基于超材料的透鏡天線制造技術(shù)

本發(fā)明專(zhuān)利技術(shù)涉及無(wú)線通信領(lǐng)域，提供一種基于超材料的透鏡天線，該透鏡天線包括：饋源、波導(dǎo)、超材料阻抗變換器以及超材料透鏡，所述饋源、波導(dǎo)、超材料阻抗變換器以及超材料透鏡依次相連；所述超材料透鏡包括多個(gè)具有相同折射率分布的超材料片層，所述超材料片層的折射率以其中心為圓心呈圓形分布，且隨著半徑的增加折射率逐漸減小，且半徑相同處的折射率相同。本發(fā)明專(zhuān)利技術(shù)通過(guò)調(diào)節(jié)超材料內(nèi)部的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率的分布規(guī)律，使得超材料內(nèi)的折射率達(dá)到使通過(guò)其內(nèi)的電磁波信號(hào)能夠平行出射，最終使得透鏡天線方向性更好，增益更大。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
基于超材料的透鏡天線
本專(zhuān)利技術(shù)涉及無(wú)線通信領(lǐng)域，尤其涉及基于超材料的透鏡天線。
技術(shù)介紹
現(xiàn)有透鏡天線主要通過(guò)介質(zhì)透鏡實(shí)現(xiàn)電磁波空間波束調(diào)制，依照透鏡介質(zhì)作用機(jī)理的不同，可以分為加速型透鏡如圖1(a)所示和延遲型透鏡如圖1(b)所示。其中加速型透鏡主要通過(guò)E面金屬平板波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)。延遲型透鏡主要通過(guò)H面金屬板和非金屬電介質(zhì)，如合成樹(shù)脂，聚苯乙烯和聚四氟乙烯等材料實(shí)現(xiàn)。對(duì)波形的調(diào)制主要通過(guò)改變透鏡材質(zhì)和厚度實(shí)現(xiàn)。在某些特定場(chǎng)合由于具體應(yīng)用場(chǎng)景的特殊條件，透鏡天線的尺寸大小受到嚴(yán)格的限制，但由于減小透鏡尺寸會(huì)嚴(yán)重影響天線性能表現(xiàn)，所以傳統(tǒng)透鏡天線設(shè)計(jì)在狹窄空間的應(yīng)用受到相當(dāng)?shù)南拗啤?br>技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專(zhuān)利技術(shù)的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中透鏡天線因減小透鏡尺寸會(huì)嚴(yán)重影響天線性能的缺陷，提供一種基于超材料的透鏡天線，該天線采用超材料技術(shù)可應(yīng)用在狹小空間且不影響天線的性能。為了達(dá)到上述目的，本專(zhuān)利技術(shù)采用的如下技術(shù)方案：基于超材料的透鏡天線，所述透鏡天線包括：饋源、波導(dǎo)、超材料阻抗變換器以及超材料透鏡，所述饋源、波導(dǎo)、超材料阻抗變換器以及超材料透鏡依次相連；所述超材料透鏡包括多個(gè)具有相同折射率分布的超材料片層，所述超材料片層的折射率以其中心為圓心呈圓形分布，且隨著半徑的增加折射率逐漸減小，且半徑相同處的折射率相同。進(jìn)一步地，所述波導(dǎo)為圓形波導(dǎo)。進(jìn)一步地，所述超材料阻抗變換器有多個(gè)超材料阻抗片層組成，且每一超材料阻抗片層內(nèi)的折射率為均勻分布，相鄰間的超材料阻抗片層的折射率從入射端向出射端逐漸增加。進(jìn)一步地，所述超材料阻抗變換器的厚度為入射電磁波波長(zhǎng)的四分之一。進(jìn)一步地，所述超材料片層由多個(gè)超材料單元組成。進(jìn)一步地，所述超材料阻抗片層均由多個(gè)超材料單元組成。進(jìn)一步地，所述超材料片層內(nèi)的超材料單元包括單元基材、人造微結(jié)構(gòu)以及單元填充部分，所述人造微結(jié)構(gòu)位于所述單元基材和單元填充部分的中間。進(jìn)一步地，所述超材料片層內(nèi)所在超材料單元內(nèi)的人造微結(jié)構(gòu)的尺寸以超材料片層的中心為圓心呈圓形分布，且隨著半徑的增加，所在超材料單元內(nèi)部的人造微結(jié)構(gòu)的尺寸逐漸減小，且半徑相同處所在超材料單元內(nèi)的人造微結(jié)構(gòu)的尺寸也相同。進(jìn)一步地，所述每一超材料阻抗片層內(nèi)所在超材料單元內(nèi)的人造微結(jié)構(gòu)的尺寸均相同，相鄰間的超材料阻抗片層內(nèi)所在超材料單元內(nèi)的人造微結(jié)構(gòu)的尺寸從入射端向出射端逐漸變大。進(jìn)一步地，所述人造微結(jié)構(gòu)為風(fēng)車(chē)型微結(jié)構(gòu)。本專(zhuān)利技術(shù)相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，具有以下有益效果：(1)本專(zhuān)利技術(shù)一種基于超材料的透鏡天線采用超材料阻抗變換器將從超材料透鏡表面反射回來(lái)的電磁波經(jīng)變換后與入射波形相位抵消，實(shí)現(xiàn)從波導(dǎo)到超材料透鏡的阻抗匹配，降低反射，增加天線系統(tǒng)入射效率。(2)本專(zhuān)利技術(shù)一種基于超材料的透鏡天線通過(guò)超材料實(shí)現(xiàn)折射率變化，最終實(shí)現(xiàn)電磁波的相位調(diào)整，以達(dá)到將球面波前變化為平面波前的目的。附圖說(shuō)明圖1(a)為現(xiàn)有技術(shù)中加速型透鏡的原理示意圖；圖1(b)為現(xiàn)有技術(shù)中延遲型透鏡的原理示意圖；圖2為本專(zhuān)利技術(shù)基于超材料的透鏡的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本專(zhuān)利技術(shù)所述超材料阻抗變換器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本專(zhuān)利技術(shù)所述超材料透鏡的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本專(zhuān)利技術(shù)所述超材料片層內(nèi)的折射率分布規(guī)律示意圖；圖6為本專(zhuān)利技術(shù)所述超材料單元的結(jié)構(gòu)示意圖；圖7為本專(zhuān)利技術(shù)所述人造微結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合實(shí)施例及附圖，對(duì)本專(zhuān)利技術(shù)作進(jìn)一步地詳細(xì)說(shuō)明，但本專(zhuān)利技術(shù)的實(shí)施方式不限于此。如圖2所示，為本專(zhuān)利技術(shù)所述基于超材料的透鏡天線的結(jié)構(gòu)示意圖，所述透鏡天線包括：饋源1、波導(dǎo)2、超材料阻抗變換器3以及超材料透鏡4，所述饋源1、波導(dǎo)2、超材料阻抗變換器3以及超材料透鏡4依次連接。饋源1通過(guò)外圍的饋線(圖中沒(méi)有畫(huà)出)與波導(dǎo)2相連，在波導(dǎo)2內(nèi)形成電磁波進(jìn)入超材料阻抗變換器3中，并最終通過(guò)所述超材料透鏡4匯聚輻射出去，為了使得超材料阻抗變換器3將從超材料透鏡4表面反射回來(lái)的電磁波經(jīng)變換后與入射波形相位抵消，實(shí)現(xiàn)從波導(dǎo)2到超材料透鏡4的阻抗匹配，降低反射，增加天線系統(tǒng)入射效率，將所示超材料阻抗變換器3的厚度設(shè)計(jì)為入射電磁波波長(zhǎng)的四分之一。本較佳實(shí)施利用中，所述波導(dǎo)2優(yōu)選圓形波導(dǎo)，其他矩形波導(dǎo)也可以應(yīng)用，具體因?qū)嶋H應(yīng)用而定。如圖3所示，所述超材料阻抗變換器3由多個(gè)超材料阻抗片層組成，所述超材料阻抗片層均由多個(gè)超材料單元組成，如圖6所示，所述超材料阻抗片層內(nèi)的超材料單元包括單元基材411、人造微結(jié)構(gòu)412以及單元填充部分413，所述人造微結(jié)構(gòu)412位于所述單元基材411和單元填充部分413的中間，圖3中出示了6層超材料阻抗片層，從左到右依次為超材料阻抗片層31、超材料阻抗片層32、超材料阻抗片層33、超材料阻抗片層34、超材料阻抗片層35以及超材料阻抗片層36，且它們的折射率從左到右依次增加，其中超材料阻抗片層31內(nèi)的折射率最小，超材料阻抗片層36內(nèi)的折射率最大，在這六層超材料阻抗片層的每一層內(nèi)部的折射率是均勻分布的。例如：假設(shè)6層超材料阻抗片層的折射率分布有1、2、3、4、5以及6，則超材料阻抗片層31內(nèi)的折射率為1、超材料阻抗片層32內(nèi)的折射率為2、超材料阻抗片層33內(nèi)的折射率為3、超材料阻抗片層34內(nèi)的折射率為4、超材料阻抗片層35內(nèi)的折射率為5以及超材料阻抗片層36內(nèi)的折射率為6。在具體實(shí)施過(guò)程中，超材料阻抗變換器3內(nèi)的超材料阻抗片層的數(shù)量不局限為六層，可以根據(jù)具體實(shí)際應(yīng)用而定。作為公知常識(shí)我們可知，電磁波的折射率與成正比關(guān)系，當(dāng)一束電磁波由一種介質(zhì)傳播到另外一種介質(zhì)時(shí)，電磁波會(huì)發(fā)生折射，當(dāng)物質(zhì)內(nèi)部的折射率分布非均勻時(shí)，電磁波就會(huì)向折射率比較大的位置偏折，通過(guò)設(shè)計(jì)超材料中每一點(diǎn)的電磁參數(shù)，就可對(duì)超材料的折射率分布進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而達(dá)到改變電磁波的傳播路徑的目的。根據(jù)上述原理可以通過(guò)設(shè)計(jì)超材料透鏡4的折射率分布使從波導(dǎo)2發(fā)出的球面波形式的發(fā)散電磁波轉(zhuǎn)變成適于遠(yuǎn)距離傳輸?shù)钠矫娌ㄐ问降膮R聚電磁波。在所述超材料阻抗變換器3的出射端處緊貼有超材料透鏡4，所述超材料透鏡4包括多個(gè)具有相同折射率分布的超材料片層41，所述超材料片層41由多個(gè)超材料單元組成，所述超材料阻抗片層內(nèi)的超材料單元跟超材料阻抗片層內(nèi)的超材料單元一樣，也包括單元基材411、人造微結(jié)構(gòu)412以及單元填充部分413，且所述人造微結(jié)構(gòu)412位于所述單元基材411和單元填充部分413的中間，如圖4所示，本實(shí)施例中列舉了6層相互疊加在一起的超材料片層41，但是本專(zhuān)利技術(shù)不局限6層超材料片層，根據(jù)實(shí)際情況而定。超材料透鏡4由多個(gè)超材料片層41堆疊形成，這各個(gè)超材料片層41之間等間距排列地組裝，或兩兩片層之間直接前、后表面相粘合地連接成一體。具體實(shí)施時(shí)，超材料片層41的數(shù)目可依據(jù)需求來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。每個(gè)超材料片層41通過(guò)對(duì)人造微結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋱D案、幾何尺寸的設(shè)計(jì)，使其折射率分布滿(mǎn)足如下規(guī)律：每一層的折射率分布均相同，每一超材料片層41均包括一個(gè)圓形區(qū)域，所述圓形區(qū)域內(nèi)折射率隨著半徑的增大從np連續(xù)減小到n0且相同半徑處的折射率相同，如圖5所示。為了得到滿(mǎn)足上述折射率變化關(guān)系的超材料阻抗變換器3以及超材料透鏡4，本專(zhuān)利技術(shù)的基于超材料的透鏡天線通過(guò)設(shè)計(jì)超材料內(nèi)部的人造微結(jié)構(gòu)，得到超材料內(nèi)的介電常數(shù)ε和磁導(dǎo)率μ，進(jìn)而對(duì)超材料阻抗變換器3的折射率分布進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)2與超材料透鏡4之間的阻抗匹配；對(duì)超材料透鏡4的折射率進(jìn)行設(shè)本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
基于超材料的透鏡天線，其特征在于，所述透鏡天線包括：饋源、波導(dǎo)、超材料阻抗變換器以及超材料透鏡，所述饋源、波導(dǎo)、超材料阻抗變換器以及超材料透鏡依次相連；所述超材料透鏡包括多個(gè)具有相同折射率分布的超材料片層，所述超材料片層的折射率以其中心為圓心呈圓形分布，且隨著半徑的增加折射率逐漸減小，且半徑相同處的折射率相同。

【技術(shù)特征摘要】
1.基于超材料的透鏡天線，其特征在于，所述透鏡天線包括：饋源、波導(dǎo)、超材料阻抗變換器以及超材料透鏡，所述饋源、波導(dǎo)、超材料阻抗變換器以及超材料透鏡依次相連；所述超材料透鏡包括多個(gè)具有相同折射率分布的超材料片層，所述超材料片層的折射率以其中心為圓心呈圓形分布，且隨著半徑的增加折射率逐漸減小，且半徑相同處的折射率相同；所述超材料阻抗變換器有多個(gè)超材料阻抗片層組成，且每一超材料阻抗片層內(nèi)的折射率為均勻分布，相鄰間的超材料阻抗片層的折射率從入射端向出射端逐漸增加；所述超材料阻抗片層均由多個(gè)超材料單元組成，每一超材料阻抗片層內(nèi)所在超材料單元內(nèi)的人造微結(jié)構(gòu)的尺寸均相同，相鄰間的超材料阻抗片層內(nèi)所在超材料單元內(nèi)的人造微結(jié)構(gòu)的尺寸從入射端向出射端逐漸變大。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于超材料的透鏡天線，其特征在于，所述波導(dǎo)為圓形波導(dǎo)。3.根據(jù)權(quán)...

【專(zhuān)利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：劉若鵬，季春霖，岳玉濤，殷俊，
申請(qǐng)(專(zhuān)利權(quán))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，
類(lèi)型：發(fā)明
國(guó)別省市：