基于新型人工電磁材料的寬帶寬角增益透鏡天線的制作方法
【專利摘要】基于新型人工電磁材料的寬帶寬角增益天線由一系列新型人工電磁材料按照一定的規(guī)律排列而成，構(gòu)成等效的折射率漸變的人工媒質(zhì)。該新型透鏡天線包括基于新型人工電磁材料1的矩形角錐喇叭透鏡2。新型人工電磁材料1的某一片印刷電路板的具體結(jié)構(gòu)3為印刷在介質(zhì)基板上的一系列“I”形狀單元4，按照特定的規(guī)律排列。通過(guò)調(diào)節(jié)“I”型結(jié)構(gòu)的大小，得到透鏡所需的折射率分布。本發(fā)明具有最低增益高、寬波束寬度、易于加工、成本低、重量輕和尺寸小便于集成等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】基于新型人工電磁材料的寬帶寬角增益透鏡天線
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于天線材料領(lǐng)域，尤其涉及一種基于新型人工電磁材料的寬帶寬角增益透鏡天線。
【背景技術(shù)】
[0002]新型人工電磁材料,又稱超材料,英文名Metamaterials,就是將具有特定幾何形狀的宏觀基本單元周期性或非周期性地排列，或者植入到基體材料體內(nèi)(或表面)，所構(gòu)成的一種人工媒質(zhì)，它為我們?nèi)我饪刂齐姶挪ǖ男凶叻绞教峁┝擞行侄巍?006年，美國(guó)杜克大學(xué)David Smith研究小組首次成功地應(yīng)用新型人工電磁材料實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了隱身大衣。該成果發(fā)表在《Science》雜志上，引起了各國(guó)媒體的廣泛關(guān)注。2009年，Smith科研小組在《Nature Materials))發(fā)表文章稱,利用新型人工電磁材料實(shí)現(xiàn)二維平坦聚焦面龍伯透鏡。同年,David Smith研究小組與東南大學(xué)崔鐵軍教授研究小組合作,應(yīng)用新型人工電磁材料成功地設(shè)計(jì)出基于人工媒質(zhì)的隱身地毯，再次引起國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界和媒體的強(qiáng)烈反響。傳統(tǒng)波束掃描天線為了提高其精度，都盡量使波束盡可能地窄，從而實(shí)現(xiàn)提高特定方向功率的目的。然而，隨著科技的發(fā)展，對(duì)天線固有特性的需求也逐步多樣化。尤其在功率增益和波束寬度這一對(duì)矛盾量的選取中依然存在很大的難度。本發(fā)明提出了一種基于新型人工電磁材料的寬帶寬角增益透鏡天線，在保證最低增益要求的基礎(chǔ)上，能夠?qū)崿F(xiàn)最大限度的波束寬度，并且不會(huì)額外增加天線的尺寸負(fù)擔(dān)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是提供一種基于新型人工電磁材料的寬帶寬角增益透鏡天線，該天線應(yīng)用新型人工電磁材料實(shí)現(xiàn)折射率按一定規(guī)律分布的矩形角錐透鏡，其主要特點(diǎn)是波束寬度寬、波束內(nèi)最低增益高，同時(shí)具有易于加工、尺寸小和造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)。
[0004]本發(fā)明的基于新型人工電磁材料的寬帶寬角增益透鏡天線，是由一系列不同長(zhǎng)度的新型人工電磁材料排列組陣，組成一個(gè)橫截面近似于矩形的人工媒質(zhì)寬帶寬角增益透鏡天線角錐喇叭透鏡；每一片新型人工電磁材料的印刷電路板是由印刷在介質(zhì)基板上的一系列大小不一的人工媒質(zhì)的諧振單元構(gòu)成。將這些新型人工電磁材料按一定的規(guī)律排列，以實(shí)現(xiàn)折射率漸變的透鏡。
[0005]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0006]1、本發(fā)明具有制作簡(jiǎn)單和便于加工的特點(diǎn)。調(diào)整新型人工電磁材料基本結(jié)構(gòu)單元尺寸，可以任意調(diào)節(jié)人工等效媒質(zhì)的折射率和特性阻抗，實(shí)現(xiàn)透鏡天線在設(shè)計(jì)上的簡(jiǎn)單化，同時(shí)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，使得該透鏡便于加工。
[0007]2、本發(fā)明具有寬波束的特點(diǎn)。在本發(fā)明中，使用的新型人工電磁材料基本結(jié)構(gòu)，在保證最低增益一定時(shí)，大大增加了有效波束寬度。
[0008]3、本發(fā)明同時(shí)具有尺寸小的特點(diǎn)。傳統(tǒng)喇叭天線，為提供寬波束寬度，需要增大張角及開(kāi)口尺寸。而為了保證增益，又必須限制張角以及增加天線長(zhǎng)度。二者相互矛盾。在本發(fā)明中，通過(guò)調(diào)整新型人工電磁材料，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了較高的最低增益以及較寬的波束寬度，且尺寸較原始天線小。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0009]圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0010]圖2是本發(fā)明的諧振基本單元的等效媒質(zhì)參數(shù)隨尺寸變化的情況。
[0011]圖3是本發(fā)明的天線輻射方向圖。其中，(a)、(b)、(c)分別是在4GHz、5GHz、6GHz處對(duì)比了添加新型人工電磁材料的喇機(jī)天線以及未添加新型人工電磁材料的喇機(jī)天線的E面和H面方向圖。
【具體實(shí)施方式】
[0012]本發(fā)明中，基于新型人工電磁材料的寬帶寬角增益透鏡天線是用一系列諧振單元按照一定規(guī)律排列構(gòu)成的等效人工媒質(zhì)實(shí)現(xiàn)的，如圖1所示，整個(gè)天線包括基于新型人工電磁材料I的角錐喇叭透鏡2，一系列不同長(zhǎng)度的新型人工電磁材料I并排排列組成一個(gè)橫截面為矩形的人工媒質(zhì)角錐喇叭透鏡2 ;每一片新型人工電磁材料I的印刷電路板3是由印刷在介質(zhì)基板上的一系列大小不一的人工媒質(zhì)的非諧振基本單元4構(gòu)成。新型人工電磁材料I及其工作在非諧振頻段的諧振單元4是本發(fā)明的核心。諧振單元4是最簡(jiǎn)單的新型人工電磁材料結(jié)構(gòu)，可以僅僅使用印刷電路板工藝大批量加工陣列，且在其非諧振頻段具有相對(duì)更寬、更平緩的折射率分布范圍。通過(guò)調(diào)節(jié)新型人工電磁材料中的諧振單元4的尺寸，可以輕松獲得不同等效參數(shù)的人工媒質(zhì)，從而設(shè)計(jì)透鏡天線所需的參數(shù)分布。
[0013]圖2分別為天線口面沿軸向距離y的透鏡折射率分布(a)、厚度為tl (b)、t2 (c)時(shí)諧振單元4的等效媒質(zhì)參數(shù)隨單元中金屬線長(zhǎng)度I變化時(shí)的分布規(guī)律以及新型人工電磁材料陣列示意圖(d)。從圖2可以看出，對(duì)較厚的介質(zhì)板(厚度tl,單位mm),當(dāng)I由Omm變化到6mm時(shí),等效折射率由1.15上升到1.7。對(duì)較薄的介質(zhì)板(厚度t2,單位mm),當(dāng)I由Omm變化到5mm時(shí),等效折射率由1.15上升到1.27。由此可見(jiàn),可以用該諧振單元4實(shí)現(xiàn)漸變折射率分布。在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，透鏡中折射率小于1.15的部分都將折射率設(shè)計(jì)成n=1.15。圖3為該發(fā)明的方向圖。圖3分別在4GHz、5GHz、6GHz處對(duì)比了添加新型人工電磁材料的喇叭天線以及未添加新型人工電磁材料的喇叭天線的E面和H面方向圖。其結(jié)果表明，在不同頻率上該發(fā)明均有效地增加了波束寬度。
【權(quán)利要求】
1.一種基于新型人工電磁材料的寬帶寬角增益透鏡天線，其特征在于此透鏡天線由一系列不同長(zhǎng)度的新型人工電磁材料(I)并排排列組成一個(gè)橫截面為矩形的人工媒質(zhì)角錐喇叭透鏡(2);每一片新型人工電磁材料(I)的印刷電路板(3)是由印刷在介質(zhì)基板上的一系列大小不一的人工媒質(zhì)的諧振基本單元(4)構(gòu)成，其中，諧振單元(4)是最簡(jiǎn)單的新型人工電磁材料結(jié)構(gòu)，可以僅僅使用印刷電路板工藝大批量加工陣列。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于新型人工電磁材料的寬帶寬角增益透鏡天線，其特征在于所述的諧振單元(4)，其長(zhǎng)度可改變，以得到不同的等效折射率分布。
【文檔編號(hào)】H01Q15/02GK103647153SQ201310587028
【公開(kāi)日】2014年3月19日 申請(qǐng)日期:2013年11月20日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月20日
【發(fā)明者】崔鐵軍, 齊美清, 潘柏操, 馬慧峰, 陶醉, 孫永志 申請(qǐng)人:東南大學(xué)