CN102904066A - 一种汇聚电磁波的超材料天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种汇聚电磁波的超材料天线，包括反射板、馈源、超材料，所述反射板、馈源、超材料依次顺序相对设置，所述馈源用于发射电磁波；所述反射板用于将所述馈源散射至反射板的电磁波反射回所述的超材料所在的方位；所述超材料由基材以及基材上多个人造微结构组成，用于将电磁波汇聚后发送至自由空间。本发明的汇聚电磁波的超材料天线降低了传统天线的体积和损耗，可满足更严格场合使用的要求。

Description

一种汇聚电磁波的超材料天线

技术领域

本发明涉及天线领域，更具体地说，涉及一种汇聚电磁波的超材料天线。

背景技术

众所周知，天线对空间不同方向具有不同的辐射或接收能力，这就是天线的方向性。衡量天线方向性通常使用方向图，在水平面上，辐射与接收无最大方向的天线称为全向天线，有一个或多个最大方向的天线称为定向天线。全向天线由于其无方向性，所以多用在点对多点通信的中心台。定向天线由于具有最大辐射或接收方向，因此能量集中，增益相对全向天线要高，适合于远距离点对点通信，同时由于具有方向性，抗干扰能力比较强。

现有的天线理论，在实现天线的方向性上只有两种方式：一、用多个单元天线组成天线阵列增大天线方向性；二、通过增大天线的口径来增强天线的方向性。可是这两种方案都会增大天线的体积，并且增大了天线的损耗。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的定向天线体积大、损耗严重的缺陷，提供一种提供体积小、高效以及成本低的汇聚电磁波的超材料定向天线。

为解决上述技术问题，提供一种汇聚电磁波的超材料定向天线，包括反射板、馈源、超材料，所述反射板、馈源、超材料依次顺序相对设置，所述馈源用于发射电磁波；所述反射板用于将所述馈源散射至反射板的电磁波反射回所述的超材料所在的方位；所述超材料由基材以及基材上多个人造微结构组成，用于将电磁波汇聚后发送至自由空间。

在本发明所述的汇聚电磁波的超材料天线中，所述超材料由多个片状基板堆叠形成，所有的人造微结构在空间中形成周期阵列。

在本发明所述的汇聚电磁波的超材料天线中，所述的人造微结构在空间中呈均匀性的周期阵列。

在本发明所述的汇聚电磁波的超材料天线中，在基材选定的情况下，通过改变人造微结构的图案、设计尺寸和/或人造微结构在空间中的排布获得想要的等效介电常数ε与等效磁导率μ，从而决定所述电磁波的汇聚。

在本发明所述的汇聚电磁波的超材料天线中，所述基材由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制得。

在本发明所述的汇聚电磁波的超材料天线中，所述的人造微结构为一具有图案的附着在基材上的金属线。

在本发明所述的汇聚电磁波的超材料天线中，所述的反射板为光滑的金属镜面。

在本发明所述的汇聚电磁波的超材料天线中，所述金属线通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法附着在基材上。

在本发明所述的汇聚电磁波的超材料天线中，所述金属线为铜线或银线。

在本发明所述的汇聚电磁波的超材料天线中，所述金属线呈“工”字型以及“工”字型的衍生型。

在本发明所述的汇聚电磁波的超材料天线中，所述的馈源为半波振子。

在本发明所述的汇聚电磁波的超材料天线中，所述的超材料与馈源对应的区域折射率均为3.6，其余部分的折射率均从所述区域边缘向下渐减，取值范围为：1.2至3.6。

实施本发明的汇聚电磁波的超材料天线，具有以下有益效果：

本发明实现一种高方向性的小型天线，降低了天线的体积和损耗，满足更严格场合使用的要求。

附图说明

图1是本发明实施例一种汇聚电磁波的超材料天线的结构示意图；

图2是本发明实施例中一种超材料结构示意图；

图3为本发明超材料折射率分布示意图；

图4a为本发明人造微结构的示意图；

图4b、图4c、图4d、图4e为图4a人造微结构的衍生图。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。

“超材料″是指一些具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。通过在材料的关键物理尺度上的结构有序设计，可以突破某些表观自然规律的限制，从而获得超出自然界固有的普通性质的超常材料功能。“超材料″重要的三个重要特征：

(1)“超材料″通常是具有新奇人工结构的复合材料；

(2)“超材料″具有超常的物理性质(往往是自然界的材料中所不具备的)；

(3)“超材料″性质往往不主要决定于构成材料的本征性质，而决定于其中的人工结构。

请参阅图1，一种汇聚电磁波的超材料天线，包括：反射板10、馈源20、超材料30。反射板10、馈源20、超材料30依次顺序相对设置，馈源20用于发射电磁波；反射板10用于将馈源20散射至反射板的电磁波反射回超材料30所在的方位；超材料30由基材1以及基材上多个人造微结构2组成，用于将电磁波汇聚后发送至自由空间。

超材料30的汇聚电磁波的电磁特性由超材料30的等效介电常数ε与等效磁导率μ共同决定。由馈源20发出的电磁波一部分直接输出至超材料30，另一部分散射至反射板10后由反射板10重新向超材料30所在的方向反射回，超材料30将所接收的电磁波汇聚后发送到自由空间。优选地，反射板为光滑金属板。

请参阅图2，为了更好的汇聚效果，将超材料30多个堆叠形成超材料集合体40，且所有的人造微结构2形成周期阵列，优选地，所有的人造微结构2形成均匀性周期阵列。

要达到馈源20发出的电磁波汇聚的效果，要求超材料30的电磁特性具有汇聚的功能，即，超材料30与馈源对应的区域单元的等效介电常数ε与等效磁导率μ为最大值，其余区域(即两端区域)的等效介电常数ε与等效磁导率μ之积从该区域边缘处自大到小呈渐变趋势，由于电磁波会向折射率大的地方偏折，通过累加效应，会渐渐汇聚，达到本发明所需的效果。

作为本发明的一个实施例，馈源20可为半波对称振子。振子是天线上的元器件，具有导向和放大电磁波的作用，使天线接收到的电磁信号更强。振子是用导电性较好的金属制造的。振子有的是杆状的形状，也有的结构较复杂，一般是很多个振子平行排列在天线上。

单个半波对称振子可简单地单独立地使用或用作为抛物面天线的馈源，也可采用多个半波对称振子组成天线阵。两臂长度相等的振子叫做对称振子。每臂长度为四分之一波长、全长为二分之一波长的振子，称半波对称振子。

优选地，如图3所示，图3是以超材料的长度为Y轴，以超材料的宽度为x轴，超材料30与半波对称振子20相对应的中部区域A区段折射率为3.6，两端部分(即上端部分为：B1；下端部分为B2)的折射率均从中部的3.6向下渐减，取值范围为：1.2至3.6，并且分成指数正弦分布，该超材料30对TD-SCDMA频段下的微波，能起到很好的汇聚的作用，使得发散的微波能够平行射出，经测试，半波对称振子之辐射场经过反射板10的反射，穿过超材料30，使其半功率波瓣宽度减少了6°，天线的增益提高了3dB，天线的方向性和增益得到了很大的提升。

于本发明的实施例中，反射板10、半波对称振子20、超材料30均可为多个，形成一一对称的关系，以适应不同的需要。

电磁波的折射率跟物质的介电常数ε和磁导率μ的乘积反应有关系，当一束电磁波由一种介质传播到另外一种介质时，电磁波会发生折射，而且折射率越大的位置偏折角度越大，当物质内部的折射率分布非均匀时，电磁波就会向折射率比较大的位置偏折，通过改变折射率在材料中的分布，可以改变电磁波的传播路径。

超材料可以对电场或者磁场，或者两者同时进行相应。对电场的响应取决于超材料的介电常数ε，而对磁场的响应取决于超材料的磁导率μ。通过对超材料空间中每一点的介电常数ε与磁导率μ的精确控制，我们可以实现通过超材料对电磁波的影响。

超材料的电磁参数在空间中的均匀或者非均匀的分布是超材料的重要特征之一。电磁参数在空间中的均匀分布为非均匀分布的一种特殊形式，但其具体特性，仍然是由空间中排列的各个单元结构的特性所决定。因此，通过设计空间中排列的每个结构的特性，就可以设计出整个新型超材料在空间中每一点的电磁特性，这种电磁材料系统将会具有众多奇异特性，对电磁波的传播可以起到特殊的引导作用。

作为本发明的实施例，基材1可以由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制得。作为一个实施例，选用FR4、F4B、聚四氟乙烯来制成基材。其中，聚四氟乙烯的电绝缘性非常好，因此不会对电磁波的电场产生干扰，并且具有优良的化学稳定性、耐腐蚀性、使用寿命长、作为人造微结构2附着的基材是很好的选择。

本实施例中，优选地，所述的人造微结构2为金属微结构，所述的每个金属微结构为一具有图案的附着在片状基板上的金属线。

作为一个实施例，所述金属线通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法附着在基材上。当然，也可以是三维激光加工等其它可行的加工方法。

作为一个实施例，所述金属线为铜线或银线。铜与银的导电性能好，对电场的响应更加灵敏。

在本实施例中人造微结构2呈“工”字形，如图4a所示，包括竖直的第一金属丝201和分别连接在第一金属丝201两端且垂直于第一金属丝201的第二金属丝202。

图4b所示实施例是图4a所示实施例的衍生，其人造微结构2不仅包括构成“工”字形的第一金属丝201和第二金属丝202，还包括分别连接在第二金属丝202两端且垂直于第二金属丝202的第三金属丝203。

图4c所示实施例则是图3a的人造微结构2的进一步衍生，其人造微结构2在图4b的基础上还包括分别连接在第三金属丝203两端且垂直于第三金属丝203的第四金属丝204。

图4d所示实施例中每个人造微结构2的金属丝包括相互垂直而连接成“十”字形的两个第一金属丝201、分别连接在每个第一金属丝201两端且垂直于第一金属丝201的第二金属丝202，还包括分别连接在每个第二金属丝202两端且垂直于第二金属丝202的第三金属丝203。

图4e所示的金属丝除具有图4b所示的第一金属丝201、第二金属丝202以及第三金属丝203外，还包括分别连接在每个第三金属丝203两端且垂直于第三金属丝203的第四金属丝204。

本发明的人造微结构2还可包括分别连接在每个第四金属丝204两端且垂直于第四金属丝204的第五金属丝，依此类推。本发明的对电场响应的人造微结构2还有无穷多个。第二金属丝202的长度小于第一金属丝201，第三金属丝203的长度小于第二金属丝202，第四金属丝204的长度小于第三金属丝203，依此类推。

其中，每个第一金属丝201只与第二金属丝202相连接，不与其他任何金属丝相交；任意第N金属丝只与第(N-1)金属丝和第(N+1)金属丝相交连接，不予其他任何金属丝相交，这里N大于等于2。

另外还有许多对磁场响应的金属微结构，如在许多文献中都被引用到的开口谐振环结构。另外金属微结构还可以有很多变形图案，本发明并不能对此一一列举，本发明的人造微结构2既可以平面的结构，也可为立体的结构。

在基材选定的情况下，可以通过设计金属微结构的图案、设计尺寸和/或金属微结构在空间中的排布获得想要的汇聚效果。这是因为，通过设计金属微结构的图案、设计尺寸和/或金属微结构在空间中的排布，即可设计出超材料所在空间中每一单元的电磁参数ε和μ。至于怎么得到金属微结构的图案、设计尺寸和/或金属微结构在空间中的排布，这个方法是多种的，举个例子，可以通过逆向的计算机仿真模拟得到，首先我们确定需要的汇聚分布，根据汇聚分布去设计超材料整体的电磁参数分布，再从整体出发计算出空间中每一点的电磁参数分布，根据这每一点的电磁参数来选择相应的金属微结构的图案、设计尺寸和/或金属微结构在空间中的排布(计算机中事先存放有多种金属微结构数据)，对每个点的设计可以用穷举法，例如先选定一个具有特定图案的金属微结构，计算电磁参数，将得到的结果和我们想要的对比，对比再循环多次，一直到找到我们想要的电磁参数为止，若找到了，则完成了金属微结构的设计参数选择；若没找到，则换一种图案的金属微结构，重复上面的循环，一直到找到我们想要的电磁参数为止。如果还是未找到，则上述过程也不会停止。也就是说只有找到了我们需要的电磁参数的金属微结构后，程序才会停止。由于这个过程都是由计算机完成的，因此，看似复杂，其实很快就能完成。

实施本发明的汇聚电磁波的超材料天线，具有以下有益效果：

本发明实现一种高方向性的小型天线，降低了天线的体积和损耗，满足更严格场合使用的要求。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (12)

1.一种汇聚电磁波的超材料天线，其特征在于，包括反射板、馈源、超材料，所述反射板、馈源、超材料依次顺序相对设置，所述馈源用于发射电磁波；所述反射板用于将所述馈源散射至反射板的电磁波反射回所述的超材料所在的方位；所述超材料由基材以及基材上多个人造微结构组成，用于将电磁波汇聚后发送至自由空间。

2.根据权利要求1所述的汇聚电磁波的超材料天线，其特征在于，所述超材料由多个片状基板堆叠形成，所述的片状基板包括基材以及附着于所述基材上的多个人造微结构，所有的人造微结构在空间中形成周期阵列。

3.根据权利要求2所述的汇聚电磁波的超材料天线，其特征在于，所述的人造微结构在空间中呈均匀性的周期阵列。

4.根据权利要求1所述的汇聚电磁波的超材料天线，其特征在于，在基材选定的情况下，通过改变人造微结构的图案、设计尺寸和/或人造微结构在空间中的排布获得想要的等效介电常数ε与等效磁导率μ，从而决定所述电磁波的汇聚。

5.根据权利要求1所述的汇聚电磁波的超材料天线，其特征在于，所述基材由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制得。

6.根据权利要求1所述的汇聚电磁波的超材料天线，其特征在于，所述的人造微结构为一具有图案的附着在基材上的金属线。

7.根据权利要求1所述的汇聚电磁波的超材料天线，其特征在于，所述的反射板为光滑的金属镜面。

8.根据权利要求6所述的汇聚电磁波的超材料天线，其特征在于，所述金属线通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法附着在基材上。

9.根据权利要求6所述的汇聚电磁波的超材料天线，其特征在于，所述金属线为铜线或银线。

10.根据权利要求6所述的汇聚电磁波的超材料天线，其特征在于，所述金属线呈“工”字型以及“工”字型的衍生型。

11.根据权利要求1所述的汇聚电磁波的超材料天线，其特征在于，所述的馈源为半波对称振子。

12.根据权利要求1所述的汇聚电磁波的超材料天线，其特征在于，所述的超材料与馈源对应的区域折射率均为3.6，其余部分的折射率均从该区域边缘向下渐减，取值范围为：1.2至3.6。

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