專利名稱：一種聚焦平板天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有高方向性的、能夠聚焦的平板或類平板的天線。
背景技術(shù)：
拋物面天線作為天線家族的一個(gè)重要成員，廣泛地用于衛(wèi)星通信，導(dǎo)航等領(lǐng)域。拋物面天線具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、方向性強(qiáng)和工作頻帶寬等特點(diǎn)，但由于幾何外形的限制，制作中需 要較高的加工工藝。常用的拋物面天線由拋物面反射器和位于其焦點(diǎn)處的饋源組成，具有 較好的方向性和較寬的工作頻段。文獻(xiàn)中很多學(xué)者用幾何光學(xué)的方法來(lái)設(shè)計(jì)改進(jìn)的拋物面 天線，但所得到的天線仍為拋物面形。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種平板形的，或者是類似平板形的，具有高方向性的聚焦 天線，該天線具有相同口徑拋物面天線的性能。本發(fā)明所述的類似平板形是指帶有一定曲 率的形狀。本發(fā)明的聚焦平板天線由數(shù)層相互接觸的、沿層的平面上具有電磁漸變折射率特 性的材料及設(shè)置于最下一層具有電磁漸變折射率特性的材料之下的金屬平板和饋源構(gòu)成， 其中每層具有電磁漸變折射率特性的材料的厚度小于天線工作波長(zhǎng)，電磁漸變折射率特性 的材料總層數(shù)的厚度為對(duì)應(yīng)口徑的拋物面天線的焦距的0. 5至1. 5倍，其饋源位于天線對(duì) 稱軸線上由對(duì)應(yīng)的拋物面天線的焦點(diǎn)位置經(jīng)準(zhǔn)保角變換映射得到的位置。本發(fā)明的這種天 線電磁特性與相對(duì)應(yīng)口徑的拋物面天線相同。本發(fā)明推薦每層具有電磁漸變折射率特性的 材料厚度為天線工作波長(zhǎng)的1/8 1/12。本發(fā)明的聚焦平板天線中，所述的各層具有電磁漸變折射率特性的材料可由下述 的兩類材料加工形成其一是采用普通的介質(zhì)板，在每一層介質(zhì)板上開(kāi)有通孔陣列，各層介質(zhì)板上通孔 的幾何尺寸和所形成的陣列排列位置根據(jù)對(duì)應(yīng)的拋物面天線參數(shù)經(jīng)準(zhǔn)保角變換映射確定。其二是采用其表面敷有金屬層的介質(zhì)板，然后去除介質(zhì)板上局部位置的金屬層形 成相互間不相連的金屬斑點(diǎn)陣列，各層介質(zhì)板上金屬斑點(diǎn)的幾何尺寸和陣列排列位置根據(jù) 對(duì)應(yīng)的拋物面天線參數(shù)經(jīng)準(zhǔn)保角變換映射確定。在本發(fā)明中，上述的第二類表面敷有金屬層的介質(zhì)板還可以是市場(chǎng)銷售的印刷電 路板，也可以是其表面鍍有金屬層的樹(shù)脂薄膜。當(dāng)覆蓋有金屬層的介質(zhì)板厚度小于工作波長(zhǎng)的十分之一時(shí)，可以填充介電常數(shù)約 為1的泡沫塑料層以達(dá)到這一厚度。本發(fā)明的這種其上有不同的通孔陣列的介質(zhì)板或有金屬斑點(diǎn)陣列的金屬介質(zhì)板 將會(huì)對(duì)電磁波產(chǎn)生不同的折射，而由多層前述材料疊加組成的平板天線，將使通過(guò)其間的 電磁波因各層不同的折射率而產(chǎn)生折射，形成類似于拋面天線的輻射特性，并形成定向電 磁波。
本發(fā)明有如下優(yōu)點(diǎn)具有與拋物面天線相似的電氣性能，且具有較好的方向性。本發(fā)明中所設(shè)計(jì)的平板天線，其電磁參數(shù)與拋物面的口徑寬度、焦點(diǎn)位置及所在 層數(shù)位置有關(guān)，所以可以根據(jù)拋物面天線的具體形狀和結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和加工，自由度高，適 用范圍廣。
以往應(yīng)用幾何光學(xué)設(shè)計(jì)的拋物面天線，通常呈拋物面狀，形狀較復(fù)雜，對(duì)加工工藝 要求高，難于制作，本發(fā)明所設(shè)計(jì)的平板天線，形狀簡(jiǎn)單，易于制作，便于小型化。另一方面， 本發(fā)明可用于一些特殊物體上，如車輛或者航天器或者航海器的表面，使其兼?zhèn)涠ㄏ蛱炀€ 的功能，這一點(diǎn)是現(xiàn)有技術(shù)所不能實(shí)現(xiàn)的。本天線呈平板型，利用普通材料加工而成，而且具有聚焦功能，當(dāng)尺寸縮小時(shí)，在 太陽(yáng)能電池等器件中有重要應(yīng)用。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。其中圖1(a)為立體結(jié)構(gòu)示意圖，圖1(b)為平板天 線過(guò)軸線Z的XOZ剖面圖，圖1 (C)為平板天線沿Xoy截面的一個(gè)介質(zhì)板板面的示意圖，由 圖中可見(jiàn)其上分布有通孔的陣列。圖1中1為饋源，2為平板天線底部的金屬覆層，3為平 板天線區(qū)域內(nèi)嵌的由多層介質(zhì)板構(gòu)成的具有電磁漸變折射率特性的材料，4為設(shè)于每層介 質(zhì)板上的孔。分層實(shí)現(xiàn)的漸變折射率材料與金屬覆板平行。圖2是本發(fā)明的實(shí)測(cè)近場(chǎng)電場(chǎng)分布和仿真情況下的電場(chǎng)分布圖比較，其中(a)為 本發(fā)明的實(shí)測(cè)近場(chǎng)電場(chǎng)分布圖；(b)為數(shù)值仿真情況下的電場(chǎng)分布圖。工作頻率為10GHz。圖3是本發(fā)明的平板天線仿真得到的方向圖與實(shí)測(cè)的方向圖，和傳統(tǒng)拋物面天線 仿真方向圖比較。圖中實(shí)線為本發(fā)明的遠(yuǎn)場(chǎng)仿真方向圖，虛線為本發(fā)明實(shí)測(cè)的遠(yuǎn)場(chǎng)方向 圖，點(diǎn)劃線為對(duì)應(yīng)的拋物面天線的遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖。工作頻率為10GHz。圖4是當(dāng)平面波沿軸線方向入射到平板天線上，在XOZ截面上過(guò)焦點(diǎn)橫截線上的 電場(chǎng)幅度分布圖。工作頻率為10GHz。圖5是本發(fā)明具體設(shè)計(jì)時(shí)所牽涉的兩個(gè)區(qū)域示意圖，其中(a)為仿真空間，準(zhǔn)矩 形區(qū)域；(b)為物理空間，矩形區(qū)域。圖6是一個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)例的相關(guān)曲線，其中(a)圖表示平板天線第一、十、二十層上的 折射率分布隨通孔或金屬斑點(diǎn)陣列中心距軸線距離的變化曲線；(b)表示利用介質(zhì)打孔實(shí) 現(xiàn)漸變折射率材料時(shí)的孔徑與距離的關(guān)系曲線；(c)表示采用金屬斑點(diǎn)陣列實(shí)現(xiàn)漸變折射 率材料時(shí)金屬斑點(diǎn)尺寸與距離的關(guān)系曲線。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明天線的制備，關(guān)鍵在于漸變折射率材料的分布設(shè)計(jì)。具體實(shí)施時(shí)，首先選擇 一個(gè)拋物面天線，則所設(shè)計(jì)的平板天線，具有與此天線相同的性能。過(guò)天線的軸線方向做剖 面，得到該天線通過(guò)軸向的剖面曲線，即一條已知的拋物線。然后，以拋物線為底邊，構(gòu)造一 個(gè)對(duì)稱的“準(zhǔn)”矩形幾何結(jié)構(gòu)。要求矩形的長(zhǎng)邊大于拋物線口徑的2倍左右；寬邊長(zhǎng)度大 致等于拋物線的焦距或更大一些，如圖5(a)所示。上述比例系數(shù)越大，對(duì)應(yīng)的平板天線性 能越好，但相對(duì)尺寸也越大。具體在實(shí)施時(shí)根據(jù)需要可以做適當(dāng)調(diào)整。通過(guò)準(zhǔn)保角變換理論，將此“準(zhǔn)”矩形映射為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的矩形如圖5(b)所意，并得到這兩個(gè)區(qū)域之間的映射關(guān) 系，一般情況下是用數(shù)值形式表達(dá)的隱函數(shù)。將標(biāo)準(zhǔn)的矩形劃分為直角網(wǎng)格，利用映射關(guān)系 得到“準(zhǔn)”矩形區(qū)域內(nèi)對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格，如圖5(a)、(b)中所示。同時(shí)，得到兩個(gè)區(qū)域映射的數(shù)值 形式雅克比矩陣A。最終平板天線中材料的折射率分布為n2 = l/det(A)，其中η表示平板 天線位于直角網(wǎng)格處的折射率，A表示兩個(gè)矩形之間的雅克比矩陣。實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于平板 天線，在尺寸上可以做適當(dāng)裁剪，去掉周圍折射率近似為1的區(qū)域，以減小天線尺寸。水平 方向上以中軸線為對(duì)稱軸，長(zhǎng)度取拋物面天線的口徑長(zhǎng)度，垂直方向上的高度大致可以取 拋物面的焦距。只要這種裁剪不顯著改變?cè)颊凵渎实姆植?，?duì)最終天線的性能影響不是 很大。在得到平面內(nèi)的折射率分布后，將其沿中軸線旋轉(zhuǎn)360度，即可得到三維情況下對(duì)應(yīng) 的折射率分布。 設(shè)計(jì)中，饋源位置的確定，由原拋物面天線的焦點(diǎn)位置經(jīng)過(guò)準(zhǔn)保角變換映射得到。 饋源可以嵌入到漸變材料中，也可以暴露到介質(zhì)層外，根據(jù)介質(zhì)厚度、焦點(diǎn)位置以及對(duì)天線 尺寸的裁剪而定。當(dāng)饋源暴露在介質(zhì)層外時(shí)，需要附加對(duì)饋源的支撐機(jī)構(gòu)。本發(fā)明中，基于準(zhǔn)保角變換理論的高方向性聚焦平板天線包括饋源1、平板底部的 金屬覆板2和嵌入平板區(qū)域的分層漸變折射率材料3。具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，平板天線由多層非均 勻、各向同性的漸變折射率材料制作而成。可以通過(guò)普通介質(zhì)材料打孔、普通介質(zhì)材料混合 或者使用人工電磁材料基本單元實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例是使用普通介質(zhì)，再在其上打 孔，形成孔的陣列。其具體的做法是首先用亞波長(zhǎng)的、面積為S的均勻正方形網(wǎng)格單元覆 蓋該介質(zhì)層，然后以每個(gè)單元中心為圓心做通孔。根據(jù)等效媒質(zhì)理論有n2= er(l-f)+f, 其中，η為折射率，、為使用材料的介電常數(shù)，f是每個(gè)單元上孔面積與單元面積的比值， 在開(kāi)圓形通孔的情況下，占空比f(wàn) = πr2/S ；在開(kāi)方形通孔的情況下，占空比f(wàn) = IVS20
于是，圓形孔徑
用折射率表示為
同樣方孔邊長(zhǎng)可以表示為
根據(jù)折射率的不同，可以靈活選擇不同形狀的通孔。所需折射率較大時(shí)，可
以采用圓孔；所需折射率較小時(shí)，可以使用方孔。不同孔的形狀對(duì)最終電磁性能影響不大。 通過(guò)人工電磁材料實(shí)現(xiàn)時(shí)，可以先通過(guò)仿真得到人工電磁材料基本單元的幾何尺寸與等效 折射率之間的關(guān)系，再利用函數(shù)擬合的方法獲得其函數(shù)表達(dá)式。根據(jù)需求，反演得到所需單 元尺寸的大小。最終也可以利用PCB板加工得到每一層的人工材料。整個(gè)天線通過(guò)各個(gè)分 層粘接而成，各分層組成的總厚度為可以是對(duì)應(yīng)口徑的拋物面天線的焦距的0. 5至1. 5倍。本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例如下取對(duì)應(yīng)的拋物面天線的結(jié)構(gòu)尺寸為口徑寬度D 0. 2m，焦距F 0. lm?；谇笆鰷?zhǔn) 保角變換方法，設(shè)計(jì)了 X波段高方向性聚焦平板天線。對(duì)應(yīng)的平板天線口徑寬度0. 2m，單 層材料的厚度為0. 08m，各層材料的總層數(shù)為20層。三維平板天線由二維平板天線繞中軸 旋轉(zhuǎn)得到，其折射率分布具有軸對(duì)稱特性。以聚四氟乙烯為介質(zhì)板來(lái)制備電磁漸變折射率特性的材料，其介電常數(shù)為2. 08， 電損耗角正切0. 00037，板厚度為4mm。按前述拋物面天線根據(jù)準(zhǔn)保角變換方法確定出各 層介質(zhì)板上開(kāi)孔的尺寸與陣列的幾何位置，其中平板天線上第一、第十、及第二十層上的折射率分布隨通孔或金屬斑點(diǎn)陣列中心距軸線距離的變化曲線參見(jiàn)附圖6(a)；利用介質(zhì)打 孔實(shí)現(xiàn)漸變折射率材料時(shí)的孔徑與距離的關(guān)系曲線參見(jiàn)附圖6 (b)。如此得到材料上折射率 最小值為1，最大值為1.465。在各分層圓面上設(shè)置4mm*4mm的正方形網(wǎng)格，在網(wǎng)格中心開(kāi) 不同尺寸的通孔實(shí)現(xiàn)所需的漸變折射率材料，孔的最小尺寸為O (圓形孔半徑)，最大尺寸 為3. 9mm(方形孔邊長(zhǎng))，通孔中心位置與對(duì)應(yīng)通孔尺寸變化曲線如圖6 (b)所示。本發(fā)明也可采用下述方法制備，即在介質(zhì)板上設(shè)置金屬斑點(diǎn)陣列，制成具有電磁 漸變折射率特性的材料，其具體的做法是利用方形金屬斑點(diǎn)實(shí)現(xiàn)分層電磁漸變折射率材 料。同樣采用前述拋物面天 線，經(jīng)準(zhǔn)保角變換獲得剖面平板折射率分布，與方法一給出的折 射率分布一致。在分層圓面上設(shè)置4*4m的正方形網(wǎng)格，在網(wǎng)格中心設(shè)置不同尺寸的“口” 字型金屬斑點(diǎn)以實(shí)現(xiàn)所需的漸變折射率材料。方形斑點(diǎn)線寬0. 2mm，最小尺寸為0. 78mm，最 大尺寸為2. 84mm，方形金屬斑點(diǎn)位置與對(duì)應(yīng)尺寸變化曲線如圖6 (c)所示。介質(zhì)板介電常數(shù) 為2. 65，電損耗角正切0. 001，厚度為0. 4mm。按前述方法在材料上完成開(kāi)孔或形成金屬斑點(diǎn)陣列的作業(yè)后，將各層材料粘結(jié)在 一起，并將其最底一層與金屬平板粘結(jié)，再在各層材料的對(duì)稱軸線上且由對(duì)應(yīng)的拋物面天 線的焦點(diǎn)位置經(jīng)準(zhǔn)保角變換映射得到的位置固定或設(shè)置饋源，至此完成整個(gè)天線的制備。依據(jù)上述兩種方法，均可獲得滿足要求的電磁漸變折射率材料，加工制備出具有 相同口徑的拋物面電氣性能的平板天線。以前述方法制備的本發(fā)明的天線進(jìn)行實(shí)測(cè)與仿 真，其結(jié)果參見(jiàn)圖2至圖4。圖2給出了上述發(fā)明在近場(chǎng)的實(shí)測(cè)及仿真電場(chǎng)分布圖，其中(a)為本發(fā)明的實(shí)測(cè) 近場(chǎng)電場(chǎng)分布圖；(b)為數(shù)值仿真情況下的電場(chǎng)分布圖。兩個(gè)結(jié)果是在相同的饋源和邊界 條件下測(cè)量及仿真得到。圖中可以看出，二者的近場(chǎng)電場(chǎng)分布一致。工作頻率10GHz。而圖3給出了遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖的比較。從圖2的近場(chǎng)分布圖可以看出，平板天線出射 面上的電場(chǎng)分布與仿真情況下的電場(chǎng)分布圖基本一致，并且具有高方向性。圖3的遠(yuǎn)場(chǎng)方 向圖比較也說(shuō)明了這一點(diǎn)。圖3中實(shí)線為本發(fā)明的遠(yuǎn)場(chǎng)仿真方向圖，虛線本發(fā)明實(shí)測(cè)的遠(yuǎn) 場(chǎng)方向圖，點(diǎn)劃線為傳統(tǒng)拋物面天線的遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖。從圖中可以看出，本發(fā)明與傳統(tǒng)的拋物 面天線方向性能基本一致。本發(fā)明實(shí)測(cè)的半功率點(diǎn)寬度小于20度，對(duì)應(yīng)的方向性系數(shù)大于 103。工作頻率為IOGHz。圖4是當(dāng)平面波沿軸線方向入射到平板天線上，在XOZ截面上過(guò)焦點(diǎn)橫截線上的 電場(chǎng)幅度分布圖。從圖4可以看出，所設(shè)計(jì)的平板天線具有較好聚焦性能。上述結(jié)果是在 相同的饋源和邊界條件下仿真得到，工作頻率為IOGHz。
權(quán)利要求
一種聚焦平板天線，其特征是由數(shù)層相互接觸的、沿層的平面上具有電磁漸變折射率特性的材料及設(shè)置于最下一層具有電磁漸變折射率特性的材料之下的金屬平板和饋源構(gòu)成，其中每層具有電磁漸變折射率特性的材料的厚度小于天線工作波長(zhǎng)，電磁漸變折射率特性的材料總層數(shù)的厚度為對(duì)應(yīng)口徑的拋物面天線的焦距的0.5至1.5倍，其饋源位于天線對(duì)稱軸線上由對(duì)應(yīng)的拋物面天線的焦點(diǎn)位置經(jīng)準(zhǔn)保角變換映射得到的位置，天線電磁特性與相對(duì)應(yīng)口徑的拋物面天線相同。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚焦平板天線，其特征是每層具有電磁漸變折射率特性的材 料的厚度為天線工作波長(zhǎng)的1/8 1/12。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的聚焦平板天線，其特征是所述的各層具有電磁漸變折射 率特性的材料是由介質(zhì)板構(gòu)成，在每層介質(zhì)板上開(kāi)有通孔陣列，各層介質(zhì)板上通孔的幾何 尺寸和陣列排列位置根據(jù)對(duì)應(yīng)的拋物面天線參數(shù)經(jīng)準(zhǔn)保角變換映射確定。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的聚焦平板天線，其特征是所述的具有電磁漸變折射率特 性的材料為其表面敷有金屬層的介質(zhì)板構(gòu)成，在每層介質(zhì)板上去除局部位置的金屬層形成 相互間不相連的金屬斑點(diǎn)陣列，各層上去除局部金屬層的幾何尺寸和陣列排列位置根據(jù)對(duì) 應(yīng)的拋物面天線參數(shù)經(jīng)準(zhǔn)保角變換映射確定。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有高方向性的、能夠聚焦的平板或類平板的天線。本發(fā)明的聚焦平板天線由數(shù)層相互接觸的、沿層的平面上具有電磁漸變折射率特性的材料及設(shè)置于最下一層具有電磁漸變折射率特性的材料之下的金屬平板和饋源構(gòu)成，其中每層具有電磁漸變折射率特性的材料的厚度小于天線工作波長(zhǎng)，電磁漸變折射率特性的材料總層數(shù)的厚度為對(duì)應(yīng)口徑的拋物面天線的焦距的0.5至1.5倍，其饋源位于天線對(duì)稱軸線上由對(duì)應(yīng)的拋物面天線的焦點(diǎn)位置經(jīng)準(zhǔn)保角變換映射得到的位置。
文檔編號(hào)H01Q19/06GK101867094SQ20101016236
公開(kāi)日2010年10月20日 申請(qǐng)日期2010年5月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月2日
發(fā)明者崔鐵軍, 柏京, 梅中磊 申請(qǐng)人:蘭州大學(xué)