專利名稱：一種超材料天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超材料領(lǐng)域,尤其涉及一種超材料天線。
背景技術(shù)：
半功率角，也稱3dB波束寬度、半功率波束寬度、半功率帶寬。功率方向圖中，在包含主瓣最大輻射方向的某一平面內(nèi)，把相對最大輻射方向功率通量密度下降到一半處(或小于最大值3dB)的兩點之間的夾角稱為半功率波束寬度。場強方向圖中,在包含主瓣最大輻射方向的某一平面內(nèi)，把相對最大輻射方向場強下降到0. 707倍處的夾角也稱為半功率波束寬度。水平面半功率波束寬度是指水平面方向圖的半功率波束寬度，垂直面半功率波束寬度是指垂直面方向圖的半功率波束寬度。在定向天線中，天線傳播的距離由垂直面半功率波束寬度決定，即垂直面半功率帶寬越小，天線的增益就越大，天線發(fā)射的信號傳播距離就越遠，反之，天線的增益就越小，信號傳播的距離也就越近。
現(xiàn)有技術(shù)中改進半功率帶寬的方法一般有介質(zhì)覆層法。介質(zhì)覆層法采用天線保護裝置的形式加載在天線陣列的前端，這種方法可以提高天線陣列3db左右的增益，使半功率帶寬變?yōu)?6°并使得天線的方向性變好。但是在信號遠距離傳輸時，半功率帶寬沒法達到我們的需求，為了滿足長距離信號傳輸需要再建立一些基站或者中繼站，這樣加大的成本，也給信號發(fā)射或接受都帶來麻煩。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)天線半功率帶寬較小的問題，提供一種超材料天線，該天線通過在天線前端設(shè)置一超材料薄膜層，使得天線發(fā)出的信號通過超材料薄膜層后具有較小的半功率帶寬，達到信號遠距離發(fā)射和接收。為了達到上述目的，本發(fā)明采用的如下技術(shù)方案一種超材料天線，所述天線包括一個振子，用于產(chǎn)生電磁波；一超材料薄膜層，用于將所述振子產(chǎn)生的電磁波匯聚后并向外輻射；所述超材料薄膜層由多個超材料片層組成，其中，最接近所述振子的超材料片層為第一超材料片層，所述第一超材料片層的折射率以其中心為圓心呈圓形分布，第一超材料片層的折射率分布隨著半徑I■的變化規(guī)律如以下表達式n{r) = max-^J)4+^4 -式中n_表示第一超材料片層中的最大折射率值，d表示第一超材料片層的厚度，s表示所述振子到第一超材料片層的距離，n(r)表示第一超材料片層內(nèi)半徑r處折射率值。進一步地，所述天線還包括一反射體，用于將振子產(chǎn)生的部分電磁波反射到超材料薄膜層里，所述反射體為一無蓋腔體并與超材料薄膜層相連構(gòu)成封閉腔體，所述振子位于反射體內(nèi)。進一步地，所述反射體為電導體。
進一步地，所述第一超材料片層包括片狀的基板和周期排布于所述基板上的多個人造微結(jié)構(gòu)。進一步地，所述超材料薄膜層內(nèi)除了第一超材料片層的多個超材料片層均與第一超材料片層相同。進一步地，所述人造微結(jié)構(gòu)為由至少一根金屬絲組成對電磁場有響應(yīng)的平面結(jié)構(gòu)或立體結(jié)構(gòu)。進一步地，所述金屬絲為銅絲或銀絲。進一步地，所述金屬絲通過蝕刻、電鍍、鉆刻、光刻、電子刻或離子刻的方法附著在基板上。進一步地，所述人造微結(jié)構(gòu)為在“工”字形、“工”字形的衍生形、雪花狀或雪花狀的 衍生形任意一種。進一步地，所述基板由陶瓷材料、環(huán)氧樹脂、聚四氟乙烯、FR-4復合材料或F4B復合材料制得。本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)，具有以下有益效果本發(fā)明通過改變超材料薄膜層內(nèi)部的折射率分布情況，使得天線遠場的半功率帶寬大大地減小了，進而提升了天線傳播的距離，同時也增加了天線的前后比，使得天線更具方向性。


圖I是本發(fā)明一種超材料天線的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明所述超材料薄膜層內(nèi)圓形區(qū)域示意圖；圖3是本發(fā)明所述超材料片層內(nèi)折射率分布示意圖；圖4是本發(fā)明另一實施例結(jié)構(gòu)示意圖；圖5A是超材料薄膜層上‘工字形’人造微結(jié)構(gòu)；圖5B是超材料薄膜層上‘雪花狀’人造微結(jié)構(gòu)；圖5C是超材料薄膜層上的另一種‘雪花狀’的人造微結(jié)構(gòu)；圖是超材料薄膜層上的人造微結(jié)構(gòu)的一種具體形式‘雪花狀’結(jié)構(gòu)的又一種衍生結(jié)構(gòu)；圖6是采用工字形結(jié)構(gòu)的人造微結(jié)構(gòu)在超材料薄膜層的基板中的排列示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例及附圖，對本發(fā)明作進一步地詳細說明，但本發(fā)明的實施方式不限于此。超材料是一種以人造微結(jié)構(gòu)為基本單元并以特定方式進行空間排布、具有特殊電磁響應(yīng)的新型材料，包括周期排布的人造微結(jié)構(gòu)和供人造微結(jié)構(gòu)附著的基板。人造微結(jié)構(gòu)為由至少一根金屬絲組成對電磁波有響應(yīng)的平面結(jié)構(gòu)或立體結(jié)構(gòu)，多個人造微結(jié)構(gòu)在基板上陣列排布，每個人造微結(jié)構(gòu)以及其所附著的基板所占部分即為一個超材料單元。基板可為任何與人造微結(jié)構(gòu)不同的材料，這兩種材料的疊加使每個超材料單元產(chǎn)生一個等效介電常數(shù)與磁導率，這兩個物理參數(shù)分別對應(yīng)了超材料單元的電場響應(yīng)與磁場響應(yīng)。超材料對電磁響應(yīng)的特征是由人造微結(jié)構(gòu)的特征所決定，而人造微結(jié)構(gòu)的電磁響應(yīng)很大程度上取決于其金屬絲的圖案所具有的拓撲特征和其幾何尺寸。根據(jù)上述原理設(shè)計超材料空間中排列的每個人造微結(jié)構(gòu)的拓撲圖形和幾何尺寸，就可對超材料中每一點的電磁參數(shù)進行設(shè)置。請參閱圖I，一種超材料天線，包括一個振子10、超材料薄膜層20以及反射體30。所述反射體30為一無蓋腔體，所述超材料薄膜層20與反射體30構(gòu)成一封閉腔體，所述振子10置于反射體30內(nèi)。 振子10用于輻射電磁波，其中大部分電磁波直接進入超材料薄膜層20內(nèi)進行折射匯聚，并轉(zhuǎn)換為平面電磁波，還有少部分電磁波通過反射體30反射后再經(jīng)過超材料薄膜層20折射匯聚后轉(zhuǎn)換為平面電磁波，在本實施方式中，反射體300為電導體。超材料薄膜層20的折射匯聚功能是通過設(shè)計其內(nèi)的折射率分布來實現(xiàn)的，所述超材料薄膜層20由多個超材料片層組成，所述每一超材料片層均包括片狀的基板和周期排布于所述基板上的多個人造微結(jié)構(gòu)。以圖I為例，超材料薄膜層20包括第一超材料片層201、第二超材料片層202、第三超材料片層203。如圖2所示，每一超材料片層的折射率均以其中心為圓心呈圓形分布。所述第一超材料片層201在其圓形區(qū)域內(nèi)的折射率分布規(guī)律如以下表達式n{r) = max-^J)4+^4 -其中式中n_表示第一超材料片層中的最大折射率值，d表示第一超材料片層的厚度，s表示所述振子到第一超材料片層的距離，r表示第一超材料片層內(nèi)圓形區(qū)域的半徑，n(r)表示第一超材料片層內(nèi)半徑r處折射率值。在本實施方式中，所述超材料薄膜層20可設(shè)計成對入射電磁波的折射率分布如圖3所示，根據(jù)上述公式n{r) = max ~~\df + J可知，H1 > n2 > n3 > . . . > np，m為大于3小于等于q的自然數(shù)。超材料薄膜層20內(nèi)的多個超材料片層都與第一超材料片層201相同，即第二超材料片層202和第三超材料片層203都與第一超材料片層201相同。我們通常都知道折射率公式為n=‘，超材料的折射率也如此，也就是超材料的折射率平方與材料的介電常數(shù)和磁導率成正比，常規(guī)的介質(zhì)材料的磁導率一般變化不大，可以看成是一個恒定的值，所以超材料的折射率很大程度上只與超材料的介電常數(shù)相關(guān)，介電常數(shù)越大，超材料的折射率就越大。經(jīng)過理論和實際證明，超材料的介電常數(shù)與基板和基板內(nèi)的人造微結(jié)構(gòu)形狀和尺寸有關(guān)，基板采用介電絕緣材料制成，可以為陶瓷材料、高分子材料、鐵電材料、鐵氧材料、鐵磁材料等，高分子材料例如可以是、環(huán)氧樹脂或聚四氟乙烯。人造微結(jié)構(gòu)為以一定的幾何形狀附著在基板上能夠?qū)﹄姶挪ㄓ许憫?yīng)的金屬線，金屬線可以是剖面為圓柱狀或者扁平狀的銅線、銀線等，一般采用銅，因為銅絲相對比較便宜，當然金屬線的剖面也可以為其他形狀，金屬線通過蝕刻、電鍍、鉆刻、光刻、電子刻或離子刻等工藝附著在基板上，整個超材料片層劃分為多個單元(包括該單元中的基板和附著在該單元基板上的人造微結(jié)構(gòu))，每個單元都具有一個人造微結(jié)構(gòu)，每一個單元都會對通過其中的電磁波產(chǎn)生響應(yīng)，從而影響電磁波在其中的傳輸，每個單元的尺寸取決于需要響應(yīng)的電磁波，通常為所需響應(yīng)的電磁波波長的十分之一，否則空間中包含人造微結(jié)構(gòu)的單元所組成的排列在空間中不能被視為連續(xù)。在基板選定的情況下，通過調(diào)整人造微結(jié)構(gòu)的圖案、尺寸及其在基板上的空間分布，可以調(diào)整超材料上各處的等效介電常數(shù)及等效磁導率進而改變超材料各處的等效折射率。當人造微結(jié)構(gòu)采用相同的幾何形狀時，某處人造微結(jié)構(gòu)的尺寸越大，則該處的等效介電常數(shù)越大，折射率也越大。本實施例采用的人造微結(jié)構(gòu)的圖案為工字形，如圖5A所示，人造微結(jié)構(gòu)在基板上的分布如圖6所示，由圖6可知，基板上雪花狀人造微結(jié)構(gòu)的尺寸從中心向周圍逐漸變小，在基板中心處，雪花狀的人造微結(jié)構(gòu)的尺寸最大，并且在距離中心相同半徑處的雪花狀人造微結(jié)構(gòu)的尺寸相同，因此基板的等效介電常數(shù)由中間向四周逐漸變小，中間的等效介電 常數(shù)最大，因而基板的折射率從中間向四周逐漸變小，中間部分的折射率最大。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
，人造微結(jié)構(gòu)的圖案可以是二維、也可以是三維結(jié)構(gòu)，不限于該實施例中使用的“工”字形(如圖5A所示)，可以為“工”字形的衍生結(jié)構(gòu)，可以是圖5B所示的在三維空間中各條邊相互垂直的雪花狀及圖5C和圖所示的雪花狀的衍生結(jié)構(gòu)，也可以是其他的幾何形狀，其中不同的人造微結(jié)構(gòu)可以是圖案相同，但是其設(shè)計尺寸不同；也可以是圖案和設(shè)計尺寸均不相同。構(gòu)成超材料的基板的數(shù)量根據(jù)需要可增可減，每一片基板的結(jié)構(gòu)可以相同，也可以不同，只要滿足由天線單元發(fā)出的電磁波經(jīng)過超材料面板傳播后可以平行射出即可。如圖4所示是本發(fā)明一種超材料天線的另一個實施例，該天線包括五個振子10'、超材料薄膜層20'以及反射體30'，所述五個振子10'并列排布于反射體30'，所述超材料薄膜層20'和反射體30'構(gòu)成一個封閉腔體，其中，超材料薄膜層20'為五個第一實施例中的超材料薄膜層20并列排布組成。五個振子10'發(fā)射出球面電磁波大部分直接通過超材料薄膜層20'折射匯聚并轉(zhuǎn)換為平面電磁波，然后輻射出去，其余少部分電磁波經(jīng)過反射體300'反射增益后通過超材料薄膜層200'折射匯聚并轉(zhuǎn)換為平面電磁波，最后輻射出去。本實施例中的超材料薄膜層20'的結(jié)構(gòu)以及其內(nèi)部折射率分布規(guī)律都與第一實施例中的超材料薄膜層20相同。綜上所述本本發(fā)明通過改變超材料薄膜層內(nèi)部的折射率分布情況，使得天線遠場的半功率帶寬減小了，進而提升了天線傳播的距離，同時也增加了天線的前后比。上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未違背本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種超材料天線，所述天線包括一個振子，用于產(chǎn)生電磁波；一超材料薄膜層，用于將所述振子產(chǎn)生的電磁波匯聚后并向外輻射；其特征在于，所述超材料薄膜層由多個超材料片層組成，其中，最接近所述振子的超材料片層為第一超材料片層，所述第一超材料片層的折射率以其中心為圓心呈圓形分布，第一超材料片層的折射率分布隨著半徑r的變化規(guī)律如以下表達式 n(r) = max -^|^-^)4+^4 - 式中nmax表不第一超材料片層中的最大折射率值，d表不第一超材料片層的厚度，s表示所述振子到第一超材料片層的距離，n(r)表示第一超材料片層內(nèi)半徑r處折射率值。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種超材料天線，其特征在于，所述天線還包括一反射體，用于將振子產(chǎn)生的部分電磁波反射到超材料薄膜層里，所述反射體為一無蓋腔體并與超材料薄膜層相連構(gòu)成封閉腔體，所述振子位于反射體內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種超材料天線，其特征在于，所述反射體為電導體。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種超材料天線，其特征在于，所述第一超材料片層包括片狀的基板和周期排布于所述基板上的多個人造微結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種超材料天線，其特征在于，所述超材料薄膜層內(nèi)除了第一超材料片層的多個超材料片層均與第一超材料片層相同。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種超材料天線，其特征在于，所述人造微結(jié)構(gòu)為由至少一根金屬絲組成對電磁場有響應(yīng)的平面結(jié)構(gòu)或立體結(jié)構(gòu)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種超材料天線，其特征在于，所述金屬絲為銅絲或銀絲。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種超材料天線，其特征在于，所述金屬絲通過蝕刻、電鍍、鉆刻、光刻、電子刻或離子刻的方法附著在基板上。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種超材料天線，其特征在于，所述人造微結(jié)構(gòu)為在“工”字形 工”字形的衍生形、雪花狀或雪花狀的衍生形任意一種。
10.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種超材料天線，其特征在于，所述基板由陶瓷材料、環(huán)氧樹脂、聚四氟乙烯、FR-4復合材料或F4B復合材料制得。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種超材料天線，該天線包括一個振子，用于產(chǎn)生電磁波；一超材料薄膜層，用于將所述振子產(chǎn)生的電磁波匯聚后并向外輻射，超材料薄膜層由多個超材料片層組成；該天線還包括一反射體，用于將振子產(chǎn)生的部分電磁波反射到超材料薄膜層里，反射體為一無蓋腔體并與超材料薄膜層構(gòu)成封閉腔體，振子位于反射體內(nèi)。本發(fā)明通過改變超材料薄膜層內(nèi)部的折射率分布情況，使得天線遠場的半功率帶寬減小了，進而提升了天線傳播的距離，同時也增加了天線的前后比。
文檔編號H01Q19/06GK102810755SQ20111017965
公開日2012年12月5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, 季春霖, 岳玉濤, 李云龍 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