基于漸變折射率超材料的天線罩的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于KU頻段的新型天線罩，屬于天線罩和新型人工電磁材料領(lǐng) 域。
【背景技術(shù)】
[0002] 傳統(tǒng)天線罩大都是由蒙皮層-芯層-蒙皮層結(jié)構(gòu)組成，這種天線罩存在一個顯著 缺點就是大角度入射時，由于蒙皮層和芯層的介電常數(shù)相差較大，因此阻抗不匹配，導(dǎo)致反 射率高，透波率較低。
[0003] 新型人工電磁材料（Metamaterials)是電磁學(xué)中新興的研究領(lǐng)域，其基礎(chǔ)是等效 媒質(zhì)理論，由一系列設(shè)計的結(jié)構(gòu)單元在亞波長尺度上按照一定規(guī)律排列構(gòu)成。通過精心設(shè) 計單元結(jié)構(gòu)和尺寸大小，可以得到所需要的等效介電常數(shù)和磁導(dǎo)率。經(jīng)過近些年的發(fā)展，新 型人工電磁材料得到了長足的發(fā)展，在隱身、天線工程等方面都有廣泛的應(yīng)用?；跐u變折 射率人工電磁材料的新型天線罩是利用打孔結(jié)構(gòu)等效介電常數(shù)來實現(xiàn)參數(shù)可控，可以達(dá)到 介質(zhì)材料等效介電常數(shù)的預(yù)期分布，從而實現(xiàn)介電常數(shù)的漸變，實現(xiàn)匹配，增大透波率和減 小反射。傳統(tǒng)的天線罩一般由蒙皮層-芯層-蒙皮層構(gòu)成，由于蒙皮層需要起抗高溫、承載 壓力等作用，因此一般需要選用高介電常數(shù)的材料，而芯層需要起隔熱的作用，一般需要選 用介電常數(shù)較低的材料，從而存在蒙皮層與芯層之間的阻抗失配問題，導(dǎo)致這種結(jié)構(gòu)的天 線罩透波率較低，而本發(fā)明設(shè)計的天線罩由蒙皮層_過渡層_芯層-過渡層_蒙皮層-過渡 層構(gòu)成，利用漸變折射率人工電磁材料來制作匹配層，明顯降低了反射率，提高了透波率， 尤其在大角度入射時，天線的透波率也能得到顯著提高。所以本發(fā)明具有很高的工程應(yīng)用 價值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]技術(shù)問題：本發(fā)明提供一種能在Ku波段實現(xiàn)高透過率折射率分布，易于加工，可 批量生產(chǎn)的基于漸變折射率超材料的天線罩。
[0005]技術(shù)方案：本發(fā)明的基于漸變折射率超材料的天線罩，為由外至內(nèi)依次設(shè)置的蒙 皮層-過渡層_芯層-過渡層-蒙皮層-過渡層組成的多層結(jié)構(gòu)，所述過渡層由多層漸變 折射率超材料構(gòu)成，所述漸變折射率超材料是在介質(zhì)板上加工用以減小折射率的通孔制成 的，從而實現(xiàn)在天線罩徑向上的折射率漸變。
[0006]進(jìn)一步的，本發(fā)明的天線罩中，每個過渡層均由四小層漸變折射率超材料組成，從 內(nèi)至外共 12 小層，折射率分別為：1. 8, 2. 35, 2. 78, 3. 16, 3. 19, 2. 84, 2. 44,1.96,1.8, 2. 18， 2. 5, 2. 79。
[0007]進(jìn)一步的，本發(fā)明的天線罩中，漸變折射率超材料是在介質(zhì)板上根據(jù)等效媒質(zhì)理 論分割成同樣大小的單元，每個單元的中心都加工一個用以減小折射率的通孔，實現(xiàn)折射 率漸變。
[0008] 本發(fā)明的天線罩是在傳統(tǒng)天線罩的蒙皮層-芯層-蒙皮層結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，增加了阻 抗?jié)u變層（阻抗匹配層），從而使天線罩整體呈現(xiàn)阻抗?jié)u變的狀態(tài)，可提高透波率。利用新 型人工電磁材料來制作阻抗匹配層，以達(dá)到增大透波率，減小反射率的目的，尤其是在大角 度入射時，透波率可顯著提高?；跐u變折射率人工電磁材料的新型天線罩的匹配層由打 孔結(jié)構(gòu)的介質(zhì)基片構(gòu)成，具有易于加工、制作成本低、重量輕、靈活性高等特點。
[0009] 本發(fā)明的天線罩整體阻抗?jié)u變，相比傳統(tǒng)天線罩，在蒙皮層與芯層之間增加了過 渡層（阻抗匹配層），在天線罩內(nèi)部也增加了過渡層。對于傳統(tǒng)天線罩，存在蒙皮層與芯層 之間的阻抗失配問題，從而透波率較低。本發(fā)明提出了在蒙皮層與芯層之間增加折射率線 性變化的過渡層，在天線罩內(nèi)部增加從蒙皮層到空氣的折射率線性變化的過渡層，從而使 得天線罩阻抗?jié)u變。我們采用在高介電常數(shù)介質(zhì)板上打孔的方案來實現(xiàn)介電常數(shù)的漸變， 以便達(dá)到阻抗匹配的效果。
[0010] 本發(fā)明中，由于漸變折射率人工電磁材料的引入，使天線罩的阻抗實現(xiàn)漸變，從而 所設(shè)計出來的天線罩克服了傳統(tǒng)天線罩阻抗失配問題，透波率顯著提高。通過增加匹配層 可以達(dá)到介電常數(shù)漸變，以此來增大透波率，降低反射率。
[0011] 本發(fā)明的優(yōu)選方案中，過渡層的結(jié)構(gòu)中，根據(jù)等效媒質(zhì)理論被分割成等大的單元 塊，每個單元塊的中心都加工有用以減小折射率的通孔。
[0012] 本發(fā)明是根據(jù)超材料的全新特性進(jìn)行設(shè)計的，超材料也稱為新型人工電磁材料， 由尺寸遠(yuǎn)小于波長的電磁諧振單元按一定周期或非周期方式排列。有一種超材料的實現(xiàn)方 式為打孔的方式。以等效媒質(zhì)理論為基礎(chǔ)，設(shè)計單元結(jié)構(gòu)的尺寸大小，然后對單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行 打孔，根據(jù)孔徑大小，最后得到的單元結(jié)構(gòu)的折射率也會隨之變化。其變化關(guān)系大致遵循著 孔徑越大折射率越小的規(guī)律。
[0013] 漸變折射率的理想情況是折射率由大到小或者由小到大連續(xù)均勻變化，但現(xiàn)實生 活中并不存在這種漸變材料，故我們用離散化的梯度折射率分布來代替理想的線性折射率 分布。過渡層首先被離散為4小層，且厚度相同，厚度主要受限于超材料中的等效媒質(zhì)理 論。每一小層的折射率取值取決于蒙皮層和芯層的折射率只差。首先每一小層的折射率 計算我們?nèi)∶善雍托緦又徊畛?,然后在加上上一層的折射率值，即為每一小層的折射率 值，其次，我們根據(jù)微小量來調(diào)控優(yōu)化每一小層的折射率值，最終得到整個漸變折射率天線 罩的折射率分布。
[0014] 有益效果：本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點：
[0015] 1.本發(fā)明為在現(xiàn)有天線罩結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上的改進(jìn)型天線罩，在三層必備層中加入過渡 層，也稱為匹配層，每個過渡層分為四小層，這四小層中沒小層之間折射率差別很小，這意 味著加入之后使得整個結(jié)構(gòu)的折射率接近于連續(xù)變化，如果電磁波入射到折射率連續(xù)變化 的介質(zhì)，而非突變的介質(zhì)上，根據(jù)電磁波傳播理論，電磁波不會發(fā)生反射，而是全部透射過 去，因此，加入過渡層后的天線罩，使得電磁波在穿過天線罩時不會發(fā)生大的反射，而將絕 大多數(shù)能量通過漸變折射率材料的引導(dǎo)而傳播出去，因此這種基于新型人工電磁材料的天 線罩，在同樣角度的入射下，與傳統(tǒng)天線罩相比，可以提高10%的透過率，在大角度入射的 情況下，透過率也是大幅度提高。
[0016] 2.本發(fā)明提供的基于新型人工電磁材料的天線罩，是一種可用于各種場合的裝 置，可以在Ku波段顯著提高天線的透過率。在光學(xué)波段，所需要的過渡層由硬質(zhì)玻璃或石 英組成，其工藝需要特殊的打磨加工。在Ku波段，過渡層一般由人工樹脂或者聚苯乙烯等 利用模具加工而成，加工更加容易，誤差明顯減小，穩(wěn)定性更高。
[0017] 3.現(xiàn)有的一些超材料的結(jié)構(gòu)大多采用電磁諧振結(jié)構(gòu)，通過諧振的位置不同，可以 選擇不同的電磁參數(shù)，從而調(diào)整整個結(jié)構(gòu)的折射率分布，實現(xiàn)各種功能，而本發(fā)明采用的是 打孔的方式來實現(xiàn)折射率的改變。打孔方式的超材料相比于其他的超材料有幾個優(yōu)點：其 一，電磁波從不同的方向入射時打孔結(jié)構(gòu)的電磁特性變化不大，基本上可以等效成成是各 項同性材料；其二，打