專(zhuān)利名稱(chēng)：基于電諧振結(jié)構(gòu)的零折射率平板透鏡天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于電諧振結(jié)構(gòu)的零折射率平板透鏡天線。
背景技術(shù)：
新型人工電磁材料(Metamaterials或稱(chēng)超材料)是將具有特定幾何形狀的亞波長(zhǎng)宏觀基本單元周期性或非周期性地排列所構(gòu)成的人工材料。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是用有序的人造單元“粒子”代替自然界材料的分子/原子等基本粒子，所組成一種等效材料。理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)基本單元的結(jié)構(gòu)尺寸處于亞波長(zhǎng)尺度(1/10波長(zhǎng))時(shí)，新型人工電磁材料呈現(xiàn)出宏觀的媒質(zhì)特性。與傳統(tǒng)意義材料相比，新型人工電磁材料的媒質(zhì)特性取決于其基本單元結(jié)構(gòu)和單元的空間分布。新型人工電磁材料最大的特點(diǎn)是可以通過(guò)控制人工基本單元的形狀、單元材料的構(gòu)成來(lái)改變?nèi)斯げ牧系暮暧^電磁屬性。眾所周知，所有材料的電磁屬性都可以用介電常數(shù) ε和磁導(dǎo)率μ來(lái)描述。但是自然界中介電常數(shù)ε和磁導(dǎo)率μ的取值是有限的，即我們不能隨心所欲的控制介電常數(shù)ε和磁導(dǎo)率μ來(lái)改變材料特性。而在這種新型人工電磁材料中，則可控制其等效的ε和μ，使其可以為正、可以為負(fù)、甚至為零；也可控制其按照需要形成一定的變化(例如漸變、突變等)。另外，我們還可以通過(guò)控制結(jié)構(gòu)單元本身，使材料呈各向異性。2002年，S. Enoch等人提出了若將二維線源置于二維零折射率材料中時(shí)，可以提高其定向性高，并且輻射波瓣比較窄(Enoch S.，et al. A metamaterial for directive emission [J], Physical Review Letters, 2002，89: 213902·)。但是由于各向同性的零折射率材料無(wú)法與空氣層進(jìn)行匹配，這就導(dǎo)致輻射效率比較低。2009年，Ma等人從理論上提出了運(yùn)用各向異性零折射率材料來(lái)提高電磁波的定向性和效率(Ma YG, Wang P, Chen X, et al. Near-field plane-wave-like beam emitting antenna fabricated by anisotropic metamaterial[J], Applied Physics Letters, 2009， 94(4): 044107·),從而有效解決了零折射率材料與空氣層不匹配的問(wèn)題。2010年，程強(qiáng)等人用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了 Ma等人的理論(Cheng Q, Jiang WX, Cui TJ, Radiation of planar electromagnetic waves by a line source in anisotropic MTMs[J], Journal Of Physics D-Applied Physics, 2010, 43(33): 335406.)，但局限于二維情況，電磁輻射源必須置于材料中間，不能直接用于提高傳統(tǒng)天線的定向性。本發(fā)明運(yùn)用電諧振結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)各向異性的零折射率材料制成三維平板透鏡，可以直接將其置于傳統(tǒng)天線的口徑上，如喇叭天線，微帶天線等，提高它們E面遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖的定向性。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問(wèn)題本發(fā)明提供一種三維各向異性，可在入射方向上滿足透鏡與空氣之間的波阻抗匹配，從而減小反射，在波的傳播方向上介電常數(shù)為零，可提高待測(cè)天線E面定向性的基于電諧振結(jié)構(gòu)的零折射率平板透鏡天線。
技術(shù)方案基于電諧振結(jié)構(gòu)的零折射率平板透鏡天線，包括多個(gè)平行等距排列的長(zhǎng)方形介質(zhì)基板，所述介質(zhì)基板所在的平面與電磁波入射方向平行，兩相鄰介質(zhì)基板間設(shè)置有電磁參數(shù)與空氣接近的填充物，所述介質(zhì)基板的一面設(shè)置有沿橫向和縱向均勻排列的正方形結(jié)構(gòu)單元，每個(gè)所述結(jié)構(gòu)單元上設(shè)置有整根來(lái)回設(shè)置的覆銅線，所述覆銅線包括數(shù)個(gè)橫向直線段和連接兩相鄰直線段的連接段。本發(fā)明中，所述介質(zhì)基板的厚度為sub_h，所述單元結(jié)構(gòu)的邊長(zhǎng)為a，a的取值范圍為λ/10 — λ/6，λ為相應(yīng)頻點(diǎn)的波長(zhǎng)，兩相鄰介質(zhì)基板的間距為0.8Χ (a-sub_h)至 1.2X (a-sub_h)。有益效果本發(fā)明的平板透鏡天線三維各向異性，可在入射方向上滿足透鏡與空氣之間的波阻抗匹配，從而減小反射；當(dāng)在天線口面上覆蓋本發(fā)明的平板透鏡天線，使透鏡天線在波的傳播方向上實(shí)現(xiàn)介電常數(shù)趨近于0，電磁參數(shù)的其余分量接近于1，天線E面的遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖的定向性可以得到很大程度地改善。


圖1為本發(fā)明平面示意圖。圖2為單片介質(zhì)基板的局部平面示意圖，其中ζ為波傳播方向。圖3為單元結(jié)構(gòu)平面示意圖，a為單元結(jié)構(gòu)的邊長(zhǎng)，w為覆銅線的線條寬度，b為覆銅線直線段長(zhǎng)度，g為兩相鄰直線段的間距，η為覆銅線的折數(shù)，ζ為波傳播方向。圖4為本發(fā)明提取敷銅線的介電常數(shù)的ζ方向分量時(shí)的電壁和磁壁設(shè)置圖，垂直于紙面方向?yàn)殚_(kāi)放邊界條件，其中ζ為波傳播方向。圖5為本發(fā)明介電常數(shù)的ζ方向分量參數(shù)提取結(jié)果圖，其中橫坐標(biāo)為頻率，縱坐標(biāo)為介電常數(shù)，實(shí)線表示實(shí)部，虛線表示虛部。圖6為本發(fā)明介電常數(shù)的χ方向分量參數(shù)提取結(jié)果圖，其中橫坐標(biāo)為頻率，縱坐標(biāo)為介電常數(shù)，實(shí)線表示實(shí)部，虛線表示虛部。圖7為本發(fā)明磁導(dǎo)率的y方向分量參數(shù)提取結(jié)果圖，其中橫坐標(biāo)為頻率，縱坐標(biāo)為磁導(dǎo)率，實(shí)線表示實(shí)部，虛線表示虛部。圖8為本發(fā)明的波阻抗參數(shù)提取結(jié)果圖，其中橫坐標(biāo)為頻率，縱坐標(biāo)為波阻抗，實(shí)線表示實(shí)部，虛線表示虛部。圖9為喇叭天線E面遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖，其中實(shí)線為空喇叭的方向圖，虛線為加本發(fā)明透鏡天線后的方向圖。圖中有介質(zhì)基板1、填充物2、直線段3、連接段4，結(jié)構(gòu)單元5。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明?；陔娭C振結(jié)構(gòu)的零折射率平板透鏡天線，包括多個(gè)平行等距排列的長(zhǎng)方形介質(zhì)基板1，所述介質(zhì)基板1所在的平面與電磁波入射方向平行，兩相鄰介質(zhì)基板間設(shè)置有電磁參數(shù)與空氣接近的填充物2，所述介質(zhì)基板1的一面設(shè)置有沿橫向和縱向均勻排列的正方形結(jié)構(gòu)單元5，每個(gè)所述結(jié)構(gòu)單元5上設(shè)置有整根來(lái)回設(shè)置的覆銅線，所述覆銅線包括數(shù)個(gè)橫向直線段3和連接兩相鄰直線段的連接段4。介質(zhì)基板的厚度為sub_h，所述單元結(jié)構(gòu)的邊長(zhǎng)為a，a的取值范圍為λ/10 — λ/6，λ為相應(yīng)頻點(diǎn)的波長(zhǎng)，兩相鄰介質(zhì)基板的間距為 0.8Χ (a-sub_h)至 1. 2Χ (a_sub_h)。本發(fā)明中，介質(zhì)基板一面的覆銅完全刻蝕掉，另一面將部分覆銅刻蝕掉，使剩下的覆銅形成覆銅線，在每個(gè)單元結(jié)構(gòu)中，覆銅線如圖3所示，其中單元結(jié)構(gòu)的邊長(zhǎng)為a，覆銅線的線條寬度為《，覆銅線直線段長(zhǎng)度為b，兩相鄰直線段的間距為g，覆銅線橫向直線段的條數(shù)為η。假設(shè)電磁波的傳播方向?yàn)棣品较?，則電諧振單元結(jié)構(gòu)沿y方向和ζ方向均勻地排列，其中ζ方向的單元結(jié)構(gòu)個(gè)數(shù)不少于2個(gè)，y方向的單元個(gè)數(shù)根據(jù)待測(cè)天線的口徑來(lái)確定，其長(zhǎng)度需大于天線口面相應(yīng)位置的大小。各介質(zhì)基板沿χ方向等距排列，假設(shè)單元結(jié)構(gòu)的大小為a，介質(zhì)基板的厚度為sub_h，則兩相鄰介質(zhì)基板間距的取值范圍為0. 8X(a-sub_ h)到1. 2 X (a-sub_h)0介質(zhì)基板通常用FR4或者F4B，F(xiàn)R4是FR-4環(huán)氧玻璃布層壓板， F4B是一種聚四氟乙烯(P T F E)高頻微波電路板材料，當(dāng)然用其他的介質(zhì)材料也是可以的。介質(zhì)基板的厚度對(duì)工藝有一定的要求，但只要確定的了介質(zhì)基板的材質(zhì)和厚度，基本可以通過(guò)調(diào)節(jié)單元結(jié)構(gòu)的參數(shù)來(lái)滿足要求。為了固定介質(zhì)基板，兩相鄰介質(zhì)基板之間的間隙需要用電磁參數(shù)與空氣近似的材料進(jìn)行填充。本發(fā)明透鏡天線的制作以及確定單元結(jié)構(gòu)和覆銅線尺寸參數(shù)的具體方法如下 第一步，根據(jù)給定的頻率，使電諧振結(jié)構(gòu)的諧振在給定的頻率周?chē)捎蒙虡I(yè)軟件CST
仿真提取其S參數(shù)進(jìn)行觀察。在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證中，我們?cè)O(shè)定頻率為9. 4GHz，必須保證覆銅線直線段垂直于波傳播方向。在仿真中，單元結(jié)構(gòu)邊界條件的設(shè)置如圖2所示，即電場(chǎng)方向垂直于直線段，磁場(chǎng)方向平行于直線段，此時(shí)提取的是ζ方向的介電常數(shù)和y方向的磁導(dǎo)率。通過(guò)調(diào)節(jié)單元結(jié)構(gòu)的各個(gè)參數(shù)，使S參數(shù)的諧振頻率調(diào)到給定頻率附近。第二步，觀察介電常數(shù)和磁導(dǎo)率的其他分量是否接近于1。如果其他分量的值太大或太小，都會(huì)造成空氣層和透鏡之間的阻抗不匹配，從而使反射過(guò)大，影響透鏡效率。對(duì)于橫電場(chǎng)模式(TE模)，主要考慮εζ、ε χ、μ y三個(gè)分量；對(duì)于橫磁場(chǎng)模式(TM模)，主要考慮 μζ、μχ、￡y三個(gè)分量。我們的實(shí)施例實(shí)現(xiàn)的是εζ為零，主要作用于TE模，所以重點(diǎn)考慮 εζ、εχ、μ y三個(gè)分量和波阻抗。第三步，對(duì)于覆銅線，影響本發(fā)明性能的參數(shù)主要包括結(jié)構(gòu)單元邊長(zhǎng)a，覆銅線直線段的長(zhǎng)度b，覆銅線的線條寬度w，兩相鄰直線段的間距g，覆銅線的折數(shù)n。a的取值范圍為λ/10 — λ/6(其中λ表示相應(yīng)頻點(diǎn)的波長(zhǎng))，b的取值范圍與a —致，但要小于a，w和 g最小為0. Imm (工藝限制)，n的取值必須保證整個(gè)覆銅線不超過(guò)結(jié)構(gòu)單元。通過(guò)調(diào)節(jié)這些參數(shù)，在f=9. 4GHz處實(shí)現(xiàn)介電常數(shù)的ζ方向分量為0，電磁參數(shù)的其余分量基本接近于1。 本發(fā)明的實(shí)施例中，單元結(jié)構(gòu)和敷銅線參數(shù)為a=3. 9，g=0. 25, w=0. 23，b=3. 63，n=8，覆銅的厚度為0. 018mm，介質(zhì)基板的厚度sub_h為0. 2，介電常數(shù)為2. 65。其電磁參數(shù)三個(gè)分量的提取如圖3—圖6所示，在f=9. 4GHz時(shí)，εζ^0，ε χ=1. 039，μ y=l. 002，波阻抗為0. 98，滿足要求。第四步，制做樣品。圖2為單片介質(zhì)板yz平面內(nèi)的局部示意圖，我們將這些介質(zhì)板沿X方向等間距排列，間距的取值范圍為0.8X (a-sub_h)到1. 2X (a-sub_h),實(shí)施例中我們?nèi)閍-sub_h，圖1為樣品xy平面內(nèi)的示意圖。第五步，實(shí)驗(yàn)測(cè)試。這里用X波段的標(biāo)準(zhǔn)喇叭進(jìn)行測(cè)試，運(yùn)用樣品提高其E面遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖的定向性，而對(duì)H面基本沒(méi)影響。圖9為在喇叭口的E面方向圖的對(duì)比圖。其中實(shí)線表示空喇叭的測(cè)試結(jié)果圖，虛線表示加透鏡以后的測(cè)試結(jié)果。從圖中可以看到，加了透鏡以后，喇叭的波束寬度由16. 3降到了 9. 1，降低了 44%，顯著提高了其定向性。
權(quán)利要求
1.一種基于電諧振結(jié)構(gòu)的零折射率平板透鏡天線，其特征在于，該透鏡天線包括多個(gè)平行等距排列的長(zhǎng)方形介質(zhì)基板(1 )，所述介質(zhì)基板(1)所在的平面與電磁波入射方向平行，兩相鄰介質(zhì)基板間設(shè)置有電磁參數(shù)與空氣接近的填充物(2)，所述介質(zhì)基板(1)的一面設(shè)置有沿橫向和縱向均勻排列的正方形結(jié)構(gòu)單元(5)，每個(gè)所述結(jié)構(gòu)單元(5)上設(shè)置有整根來(lái)回設(shè)置的覆銅線，所述覆銅線包括數(shù)個(gè)橫向直線段(3)和連接兩相鄰直線段的連接段 (4)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于電諧振結(jié)構(gòu)的零折射率平板透鏡天線，其特征在于，所述介質(zhì)基板的厚度為sub_h，所述單元結(jié)構(gòu)的邊長(zhǎng)為a，a的取值范圍為λ /10— λ /6，λ為相應(yīng)頻點(diǎn)的波長(zhǎng)，兩相鄰介質(zhì)基板的間距為0.8Χ (a-sub_h)至1.2Χ (a-sub_h)。
全文摘要
一種基于電諧振結(jié)構(gòu)的零折射率平板透鏡天線，包括多個(gè)平行等距排列的長(zhǎng)方形介質(zhì)基板，所述介質(zhì)基板所在的平面與電磁波入射方向平行，兩相鄰介質(zhì)基板間設(shè)置有電磁參數(shù)與空氣接近的填充物，所述介質(zhì)基板的一面設(shè)置有沿橫向和縱向均勻排列的正方形結(jié)構(gòu)單元，每個(gè)所述結(jié)構(gòu)單元上設(shè)置有整根來(lái)回設(shè)置的覆銅線，所述覆銅線包括數(shù)個(gè)橫向直線段和連接兩相鄰直線段的連接段。本發(fā)明的平板透鏡天線三維各向異性，可在入射方向上滿足透鏡與空氣之間的波阻抗匹配，從而減小反射；當(dāng)將透鏡置于待測(cè)天線的口面時(shí)，可提高待測(cè)天線E面方向圖的定向性。
文檔編號(hào)H01Q1/38GK102280703SQ20111012373
公開(kāi)日2011年12月14日 申請(qǐng)日期2011年5月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月13日
發(fā)明者崔鐵軍, 袁麗華 申請(qǐng)人:東南大學(xué)