專利名稱：波導(dǎo)饋源及天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種天線饋源領(lǐng)域，尤其涉及一種波導(dǎo)饋源及應(yīng)用該波導(dǎo)饋源的天線。
背景技術(shù)：
饋源是天線的心臟，它用作高增益聚集天線的初級輻射器，為反射面(拋物面反射面)天線提供有效的照射，對經(jīng)反射面反射而來的電磁波進行整理，使其極化方向一致并進行阻抗變換，由波導(dǎo)饋源輻射出來的電磁波散射于反射面板上。然后通過反射面將電磁波傳播至大氣空間。其中波導(dǎo)饋源包括各種各樣的饋源，如波導(dǎo)饋源一般應(yīng)用于反射面天線中，然而一般的波導(dǎo)饋源輻射出來的電磁波束通常為70度左右，因此，在天線設(shè)計中一般的波導(dǎo)饋源不能滿足設(shè)計要求。

發(fā)明內(nèi)容
基于此，本發(fā)明一種電磁波束輻射范圍寬，且體積相對較小的波導(dǎo)饋源。本發(fā)明還提供一種應(yīng)用該波導(dǎo)饋源的天線。一種天線包括一波導(dǎo)饋源及用于反射電磁波的反射單元，所述波導(dǎo)饋源包括一端開口一端封閉的波導(dǎo)、設(shè)置于波導(dǎo)內(nèi)的電磁復(fù)合材料單元及電磁輻射單元，所述電磁復(fù)合材料單元設(shè)置在電磁輻射單元與波導(dǎo)的封閉端之間；電磁輻射單元接收電信號并將電信號后轉(zhuǎn)化為電磁波，電磁復(fù)合材料單元包括至少一片電磁復(fù)合材料片層，每一電磁復(fù)合材料片層包括片狀基板和設(shè)置在片狀基板上的多個人造微結(jié)構(gòu)；所述每一電磁復(fù)合材料片層的折射率由中間區(qū)域向兩端逐漸增大。進一步地，所述波導(dǎo)為矩形波導(dǎo)。進一步地，所述矩形波導(dǎo)一側(cè)面上設(shè)置有一通孔，所述電磁輻射單元一端穿過所述通孔并伸入矩形波導(dǎo)中。進一步地，所述電磁輻射單元為一金屬制成的圓柱形探針。進一步地，所述電磁復(fù)合材料片層上的人造微結(jié)構(gòu)呈矩陣式排布且人造微結(jié)構(gòu)尺寸由中間向兩端逐漸增大，所述電磁復(fù)合材料片層的中間區(qū)域上的人造微結(jié)構(gòu)尺寸最小?！N波導(dǎo)饋源包括一端開口一端封閉的波導(dǎo)、設(shè)置于波導(dǎo)內(nèi)的電磁復(fù)合材料單兀及電磁輻射單元，所述電磁復(fù)合材料單元設(shè)置在電磁輻射單元與波導(dǎo)的封閉端之間；電磁輻射單元接收電信號并將電信號后轉(zhuǎn)化為電磁波，電磁復(fù)合材料單元包括至少一片電磁復(fù)合材料片層，每一電磁復(fù)合材料片層包括片狀基板和設(shè)置在片狀基板上的多個人造微結(jié)構(gòu)；所述每一電磁復(fù)合材料片層的折射率由中間區(qū)域向兩端逐漸增大。進一步地，所述人造微結(jié)構(gòu)的排布方向一致。進一步地，所述人造微結(jié)構(gòu)的排布方向不一致。進一步地，所述人造微結(jié)構(gòu)光軸由每一電磁復(fù)合材料片層的中間區(qū)域向兩側(cè)逐漸旋轉(zhuǎn)。
進一步地，所述電磁復(fù)合材料片層的中間區(qū)域中的人造微結(jié)構(gòu)光軸與處于兩端的人造微結(jié)構(gòu)光軸相互垂直。相比現(xiàn)有技術(shù)，在波導(dǎo)中填充或者設(shè)置有特定折射率分布的電磁復(fù)合材料單元，可以使電磁輻射單元產(chǎn)生的電磁波發(fā)散，進而從波導(dǎo)口輻射出來電磁波束輻射范圍角度超過100度，從天線設(shè)計中，所述波導(dǎo)饋源電磁波束輻射范圍滿足要求。


圖I是本發(fā)明天線中一實施例的側(cè)面示意圖；圖2為圖I所示天線中的波導(dǎo)饋源立體圖；圖3為圖2所示波導(dǎo)饋源中的電磁復(fù)合材料單元的折射率分布示意圖；圖4為圖3所示電磁復(fù)合材料單元的一實施方式具體結(jié)構(gòu)示意圖； 圖5為圖4所示電磁復(fù)合材料單元的另一實施方式具體結(jié)構(gòu)示俯視圖；圖6為圖5所示電磁復(fù)合材料層中的平面雪花狀的人造微結(jié)構(gòu)示意圖；圖7為圖5所示電磁復(fù)合材料層中的立體雪花狀的人造微結(jié)構(gòu)示意圖；圖8為圖6所示電磁復(fù)合材料層中的立體雪花狀的人造微結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合相關(guān)附圖及具體實施例對本發(fā)明做進一步的描述請參閱圖1，本發(fā)明天線中一實施例的側(cè)面示意圖。所述天線10包括一波導(dǎo)饋源12及用于反射波導(dǎo)饋源12輻射的電磁波的反射單元11。在本實施方式中，所述反射單元11采用金屬材料制成的曲面狀的反射面板。請一并參閱圖2，波導(dǎo)饋源12包括一端開口一端封閉的波導(dǎo)121、設(shè)置于波導(dǎo)121內(nèi)電磁復(fù)合材料單元122及電磁輻射單元123。在本實施方式中，所述波導(dǎo)121為矩形波導(dǎo)且在波導(dǎo)121 —側(cè)面上設(shè)置有一通孔102，所述電磁輻射單元123 —端穿過所述通孔102并伸入波導(dǎo)121中，所述電磁輻射單元123為一銅軸電纜且伸入波導(dǎo)121內(nèi)的部分為裸露的銅纜，用于接收處理電路的電信號并將電信后轉(zhuǎn)化為電磁波信號。在其他實施方式中，所述波導(dǎo)121為圓波導(dǎo)。在本實施方式中，電磁復(fù)合材料單元122為長方體狀且設(shè)置于波導(dǎo)121的封閉端和電磁輻射單元123之間。所述電磁復(fù)合材料單元122是由人工電磁復(fù)合材料制成，人工電磁復(fù)合材料是指一些具有天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的人工復(fù)合結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料。通過在材料的關(guān)鍵物理尺度上的結(jié)構(gòu)有序設(shè)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(zhì)的超常材料功能。例如，利用人工電磁材料技術(shù)可以設(shè)計出如圖3所示折射率分布的電磁復(fù)合材料。如圖4所示,為圖3所示電磁復(fù)合材料單元的一實施方式具體結(jié)構(gòu)示意圖所述電磁復(fù)合材料單元122包括至少一片電磁復(fù)合材料片層1，每一電磁復(fù)合材料片層I包括片狀基板2和附著在片狀基板2上陣列排布的多個人造微結(jié)構(gòu)3，每一人造微結(jié)構(gòu)3與周圍的片狀基板2基材認為劃分為一個電磁復(fù)合材料子單兀,每一電磁復(fù)合材料片層I沿X軸方向排布的電磁復(fù)合材料子單元，且在中間區(qū)域SI分布尺寸最小的人造微結(jié)構(gòu)3，由此，使得中間區(qū)域SI的折射率相對于其他區(qū)域為最小，該中間區(qū)域SI包括一個電磁復(fù)合材料子單元或相同折射率的多個電磁復(fù)合材料子單元，該中間區(qū)域SI兩側(cè)的電磁復(fù)合材料子單元的折射率分別沿向兩端逐漸增大，且所述每一電磁復(fù)合材料子單元具有各向異性的電磁參數(shù)。每一電磁復(fù)合材料子單元可以是完全相同的方塊，可以是立方體，也可是長方體，每一電磁復(fù)合材料子單元的長、寬、高尺寸為入射電磁波波長的五分之一以下(通常為波長的十分之一)，以使得整個超材料對電磁波具有連續(xù)的電場和/或磁場響應(yīng)。每一電磁復(fù)合材料子單元具有各向異性的電磁參數(shù)是指，單元格空間中每一點的折射率分布并不是每點都相同，其折射率呈橢球分布，此橢球稱為折射率橢球。對于任一給定的單元格，可通過現(xiàn)有技術(shù)的模擬仿真軟件和計算方法算出其折射率橢球，例如參考文獻Electromagneticparameter retrieval from inhomogeneous metamaterials, D.R.Smith, D.C. Vier,T. Koschny, C. M. Soukoulis, Physical Review E 71,036617 (2005)中記載的方法。對于具有平面結(jié)構(gòu)的人造微結(jié)構(gòu)，各向同性，是指對于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(jié)構(gòu)在該平面上的電場響應(yīng)和磁場響應(yīng)均相同，也即介電常數(shù)和磁導(dǎo)率相同；對于具有三維結(jié)構(gòu)的人造微結(jié)構(gòu)，各向同性是指對于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(jié)構(gòu)在三維空間上的電場響應(yīng)和磁場響應(yīng)均相 同。當(dāng)人造微結(jié)構(gòu)為90度旋轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)時，人造微結(jié)構(gòu)即具有各向同性的特征。對于二維平面結(jié)構(gòu)，90度旋轉(zhuǎn)對稱是指其在該平面上繞一垂直于該平面且過其對稱中心的旋轉(zhuǎn)軸任意旋轉(zhuǎn)90度后與原結(jié)構(gòu)重合；對于三維結(jié)構(gòu)，如果具有兩兩垂直且共交點(交點為旋轉(zhuǎn)中心)的3條旋轉(zhuǎn)軸，使得該結(jié)構(gòu)繞任一旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)90度后均與原結(jié)構(gòu)重合或者與原結(jié)構(gòu)以一分界面對稱，則該結(jié)構(gòu)為90度旋轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)。相應(yīng)地，如果人造微結(jié)構(gòu)不滿足平面或三維的90度旋轉(zhuǎn)對稱(非90度旋轉(zhuǎn)對稱)，則其是各向異性(同樣有二維的各向異性與三維的各向異性)。在本實施方式中，所述人造微結(jié)構(gòu)3為工字形的金屬微結(jié)構(gòu),每一電磁復(fù)合材料片層I上的人造微結(jié)構(gòu)3呈矩形陣列排布，每一電磁復(fù)合材料片層I上的多個人造微結(jié)構(gòu)3具有相同的工字形圖形，并且沿X軸方向排布的多個人造微結(jié)構(gòu)3中尺寸最小的人造微結(jié)構(gòu)位于中間區(qū)域SI，而沿y軸方向排布的多個人造微結(jié)構(gòu)3其尺寸保持不變。圖4表示的實施例中，中間區(qū)域SI為一個電磁復(fù)合材料子單元。但是，根據(jù)不同需要，中間區(qū)域SI也可以是多個具有相同尺寸的電磁復(fù)合材料子單元，所述工字形的金屬微結(jié)構(gòu)排布方向一致，即金屬微結(jié)構(gòu)的光軸方向相同。圖5所示電磁復(fù)合材料單元的另一實施方式具體結(jié)構(gòu)示俯視圖。與上述實施例一不同的是，每一電磁復(fù)合材料片層I沿X方向排布的多個人造微結(jié)構(gòu)3光軸由中間區(qū)域SI向兩側(cè)逐漸旋轉(zhuǎn)。每一電磁復(fù)合材料片層I沿X方向排布的多個電磁復(fù)合材料子單兀,其中處于中間區(qū)域SI中的人造微結(jié)構(gòu)3的光軸與y方向平行，處于兩端的人造微結(jié)構(gòu)3光軸與X方向平行，即中間區(qū)域中的人造微結(jié)構(gòu)光軸與處于兩端的人造微結(jié)構(gòu)光軸相互垂直。另外，本實施例中，位于中間區(qū)域SI中的人造微結(jié)構(gòu)3中尺寸最小，該中間區(qū)域SI兩側(cè)的人造微結(jié)構(gòu)3分別向兩端尺寸逐漸增大。所述第二區(qū)域S2中的人造微結(jié)構(gòu)3以中間區(qū)域SI的中央位置為對稱軸對稱設(shè)置，以使得所述第二區(qū)域S2兩側(cè)的電磁復(fù)合材料子單元的折射率以中間區(qū)域SI為中心對稱分布。這就是說，所述電磁復(fù)合材料片層I的折射率如圖3所示分布。本實施例中，由于電磁復(fù)合材料單元122在X與z方向上具有同樣的折射率分布規(guī)律，因此，通過合理設(shè)計每一電磁復(fù)合材料子單元的折射率，可以實現(xiàn)發(fā)散。另外，由于光軸的特殊排布，可以使得電磁波更加的發(fā)散，達到電磁波更大的區(qū)域覆蓋。另外，相比于第一實施例，由于光軸是有序的依次旋轉(zhuǎn)的，不會造成電磁波的分裂。本發(fā)明的片狀基板2可以采用陶瓷材料、高分子材料、鐵電材料、鐵氧材料或鐵磁材料制成。上述的高分子材料可以是聚四氟乙烯。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(xué)穩(wěn)定性、耐腐蝕性，使用壽命長，作為金屬微結(jié)構(gòu)附著的基材是很好的選擇。當(dāng)然，上述的高分子材料也可是FR-4、F4b等復(fù)合材料。本發(fā)明的人造微結(jié)構(gòu)，優(yōu)選地，采用金屬微結(jié)構(gòu)，所述金屬微結(jié)構(gòu)為具有一定圖形的金屬線。例如，銅線或銀線等金屬線。上述的金屬線可以通過蝕刻、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(dāng)然，也可以采用三維的激光加工工藝。另外，在本實施方式中，電磁復(fù)合材料單元122采用的是工字形的人造微結(jié)構(gòu)，工 字形呈非90度旋轉(zhuǎn)對稱圖形，工字形是各向異性的一種比較簡單的結(jié)構(gòu)，除此之外，本發(fā)明的人造微結(jié)構(gòu)還可以是如圖6所示的平面雪花狀結(jié)構(gòu)。當(dāng)然，不管是工字形人造微結(jié)構(gòu)，還是如圖6所示的平面雪花狀的人造微結(jié)構(gòu)，只要其具有各向異性(非旋轉(zhuǎn)90度對稱的圖形)的特性即可，如圖7、8所示的衍生結(jié)構(gòu)。我們知道，當(dāng)電磁波經(jīng)過不同介質(zhì)的分界面時，會發(fā)生部分反射現(xiàn)象。通常兩邊介質(zhì)的阻抗差距越大反射就會越大。由于部分電磁波的反射，沿傳播方向的電磁能量就會相應(yīng)損耗，嚴重影響電磁信號傳播的距離和傳輸信號的質(zhì)量。因此，在波導(dǎo)121中填充或者設(shè)置采用折射率如上述所述的分布電磁復(fù)合材料單元122，可以使電磁輻射單元123產(chǎn)生的電磁波發(fā)散，進而從波導(dǎo)口輻射出來電磁波束輻射范圍角度超過100度，從天線設(shè)計中，所述波導(dǎo)饋源電磁波束輻射范圍滿足要求。上面結(jié)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(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨和權(quán)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(quán)利要求
1.一種天線，其特征在于，所述天線包括一波導(dǎo)饋源及用于反射電磁波的反射單元，所述波導(dǎo)饋源包括一端開口一端封閉的波導(dǎo)、設(shè)置于波導(dǎo)內(nèi)的電磁復(fù)合材料單元及電磁輻射單元，所述電磁復(fù)合材料單元設(shè)置在電磁輻射單元與波導(dǎo)的封閉端之間；電磁輻射單元接收電信號并將電信號后轉(zhuǎn)化為電磁波，電磁復(fù)合材料單元包括至少一片電磁復(fù)合材料片層，每一電磁復(fù)合材料片層包括片狀基板和設(shè)置在片狀基板上的多個人造微結(jié)構(gòu)；所述每一電磁復(fù)合材料片層的折射率由中間區(qū)域向兩端逐漸增大。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的天線，其特征在于，所述波導(dǎo)為矩形波導(dǎo)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的天線，其特征在于，所述矩形波導(dǎo)一側(cè)面上設(shè)置有一通孔，所述電磁輻射單元一端穿過所述通孔并伸入矩形波導(dǎo)中。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的天線，其特征在于，所述電磁輻射單元為一金屬制成的圓柱形探針。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的天線，其特征在于，所述電磁復(fù)合材料片層上的人造微結(jié)構(gòu)呈矩陣式排布且人造微結(jié)構(gòu)尺寸由中間向兩端逐漸增大，所述電磁復(fù)合材料片層的中間區(qū)域上的人造微結(jié)構(gòu)尺寸最小。
6.一種波導(dǎo)饋源，其特征在于，所述波導(dǎo)饋源包括一端開口一端封閉的波導(dǎo)、設(shè)置于波導(dǎo)內(nèi)的電磁復(fù)合材料單元及電磁輻射單元，所述電磁復(fù)合材料單元設(shè)置在電磁輻射單元與波導(dǎo)的封閉端之間；電磁輻射單元接收電信號并將電信號后轉(zhuǎn)化為電磁波，電磁復(fù)合材料單元包括至少一片電磁復(fù)合材料片層，每一電磁復(fù)合材料片層包括片狀基板和設(shè)置在片狀基板上的多個人造微結(jié)構(gòu)；所述每一電磁復(fù)合材料片層的折射率由中間區(qū)域向兩端逐漸增大。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的波導(dǎo)饋源，其特征在于，所述人造微結(jié)構(gòu)的排布方向一致。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的波導(dǎo)饋源，其特征在于，所述人造微結(jié)構(gòu)的排布方向不一致。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的波導(dǎo)饋源，其特征在于，所述人造微結(jié)構(gòu)光軸由每一電磁復(fù)合材料片層的中間區(qū)域向兩側(cè)逐漸旋轉(zhuǎn)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的波導(dǎo)饋源，其特征在于，所述電磁復(fù)合材料片層的中間區(qū)域中的人造微結(jié)構(gòu)光軸與處于兩端的人造微結(jié)構(gòu)光軸相互垂直。
全文摘要
一種波導(dǎo)饋源包括一端開口一端封閉的波導(dǎo)、設(shè)置于波導(dǎo)內(nèi)的電磁復(fù)合材料單元及電磁輻射單元，所述電磁復(fù)合材料單元設(shè)置在電磁輻射單元與波導(dǎo)的封閉端之間；電磁輻射單元接收電信號并將電信號后轉(zhuǎn)化為電磁波，電磁復(fù)合材料單元包括至少一片電磁復(fù)合材料片層，每一電磁復(fù)合材料片層包括片狀基板和設(shè)置在片狀基板上的多個人造微結(jié)構(gòu)；所述每一電磁復(fù)合材料片層的折射率由中間區(qū)域向兩端逐漸增大。在波導(dǎo)中填充或者設(shè)置有特定折射率分布的電磁復(fù)合材料單元，可以使電磁輻射單元產(chǎn)生的電磁波發(fā)散，進而從波導(dǎo)口輻射出來電磁波束輻射范圍角度超過100度，使波導(dǎo)饋源電磁波束輻射范圍滿足天線的設(shè)計要求。本發(fā)明還提供一種應(yīng)用波導(dǎo)饋源的天線。
文檔編號H01Q13/02GK102800969SQ20111017880
公開日2012年11月28日 申請日期2011年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月29日
發(fā)明者劉若鵬, 徐冠雄 申請人:深圳光啟高等理工研究院, 深圳光啟創(chuàng)新技術(shù)有限公司