基于超材料的緊湊平面結(jié)構(gòu)拋物面反射器天線的設(shè)計方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電磁/光學(xué)器件設(shè)計領(lǐng)域。涉及一種緊湊平面結(jié)構(gòu)拋物面反射器天線 的理論設(shè)計方法。所設(shè)計反射器天線適用于微波、毫米波、太赫茲等頻段。
【背景技術(shù)】
[0002] 反射器天線作為寬頻帶高增益天線廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信、雷達、遙感和射電天文 等領(lǐng)域。它的基本結(jié)構(gòu)由兩部分組成：反射面和饋源。反射面為拋物面的反射器天線（拋 物面反射器天線）是其中最常用的一種形式。
[0003] 拋物面反射器天線特性主要由其幾何光學(xué)特性決定：焦點處發(fā)出的波束經(jīng)反射器 反射后被準直，反射波束平行于反射器的主軸傳播；所有從焦點到反射面再到口徑平面的 路徑長度均相等，且等于2倍焦距。
[0004] 因此，常規(guī)拋物面反射器天線由一個拋物面反射器和一個位于焦點附近的饋源構(gòu) 成。這樣的結(jié)構(gòu)使得反射器天線在安裝、調(diào)試和使用等方面存在諸多不便，而且由于反射器 與饋源在空間上是相互分離的，它們之間可能存在的遮擋會顯著影響天線的性能。然而從 傳統(tǒng)的反射器天線的設(shè)計角度來看，目前尚未找到一種有效的方法能設(shè)計出天線特性基本 保持不變（與常規(guī)拋物面反射器天線相比），且具有緊湊平面結(jié)構(gòu)的反射器天線。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供的一種基于超材料的緊湊平面結(jié)構(gòu) 拋物面反射器天線的設(shè)計方法，該方法運用變換電磁學(xué)原理設(shè)計出具有平面邊界的饋源單 元；再采用平面結(jié)構(gòu)的拋物面反射器作為天線的反射面；將平面反射器與饋源單元組合設(shè) 計成為一個緊湊的平面反射器天線。該反射器天線具有與常規(guī)拋物面反射器天線相同的特 性。
[0006] 本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：
[0007] -種基于超材料的緊湊平面結(jié)構(gòu)拋物面反射器天線的設(shè)計方法，它包括以下具體 步驟：
[0008] 第一步：運用變換電磁學(xué)原理設(shè)計出具有平面邊界的饋源單元；
[0009] 第二步：采用平面結(jié)構(gòu)的拋物面反射器替代常規(guī)曲面結(jié)構(gòu)的拋物面反射器作為反 射器天線的反射面；
[0010] 第三步：將饋源單元緊貼平面反射器，形成結(jié)構(gòu)緊湊的平面反射器天線；
[0011] 其中，所述饋源單元設(shè)計過程中涉及的電磁空間變換如下描述；邊界r1與Γ4構(gòu) 成的封閉空間為原始空間[由Sl (X，y，Z)表示];該部分空間通過坐標變換壓縮到邊界r1 與Γ2之間[由Sl'（x'，y'，z'）表示]中，在直角坐標系中可表示為
[0012] X，=fjx，y，z)，y，=g!(x，y，z)，z，=hjx，y，z) (1)
[0013] 式中f\，gl，匕為坐標變換函數(shù)；該空間變換需滿足的邊界條件為：變換前后邊界 Γ1保持不變，Γ4映射到Γ2 ;
[0014] 此外，為了保持變換前后的電磁空間等效，在邊界Γ2與Γ4之間取一邊界Γ3,這 樣把Γ2與Γ4之間的空間分為兩部分；其中將邊界Γ3與Γ4之間的空間[由s2(x，y，z) 表示]通過坐標變換折疊到邊界Γ3與Γ2之間[由s2'（x'，y'，z'）表示]中，在直角坐 標系中可表不為：
[0015] x' =f2(x,y,z),y' =g2 (x,y,z),z' =h2(x,y,z) (2)
[0016] 式中f2,g2,h2為坐標變換函數(shù)；該空間變換需滿足的邊界條件為：變換前后邊界 Γ3保持不變，Γ4映射到Γ2 ;
[0017]其中，坐標變換函數(shù)匕，gl，h^Sf2,g2,h2為滿足邊界條件的任意函數(shù)形式；邊界 Γ1為平面，Γ2,Γ3,Γ4為任意曲面；
[0018] 由坐標映射關(guān)系可知，原始空間s中的任一點，在變換空間Sl'中均有一個點與之 對應(yīng)即映射；由坐標變換計算 81'和s2'中的材料參數(shù)即相對介電常數(shù)和相對磁導(dǎo)率，計算 公式為：
[0019] ε' =ΑεAT/det(A)，μ' =ΑμAT/det(A) (3)
[0020] 式中A為雅克比變換矩陣；
[0021] 所設(shè)計出的饋源單元為Γ1與Γ3所圍結(jié)構(gòu)；它包含兩種超材料介質(zhì)層，分別為 Γ1與Γ2之間通過壓縮變換得到的超材料介質(zhì)層和Γ2與Γ3之間通過折疊變換得到的 超材料介質(zhì)層；所得超材料介質(zhì)層對射線的傳播具有調(diào)控作用，它使得放置于該結(jié)構(gòu)中的 饋源可以產(chǎn)生虛擬位移，比如當饋源置于F'點處產(chǎn)生的輻射效果等效于饋源置于原始空 間中F點處產(chǎn)生的輻射效果。
[0022] 將所設(shè)計饋源單元的平面一側(cè)（即Γ1面）緊貼平面結(jié)構(gòu)拋物面反射器的凹面介 質(zhì)層的中心處，由此構(gòu)成緊湊平面結(jié)構(gòu)拋物面反射器天線。
[0023] 所述平面結(jié)構(gòu)拋物面反射器的設(shè)計可參考中國專利ZL201310577904. 6,所設(shè)計 出的平面反射器具有雙層結(jié)構(gòu)，分別為凹面介質(zhì)層和凸面介質(zhì)層，由于拋物面反射器天線 中拋物面的凹面作為反射面，因此為了簡化天線結(jié)構(gòu)，此處采用單層結(jié)構(gòu)，即平面反射面加 凹面介質(zhì)層，這種簡化的單層結(jié)構(gòu)不會對反射器天線的特性產(chǎn)生顯著影響。
[0024] 本發(fā)明的技術(shù)效果在于：天線的反射面采用平面反射器，其反射特性與常規(guī)拋物 面反射器等效；所設(shè)計的饋源單元本身對射線是"透明"的，即對射線不產(chǎn)生遮擋，而置于其 中的饋源由于超材料產(chǎn)生的虛擬位移作用，其輻射特性等效于饋源置于距離反射面較遠處 產(chǎn)生的輻射特性；該反射器天線中反射器與饋源單元組合在一起形成緊湊型結(jié)構(gòu)，避免了 常規(guī)反射器天線中反射面與饋源分離的現(xiàn)象。因此，與常規(guī)發(fā)射器天線相比，本發(fā)明天線具 備平面緊湊結(jié)構(gòu)因而便于安裝使用；它節(jié)省了反射面與饋源間的空間；消除了反射面與饋 源間可能存在的遮擋對天線性能的影響。
【附圖說明】
[0025] 圖1為本發(fā)明饋源單元空間映射示意圖；
[0026] 圖2為本發(fā)明天線示意圖；
[0027] 圖3為常規(guī)拋物面反射器天線示意圖；
[0028] 圖4為本發(fā)明天線的近場分布圖；
[0029] 圖5為常規(guī)拋物面反射器天線的近場分布圖；
[0030] 圖6為兩種天線的遠場分布圖。
【具體實施方式】
[0031] 下面結(jié)合附圖及實施例來進一步詳細敘述本發(fā)明。
[0032] 參閱圖2、圖3,假設(shè)F點為拋物面的焦點，常規(guī)拋物面反射器天線是在F點附近 處放置饋源，饋源照射拋物面反射器如圖3所示，發(fā)射波束經(jīng)反射面反射后形成高定向的 反射波束。在圖2中，饋源置于F點的映射點F'處，它發(fā)出的波束等效于饋源置于F點處 發(fā)出的波束；發(fā)射波束經(jīng)平面發(fā)射器反射后會形成與常規(guī)拋物面反射器天線等效的反射波 束，天線特性保持不變。
[0033] 實施例
[0034] 饋源單元空間映射如圖1所示，由式（1)和式（2)給出。
[0035] 式（1)中的坐標變換函數(shù)在本實例中具體取為
[0036]
[0037] 式⑵中的坐標變換在一、四象限分別計算。第一象限部分即AC'D中具體取為
[0038]
[0039] 第四象限部分即BC'D中具體取為
[0040]
[0041] 運用式（3)可計算出饋源單元各部分的材料參數(shù)。ABC'中參數(shù)為
[0047] 平面結(jié)構(gòu)的拋物面反射器介質(zhì)層材料參數(shù)為
[0048]
[0049]
[0050]
[0051]
[0052] 其中p為標準拋物線方程的焦準距，a為平面反射器凹面介質(zhì)層厚度，h為平面反 射器半高度（見圖2所標示）。
[0053] 下面給一個具體的仿真驗證。饋源單元設(shè)計參數(shù)為％= 0· 05m，x2= 0·lm，x3 = 0· 2m，0· 05m。平面結(jié)構(gòu)拋物面反射器設(shè)計參數(shù)為：p= 0· 45,a= 0· 05m，h= 0· 6m。
[0054] 在平面天線系統(tǒng)的饋源單元中處放置一個頻率f= 3GHz的饋源[坐標為（x= 0. 18m，y= 0)]，此時天線系統(tǒng)的總電場分布如圖4所示。圖中可看出，饋源雖置于饋源單 元內(nèi)，但由于虛擬位移效果，波束似乎是從饋源單元外的一點[坐標為（X= 0. 27m，y= 0)] 發(fā)出。為了清楚地對比，圖5給出了一個常規(guī)拋物面反射器天線的仿真結(jié)果，其中饋源置于 (X= 0. 27m，y= 0)處。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，本實施例中所設(shè)計的緊湊平面結(jié)構(gòu)拋物面反射 器天線具有與常規(guī)拋物面反射器天線幾乎一致的近場分布。為了定量對比兩種天線系統(tǒng)， 圖6給出了它們的遠場分布情況，其中灰體粗實線代表實施例中所設(shè)計的緊湊平面結(jié)構(gòu)反 射器天線，黑體帶圈虛線代表常規(guī)拋物面反射器天線。所示結(jié)果表明，兩種天線的遠場分布 也幾乎一致。以上設(shè)計實施例及數(shù)值實驗證明了設(shè)計方法和設(shè)計結(jié)果的正確性。
【主權(quán)項】
1. 一種基于超材料的緊湊平面結(jié)構(gòu)拋物面反射器天線的設(shè)計方法，其特征在于該方法 包括以下具體步驟： 第一步：運用變換電磁學(xué)原理設(shè)計出具有平面邊界的饋源單元； 第二步：采用平面結(jié)構(gòu)的拋物面反射器替代常規(guī)曲面結(jié)構(gòu)的拋物面反射器作為反射器 天線的反射面； 第三步：將饋源單元緊貼平面反射器，形成結(jié)構(gòu)緊湊的平面反射器天線； 其中，所述饋源單元設(shè)計過程中涉及的電磁空間變換如下描述；邊界r1與r4構(gòu)成的 封閉空間為原始空間[由Sl (X，y，z)表示];該部分空間通過坐標變換壓縮到邊界r1與 「2之間[由81'〇^'，/，2'）表示]中，在直角坐標系中可表示為 x' =fi(x,y,z),y' =gj(x,y,z),z' =hj(x,y,z) (1) 式中fpgi，匕為坐標變換函數(shù)；該空間變換需滿足的邊界條件為：變換前后邊界Γ1保 持不變，Γ4映射到Γ2 ; 此外，為了保持變換前后的電磁空間等效，在邊界Γ2與Γ4之間取一邊界Γ3,這樣把Γ2和Γ4之間的空間分為兩部分；其中將邊界Γ3與Γ4之間的空間[由s2(X，y，z)表 示]通過坐標變換折疊到邊界Γ3與Γ2之間[由s2'（x'，y'，z'）表示]中，在直角坐標 系中可表不為： x' =f2(x,y,z),y' =g2(x,y,z),z' =h2(x,y,z) (2) 式中f2，g2，h2為坐標變換函數(shù)；該空間變換需滿足的邊界條件為：變換前后邊界Γ3保 持不變，Γ4映射到Γ2 ; 其中，坐標變換函數(shù)匕&，111及€2，&，1 12為滿足邊界條件的任意函數(shù)形式；邊界「1為 平面，Γ2,Γ3,Γ4為任意曲面； 由坐標映射關(guān)系可知，原始空間s中的任一點，在變換空間Sl'中均有一個點與之對應(yīng) 即映射； 由坐標變換計算31'和s2'中的材料參數(shù)即相對介電常數(shù)和相對磁導(dǎo)率，計算公式為：ε' =ΑεAT/det(A)，μ' =ΑμAT/det(A) (3) 式中A為雅克比變換矩陣； 所設(shè)計出的饋源單元為Γ1與Γ3所圍結(jié)構(gòu)；它包含兩種超材料介質(zhì)層，分別為Γ1與Γ2之間通過壓縮變換得到的超材料介質(zhì)層和Γ2與Γ3之間通過折疊變換得到的超材料 介質(zhì)層。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于超材料的緊湊平面結(jié)構(gòu)拋物面反射器天線的設(shè)計方法，它包括以下步驟：運用變換電磁學(xué)原理設(shè)計出具有平面邊界的饋源單元；采用平面結(jié)構(gòu)的拋物面反射器替代常規(guī)曲面結(jié)構(gòu)的拋物面反射器作為反射器天線的反射面；將平面反射器與饋源單元組合設(shè)計成為緊湊的平面反射器天線。本發(fā)明反射面采用平面反射器，其反射特性與常規(guī)拋物面反射器等效；所設(shè)計的饋源單元本身對射線是“透明”的，即對射線不產(chǎn)生遮擋，而置于其中的饋源由于超材料產(chǎn)生的虛擬位移作用，其輻射特性等效于饋源置于距離反射面較遠處產(chǎn)生的輻射特性；該反射器天線中反射器與饋源單元組合在一起形成緊湊型結(jié)構(gòu)，避免了常規(guī)反射器天線中反射面與饋源分離的現(xiàn)象。
【IPC分類】H01Q19/10, H01Q15/14, H01Q1/36
【公開號】CN105305096
【申請?zhí)枴緾N201510627140
【發(fā)明人】羅陽, 朱守正
【申請人】上海師范大學(xué)
【公開日】2016年2月3日
【申請日】2015年9月28日