專利名稱：基于電磁雙諧振結(jié)構(gòu)的零折射微波透鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種零折射微波透鏡，特別涉及一種基于電磁雙諧振結(jié)構(gòu)的零折射微波透鏡。
背景技術(shù)：
超常媒質(zhì)(Metamaterial)是將具有特定幾何形狀的基本單元周期性或非周期性的排列所得到的新型人工材料。通過(guò)改變基本單元的結(jié)構(gòu)及參數(shù)，可自由控制超常媒質(zhì)的電磁屬性，即其介電常數(shù)與磁導(dǎo)率。目前的超常媒質(zhì)介電常數(shù)與磁導(dǎo)率可正可負(fù)也可為零，二者可以同號(hào)，也可異號(hào)。因此，若構(gòu)造出介電常數(shù)或磁導(dǎo)率為零的超常媒質(zhì)，則該超常媒質(zhì)的折射率可以為零，即零折射材料(ZIM或Zero Refractive Index Metamaterial)。2002 年，S. Enoch等指出零折射材料具有匯聚電磁波束的功能，因此可以用來(lái)制作微波透鏡，用于提高天線福身寸的定向性(S. Enoch, et al. A metamaterial for directive emission.Physical Review Letters, 2002,89 :213902)?；?S. Enoch 等人的研究結(jié)果，人們很快設(shè)計(jì)出了多種零折射微波透鏡(下面簡(jiǎn)稱零折射透鏡)和零折射透鏡天線。然而，現(xiàn)有的零折射透鏡只是通過(guò)單純的零介電常數(shù)(電諧振)或者單純的零磁導(dǎo)率(磁諧振)來(lái)實(shí)現(xiàn)零折射率，它們與空氣層的阻抗不匹配，如果直接使用會(huì)顯著降低天線的輻射效率。所以，現(xiàn)有的絕大多數(shù)零折射透鏡只能是放置在喇機(jī)天線口面內(nèi)部(Q.Wu, at al. A novel flatlens horn antenna designed based on zero refraction principle of metamaterials,Applied Physics, 2007, A87,151-156),或者是借助天線后方的金屬反射板(比如微帶天線的地板)(Dongho Kim, at al. Analysis of Antenna Gain Enhancement with a NewPlanar Metamaterial Superstrate an Effective Medium and a Fabry-Perot ResonanceApproach, J Infrared Milli Terahz Waves, 2010,31 :1289-1303),或者是直接將天線嵌入到零折射透鏡的內(nèi)部(Cheng Q,at al. Radiation of planar electromagnetic waves bya line source in anisotropic MTMs, Journal of Physics D-Applied Physics,2010,43(33) :335406.)，同時(shí)需要針對(duì)不同的天線分別進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，才能最終起到提高天線增益(天線增益是天線的實(shí)際性能指標(biāo)，它等于天線的輻射定向性系數(shù)乘以天線的效率)的效果。這使得現(xiàn)有的零折射透鏡對(duì)應(yīng)用環(huán)境十分挑剔，而且對(duì)于不同的天線往往不具有通用性，因此很不方便使用。雖然，Ma等人在2009年提出可以利用各向異性的零折射率材料來(lái)改善零折射透鏡與空氣的阻抗匹配特性，從而使零折射透鏡可以和天線分離開(kāi)來(lái)(這樣就可以使零折射透鏡對(duì)于不同的天線具有一定的通用性)(Ma YG, et al. Near-fieldplane-wave-like beam emitting antenna fabricated by anisotropic metamaterial,Applied Physics Letters, 2009,94 (4) :044107.)但是從目前的實(shí)際應(yīng)用結(jié)果來(lái)看,這種各向異性零折射透鏡對(duì)天線增益的提高效果十分有限，甚至不足IdB(參見(jiàn)2011年5月13日公開(kāi)的專利公開(kāi)文件CN102280703中，說(shuō)明書(shū)附圖的圖9)
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是為了解決目前的各向異性零折射透鏡對(duì)天線增益的提高效果低的問(wèn)題，提出了基于電磁雙諧振結(jié)構(gòu)的零折射微波透鏡。本發(fā)明的基于電磁雙諧振結(jié)構(gòu)的零折射微波透鏡，它包括N個(gè)第一條形介質(zhì)基板和N+1個(gè)第二條形介質(zhì)基板，N+1個(gè)第二條形介質(zhì)基板與N個(gè)第一條形介質(zhì)基板相間且相互平行排列，第一條形介質(zhì)基板和第二條形介質(zhì)基板的外形相同；相鄰N個(gè)第一條形介質(zhì)基板和N+1個(gè)第二條形介質(zhì)基板之間的距離分別為dl、d2、dl、d2......d2 ；第一條形介質(zhì)基板是由雙面覆銅的條形介質(zhì)基板蝕刻而成，其中一面上蝕刻有多個(gè)按該條形介質(zhì)基板的長(zhǎng)度方向排列的橫向開(kāi)口的方形開(kāi)口諧振環(huán)SRR，另一面上蝕刻有多個(gè)按該條形介質(zhì)基板的長(zhǎng)度方向排列的豎向開(kāi)口的方形開(kāi)口諧振環(huán)SRR;豎向開(kāi)口的方形開(kāi)口諧振環(huán)SRR的形狀是由橫向開(kāi)口的方形開(kāi)口諧振環(huán)SRR繞其中心旋轉(zhuǎn)90°后獲得的，所述一面上蝕刻有多個(gè)橫向開(kāi)口的方形開(kāi)口諧振環(huán)SRR的位置與另一面上蝕刻有多個(gè) 豎向開(kāi)口的方形開(kāi)口諧振環(huán)SRR的位置——對(duì)應(yīng)；第二條形介質(zhì)基板的單面覆銅的條形介質(zhì)基板蝕刻而成，所述覆銅為長(zhǎng)條形。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于第一條形介質(zhì)基板的作用是利用方形開(kāi)口諧振環(huán)SRR引起磁諧振，使透鏡的磁導(dǎo)率接近于零，第二條形介質(zhì)基板的作用是利用金屬帶條引起電諧振，使透鏡的介電常數(shù)接近于零。本發(fā)明同時(shí)具有電諧振結(jié)構(gòu)和磁諧振結(jié)構(gòu)的零折射透鏡，它的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率可以極為相似的趨勢(shì)趨近于零，從而本發(fā)明與空氣具有極好的阻抗匹配特性，并進(jìn)一步降低折射率及拓寬頻帶。本發(fā)明可以直接放置在傳統(tǒng)天線的口徑上方，并能夠顯著提高天線的輻射增益。本發(fā)明對(duì)不同的天線具有通用性，不需要針對(duì)不同的天線單獨(dú)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。


圖I為本發(fā)明所述的基于電磁雙諧振結(jié)構(gòu)的零折射微波透鏡的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明所述的基于電磁雙諧振結(jié)構(gòu)的零折射微波透鏡的第一條形介質(zhì)基板的一面的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明所述的基于電磁雙諧振結(jié)構(gòu)的零折射微波透鏡的第一條形介質(zhì)基板的另一面的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為本發(fā)明所述的基于電磁雙諧振結(jié)構(gòu)的零折射微波透鏡的第二條形介質(zhì)基板的單面覆銅的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為本發(fā)明所述的基于電磁雙諧振結(jié)構(gòu)的零折射微波透鏡的第一條形介質(zhì)基板的豎向開(kāi)口的方形開(kāi)口諧振環(huán)SRR的結(jié)構(gòu)示意圖。圖6為H面喇叭天線E面遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖，其中，曲線b為現(xiàn)有H面喇叭天線的E面遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖曲線；曲線a為在該天線口面設(shè)置本發(fā)明所述的基于電磁雙諧振結(jié)構(gòu)的零折射微波透鏡后獲得的E面遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖曲線，圖7為在圖6的情況下，在8. 9-10. 8GHz頻率范圍內(nèi)，喇叭天線增益曲線圖。圖8為貼片天線E面遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖，其中，曲線c為現(xiàn)有貼片天線的E面遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖曲線。曲線e為在該天線口面設(shè)置本發(fā)明所述的基于電磁雙諧振結(jié)構(gòu)的零折射微波透鏡后獲得的E面遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖曲線。圖9為圖8的情況下，在9. 7-10. 2GHz頻率范圍內(nèi)，貼片天線增益曲線圖。
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式
一結(jié)合圖I、圖2、圖3、圖4和圖5說(shuō)明本實(shí)施方式，本發(fā)明的基于電磁雙諧振結(jié)構(gòu)的零折射微波透鏡，它包括N個(gè)第一條形介質(zhì)基板I和N+1個(gè)第二條形介質(zhì)基板2，N+1個(gè)第二條形介質(zhì)基板2與N個(gè)第一條形介質(zhì)基板I相間且相互平行排列，第一條形介質(zhì)基板I和第二條形介質(zhì)基板2的外形相同； 相鄰N個(gè)第一條形介質(zhì)基板I和N+1個(gè)第二條形介質(zhì)基板2之間的距離分別為dl、d2、dl、d2......d2 ；第一條形介質(zhì)基板I是由雙面覆銅的條形介質(zhì)基板蝕刻而成,其中一面上蝕刻有多個(gè)按該條形介質(zhì)基板的長(zhǎng)度方向排列的橫向開(kāi)口的方形開(kāi)口諧振環(huán)SRR3,另一面上蝕刻有多個(gè)按該條形介質(zhì)基板的長(zhǎng)度方向排列的豎向開(kāi)口的方形開(kāi)口諧振環(huán)SRR4 ;豎向開(kāi)口的方形開(kāi)口諧振環(huán)SRR4的形狀是由橫向開(kāi)口的方形開(kāi)口諧振環(huán)SRR3繞其中心旋轉(zhuǎn)90°后獲得的，所述一面上蝕刻有多個(gè)橫向開(kāi)口的方形開(kāi)口諧振環(huán)SRR3的位置與另一面上蝕刻有多個(gè)豎向開(kāi)口的方形開(kāi)口諧振環(huán)SRR4的位置一一對(duì)應(yīng)；第二條形介質(zhì)基板2的單面覆銅的條形介質(zhì)基板蝕刻而成，所述覆銅為長(zhǎng)條形。第一條形介質(zhì)基板I和第二條形介質(zhì)基板2的長(zhǎng)度是相同的.具體大小要根據(jù)具體天線而定，天線的口面越大，長(zhǎng)度越長(zhǎng)。其中數(shù)量N取決于天線口面大小，N取適當(dāng)值使透鏡大小略大于天線口面。N為整數(shù)，天線口面越大，N越大。
具體實(shí)施方式
二 結(jié)合圖2說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式是對(duì)具體實(shí)施方式
一所述的基于電磁雙諧振結(jié)構(gòu)的零折射微波透鏡的進(jìn)一步說(shuō)明，所述dl為2. 9mm, d2為3. 7mm。
具體實(shí)施方式
三本實(shí)施方式是對(duì)具體實(shí)施方式
二所述的基于電磁雙諧振結(jié)構(gòu)的零折射微波透鏡的進(jìn)一步說(shuō)明，第一條形介質(zhì)基板I的相鄰的方形開(kāi)口諧振環(huán)SRR距離d3為 I. 2mmo具體實(shí)施方式
四本實(shí)施方式是對(duì)具體實(shí)施方式
三所述的基于電磁雙諧振結(jié)構(gòu)的零折射微波透鏡的進(jìn)一步說(shuō)明，第一條形介質(zhì)基板I和第二條形介質(zhì)基板2的寬度Il均為8mm n具體實(shí)施方式
五本實(shí)施方式是對(duì)具體實(shí)施方式
五所述的基于電磁雙諧振結(jié)構(gòu)的零折射微波透鏡的進(jìn)一步說(shuō)明，第二條形介質(zhì)基板2的長(zhǎng)條形覆銅的寬度13為6. 6mm。
具體實(shí)施方式
六本實(shí)施方式是對(duì)具體實(shí)施方式
六所述的基于電磁雙諧振結(jié)構(gòu)的零折射微波透鏡的進(jìn)一步說(shuō)明，方形開(kāi)口諧振環(huán)SRR的邊長(zhǎng)12為5. 4mm，方形開(kāi)口諧振環(huán)SRR的開(kāi)口寬S為0. 4mm，方形開(kāi)口諧振環(huán)SRR的寬度W為0. 8mm。
具體實(shí)施方式
七本實(shí)施方式是對(duì)具體實(shí)施方式
六所述的基于電磁雙諧振結(jié)構(gòu)的零折射微波透鏡的進(jìn)一步說(shuō)明，第一條形介質(zhì)基板I和第二條形介質(zhì)基板2的厚度均為
0.8mm n具體實(shí)施方式
八本實(shí)施方式是對(duì)具體實(shí)施方式
六所述的基于電磁雙諧振結(jié)構(gòu)的零折射微波透鏡的進(jìn)一步說(shuō)明，介質(zhì)板的介電常數(shù)為2. 2。介質(zhì)板型號(hào)為F4BMX-2。
當(dāng)然也可用其他材料，但需要根據(jù)材料的特性改變透鏡的結(jié)構(gòu)參數(shù)。為了固定介質(zhì)基板可用介電常數(shù)與磁導(dǎo)率接近于空氣的材料做框架。第一條形介質(zhì)基板I和第二條形介質(zhì)基板2按上述尺寸進(jìn)行排布，即可實(shí)現(xiàn)電磁雙諧振，即使介電常數(shù)與磁導(dǎo)率同時(shí)為幾乎相等的接近于零的值，實(shí)現(xiàn)透鏡特性阻抗與空氣的匹配,并進(jìn)一步降低折射率及拓寬頻帶。本發(fā)明的思想同樣適用于其他工作頻率，只需針對(duì)于不同的工作頻率，利用商業(yè)電磁仿真軟件(如CST微波工作室)，對(duì)本天線透鏡進(jìn)行建模仿真，調(diào)整參數(shù)，以適應(yīng)所需頻率。以一個(gè)H面喇叭為例，觀察有 無(wú)透鏡時(shí)，天線方向圖有何變化圖6為H面喇叭天線E面遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖在有無(wú)透鏡的情況下的對(duì)比。由圖6可以發(fā)現(xiàn)，天線E面遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖的定向性有了明顯改善，半功率點(diǎn)波瓣寬度由無(wú)透鏡時(shí)的36. 65°縮小到有透鏡時(shí)的9. 06°，增益提高3. 88dB。圖7為8. 9-10. 8GHz頻率范圍內(nèi)，透鏡對(duì)該喇叭天線增益改善的情況。經(jīng)觀測(cè)，本透鏡在8. 9-10. 8GHz的頻率范圍內(nèi)，頭可以有效提高喇叭天線增益。相對(duì)帶寬達(dá)到19.3%。以一個(gè)貼片天線為例，觀察有無(wú)透鏡時(shí)，天線方向圖有何變化圖8該貼片天線E面遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖在有無(wú)透鏡的情況下的對(duì)比。由圖8可以發(fā)現(xiàn)，天線E面遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖的定向性有了明顯改善，半功率點(diǎn)波瓣寬度由無(wú)透鏡時(shí)的74. 18°縮小到有透鏡時(shí)的24. 24°，增益提高4. 8dB。圖9為9. 7_10. 2GHz的頻率范圍內(nèi)，本透鏡對(duì)該貼片天線增益改善的情況?？梢园l(fā)現(xiàn)，在此頻率范圍內(nèi)，本透鏡都可以有效改善其增益。由此可以看出，本透鏡很寬的頻帶內(nèi)對(duì)喇叭天線和貼片天線都具有相當(dāng)可觀的增益提高效果，證明本透鏡對(duì)不同天線具有通用性，不需針對(duì)不同天線做結(jié)構(gòu)調(diào)整與優(yōu)化。
權(quán)利要求
1.基于電磁雙諧振結(jié)構(gòu)的零折射微波透鏡，其特征在于，它包括N個(gè)第一條形介質(zhì)基板(I)和N+1個(gè)第二條形介質(zhì)基板(2)，N+1個(gè)第二條形介質(zhì)基板(2)與N個(gè)第一條形介質(zhì)基板(I)相間且相互平行排列，第一條形介質(zhì)基板(I)和第二條形介質(zhì)基板(2)的外形相同； 相鄰N個(gè)第一條形介質(zhì)基板(I)和N+1個(gè)第二條形介質(zhì)基板(2)之間的距離分別為dl、d2、dl、d2......d2 ； 第一條形介質(zhì)基板(I)是由雙面覆銅的條形介質(zhì)基板蝕刻而成，其中一面上蝕刻有多個(gè)按該條形介質(zhì)基板的長(zhǎng)度方向排列的橫向開(kāi)口的方形開(kāi)口諧振環(huán)SRR (3),另一面上蝕刻有多個(gè)按該條形介質(zhì)基板的長(zhǎng)度方向排列的豎向開(kāi)口的方形開(kāi)口諧振環(huán)SRR(4);豎向開(kāi)口的方形開(kāi)口諧振環(huán)SRR(4)的形狀是由橫向開(kāi)口的方形開(kāi)口諧振環(huán)SRR(3)繞其中心旋轉(zhuǎn)90°后獲得的，所述一面上蝕刻有多個(gè)橫向開(kāi)口的方形開(kāi)口諧振環(huán)SRR(3)的位置與另一面上蝕刻有多個(gè)豎向開(kāi)口的方形開(kāi)口諧振環(huán)SRR(4)的位置一一對(duì)應(yīng)； 第二條形介質(zhì)基板(2)的單面覆銅的條形介質(zhì)基板蝕刻而成，所述覆銅為長(zhǎng)條形。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于電磁雙諧振結(jié)構(gòu)的零折射微波透鏡，其特征在于，所述dl 為 2. 9mm，d2 為 3. 7mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于電磁雙諧振結(jié)構(gòu)的零折射微波透鏡，其特征在于，第一條形介質(zhì)基板(I)的相鄰的方形開(kāi)口諧振環(huán)SRR距離d3為I. 2mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于電磁雙諧振結(jié)構(gòu)的零折射微波透鏡，其特征在于，第一條形介質(zhì)基板(I)和第二條形介質(zhì)基板(2)的寬度Il均為8_。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于電磁雙諧振結(jié)構(gòu)的零折射微波透鏡，其特征在于，第二條形介質(zhì)基板(2)的長(zhǎng)條形覆銅的寬度13為6. 6_。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于電磁雙諧振結(jié)構(gòu)的零折射微波透鏡，其特征在于，方形開(kāi)口諧振環(huán)SRR的邊長(zhǎng)12為5. 4mm,方形開(kāi)口諧振環(huán)SRR的開(kāi)口寬S為0. 4mm,方形開(kāi)口諧振環(huán)SRR的寬度W為0. 8_。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于電磁雙諧振結(jié)構(gòu)的零折射微波透鏡，其特征在于，第一條形介質(zhì)基板(I)和第二條形介質(zhì)基板(2)的厚度均為0. 8_。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于電磁雙諧振結(jié)構(gòu)的零折射微波透鏡，介質(zhì)板的介電常數(shù)為 2. 2。
全文摘要
基于電磁雙諧振結(jié)構(gòu)的零折射微波透鏡，涉及一種零折射微波透鏡。為了解決目前的各向異性零折射透鏡對(duì)天線增益的提高效果低的問(wèn)題。N+1個(gè)第二條形介質(zhì)基板與N個(gè)第一條形介質(zhì)基板相間且相互平行排列；N個(gè)第一條形介質(zhì)基板和N+1個(gè)第二條形介質(zhì)基板按距離d1、d2、d1、d2……d2排列；第一條形介質(zhì)基板是由雙面覆銅的條形介質(zhì)基板蝕刻而成，兩個(gè)面上分別蝕刻有多個(gè)按該條形介質(zhì)基板的長(zhǎng)度方向排列的方形開(kāi)口諧振環(huán)SRR，一面上的方形開(kāi)口諧振環(huán)SRR的形狀是由另一面上的方形開(kāi)口諧振環(huán)SRR繞其中心旋轉(zhuǎn)90°后獲得的；第二條形介質(zhì)基板2的單面覆銅的條形介質(zhì)基板蝕刻而成，所述覆銅為長(zhǎng)條形。它用于幫助天線提高增益。
文檔編號(hào)H01Q15/08GK102664314SQ20121016566
公開(kāi)日2012年9月12日 申請(qǐng)日期2012年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月25日
發(fā)明者傅佳輝, 華軍, 呂玥瓏, 吳群, 孟繁義, 張狂, 楊國(guó)輝 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)