天線方向圖優(yōu)化裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種天線方向圖優(yōu)化裝置。該天線方向圖優(yōu)化裝置用于優(yōu)化天線方向圖，該天線方向圖優(yōu)化裝置設(shè)置在天線的輻射方向，與天線相隔預(yù)定距離，天線方向圖優(yōu)化裝置包括具有人工生成的微結(jié)構(gòu)的超材料，超材料包括至少一個(gè)超材料片層。通過本發(fā)明，解決了現(xiàn)有技術(shù)中天線方向圖優(yōu)化的方案比較復(fù)雜的問題。
【專利說明】天線方向圖優(yōu)化裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及天線領(lǐng)域，具體而言，涉及一種天線方向圖優(yōu)化裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]材料的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率通常由材料中的微觀結(jié)構(gòu)對(duì)電磁波的響應(yīng)決定。
[0003]超材料是一種以人造微結(jié)構(gòu)為基本單元，以特定方式空間排布，具有特殊電磁響應(yīng)的新型材料，其對(duì)電磁響應(yīng)的特征往往不取決于其構(gòu)成材料的本征性質(zhì)，而是由其人造微結(jié)構(gòu)的特征所決定。人造微結(jié)構(gòu)的電磁響應(yīng)很大程度上取決于人造微結(jié)構(gòu)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和幾何尺寸，其幾何尺寸通常不超過所需響應(yīng)的電磁波波長(zhǎng)的十分之一。
[0004]超材料包括人造微結(jié)構(gòu)以及人造微結(jié)構(gòu)所附著的材料，該附著材料對(duì)人造微結(jié)構(gòu)起支撐作用，這兩種材料的疊加會(huì)在空間中產(chǎn)生一個(gè)等效介電常數(shù)和磁導(dǎo)率，等效介電常數(shù)和磁導(dǎo)率分別對(duì)應(yīng)材料的電場(chǎng)響應(yīng)與磁場(chǎng)響應(yīng)。人為設(shè)計(jì)、改變?nèi)嗽煳⒔Y(jié)構(gòu)，可以達(dá)到所需的等效介電常數(shù)和磁導(dǎo)率，得到許多理想的物理特性。
[0005]現(xiàn)有的天線優(yōu)化方向圖的方案都是通過調(diào)整天線本身來實(shí)現(xiàn)，如:要實(shí)現(xiàn)低副瓣的方向圖，對(duì)于相控陣天線，需要幅相加權(quán)，對(duì)于普通反射面天線，需要特別設(shè)計(jì)反射面的外形和曲率；要對(duì)多波束天線的多個(gè)主峰、副瓣進(jìn)行調(diào)節(jié)，相控陣需要重新調(diào)整幅相，反射面天線需要重新排布各饋源的位置?？偠灾?，現(xiàn)有的天線對(duì)方向圖進(jìn)行優(yōu)化是比較復(fù)雜和困難的。
[0006]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中天線方向圖優(yōu)化的方案比較復(fù)雜的問題，目前尚未提出有效的解決方案。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的主要目的在于提供一種天線方向圖優(yōu)化裝置，以解決現(xiàn)有技術(shù)中天線方向圖優(yōu)化的方案比較復(fù)雜的問題。
[0008]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種天線方向圖優(yōu)化裝置。該天線方向圖優(yōu)化裝置，用于優(yōu)化天線方向圖，該天線方向圖優(yōu)化裝置設(shè)置在天線的輻射方向，與天線相隔預(yù)定距離，天線方向圖優(yōu)化裝置包括具有人工生成的微結(jié)構(gòu)的超材料，超材料包括至少一個(gè)超材料片層。
[0009]進(jìn)一步地，超材料為多個(gè)超材料片層平行堆疊的疊層結(jié)構(gòu)超材料。
[0010]進(jìn)一步地，超材料片層包括基板和微結(jié)構(gòu)，其中，微結(jié)構(gòu)附著在基板上。
[0011]進(jìn)一步地，超材料為第一超材料或者第二超材料，或者第一超材料和第二超材料組合在一起的組合超材料，其中，第一超材料為通過調(diào)節(jié)天線的福射近場(chǎng)的相位分布調(diào)節(jié)天線方向圖的超材料；第二超材料為通過調(diào)節(jié)天線的輻射近場(chǎng)的幅值分布調(diào)節(jié)天線方向圖的超材料。
[0012]進(jìn)一步地，第一超材料為由第一超材料片層平行層疊的疊層結(jié)構(gòu)超材料，第一超材料片層包括第一基板和附著在第一基板的第一微結(jié)構(gòu)。
[0013]進(jìn)一步地，第一微結(jié)構(gòu)允許生長(zhǎng)的折射率范圍為1.483?3.569，介電損耗不超過
0.0008。
[0014]進(jìn)一步地，第一微結(jié)構(gòu)采用雪花型結(jié)構(gòu)、“十”字形結(jié)構(gòu)或“工”字型結(jié)構(gòu)中的任一種結(jié)構(gòu)。
[0015]進(jìn)一步地，第一微結(jié)構(gòu)在第一基板上采用非均勻排布方式，排布方法如下:
[0016]步驟SI,通過公式 n=nmin+ (phaseO (y) - min (phaseO) )/360* λ /D 計(jì)算得出第一超材料剖面上的折射率分布，
[0017]其中nmin為第一超材料的最小折射率,phaseO (y)為第一超材料前表面中心位置處的相位，min (phaseO)為第一超材料前表面位置上的最小相位，λ為天線在固定工作頻率下的輻射波長(zhǎng)，D為第一超材料的厚度；
[0018]步驟S2，將第一超材料剖面上的折射率分布與第一微結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)過程中的色散曲線對(duì)應(yīng)起來，得到第一超材料剖面上的第一微結(jié)構(gòu)的排布；
[0019]步驟S3,將第一超材料剖面上的第一微結(jié)構(gòu)的排布座橫向延拓,得到第一超材料正面上的微結(jié)構(gòu)排布。
[0020]進(jìn)一步地，第二超材料為由第二超材料片層平行層疊的疊層結(jié)構(gòu)超材料，第二超材料片層包括第二基板和附著在第二基板的吸波材料。
[0021]進(jìn)一步地，吸波材料的中心采用的材料損耗小于周邊采用材料的損耗。
[0022]進(jìn)一步地，損耗包括介電損耗和/或磁損耗，吸波材料為導(dǎo)電油墨、鐵氧體、石墨、碳纖維、碳納米管中任一種或多種的組合。
[0023]進(jìn)一步地，第二基板采用低介電和/或低損耗的材質(zhì)的基板，吸波材料可以通過貼附、混合、噴涂、沉積中一種或者多種方式附著在第二基板上。
[0024]進(jìn)一步地，天線包括天線陣。
[0025]進(jìn)一步地，天線方向圖為單波束天線方向圖或多波束天線方向圖，組合超材料為通過調(diào)節(jié)天線輻射近場(chǎng)的相位分布和天線輻射近場(chǎng)的幅值分布的超材料。
[0026]進(jìn)一步地，天線方向圖優(yōu)化裝置設(shè)置于飛行器、機(jī)動(dòng)車或船的通信設(shè)備的天線上。
[0027]通過本發(fā)明，采用在天線的輻射方向設(shè)置天線方向圖優(yōu)化裝置，解決了現(xiàn)有技術(shù)中天線方向圖優(yōu)化的方案比較復(fù)雜的問題，進(jìn)而達(dá)到了優(yōu)化天線方向圖的效果。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分的附圖用來提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，本發(fā)明的示意性實(shí)施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的不當(dāng)限定。在附圖中:
[0029]圖1是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的天線方向圖優(yōu)化裝置安裝位置示意圖；
[0030]圖2是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的加裝天線方向圖優(yōu)化裝置前后天線方向圖的對(duì)比圖；
[0031]圖3是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的加裝天線方向圖優(yōu)化裝置前后天線方向圖的主瓣局部對(duì)比圖；
[0032]圖4是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例天線方向圖優(yōu)化裝置前表面位置處的相位圖；
[0033]圖5是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例天線方向圖優(yōu)化裝置的超材料結(jié)構(gòu)剖面上折射率分布圖；
[0034]圖6是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例天線方向圖優(yōu)化裝置的超材料正面上的微結(jié)構(gòu)排布圖；
[0035]圖7是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例天線方向圖優(yōu)化裝置的超材料疊層結(jié)構(gòu)剖面圖；
[0036]圖8是根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的加裝天線方向圖優(yōu)化裝置前后方向圖的對(duì)比圖；
[0037]圖9是根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例天線方向圖優(yōu)化裝置的超材料結(jié)構(gòu)剖面上損耗分布圖；
[0038]圖10是根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的加裝天線方向圖優(yōu)化裝置前陣列天線俯仰面的方向圖；
[0039]圖11是根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的加裝天線方向圖優(yōu)化裝置前后第一波束方向圖的對(duì)比圖；
[0040]圖12是根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的加裝天線方向圖優(yōu)化裝置前后第二波束方向圖的對(duì)比圖；
[0041]圖13是根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的加裝天線方向圖優(yōu)化裝置前后第三波束方向圖的對(duì)比圖；
[0042]圖14是根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例天線方向圖優(yōu)化裝置的超材料結(jié)構(gòu)剖面上折射率的實(shí)部分布圖；
[0043]圖15是根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例天線方向圖優(yōu)化裝置的超材料結(jié)構(gòu)剖面上折射率的虛部分布圖；
[0044]圖16是根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例天線方向圖優(yōu)化裝置的超材料正面上微結(jié)構(gòu)排布下端局部圖；
[0045]圖17是根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例天線方向圖優(yōu)化裝置的超材料正面上微結(jié)構(gòu)排布上端局部圖；以及
[0046]圖18是根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例天線方向圖優(yōu)化裝置的超材料疊層結(jié)構(gòu)剖面圖。

【具體實(shí)施方式】
[0047]需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請(qǐng)中的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互組合。下面將參考附圖并結(jié)合實(shí)施例來詳細(xì)說明本發(fā)明。
[0048]本發(fā)明實(shí)施例提供了一種天線方向圖優(yōu)化裝置，用于優(yōu)化天線方向圖。該天線方向圖優(yōu)化裝置設(shè)置在天線的輻射方向，與天線相隔預(yù)定距離，天線方向圖優(yōu)化裝置包括具有人工生成的微結(jié)構(gòu)的超材料，超材料包括至少一個(gè)超材料片層。
[0049]圖1是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的天線方向圖優(yōu)化裝置安裝位置示意圖。如圖1所示，天線方向圖優(yōu)化裝置2安裝在天線I的輻射方向，圖中箭頭所示的方向?yàn)樘炀€I的輻射方向，天線方向圖優(yōu)化裝置2與天線I相隔預(yù)定距離，該預(yù)定距離可以根據(jù)天線工作環(huán)境，天氣環(huán)境以及需要達(dá)到的優(yōu)化效果進(jìn)行調(diào)整。
[0050]在本實(shí)施例中，天線方向圖優(yōu)化裝置2設(shè)置在天線I的輻射方向，且該天線方向圖優(yōu)化裝置2可以采用具有人工生成的微結(jié)構(gòu)的超材料，該超材料包括至少一個(gè)超材料片層，通過人為地改變超材料中微結(jié)構(gòu)的類型和排布等，實(shí)現(xiàn)對(duì)天線輻射波的調(diào)節(jié)，從而調(diào)節(jié)天線I的波束方向圖。超材料可以為具有特殊電磁響應(yīng)的材料，其微結(jié)構(gòu)可以根據(jù)需要進(jìn)行改變，以達(dá)到所需要的電磁參數(shù)。天線方向圖優(yōu)化裝置2通過調(diào)節(jié)天線方向圖實(shí)現(xiàn)優(yōu)化天線I波束方向圖的目的。
[0051]優(yōu)選地，超材料為等效介電常數(shù)和磁導(dǎo)率非均勻分布的材料。其中等效介電常數(shù)和磁導(dǎo)率非均勻分布的超材料可以通過人為設(shè)計(jì)以改變材料內(nèi)部微結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。采用等效介電常數(shù)和磁導(dǎo)率非均勻分布的材料能夠使得天線I輻射波經(jīng)過由該超材料制成的天線方向圖優(yōu)化裝置2時(shí)，天線I輻射波各處的消耗可以根據(jù)不同需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)優(yōu)化天線I波束方向圖的目的。
[0052]在本發(fā)明實(shí)施例中，由于在天線I外部加裝天線方向圖優(yōu)化裝置2對(duì)天線I的波束方向圖進(jìn)行調(diào)節(jié)，因而不需要改變天線的原有的設(shè)計(jì)和形態(tài)。
[0053]超材料為多個(gè)超材料片層平行堆疊的疊層結(jié)構(gòu)超材料。
[0054]超材料片層包括基板和微結(jié)構(gòu)，其中，微結(jié)構(gòu)附著在基板上。其中基板可以采用聚四氟乙烯材料(例如F4b板)，也可以是采用低介電低損耗的材料(例如泡沫)或者陶瓷材料。其中微結(jié)構(gòu)可以是生在在基板上的雪花型結(jié)構(gòu)、“工”字形結(jié)構(gòu)、“十”字形結(jié)構(gòu)等，也可以是通過貼附、混合、噴涂、沉積等方式生成的吸波材料微結(jié)構(gòu)。
[0055]超材料為第一超材料或者第二超材料，或者第一超材料和第二超材料組合在一起的組合超材料，其中，第一超材料為通過調(diào)節(jié)天線的輻射近場(chǎng)的相位分布調(diào)節(jié)天線方向圖的超材料；第二超材料為通過調(diào)節(jié)天線的輻射近場(chǎng)的幅值分布調(diào)節(jié)天線方向圖的超材料。
[0056]優(yōu)選地,第一超材料為由第一超材料片層平行層疊的疊層結(jié)構(gòu)超材料，第一超材料片層包括第一基板和附著在第一基板的第一微結(jié)構(gòu)。通過層疊結(jié)構(gòu)的第一超材料，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輻射近場(chǎng)的相位分布的連續(xù)調(diào)節(jié)，達(dá)到優(yōu)化天線I方向圖的目的。
[0057]優(yōu)選地，本發(fā)明第一實(shí)施例的天線方向圖優(yōu)化裝置2包括第一超材料，可以用于通過調(diào)節(jié)天線I的輻射近場(chǎng)的相位分布調(diào)節(jié)天線方向圖。利用等效介電常數(shù)和磁導(dǎo)率非均勻分布的材料在天線I輻射近場(chǎng)上的不同相位延遲來實(shí)現(xiàn)對(duì)天線I的輻射近場(chǎng)的相位分布的調(diào)節(jié)，進(jìn)而達(dá)到優(yōu)化方向圖的目的。對(duì)天線I的輻射近場(chǎng)的相位分布的調(diào)節(jié)可以用半波束角度HPBW的大小來判斷，半波束角度HPBW越小，天線主瓣方向性越強(qiáng)。
[0058]本發(fā)明第一實(shí)施例中，天線I在1.7GHz的工作頻率下工作，該天線I為等副同相線源陣，線源(即天線I)長(zhǎng)度為529mm。
[0059]圖2是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的加裝天線方向圖優(yōu)化裝置2前后天線方向圖的對(duì)比圖。如圖2所示，曲線11為加裝天線方向圖優(yōu)化裝置2前的歸一化方向圖，曲線12為加裝天線方向圖優(yōu)化裝置2后的歸一化方向圖。天線方向圖優(yōu)化裝置2安裝在天線I的輻射方向，距離天線I的線源反射板104mm，其中天線方向圖優(yōu)化裝置2厚度D為20mm，與天線I的線源反射板等長(zhǎng)(天線方向圖優(yōu)化裝置2的長(zhǎng)度可以略短于線源反射板或者比線源反射板更長(zhǎng)，天線方向圖優(yōu)化裝置2比線源反射板短很多的時(shí)候效果不明顯)。根據(jù)圖2我們可以看出在加裝天線方向圖優(yōu)化裝置2前后，天線I的方向圖發(fā)生了變化。
[0060]圖3是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的加裝天線方向圖優(yōu)化裝置2前后天線方向圖的主瓣局部對(duì)比圖。如圖3所示，曲線13為加裝天線方向圖優(yōu)化裝置2前的主瓣局部曲線圖，曲線14為加裝天線方向圖優(yōu)化裝置2后的主瓣局部曲線圖。加裝天線方向圖優(yōu)化裝置2前，半波束角度HPBW為17.29° ;加裝天線方向圖優(yōu)化裝置2后半波束角度HPBW為16.27°。半波束角度HPBW的變化可以反映出方向圖相位的變化。加裝天線方向圖優(yōu)化裝置2后，天線方向圖的半波束角度HPBW明顯減小，天線2主瓣方向性更強(qiáng)，優(yōu)化了天線I的方向圖。
[0061]下面對(duì)本發(fā)明第一實(shí)施例的的天線方向圖優(yōu)化裝置2的第一超材料的制作過程進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0062]天線方向圖優(yōu)化裝置2的第一超材料為多個(gè)第一超材料片層平行堆疊的疊層結(jié)構(gòu)超材料。該第一超材料片層采用具有人為設(shè)計(jì)的第一微結(jié)構(gòu)制成，其中第一超材料的第一微結(jié)構(gòu)為在基板上生成的雪花型結(jié)構(gòu)(也可以為“工”字形結(jié)構(gòu)、“十”字形結(jié)構(gòu)等)的結(jié)構(gòu)層，微結(jié)構(gòu)的類型可以根據(jù)需要進(jìn)行相應(yīng)的選擇，在本發(fā)明第一實(shí)施例中優(yōu)選為雪花型結(jié)構(gòu)?；蹇梢圆捎镁鬯姆蚁┎牧?例如F4b板)。
[0063]優(yōu)選地，第一基板采用介電常數(shù)為2.2、厚度3.18mm基板；第一微結(jié)構(gòu)采用雪花型結(jié)構(gòu)，允許生長(zhǎng)的折射率范圍為1.483?3.569，介電損耗不超過0.0008。
[0064]進(jìn)一步優(yōu)選地,辦發(fā)明第一實(shí)施例中的第一超材料的第一微結(jié)構(gòu)選擇晶格大小為16mm,線寬為1.2mm的微結(jié)構(gòu)。第一基板可以選取介電常數(shù)為2.2,厚度3.18mm (含銅厚，該基板包含有兩層銅層，每層銅層厚度35 μ m)的聚四氟乙烯F4b板作為第一基板。
[0065]優(yōu)選地，第一微結(jié)構(gòu)在第一基板上可以采用非均勻排布方式。在第一超材料的制作過程中，根據(jù)由于對(duì)天線各波束的調(diào)節(jié)中，天線方向圖優(yōu)化裝置對(duì)需要優(yōu)化的天線輻射波各處損耗不一致，因此，第一微結(jié)構(gòu)采用非均勻方式排布能夠根據(jù)需要進(jìn)行天線方向圖的優(yōu)化。
[0066]第一超材料的第一微結(jié)構(gòu)的非均勻排布方法如下:
[0067]步驟SI,通過公式 n=nmin+ (phaseO (y) - min (phaseO) )/360* λ /D 計(jì)算得出第一超材料剖面上的折射率分布，其中nmin為第一超材料的最小折射率，phaseO (y)為第一超材料前表面中心位置處的相位，min (phaseO)為第一超材料前表面位置上的最小相位，入為天線在固定工作頻率下的輻射波長(zhǎng)，D為第一超材料的厚度。
[0068]步驟S2，將第一超材料剖面上的折射率分布與第一微結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)過程中的色散曲線對(duì)應(yīng)起來，得到第一超材料剖面上的第一微結(jié)構(gòu)的排布。
[0069]步驟S3,將第一超材料剖面上的第一微結(jié)構(gòu)的排布座橫向延拓,得到第一超材料正面上的微結(jié)構(gòu)排布。
[0070]在本實(shí)施例中，將天線I主瓣方向(也即是輻射方向)定為z方向，將天線方向圖優(yōu)化裝置2正對(duì)天線的表面定為天線方向圖優(yōu)化裝置2的第一超材料前表面，該前表面作為χ-y平面，其中豎直方向?yàn)閥 (第一超材料的前表面中心位置標(biāo)記為y=0)，水平方向?yàn)棣?;在原線源陣的近場(chǎng)幅相分布中，提取第一超材料前表面位置處的相位phaseO (y)(單位deg)，如圖4所示。
[0071]圖5是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例天線方向圖優(yōu)化裝置2的第一超材料結(jié)構(gòu)剖面上折射率分布圖。天線方向圖優(yōu)化裝置2的第一超材料結(jié)構(gòu)剖面上各點(diǎn)處的折射率計(jì)算公式為:
[0072]n=nmin+ (phaseO (y) - min (phaseO))/360* λ (il.7GHz) /D,其中 nmin 為超材料的第一微結(jié)構(gòu)的最小折射率，phaseO (y)為第一超材料前表面中心位置處的相位，Hiin(PhaseO)為天線方向圖優(yōu)化裝置2前表面位置上的最小相位，λ為天線I工作在
1.7GHz的工作頻率下的輻射波長(zhǎng)，D為天線方向圖優(yōu)化裝置2的厚度。
[0073]天線方向圖優(yōu)化裝置2的正面上第一超材料的第一超材料片層的第一微結(jié)構(gòu)排布方法為:將天線方向圖優(yōu)化裝置2的第一超材料的橫剖面上(即平行于x-z平面的剖面)折射率與第一微結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)過程中的色散曲線對(duì)應(yīng)起來，得到橫剖面上的第一微結(jié)構(gòu)排布，再將橫剖面上的第一微結(jié)構(gòu)排布做橫向(y方向)延拓(平移)，得到天線方向圖優(yōu)化裝置2的正面上第一超材料的第一超材料片層的第一微結(jié)構(gòu)排布，如圖6所示。
[0074]圖7是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例天線方向圖優(yōu)化裝置2的第一超材料疊層結(jié)構(gòu)剖面圖。如圖7所示，天線方向圖優(yōu)化裝置2采用第一超材料疊層結(jié)構(gòu)，，本實(shí)施例中，該疊層結(jié)構(gòu)包括7層F4b基板和6層線路組成，其中6層線路均為第一超材料片層，每層線路均與上述天線方向圖優(yōu)化裝置2的正面上第一超材料片層的第一微結(jié)構(gòu)排布方式相同，且各線路與第一基板之間無縫隙，圖8所示縫隙是為了更好地區(qū)分第一基板與線路，只是起到示意圖的作用，并不對(duì)本實(shí)施例有不當(dāng)限定。
[0075]需要說明的是，本實(shí)施例中個(gè)數(shù)據(jù)參數(shù)(天線工作頻率，線源長(zhǎng)度，天線方向圖優(yōu)化裝置的厚度等)均為優(yōu)選參數(shù)，其中任一數(shù)據(jù)參數(shù)均可以在該數(shù)據(jù)參數(shù)上下一定的范圍選取(如天線方向圖優(yōu)化裝置的厚度可以選擇15_或者25_等)，本實(shí)施例中個(gè)數(shù)據(jù)參數(shù)只是為詳細(xì)描述技術(shù)方案和繪圖等提供數(shù)據(jù)依據(jù)，并不對(duì)本實(shí)施例和本發(fā)明有不當(dāng)限定。
[0076]在本發(fā)明的第二實(shí)施例中，天線方向圖優(yōu)化裝置采用第二超材料可以用于通過調(diào)節(jié)天線的輻射近場(chǎng)的幅值分布調(diào)節(jié)天線方向圖。其中，第二超材料為由第二超材料片層平行層疊的疊層結(jié)構(gòu)超材料，第二超材料片層包括第二基板和附著在第二基板的吸波材料。天線方向圖優(yōu)化裝置主要通過降低波束方向圖的副瓣調(diào)節(jié)天線的輻射近場(chǎng)的幅值分布，進(jìn)而達(dá)到優(yōu)化天線方向圖的目的。降低方向圖的副瓣，進(jìn)而降低副瓣電平，達(dá)到增強(qiáng)天線抗干擾能力的效果。
[0077]優(yōu)選地，吸波材料的中心采用的材料損耗小于周邊采用材料的損耗。天線方向圖優(yōu)化裝置可以通過控制自身具有的吸波材料各處的損耗來調(diào)節(jié)天線的輻射近場(chǎng)的幅值分布，其中吸波材料為第二超材料的一部分。通過減小對(duì)輻射近場(chǎng)的主瓣幅值的的消耗，加大對(duì)輻射近場(chǎng)的副瓣幅值的消耗，以降低方向圖的副瓣，達(dá)到增強(qiáng)天線抗干擾能力的效果。
[0078]優(yōu)選地，第二基板采用低介電和/或低損耗的材質(zhì)的基板，吸波材料可以通過貼附、混合、噴涂、沉積中一種或者多種方式附著在第二基板上。采用低介電和/或低損耗的第二基板可以避免在調(diào)節(jié)天線方向圖的時(shí)候由于第二基板本身的損耗帶來的影響，使得通過第二超材料對(duì)天線方向圖的調(diào)節(jié)的作用足夠明顯。
[0079]進(jìn)一步優(yōu)選地，該損耗主要包括介電損耗和/或磁損耗。吸波材料為導(dǎo)電油墨、鐵氧體、石墨、碳纖維、碳納米管中任一種或多種的組合。
[0080]天線方向圖優(yōu)化裝置的中心采用的材料損耗小于周邊采用材料的損耗。該第二超材料可以采用在低介電、低損耗基板上(如泡沫)貼附、混合、噴涂、沉積吸波材料(如導(dǎo)電油墨、鐵氧體、石墨、碳纖維、碳納米管等)的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)制作，針對(duì)不同的波段要求、帶寬要求和環(huán)境要求，選擇不同的吸波材料，通過嚴(yán)格控制貼附、噴涂、混合的吸波材料的層數(shù)、厚度和體積比例，或搭配使用吸波性能不同的多種材料，使材料剖面上呈現(xiàn)中心處的損耗小于周邊的損耗分布，從而達(dá)到控制近場(chǎng)幅值分布的目的。
[0081]下面詳細(xì)介紹本發(fā)明第二實(shí)施例的實(shí)現(xiàn)過程。
[0082]本發(fā)明第二實(shí)施例中，選擇天線工作在10GHz，其中天線為等副同相線源陣，線源(即天線)長(zhǎng)度為270mm。
[0083]圖8是根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的加裝天線方向圖優(yōu)化裝置前后方向圖的對(duì)比圖。如圖8所示，曲線21為加裝天線方向圖優(yōu)化裝置前的歸一化方向圖，曲線22為加裝天線方向圖優(yōu)化裝置后的歸一化方向圖。當(dāng)在線源陣的輻射方向，距離天線的線源反射板15_處加裝D=3mm厚，與線源反射板等長(zhǎng)(天線方向圖優(yōu)化裝置2的長(zhǎng)度可以略短于線源反射板或者比線源反射板更長(zhǎng)，天線方向圖優(yōu)化裝置2比線源反射板短很多的時(shí)候效果不明顯)的天線方向圖優(yōu)化裝置后，副瓣電平得到明顯的壓制，天線抗干擾能力變強(qiáng)。
[0084]第二超材料對(duì)幅值分布的調(diào)整通過控制材料各處的損耗來實(shí)現(xiàn)，圖12所示為天線方向圖優(yōu)化裝置的第二超材料縱剖面上損耗角(介電損耗或磁損耗)正切的分布圖，縱剖面上的損耗分布的規(guī)律為:中心處采用的材料損耗小于周邊采用材料的損耗，使天線近場(chǎng)的幅度分布近似于泰勒分布，達(dá)到降低副瓣幅值的目的。
[0085]本實(shí)施例中第二超材料可以采用在低介電、低損耗基板上(如泡沫)貼附、混合、噴涂、沉積吸波材料(如導(dǎo)電油墨、鐵氧體、石墨、碳纖維、碳納米管等)的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)制作，針對(duì)不同的波段要求、帶寬要求和環(huán)境要求，選擇不同的吸波材料，通過嚴(yán)格控制貼附、噴涂、混合的吸波材料的層數(shù)、厚度和體積比例，或搭配使用吸波性能不同的多種材料，使材料剖面上呈現(xiàn)中心處的損耗小于周邊的損耗分布，從而達(dá)到控制近場(chǎng)幅值分布的目的。
[0086]需要說明的是，本實(shí)施例中個(gè)數(shù)據(jù)參數(shù)(天線工作頻率，線源長(zhǎng)度，天線方向圖優(yōu)化裝置的厚度等)均為優(yōu)選參數(shù)，其中任一數(shù)據(jù)參數(shù)均可以在該數(shù)據(jù)參數(shù)上下一定的范圍選取(如天線方向圖優(yōu)化裝置的厚度可以選擇Imm或者5_等)，本實(shí)施例中個(gè)數(shù)據(jù)參數(shù)只是為詳細(xì)描述技術(shù)方案和繪圖等提供數(shù)據(jù)依據(jù)，并不對(duì)本實(shí)施例和本發(fā)明有不當(dāng)限定。
[0087]天線的波束方向圖可以為單波束天線方向圖或多波束天線方向圖。其中單波束天線方向圖對(duì)應(yīng)于單個(gè)天線，多波束天線方向圖對(duì)應(yīng)于多個(gè)天線組成的陣列天線等組合天線。
[0088]優(yōu)選地，天線包括天線陣。由于在實(shí)際使用過程中，會(huì)經(jīng)常使用到天線陣，本發(fā)明第三實(shí)施例的天線方向圖優(yōu)化裝置由于采用了包括第一超材料和第二超材料的組合超材料，通過分別對(duì)天線陣中的各天線的波束方向圖的幅值和相位進(jìn)行調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)天線陣的調(diào)節(jié)。
[0089]優(yōu)選地，波束方向圖為單波束天線方向圖或多波束天線方向圖，組合超材料為通過調(diào)節(jié)天線福射近場(chǎng)的相位分布和天線福射近場(chǎng)的幅值分布的超材料。單波束天線方向圖對(duì)應(yīng)單天線，多波束天線方向圖對(duì)應(yīng)天線陣。組合超材料為第一超材料和第二超材料的組合形式。當(dāng)波束天線方向圖為多波束天線方向圖時(shí)，天線方向圖優(yōu)化裝置用于調(diào)節(jié)天線輻射近場(chǎng)的相位分布和天線輻射近場(chǎng)的幅值分布以達(dá)到優(yōu)化各個(gè)波束天線方向圖，進(jìn)而達(dá)到優(yōu)化整個(gè)多波束天線方向圖的效果。
[0090]下面詳細(xì)介紹本發(fā)明第三實(shí)施例的實(shí)現(xiàn)過程。以下所述的第一超材料可以通過第一實(shí)施例中的方法得到，第二超材料可以通過第二實(shí)施例中的方法得到。
[0091]在發(fā)明的第三實(shí)施例中，選用工作頻率為3.3GHz, 口徑面高度為1.1m的陣列天線來對(duì)本方案進(jìn)行詳細(xì)說明，其中陣列天線包含至少3個(gè)天線波束。
[0092]圖10是根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的加裝天線方向圖優(yōu)化裝置前陣列天線俯仰面的方向圖。如圖10所示，方向圖中主瓣相位為負(fù)角度波束的是打地波束也即是第一波束，對(duì)應(yīng)于圖中方向圖31 ;第二波束的方向圖32的相位為O角度；第三波束的方向圖33的相位為正角度。在陣列天線福射方向與反射板的間距27mm處加裝D=30mm厚,并與陣列天線等高的方向圖優(yōu)化裝置后，如圖11所示的第一波束中的曲線34，圖12所示的第二波束中的曲線35以及圖13所示的第三波束中的曲線36，各波束方向圖副瓣點(diǎn)評(píng)均有所降低，其中打地副瓣電平得到明顯的壓制，天線抗干擾能力增強(qiáng)。
[0093]本實(shí)施例中，將天線主瓣方向也即是輻射方向定為z方向，將天線方向圖優(yōu)化裝置正對(duì)天線的表面定為天線方向圖優(yōu)化裝置的前表面，該前表面作為x-y平面，其中豎直方向?yàn)閥(天線方向圖優(yōu)化裝置的中心位置標(biāo)記為y=0)，水平方向?yàn)棣帧?br> [0094]天線方向圖優(yōu)化裝置的組合超材料中的第一超材料縱剖面上的折射率分布如圖14 (實(shí)部)，圖15 (虛部)所示。天線方向圖優(yōu)化裝置的正面上第一超材料的超材料片層的微結(jié)構(gòu)排布方法為:將天線方向圖優(yōu)化裝置的第一超材料結(jié)構(gòu)橫剖面上(即平行于x-z平面的剖面)折射率與微結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)過程中的色散曲線對(duì)應(yīng)起來，得到橫剖面上的微結(jié)構(gòu)排布，再將橫剖面上的微結(jié)構(gòu)排布做橫向(y方向)延拓(平移)，得到天線方向圖優(yōu)化裝置的正面上超材料的超材料片層上的微結(jié)構(gòu)排布，如圖16為下端局部圖，圖17為上端局部圖。
[0095]第一超材料的微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì):選取介電常數(shù)2.2、厚度3.1?3.2mm (含銅厚，包含有兩層銅層，每層銅層厚度35 μ m)的聚四氟乙烯F4b板作為基板，微結(jié)構(gòu)類型為雪花型(也可以為“工”字形結(jié)構(gòu)、“十”字形結(jié)構(gòu)等)的結(jié)構(gòu)層，微結(jié)構(gòu)的類型可以根據(jù)需要進(jìn)行相應(yīng)的選擇，晶格大小9mm，線寬0.4mm,隨微結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)其允許的折射率范圍為1.481?2.439，介電損耗不超過0.0005。
[0096]天線方向圖優(yōu)化裝置采用多層超材料片層的疊層結(jié)構(gòu)，如圖18所示，該疊層結(jié)構(gòu)包括10層在F4b基板和9層線路組成，其中9層線路均為第一超材料超材料片層，每層線路均與第一實(shí)施例的天線方向圖優(yōu)化裝置的正面上第一超材料的第一超材料片層的第一微結(jié)構(gòu)排布方式相同，且各線路與基板之間無縫隙，圖23所示縫隙是為了更好地區(qū)分基板和線路，只是起到示意圖的作用，并不對(duì)本實(shí)施例有不當(dāng)限定。
[0097]本實(shí)施例中天線方向圖優(yōu)化裝置對(duì)幅值分布的調(diào)整通過控制第二超材料各處的損耗來實(shí)現(xiàn)。其中第二超材料可以采用在低介電、低損耗基板上(如泡沫)貼附、混合、噴涂、沉積吸波材料(如導(dǎo)電油墨、鐵氧體、石墨、碳纖維、碳納米管等)的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)制作，針對(duì)不同的波段要求、帶寬要求和環(huán)境要求，選擇不同的吸波材料，通過嚴(yán)格控制貼附、噴涂、混合的吸波材料的層數(shù)、厚度和體積比例，或搭配使用吸波性能不同的多種材料，使材料剖面上呈現(xiàn)中心處損耗小、周邊損耗大的損耗分布曲線，從而達(dá)到控制近場(chǎng)幅值分布的目的。
[0098]將第三實(shí)施例中得到的第一超材料和第二超材料疊加起來即可得到組合超材料，已達(dá)到調(diào)節(jié)天線輻射近場(chǎng)的相位分布和天線輻射近場(chǎng)的幅值分布進(jìn)而優(yōu)化各個(gè)波束天線方向圖的目的。
[0099]需要說明的是，本實(shí)施例中個(gè)數(shù)據(jù)參數(shù)(天線工作頻率，線源長(zhǎng)度，天線方向圖優(yōu)化裝置的厚度等)均為優(yōu)選參數(shù)，其中任一數(shù)據(jù)參數(shù)均可以在該數(shù)據(jù)參數(shù)上下一定的范圍選取(如天線方向圖優(yōu)化裝置的厚度可以選擇25_或者35_等)，本實(shí)施例中個(gè)數(shù)據(jù)參數(shù)只是為詳細(xì)描述技術(shù)方案和繪圖等提供數(shù)據(jù)依據(jù)，并不對(duì)本實(shí)施例和本發(fā)明有不當(dāng)限定。
[0100]從以上的描述中，可以看出，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了如下技術(shù)效果:
[0101 ] 由于在天線外部加裝天線方向圖優(yōu)化裝置對(duì)天線的波束方向圖進(jìn)行調(diào)節(jié)，因而不需要改變天線的原有的設(shè)計(jì)和形態(tài)。
[0102]通過調(diào)節(jié)天線的輻射近場(chǎng)的相位分布調(diào)節(jié)天線方向圖。利用等效介電常數(shù)和磁導(dǎo)率非均勻分布的材料在天線輻射近場(chǎng)上的不同相位延遲對(duì)天線的輻射近場(chǎng)的相位分布進(jìn)行調(diào)控，進(jìn)而達(dá)到優(yōu)化方向圖的目的。對(duì)天線的輻射近場(chǎng)的相位分布的調(diào)節(jié)可以用半波束角度HPBW的大小來判斷，半波束角度HPBW越小，天線主瓣方向性越強(qiáng)。
[0103]通過降低波束方向圖的副瓣的方式調(diào)節(jié)天線的輻射近場(chǎng)的幅值分布，進(jìn)而達(dá)到優(yōu)化天線方向圖的。其中降低方向圖的副瓣，進(jìn)而降低副瓣電平，達(dá)到增強(qiáng)天線抗干擾能力的效果。
[0104]顯然，本發(fā)明實(shí)施例適用于任何形態(tài)的天線(如陣列天線、喇叭天線、反射面天線等等)，在工程實(shí)施上無需改變?cè)炀€的結(jié)構(gòu)、僅需要在其輻射方向上加裝天線方向圖優(yōu)化裝置即可，具有適用廣泛、安裝方便的優(yōu)點(diǎn)。
[0105]在具體的實(shí)施過程中，所述實(shí)施例中描述的天線方向圖優(yōu)化裝置可設(shè)置于飛行器、機(jī)動(dòng)車或船的通信設(shè)備的天線上。
[0106]以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種天線方向圖優(yōu)化裝置，用于優(yōu)化天線方向圖，其特征在于，所述天線方向圖優(yōu)化裝置設(shè)置在天線的輻射方向，與所述天線相隔預(yù)定距離，所述天線方向圖優(yōu)化裝置包括具有人工生成的微結(jié)構(gòu)的超材料，所述超材料包括至少一個(gè)超材料片層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的天線方向圖優(yōu)化裝置，其特征在于，所述超材料為多個(gè)所述超材料片層平行堆疊的疊層結(jié)構(gòu)超材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的天線方向圖優(yōu)化裝置，其特征在于，所述超材料片層包括基板和所述微結(jié)構(gòu)，其中，所述微結(jié)構(gòu)附著在所述基板上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的天線方向圖優(yōu)化裝置，其特征在于，所述超材料為第一超材料或者第二超材料，或者第一超材料和第二超材料組合在一起的組合超材料，其中，所述第一超材料為通過調(diào)節(jié)所述天線的輻射近場(chǎng)的相位分布調(diào)節(jié)所述天線方向圖的超材料；所述第二超材料為通過調(diào)節(jié)所述天線的輻射近場(chǎng)的幅值分布調(diào)節(jié)所述天線方向圖的超材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的天線方向圖優(yōu)化裝置，其特征在于，所述第一超材料為由第一超材料片層平行層疊的疊層結(jié)構(gòu)超材料，所述第一超材料片層包括第一基板和附著在所述第一基板的第一微結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的天線方向圖優(yōu)化裝置，其特征在于， 所述第一微結(jié)構(gòu)允許生長(zhǎng)的折射率范圍為1.483?3.569，介電損耗不超過0.0008。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的天線方向圖優(yōu)化裝置，其特征在于，所述第一微結(jié)構(gòu)采用雪花型結(jié)構(gòu)、“十”字形結(jié)構(gòu)或“工”字型結(jié)構(gòu)中的任一種結(jié)構(gòu)。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的天線方向圖優(yōu)化裝置，其特征在于，所述第一微結(jié)構(gòu)在所述第一基板上采用非均勻排布方式，排布方法如下: 步驟 SI,通過公式 n=nmin+(phaseO (y) - min (phaseO))/360* λ /D 計(jì)算得出所述第一超材料剖面上的折射率分布， 其中nmin為所述第一超材料的最小折射率,phaseO (y)為所述第一超材料前表面中心位置處的相位，Hiin(PhaseO)為所述第一超材料前表面位置上的最小相位，λ為所述天線在固定工作頻率下的輻射波長(zhǎng)，D為所述第一超材料的厚度； 步驟S2，將所述第一超材料剖面上的折射率分布與所述第一微結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)過程中的色散曲線對(duì)應(yīng)起來，得到所述第一超材料剖面上的所述第一微結(jié)構(gòu)的排布； 步驟S3，將所述第一超材料剖面上的所述第一微結(jié)構(gòu)的排布座橫向延拓，得到第一超材料正面上的微結(jié)構(gòu)排布。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的天線方向圖優(yōu)化裝置，其特征在于，所述第二超材料為由第二超材料片層平行層疊的疊層結(jié)構(gòu)超材料，所述第二超材料片層包括第二基板和附著在所述第二基板的吸波材料。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的天線方向圖優(yōu)化裝置，其特征在于，所述吸波材料的中心采用的材料損耗小于周邊采用材料的損耗。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的天線方向圖優(yōu)化裝置，其特征在于，所述損耗包括介電損耗和/或磁損耗，所述吸波材料為導(dǎo)電油墨、鐵氧體、石墨、碳纖維、碳納米管中任一種或多種的組合。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的天線方向圖優(yōu)化裝置，其特征在于，所述第二基板采用低介電和/或低損耗的材質(zhì)的基板，所述吸波材料可以通過貼附、混合、噴涂、沉積中一種或者多種方式附著在所述第二基板上。
13.根據(jù)權(quán)利要求4所述的天線方向圖優(yōu)化裝置，其特征在于，所述天線包括天線陣。
14.根據(jù)權(quán)利要求4所述的天線方向圖優(yōu)化裝置，其特征在于，所述天線方向圖為單波束天線方向圖或多波束天線方向圖，所述組合超材料為通過調(diào)節(jié)所述天線輻射近場(chǎng)的相位分布和所述天線輻射近場(chǎng)的幅值分布的超材料。
15.根據(jù)權(quán)利要求1至14中任一項(xiàng)所述的天線方向圖優(yōu)化裝置，其特征在于，所述天線方向圖優(yōu)化裝置設(shè)置于飛行器、機(jī)動(dòng)車或船的通信設(shè)備的天線上。
【文檔編號(hào)】H01Q15/02GK104347953SQ201310337343
【公開日】2015年2月11日 申請(qǐng)日期:2013年8月5日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月5日
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