一种偏馈式微波天线.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 102904036 A (43)申请公布日 2013.01.30 C N 1 0 2 9 0 4 0 3 6 A *CN102904036A* (21)申请号 201110210315.5 (22)申请日 2011.07.26 H01Q 15/00(2006.01) H01Q 15/23(2006.01) H01Q 19/06(2006.01) H01Q 19/10(2006.01) (71)申请人深圳光启高等理工研究院 地址 518000 广东省深圳市南山区高新区中 区高新中一道9号软件大厦 申请人深圳光启创新技术有限公司 (72)发明人刘若鹏 季春霖 岳玉涛 杨青。

2、 (54) 发明名称 一种偏馈式微波天线 (57) 摘要 本发明公开一种偏馈式微波天线，其包括馈 源、第一超材料面板以及贴附于第一超材料面板 背部的反射面板，馈源与第一超材料面板外表面 中心点的连线呈一不等于180的角度。馈源 发出的球面电磁波经过第一超材料面板后发生折 射并被反射面板反射后再次经过第一超材料面板 发生折射，并最终以平面电磁波传输出去。本发 明采用超材料原理制作天线，使得天线脱离了常 规的凸透镜形状、凹透镜形状以及抛物面形状的 限制，采用本发明的天线，其形状可为平板状或任 意形状且厚度更薄、体积更小、加工和制作更为方 便，具有成本低廉、增益效果好的有益效果。 (51)Int.C。

3、l. 权利要求书2页 说明书6页 附图3页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 2 页 说明书 6 页 附图 3 页 1/2页 2 1.一种偏馈式微波天线，其特征在于：包括馈源、第一超材料面板以及贴附于第一超 材料面板背部的反射面板；所述第一超材料面板包括核心层，所述核心层由多个折射率分 布相同的核心超材料片层构成，所述核心超材料片层包括核心超材料片层基材以及周期排 布于所述核心超材料片层基材中的多个第一人造孔结构，每一第一人造孔结构和其所附着 的部分核心超材料片层基材构成了核心超材料片层的基本单元；所述核心超材料片层上的 折射率分布满足规律：以一不与核心超。

4、材料片层中心重合的定点为圆心，核心超材料片层 上相同半径处的折射率相同，且随着半径的增大，折射率逐渐减小。 2.如权利要求1所述的偏馈式微波天线，其特征在于：所述馈源与所述第一超材料面 板的中心点的连线与水平面形成的角度为45。 3.如权利要求2所述的偏馈式微波天线，其特征在于：所述馈源与所述定点的连线垂 直于所述第一超材料面板，且所述定点位于所述第一超材料面板边界上。 4.如权利要求3所述的偏馈式微波天线，其特征在于：所述第一超材料面板边界为四 边形，所述定点位于四边形一边中点。 5.如权利要求3所述的偏馈式微波天线，其特征在于：所述第一超材料面板边界为圆 形，所述定点位于圆形圆周上。 6.。

5、如权利要求3或4或5所述的偏馈式微波天线，其特征在于：所述核心超材料片层 上的折射率分布满足公式： 其中，r为折射率相同的核心超材料片层基本单元中心点连线所形成的圆弧对应的半 径值，L为所述馈源到所述第一超材料面板的垂直距离，n max 为所述核心超材料片层所具有 的最大折射率值，d 2 为所述核心层的厚度。 7.如权利要求3或4或5所述的偏馈式微波天线，其特征在于：所述第一超材料面板 还包括设置于所述核心层外侧的第一渐变超材料片层至第N渐变超材料片层，所述第N渐 变超材料片层紧贴所述核心超材料片层；每一渐变超材料片层包括渐变超材料片层基材以 及周期排布于所述渐变超材料片层基材中的多个第二人造。

6、孔结构，每一第二人造孔结构和 其所附着的部分渐变超材料片层基材构成了所述渐变超材料片层的基本单元；渐变超材料 片层上的折射率分布满足规律：以一定点为圆心，相同半径处的折射率相同，随着半径的增 大，折射率从各渐变超材料片层的最大值逐渐减小到最小值，所述定点与所述馈源的连线 垂直于渐变超材料片层且所述定点位于所述渐变超材料片层边界上；各渐变超材料片层和 核心超材料片层具有相同的折射率最小值。 8.如权利要求7所述的偏馈式微波天线，其特征在于：所述核心超材料片层上的折射 率分布满足公式： 其中，r为折射率相同的核心超材料片层基本单元中心点连线所形成的圆弧对应的半 径值，L为所述馈源到所述第一超材料面。

7、板的垂直距离，n max 为所述核心超材料片层所具有 的最大折射率值，d 2 为所述核心层的厚度，d 1 为所有的渐变超材料片层所具有的厚度。 权 利 要 求 书CN 102904036 A 2/2页 3 9.如权利要求8所述的偏馈式微波天线，其特征在于：所述第一渐变超材料片层至第N 渐变超材料片层的折射率分布满足规律： n i (r)n min +(n(r)-n min )(i/N) 其中，N为渐变超材料片层的总层数，i为第一渐变超材料片层至第N渐变超材料片层 所对应的序号，n min 为所有的渐变超材料片层所具有的相同的最小折射率值。 10.如权利要求8所述的偏馈式微波天线，其特征在于：所。

8、述第一渐变超材料片层至第 N渐变超材料片层的折射率分布满足规律： n i (r)n min (n(r)/n min ) (i/N) 其中，N为渐变超材料片层的总层数，i为第一渐变超材料片层至第N渐变超材料片层 所对应的序号，n min 为所有的渐变超材料片层所具有的相同的最小折射率值。 11.如权利要求1所述的偏馈式微波天线，其特征在于：所述偏馈式微波天线还包括用 于将所述馈源辐射的电磁波发散的第二超材料面板，所述第二超材料面板由多个折射率分 布相同的第一超材料片层构成，所述第一超材料片层包括第一基材以及周期排布于所述第 一基材中的第三人造孔结构；所述第一超材料片层的折射率分布规律满足：所述第。

9、一超材 料片层上的折射率呈圆形分布，圆心位于所述第一超材料片层中心点，圆心处的折射率最 小且随着半径的增大，对应半径的折射率亦增大且相同半径处折射率相同。 权 利 要 求 书CN 102904036 A 1/6页 4 一种偏馈式微波天线 技术领域 0001 本发明涉及一种天线，尤其涉及一种由超材料制成的偏馈式微波天线。 背景技术 0002 常规的微波天线一般由金属抛物面以及位于金属抛物面焦点的馈源构成，金属抛 物面的作用为将外部的电磁波反射给馈源或者将馈源发射的电磁波反射出去。金属抛物面 的面积以及金属抛物面的加工精度直接决定微波天线的各项参数，例如增益、方向性等。现 有的偏馈式微波天线由于其。

10、馈源的安装位置并不在与天线中心切面垂直且过天线中心的 直线上，因此常规的偏馈式微波天线没有馈源阴影的影响。但是现有偏馈式微波天线的反 射面仍然是由金属抛物面构成。 0003 金属抛物面通常利用模具铸造成型或者采用数控机床进行加工的方法。第一种方 法的工艺流程包括：制作抛物面模具、铸造成型抛物面和进行抛物反射面的安装。工艺比较 复杂，成本高，而且抛物面的形状要比较准确才能实现天线的定向传播，所以对加工精度的 要求也比较高。第二种方法采用大型数控机床进行抛物面的加工，通过编辑程序，控制数控 机床中刀具所走路径，从而切割出所需的抛物面形状。这种方法切割很精确，但是制造这种 大型数控机床比较困难，而且。

11、成本比较高。 发明内容 0004 本发明所要解决的技术问题在于，正对现有技术的上述不足，提出一种结构简单、 体积较小且增益较高的偏馈式微波天线。 0005 本发明解决其技术问题采用的技术方案是，提出一种偏馈式微波天线，包括包括 馈源、第一超材料面板以及贴附于第一超材料面板背部的反射面板；所述第一超材料面板 包括核心层，所述核心层由多个折射率分布相同的核心超材料片层构成，所述核心超材料 片层包括核心超材料片层基材以及周期排布于所述核心超材料片层基材中的多个第一人 造孔结构，每一第一人造孔结构和其所附着的部分核心超材料片层基材构成了核心超材料 片层的基本单元；所述核心超材料片层上的折射率分布满足规。

12、律：以一不与核心超材料片 层中心点重合的定点为圆心，核心超材料片层上相同半径处的折射率相同，且随着半径的 增大，折射率逐渐减小。 0006 进一步地，所述馈源与所述第一超材料面板的中心点的连线与水平面形成的角度 为45。 0007 进一步地，所述定点位于所述第一超材料面板的边界上。 0008 进一步地，所述定点位于四边形一边中点。 0009 进一步地，所述第一超材料面板边界为圆形，所述馈源与所述第一超材料面板的 垂直交点位于圆形圆周上。 0010 进一步地，所述核心超材料片层上的折射率分布满足公式： 说 明 书CN 102904036 A 2/6页 5 0011 0012 其中，r为折射率相同。

13、的核心超材料片层基本单元中心点连线所形成的圆弧对应 的半径值，L为所述馈源到所述第一超材料面板的垂直距离，n max 为所述核心超材料片层所 具有的最大折射率值，d 2 为所述核心层的厚度。 0013 进一步地，所述第一超材料面板还包括设置于所述核心层外侧的第一渐变超材料 片层至第N渐变超材料片层，所述第N渐变超材料片层紧贴所述核心超材料片层；每一渐 变超材料片层包括渐变超材料片层基材以及周期排布于所述渐变超材料片层基材中的多 个第二人造孔结构，每一第二人造孔结构和其所附着的部分渐变超材料片层基材构成了所 述渐变超材料片层的基本单元；渐变超材料片层上的折射率分布满足规律：以一定点为圆 心，相同。

14、半径处的折射率相同，随着半径的增大，折射率从各渐变超材料片层的最大值逐渐 减小到最小值，所述定点与所述馈源的连线垂直于渐变超材料片层且所述定点位于所述渐 变超材料片层边界上；各渐变超材料片层和核心超材料片层具有相同的折射率最小值。 0014 进一步地，所述核心超材料片层上的折射率分布满足公式： 0015 0016 其中，r为折射率相同的核心超材料片层基本单元中心点连线所形成的圆弧对应 的半径值，L为所述馈源到所述第一超材料面板的垂直距离，n max 为所述核心超材料片层所 具有的最大折射率值，d 2 为所述核心层的厚度，d 1 为所有的渐变超材料片层所具有的厚度。 0017 进一步地，所述第一。

15、渐变超材料片层至第N渐变超材料片层的折射率分布满足规 律： 0018 n i (r)n min +(n(r)-n min )(i/N) 0019 其中，N为渐变超材料片层的总层数，i为第一渐变超材料片层至第N渐变超材料 片层所对应的序号，n min 为所有的渐变超材料片层所具有的相同的最小折射率值。 0020 进一步地，所述第一渐变超材料片层至第N渐变超材料片层的折射率分布满足规 律： 0021 n i (r)n min +(n(r)/n min ) (i/N) 0022 其中，N为渐变超材料片层的总层数，i为第一渐变超材料片层至第N渐变超材料 片层所对应的序号，n min 为所有的渐变超材料。

16、片层所具有的相同的最小折射率值。 0023 进一步地，所述偏馈式微波天线还包括用于将所述馈源辐射的电磁波发散的第二 超材料面板，所述第二超材料面板由多个折射率分布相同的第一超材料片层构成，所述第 一超材料片层包括第一基材以及周期排布于所述第一基材中的第三人造孔结构；所述第一 超材料片层的折射率分布规律满足：所述第一超材料片层上的折射率呈圆形分布，圆心位 于所述第一超材料片层中心点，圆心处的折射率最小且随着半径的增大，对应半径的折射 率亦增大且相同半径处折射率相同。 0024 本发明采用超材料原理制作天线，使得天线脱离了常规的凸透镜形状、凹透镜形 状以及抛物面形状的限制，采用本发明的天线，其形状。

17、可为平板状或任意形状且厚度更薄、 体积更小、加工和制作更为方便，具有成本低廉、增益效果好的有益效果。 说 明 书CN 102904036 A 3/6页 6 附图说明 0025 图1为超材料基本单元的立体结构示意图； 0026 图2为本发明偏馈式微波天线的结构示意图； 0027 图3为本发明偏馈式微波天线中第一超材料面板边界为四边形时其上的折射率 分布示意图； 0028 图4为本发明偏馈式微波天线中第一超材料面板边界为圆形时其上的折射率分 布示意图； 0029 图5为构成第二超材料面板的第二超材料片层的立体结构示意图。 具体实施方式 0030 光，作为电磁波的一种，其在穿过玻璃的时候，因为光线的。

18、波长远大于原子的尺 寸，因此我们可以用玻璃的整体参数，例如折射率，而不是组成玻璃的原子的细节参数来描 述玻璃对光线的响应。相应的，在研究材料对其他电磁波响应的时候，材料中任何尺度远小 于电磁波波长的结构对电磁波的响应也可以用材料的整体参数，例如介电常数和磁导 率来描述。通过设计材料每点的结构使得材料各点的介电常数和磁导率都相同或者不 同从而使得材料整体的介电常数和磁导率呈一定规律排布，规律排布的磁导率和介电常数 即可使得材料对电磁波具有宏观上的响应，例如汇聚电磁波、发散电磁波等。该类具有规律 排布的磁导率和介电常数的材料我们称之为超材料。 0031 如图1所示，图1为构成超材料的基本单元的立体。

19、结构示意图。超材料的基本单 元包括基材2以及在基材2中形成的人造孔结构1。在基材2中形成人造孔结构1使得基 材2每点的介电常数和磁导率随着人造孔结构体积的不同而不同，从而每个超材料基本单 元对相同频率的入射波具有不同的电磁响应。多个超材料基本单元按一定规律排列即可使 得超材料对电磁波具有宏观的响应。由于超材料整体需对入射电磁波有宏观电磁响应因此 各个超材料基本单元对入射电磁波的响应需形成连续响应，这要求每一超材料基本单元的 尺寸为入射电磁波的十分之一至五分之一，优选为入射电磁波的十分之一。本段描述中，我 们人为的将超材料整体划分为多个超材料基本单元，但应知此种划分方法仅为描述方便， 不应看成超。

20、材料由多个超材料基本单元拼接或组装而成，实际应用中超材料是将人造孔结 构周期排布于基材中即可构成，工艺简单且成本低廉。周期排布即指上述我们人为划分的 各个超材料基本单元上能对入射电磁波产生连续的电磁响应。 0032 如图2所示，图2为本发明偏馈式微波天线的结构示意图。图2中，偏馈式微波天 线包括馈源20、第一超材料面板10以及贴附于第一超材料面板10背部的反射面板40，本 实施例中反射面板40为金属材质的反射面板。馈源20与第一超材料面板10下边界中点 的连线垂直于第一超材料面板10。馈源20与第一超材料面板10外表面中心点的连线与水 平面呈一不等于180的角度，且馈源20与第一超材料面板10。

21、的垂直距离为L。本实施 例中，馈源20与第一超材料面板10外表面中心点的连线与水平面所形成的角度为45，馈 源20与第一超材料面板10的垂直交点位于第一超材料面板10的边界上，此时第一超材料 面板10的整体高度即为2L。下面均以馈源20与第一超材料面板10外表面中心点的连线 与水平面所形成的角度为45来进行说明。 0033 第一超材料面板10包括核心层，该核心层由多个折射率分布相同的核心超材料 说 明 书CN 102904036 A 4/6页 7 片层构成。构成核心超材料片层的基本单元如图1所示，核心超材料片层包括核心超材料 片层基材以及周期排布于核心超材料片层基材中的多个第一人造孔结构，每一。

22、人造孔结构 和其占据的部分核心超材料片层基材构成了核心超材料片层的基本单元。整个核心层具有 厚度d 2 。 0034 因为第一超材料面板10需要使得入射的电磁波发生折射以后被反射面板40反射 并再次被第一超材料面板10折射后能平行出射，因此第一超材料面板10的折射率分布需 满足规律：以一不与核心超材料片层中心重合的定点为圆心，核心超材料片层上相同半径 处的折射率相同，且随着半径的增大，折射率逐渐减小。优选地，本实施例中，该圆心位于第 一超材料面板的边界上，且圆心与馈源的连线垂直于第一超材料面板。当第一超材料面板 的边界形状为四边形时，圆心O即位于该四边形一边的中点上，如图3所示；当第一超材料 。

23、面板的边界形状为圆形时，圆心O即位于该圆的圆周上，如图4所示。图3、图4中我们看出， 当圆心位于第一超材料面板边界上时，圆心所在的区域即为第一超材料面板上的折射率最 大值所在区域，且第一超材料面板上折射率相同的基本单元中心点的连线为该多个同心圆 被第一超材料面板边界截断形成的弧线。进一步地，第一超材料面板上折射率n对应半径 r的表达式为： 0035 0036 其中，n max 为核心层所具有的最大折射率值，L为馈源到第一超材料面板的垂直距 离，d 2 为第一超材料面板核心层厚度。 0037 同时，为了使得出射电磁波增益最大，需使得出射电磁波相位一致，因此优选地， 核心层厚度d 2 、核心层高度。

24、2L、馈源20到第一超材料面板的垂直距离L、核心层所具有的最 大折射率n max 、核心层所具有的最小折射率n min 需满足以下关系式： 0038 0039 优选地，为了减少从馈源20发射的电磁波在第一超材料面板10表面产生的反射 能量损失，可以在第一超材料面板10的核心层外侧设置第一渐变超材料片层至第N渐变超 材料片层。每一渐变超材料片层的基本单元如图1所示，每一渐变超材料片层也包括渐变 超材料片层基材以及在渐变超材料片层基材上周期排布的多个第二人造孔结构，每一第二 人造孔结构和其所占据的部分渐变超材料片层基材即构成了核心超材料片层的基本单元。 各渐变超材料片层上的折射率分布满足规律：以一。

25、定点为圆心，相同半径处的折射率相同， 随着半径的增大，折射率从各渐变超材料片层的最大值逐渐减小到最小值，所述定点与所 述馈源的连线垂直于渐变超材料片层且所述定点位于所述渐变超材料片层边界上；各渐变 超材料片层和核心超材料片层具有相同的折射率最小值。本实施例中，各渐变超材料片层 所具有的最小折射率与核心超材料片层所具有的最小折射率相等，即均为n min 。第一渐变超 材料片层至第N渐变超材料片层所具有的最大折射率分别为n 1 、n 2 n n ，且满足n 1 n 2 n n n max 。所有的渐变超材料片层共具有厚度d 1 ，且所有的超材料片层高度与核 心超材料片层高度相等，均为2L。 004。

26、0 设置有渐变超材料片层后，核心超材料片层的折射率分布公式变化为： 说 明 书CN 102904036 A 5/6页 8 0041 0042 相应地，为了使得出射电磁波增益最大，需使得出射电磁波相位一致，因此优选 地，核心层厚度d 2 、渐变超材料片层d 1 ，核心层高度2L、馈源20与第二超材料面板10的垂 直距离L、核心层所具有的最大折射率n max 、核心层所具有的最小折射率n min 需满足以下关 系式： 0043 0044 每一渐变超材料片层的精确折射率分布可为多种形式，例如每一渐变超材料片层 折射率呈线性分布，其表达式为： 0045 n i (r)n min +(n(r)-n mi。

27、n )(i/N) 0046 其中，N为渐变超材料片层的总层数，i为第一渐变超材料片层至第N渐变超材料 片层所对应的序号，即i取值1、2、3、 N。 0047 同时，每一渐变超材料片层亦可采用幂值分布，采用幂值分布时每一渐变超材料 片层表达式为： 0048 n i (r)n min +(n(r)/n min ) (i/N) 0049 其中，N为渐变超材料片层的总层数，i为第一渐变超材料片层至第N渐变超材料 片层所对应的序号，即i取值1、2、3、 N。 0050 本发明还提供一种第二超材料面板30，第二超材料面板30的作用为将馈源发射 的电磁波发散，以提高馈源的近距离辐射范围。第二超材料面板30的。

28、位置可以紧贴馈源的 发射端口亦可与馈源相隔一定距离。本实施例中，第二超材料面板30紧贴于馈源20的发 射端口上。 0051 第二超材料面板30由多片折射率分布相同的第一超材料片层300构成，如图5所 示，图5为第一超材料片层300的立体结构示意图，第一超材料片层300包括第一基材301 以及周期排布于第一基材中的多个第三人造孔结构302。 0052 构成第一超材料片层300的基本单元仍如图1所示，但第一超材料片层300需具 有发散电磁波的功能，根据电磁学原理，电磁波向折射率大的方向偏折。因此，第一超材料 片层300上的折射率变化规律为：第一超材料片层300折射率呈圆形分布，圆心位于第一超 材料。

29、片层中心点，圆心处的折射率最小且随着半径的增大，对应半径的折射率亦增大且相 同半径处折射率相同。具有该类折射率分布的第一超材料片层300使得辐射源20辐射出 来的电磁波被发散，以提高辐射源的近距离辐射范围，使得偏馈式微波天线整体能够更小 的尺寸。 0053 更具体地，本发明中，第一超材料片层300上的折射率分布规律可以为线性变化， 即n (R) n 0 +KR，K为常数，R为圆形分布的第三人造孔结构附着的超材料基本单元中心点与 第一基材中心点的连线距离，n 0 为第一基材中心点所具有的折射率值。另外，第一超材料片 层300上的折射率分布规律亦可为平方率变化，即n (R) n 0 +KR 2 ；。

30、或为立方率变化即n (R) n 0 +KR 3 ；或为冥函数变化，即n (R) n 0 K R 等。常数K和n 0 均可根据实际需要通过简单的 计算机仿真即可确定。 0054 上面详细论述了第一超材料面板和第二超材料面板的整体折射率分布关系，由超 材料原理可知，基材中的人造孔结构的体积直接决定超材料各点的折射率值。同时，根据实 说 明 书CN 102904036 A 6/6页 9 验可知，当人造孔结构内填充有折射率小于基材的介质时，人造孔结构的体积越大，其对应 的超材料基本单元的折射率越小。本发明中，构成第一超材料面板的第一超材料片层上的 第三人造孔结构排布规律为：所述第三人造孔结构内填充有折。

31、射率小于第一基材折射率的 介质，所述第一超材料片层的多个第三人造孔结构在所述第一基材上呈圆形分布，圆心处 的第三人造孔结构体积最大，随着半径的增大，对应半径的第三人造孔结构体积减小且相 同半径处的第三人造孔结构体积相同。渐变超材料片层上的第二人造孔结构排布规律为： 所述第二人造孔结构内填充有折射率小于渐变超材料片层基材折射率的介质，以一不与渐 变超材料片层中心点重合的定点为圆心，核心超材料片层上相同半径处的第二人造孔结构 体积相同，且随着半径的增大，第二人造孔结构尺寸增大。核心超材料片层上的第一人造孔 结构排布规律为：所述第一人造孔结构内填充有折射率小于核心超材料片层基材折射率的 介质，以一不。

32、与渐变超材料片层中心点重合的定点为圆心，核心超材料片层上相同半径处 的第一人造孔结构尺寸相同，且随着半径的增大，第一造孔结构尺寸减小。上述第一人造 孔结构、第二人造孔结构和第三人造孔结构内填充的折射率小于各基材折射率的介质为空 气。 0055 可以想象地，当第一人造孔结构、第二人造孔结构或第三人造孔结构内填充介质 的折射率大于基材折射率时，各人造孔的体积与上述排布规律相反即可。 0056 满足上述第一超材料面板和第二超材料面板折射率分布要求的人造孔结构的形 状并不受限制，只要其所占据超材料基本单元的体积满足上述排布规律即可。同时，每一超 材料基本单元内也可形成有多个体积相同的人造孔结构，此时需。

33、要使得每一超材料基本单 元上所有的人造孔体积之和满足上述排布规律。 0057 上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体 实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员 在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多 形式，这些均属于本发明的保护之内。 说 明 书CN 102904036 A 1/3页 10 图1 图2 说 明 书 附 图CN 102904036 A 10 2/3页 11 图3 图4 说 明 书 附 图CN 102904036 A 11 3/3页 12 图5 说 明 书 附 图CN 102904036 A 12 。