專利名稱：一種散射式超材料定向天線的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及天線領域，更具體地說，涉及一種散射式超材料定向天線。
背景技術：
目前，雷達中的前饋主反射器天線就是主反射器為拋物面，饋源位于其焦點附近，能把饋源輻射的球面波變?yōu)槠矫娌ǖ亩ㄏ蛱炀€。它的工作原理與光學反射鏡相似，是利用拋物主反射器的聚焦特性。由饋源發(fā)出的球面波經(jīng)拋物面反射后就變換成平面波，形成沿拋物面軸向輻射最強的窄波束，拋物面天線的優(yōu)點就是在拋物反射天線的焦點處放置發(fā)射源，經(jīng)過反射后的電磁波是平行波束，使天線定向傳輸，這是其他形狀的天線難以做到的。 現(xiàn)有技術中，由于饋源及其支撐桿擋在主反射器的前面，對口徑的遮擋會影響口徑效率，影響電磁波的輻射?，F(xiàn)有技術采用偏置拋物面天線來避免饋源及其支架對輻射的影響。如一種為其饋源仍置于旋轉拋物面的焦點，但只取此拋物面一側的一部分作為主反射器而使饋源不會遮擋主反射器口徑的輻射，從而改善口徑效率和波束旁瓣特性；另一種偏置結構是喇叭-拋物面天線，它是由一個角錐或圓錐喇叭直接接到偏置拋物面上而成，也可利用球面的一部分作為主反射器。饋源通常置于球面半徑R的1/2處，這時饋源所對的小部分球面較接近于以R/2為焦距的拋物面。這些方法都要對主反射器進行改造，實施比較復雜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術問題在于，針對現(xiàn)有技術的饋源及其支撐桿對天線輻射影響較難改造的缺陷，提供一種提供容易改造、簡單、易于實現(xiàn)以及成本低的散射式超材料定向天線。本發(fā)明解決其技術問題所采用的第一技術方案是一種散射式超材料定向天線，包括主反射器、饋源、超材料以及反射板，所述主反射器、饋源、超材料、反射板依次順序相對設置，所述饋源用于發(fā)射電磁波；所述超材料由基材以及基材上多個人造微結構組成，用于散射電磁波至所述的反射板；反射板置于所述主反射器的焦點處，用于將所述散射的電磁波再反射回所述的主反射器；所述的主反射器用于將所述反射回的電磁波以平面波的方式定向發(fā)送至空間。在本發(fā)明所述的散射式超材料定向天線中，所述超材料與所述的反射板為一集合整體，所述的集合整體置于所述的主反射器的焦點處。在本發(fā)明所述的散射式超材料定向天線中，所述超材料由多個片狀基板堆疊形成，所有的人造微結構在空間中形成周期陣列。在本發(fā)明所述的散射式超材料定向天線中，所述的人造微結構在空間中呈均勻性的周期陣列。 在本發(fā)明所述的散射式超材料定向天線中，在基材選定的情況下，通過改變?nèi)嗽煳⒔Y構的圖案、設計尺寸和/或人造微結構在空間中的排布獲得想要的等效介電常數(shù)ε與等效磁導率μ，從而決定所述電磁波的散射。在本發(fā)明所述的散射式超材料定向天線中，所述基材由陶瓷材料、高分子材料、鐵電材料、鐵氧材料或鐵磁材料制得。在本發(fā)明所述的散射式超材料定向天線中，所述的人造微結構為一具有圖案的附著在基材上的金屬線。在本發(fā)明所述的散射式超材料定向天線中，所述的反射板為光滑的金屬鏡面。在本發(fā)明所述的散射式超材料定向天線中，所述金屬線通過蝕刻、電鍍、鉆刻、光亥|J、電子刻或離子刻的方法附著在基材上。在本發(fā)明所述的散射式超材料定向天線中，所述金屬線為銅線或銀線。在本發(fā)明所述的散射式超材料定向天線中，所述金屬線呈“工”字型以及“工”字·型的衍生型。實施本發(fā)明的散射式超材料定向天線，具有以下有益效果由饋源發(fā)出的電磁波經(jīng)過超材料和反射板后，散射繞開饋源，投射到天線的拋物面主反射器上。主反射器將電磁波變成平面電磁波發(fā)射出去，而平面電磁波繞開了饋源和超材料，這樣饋源及其支架對天線輻射的影響就被很大程度地消除了。


圖I是現(xiàn)有技術定向發(fā)射電磁波示意圖；圖2是本發(fā)明實施例一種超材料定向天線結構方框圖；圖3為本發(fā)明超材料的示意圖。
具體實施例方式為詳細說明本發(fā)明的技術內(nèi)容、構造特征、所實現(xiàn)目的及效果，以下結合實施方式并配合附圖詳予說明?！俺牧?是指一些具有天然材料所不具備的超常物理性質的人工復合結構或復合材料。通過在材料的關鍵物理尺度上的結構有序設計，可以突破某些表觀自然規(guī)律的限制，從而獲得超出自然界固有的普通性質的超常材料功能?！俺牧?重要的三個重要特征(I) “超材料"通常是具有新奇人工結構的復合材料；(2) “超材料"具有超常的物理性質(往往是自然界的材料中所不具備的)；(3) “超材料"性質往往不主要決定于構成材料的本征性質，而決定于其中的人工結構。請參閱圖1，現(xiàn)有技術的定向天線，目前普遍使用在雷達中的拋物面天線就是主反射器60為拋物面，饋源10位于其焦點附近，能把饋源10輻射的球面波變?yōu)槠矫娌ǖ亩ㄏ蛱炀€，而且由于拋物面是一個不規(guī)則面，所以需要設計和搭建支架40來安裝它。它的工作原理與光學反射鏡相似，是利用拋物主反射器的聚焦特性。由饋源10發(fā)出的球面波經(jīng)拋物面反射后就變換成平面波，形成沿拋物面軸向輻射最強的窄波束。拋物面天線的優(yōu)點就是在拋物反射天線的焦點處放置饋源10，經(jīng)過反射后的電磁波是平行波束，使天線定向傳輸，這是其他形狀的天線難以做到的；缺點是一般采用鑄造或者數(shù)控機床加工，加工工藝復雜；其次要獲得好的定向天線，要求拋物面的精度比較聞。請參閱圖2及圖3，在本發(fā)明實例中，一種散射式超材料定向天線，包括包括主反射器60、饋源10、超材料20以及反射板30。主反射器60、饋源10、超材料20、反射板30依次順序相對設置，反射板30置于主反射器60的焦點處，超材料20由基材I以及基材上多個人造微結構2組成，超材料20的電磁特性由超材料20的等效介電常數(shù)ε與等效磁導率μ共同決定。由饋源10發(fā)出的電磁波至超材料20，經(jīng)超材料20散射至反射板30，再經(jīng)反射板30反射至主反射器60變成了平面波向空間發(fā)送，優(yōu)選地，反射板為光滑金屬板，由于超材料具有散射特性，使電磁波繞過了饋源10，出現(xiàn)在饋源10外圍，主反射器將電磁波變成平面電磁波發(fā)射出去，而平面電磁波繞開了饋源10和超材料20，這樣現(xiàn)有技術中的饋源10及其支架(圖中未標示)對天線輻射的影響就被很大程度地消除了。將具有這種散射特性的超材料20應用到主反射器雷達中，就能解決饋源10對天·線口徑效率以及輻射性能的影響。在本實施例中，優(yōu)選地，將超材料20與反射板30結合成一個集合整體，該集合整體置于主反射器60的焦點上，這樣，由于電磁波經(jīng)過超材料20散射至反射板30后，被反射板30反射后經(jīng)超材料20又被散射一次后發(fā)送到主反射器60上，散射的效果更佳，效率更聞。要達到饋源10發(fā)出的電磁波散射的效果，要求超材料20的電磁特性具有散射的特性，即，超材料20中部單元的等效介電常數(shù)ε與等效磁導率μ為最小值，與最小值相鄰的各單元的等效介電常數(shù)ε與等效磁導率μ之積自小到大呈漸變趨勢，由于電磁波會向折射率大的地方偏折，通過累加效應，會漸漸發(fā)散從而繞開饋源10，達到本發(fā)明所需的效
果O電磁波的折射率跟物質的介電常數(shù)ε和磁導率μ的乘積反應有關系，當一束電磁波由一種介質傳播到另外一種介質時，電磁波會發(fā)生折射，而且折射率越大的位置偏折角度越大，當物質內(nèi)部的折射率分布非均勻時，電磁波就會向折射率比較大的位置偏折，通過改變折射率在材料中的分布，可以改變電磁波的傳播路徑。超材料可以對電場或者磁場，或者兩者同時進行相應。對電場的響應取決于超材料的介電常數(shù)ε，而對磁場的響應取決于超材料的磁導率μ。通過對超材料空間中每一點的介電常數(shù)ε與磁導率μ的精確控制，我們可以實現(xiàn)通過超材料對電磁波的影響。超材料的電磁參數(shù)在空間中的均勻或者非均勻的分布是超材料的重要特征之一。電磁參數(shù)在空間中的均勻分布為非均勻分布的一種特殊形式，但其具體特性，仍然是由空間中排列的各個單元結構的特性所決定。因此，通過設計空間中排列的每個結構的特性，就可以設計出整個新型超材料在空間中每一點的電磁特性，這種電磁材料系統(tǒng)將會具有眾多奇異特性，對電磁波的傳播可以起到特殊的引導作用。由圖3所示，作為本發(fā)明的實施例，為了獲得更好的累加散射效果，本發(fā)明的超材料20由多個片狀基板11堆疊而成，其中一個片狀基板是由一個基材I和人造微結構2組成的，換句話說，超材料20由多個“小”的超材料堆疊而成的。一個基材I可以由陶瓷材料、高分子材料、鐵電材料、鐵氧材料或鐵磁材料制得。作為一個實施例，選用FR4、F46、聚四氟乙烯來制成基材。其中，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(chǎn)生干擾，并且具有優(yōu)良的化學穩(wěn)定性、耐腐蝕性、使用壽命長、作為人造微結構附著的基材是很好的選擇。本實施例中，優(yōu)選地，所述的人造微結構2為金屬微結構，所述的每個金屬微結構為一具有圖案的附著在片狀基板上的金屬線。作為一個實施例，所述金屬線通過蝕刻、電鍍、鉆刻、光刻、電子刻或離子刻的方法附著在片狀基板上。當然，也可以是三維激光加工等其它可行的加工方法。作為一個實施例，所述金屬線為銅線或銀線。銅與銀的導電性能好，對電場的響應更加靈敏。作為本發(fā)明人造微結構的實施例，金屬線的結構為“工”字型以及“工”字型的衍生型；另外還有許多對磁場響應的金屬微結構，如在許多文獻中都被引用到的開口諧振環(huán)結構。另外金屬微結構還可以有很多變形圖案，本發(fā)明并不能對此一一列舉。
在基材選定的情況下，可以通過設計金屬微結構的圖案、設計尺寸和/或金屬微結構在空間中的排布獲得想要的散射效果。這是因為，通過設計金屬微結構的圖案、設計尺寸和/或金屬微結構在空間中的排布，即可設計出超材料所在空間中每一單元的電磁參數(shù)ε和U。至于怎么得到金屬微結構的圖案、設計尺寸和/或金屬微結構在空間中的排布，這個方法是多種的，舉個例子，可以通過逆向的計算機仿真模擬得到，首先我們確定需要的散射分布，根據(jù)散射分布去設計超材料整體的電磁參數(shù)分布，再從整體出發(fā)計算出空間中每一點的電磁參數(shù)分布，根據(jù)這每一點的電磁參數(shù)來選擇相應的金屬微結構的圖案、設計尺寸和/或金屬微結構在空間中的排布(計算機中事先存放有多種金屬微結構數(shù)據(jù))，對每個點的設計可以用窮舉法，例如先選定一個具有特定圖案的金屬微結構，計算電磁參數(shù)，將得到的結果和我們想要的對比，對比再循環(huán)多次，一直到找到我們想要的電磁參數(shù)為止，若找到了，則完成了金屬微結構的設計參數(shù)選擇；若沒找到，則換一種圖案的金屬微結構，重復上面的循環(huán)，一直到找到我們想要的電磁參數(shù)為止。如果還是未找到，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(shù)的金屬微結構后，程序才會停止。由于這個過程都是由計算機完成的，因此，看似復雜，其實很快就能完成。實施本發(fā)明的散射式超材料定向天線，具有以下有益效果由饋源10發(fā)出的電磁波經(jīng)過超材料20和反射板30后，散射繞開饋源10，投射到天線的拋物面主反射器60上。主反射器60將電磁波變成平面電磁波發(fā)射出去，而平面電磁波繞開了饋源10和超材料20，這樣饋源及其支架對天線輻射的影響就被很大程度地消除了。上面結合附圖對本發(fā)明的實施例進行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實施方式
，上述的具體實施方式
僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領域的普通技術人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨和權利要求所保護的范圍情況下，還可做出很多形式，這些均屬于本發(fā)明的保護之內(nèi)。
權利要求
1.一種散射式超材料定向天線，其特征在于，包括主反射器、饋源、超材料以及反射板，所述主反射器、饋源、超材料、反射板依次順序相對設置，所述饋源用于發(fā)射電磁波；所述超材料由基材以及基材上多個人造微結構組成，用于將電磁波散射至所述的反射板；所述反射板置于所述主反射器的焦點上，用于將所述散射的電磁波再反射回所述的主反射器；所述的主反射器用于將所述反射回的電磁波以平面波的方式定向發(fā)送至空間。
2.根據(jù)權利要求I所述的散射式超材料定向天線，其特征在于，所述超材料與所述的反射板為一集合整體，所述的集合整體置于所述的主反射器的焦點處。
3.根據(jù)權利要求I所述的散射式超材料定向天線，其特征在于，所述超材料由多個片狀基板堆疊形成，所有的人造微結構在空間中形成周期陣列。
4.根據(jù)權利要求3所述的散射式超材料定向天線，其特征在于，所述的人造微結構在空間中呈均勻性的周期陣列。
5.根據(jù)權利要求I所述的散射式超材料定向天線，其特征在于，在基材選定的情況下，通過改變?nèi)嗽煳⒔Y構的圖案、設計尺寸和/或人造微結構在空間中的排布獲得想要的等效介電常數(shù)ε與等效磁導率μ，從而決定所述電磁波的散射。
6.根據(jù)權利要求I所述的散射式超材料定向天線，其特征在于，所述基材由陶瓷材料、高分子材料、鐵電材料、鐵氧材料或鐵磁材料制得。
7.根據(jù)權利要求I所述的散射式超材料定向天線，其特征在于，所述的人造微結構為一具有圖案的附著在基材上的金屬線。
8.根據(jù)權利要求I所述的散射式超材料定向天線，其特征在于，所述的反射板為光滑的金屬鏡面。
9.根據(jù)權利要求7所述的散射式超材料定向天線，其特征在于，所述金屬線通過蝕刻、電鍍、鉆刻、光刻、電子刻或離子刻的方法附著在基材上。
10.根據(jù)權利要求7所述的散射式超材料定向天線，其特征在于，所述金屬線為銅線或銀線。
11.根據(jù)權利要求7所述的散射式超材料定向天線，其特征在于，所述金屬線呈“工”字型以及“工”字型的衍生型。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種散射式超材料定向天線，包括主反射器、饋源、超材料以及反射板，所述主反射器、饋源、超材料、反射板依次順序相對設置，所述饋源用于發(fā)射電磁波；所述超材料由基材以及基材上多個人造微結構組成，用于將電磁波散射至所述的反射板；反射板用于將所述散射的電磁波再反射回所述的主反射器；所述的主反射器用于將所述反射回的電磁波以平面波的方式定向發(fā)送至空間。本發(fā)明的超材料定向天線由饋源發(fā)出的電磁波經(jīng)過超材料和反射板后，散射繞開饋源，投射到天線的拋物面主反射器上，這樣饋源及其支架對天線輻射的影響就被很大程度地消除了。
文檔編號H01Q19/19GK102891372SQ20111012096
公開日2013年1月23日 申請日期2011年5月11日 優(yōu)先權日2011年5月11日
發(fā)明者劉若鵬, 石小紅, 徐冠雄, 楊松濤 申請人:深圳光啟高等理工研究院, 深圳光啟創(chuàng)新技術有限公司