層包括至少一個核心層片層，所述核心層片層包括片狀的基材以及設置在基材上的多個人造微結構；所述饋源設置在中心孔上；所述副反射面是旋轉雙曲面，其用於將從所述超材料面板匯聚過來的電磁波反射到所述饋源上。本發明天線的結構更加緊湊，且在效果上等效於具有長焦距的微波天線，同時調節口徑面上的能量分布，從而提高天線的口徑效率，得到了良好的遠場輻射場響應；此外，其加工難度小，成本低。
文檔編號H01Q19/18GK102820551SQ20121026884
公開日2012年12月12日 申請日期2012年7月31日 優先權日2012年7月31日
發明者劉若鵬, 季春霖, 嶽玉濤, 楊青, 殷俊 申請人:深圳光啟創新技術有限公司