基于人工電磁材料的寬帶圓柱形透鏡天線制造技術

基于新型人工電磁材料的寬帶圓柱形透鏡天線由一系列新型人工電磁材料按照一定的規律排列而成，構成等效的折射率漸變的人工媒質。該新型透鏡天線包括基于新型人工電磁材料１的圓柱形透鏡２、作為激勵的饋源３、抑制后向輻射的反射器４。新型人工電磁材料１的某一片印刷電路板的具體結構５為印刷在介質基板上的一系列“Ｉ”形狀單元６，按照特定的規律排列。通過調節“Ｉ”形結構的大小，得到透鏡所需的折射率分布。選取合適里想導體反射器４放置于饋源３的后面，用來減少由饋源產生的后向輻射，以便提高天線的增益和方向性。本發明專利技術具有高增益、寬頻帶、高定向性、易于加工、成本低、重量輕和便于集成等優點。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種基于人工電磁材料的寬帶圓柱形透鏡天線，尤其涉及一種等 效折射率分布隨空間變化的新型人工媒質，通過設計不同的基本人工單元結構，實現折射率分布由1到^變化的寬帶高增益圓柱形透鏡，以實現移動站對衛星 跟蹤等方面的應用。
技術介紹
Metamaterials做為一種新型人工電磁材料，其最大的特性就是在理論上可 以用人工結構實現任意的等效介電常數和磁導率。2006年，美國杜克大學David Smith研究小組第一次成功地應用新型人工電磁材料實驗驗證了隱身大衣的理 論(D. Schurig， ef al., Science 314, 977， 2006)，這對新型人工電磁材料的發展 起著極大的推動作用，也引起了各國媒體的廣泛關注。2009年初，美國杜克大 學的David Smith研究小組與東南大學崔鐵軍教授研究小組合作，應用新型人工 電磁材料成功地設計出基于人工媒質的隱身地毯(R. Liu， C. Ji,丄丄Mock,丄Y. Chin, T.丄Cui, and D. R. Smith, Science 323， 366, 2009)，再次引起國內外學 術界和媒體的強烈反響。龍伯(Luneberg)透鏡天線由R K Luneberg于1944 年提出，距今已有六十多年的歷史。由于龍伯透鏡天線的球對稱特性，可應用于 移動接收站對衛星的跟蹤等。本專利技術提出了應用新型人工電磁材料制作類似龍伯 透鏡的寬帶圓柱形透鏡天線，在保證高增益和高定向性等特性的前提下，克服了 傳統龍伯透鏡天線的造價高、重量重和制作困難等缺點。
技術實現思路
技術問題本專利技術的目的是提供一種基于人工電磁材料的寬帶圓柱形透鏡天 線，該天線應用新型人工電磁材料實現折射率按一定規律分布的圓形透鏡天線， 其主要特點是頻帶寬、增益高和定向性好，同時具有易于加工、重量輕和造價低 等優點。技術方案本專利技術的基于人工電磁材料的寬帶圓柱形透鏡天線由一系列不同 長度的人工電磁材料并排排列組成一個橫截面近似于圓形的人工媒質圓柱形透 鏡，饋源位于透鏡的邊緣處，理想導體反射器位于饋源的后面；每一片人工電磁 材料的印刷電路板是由印刷在介質基板上的一系列大小不一的人工媒質的非諧 振基本單元構成。所述的圓柱形透鏡，其折射率變化為"=72-(r/及)2 ，其中^為圓柱形透鏡 的半徑，r為圓柱形透鏡上任意一點到圓心的距離，0SrS及。所述的非諧振基本單元，其長度可改變，以得到不同的等效折射率分布。 本專利技術的基于人工電磁材料的圓柱形透鏡天線由新型人工電磁材料組成一 個圓形的折射率漸變透鏡，這種新型人工電磁材料由一系列不同尺寸的非諧振基 本單元構成，改變這些基本單元的尺寸可以實現不同折射率的等效媒質。將這些新型人工電磁材料按一定的規律排列，以實現折射率漸變的透鏡，在透鏡的邊緣 處放置一饋源作為激勵，在饋源的后面制作一個反射器，以減小饋源的后向輻射， 提高天線的增益和定向性。有益效果與現有技術相比，本專利技術具有以下優點-1、 本專利技術具有制作簡單和便于加工的特點。調整新型人工電磁材料基本結 構單元尺寸，可以任意調節人工等效媒質的折射率和特性阻抗，實現透鏡天線在 設計上的簡單化，同時該透鏡天線僅僅由一系列的新型人工電磁材料基本單元排 列而成，使得該透鏡便于加工。2、 本專利技術具有寬頻帶的特點。在本專利技術中，由于使用的新型人工電磁材料基本結構為非諧振單元，由該基本單元構成的人工等效媒質的電磁特性對頻率的 響應不是很敏感，所以本專利技術具有寬頻帶特性。3、 本專利技術同時具有重量輕的特點。傳統龍伯透鏡天線是由具有不同折射率 的球殼壓制而成的， 一般都比較笨重。本專利技術是由不同新型人工電磁材料基本單 元按一定的規律排列，構成折射率漸變的透鏡天線，其采用的工藝為印刷電路板 工藝，此新型透鏡天線將顯著降低重量。附圖說明圖1是本專利技術的結構示意圖。其中，圖1a為透鏡天線的整體結構圖，圖1b 為圖1a中某一片印刷電路板詳細結構圖，圖1c為本專利技術的單元結構。4圖2是本專利技術的非諧振基本單元的等效媒質參數(介電常數、磁導率、波阻抗、折射率)隨尺寸變化的情況。圖3是本專利技術的天線輻射方向圖。其中，圖3a為8GHz下仿真和測量結果 的比較，圖3b為7GHz、 8GHz和8.5GHz下測量結果的比較。具體實施例方式本專利技術中，基于新型人工電磁材料的寬帶圓柱形透鏡天線是用一系列非諧振 基本單元按照一定規律排列構成的等效人工媒質實現的，整個天線包括基于新型 人工電磁材料1的圓柱形透鏡2、作為激勵的饋源3、抑制后向輻射的反射器4。 新型人工電磁材料1及其結構單元6是本專利技術的核心。可以通過調節新型人工 電磁材料中的基本單元6的尺寸，得到不同等效參數的人工媒質，從而設計透鏡 天線所需的參數分布。饋源用點源饋入，作為天線的激勵。發射器的作用是抑制 由饋源產生的后向輻射，提高天線的增益和定向性。圖2為非諧振單元6的等效媒質參數隨單元結構尺寸g變化時的分布規律，其中設計頻率為/ = 8G/fe。從圖2可以看出，當g由0.2 mm變化到2.4 mm時，等效介電常數由1.31變到2.38，等效磁導率由1變化到0.97，折射率由 1.15變化到1.52，特性阻抗由0.96變化到0.7。由此可見，可以用該非諧振單元結構6實現折射率為"-^-(r/i )2的分布。在實際設計過程中，透鏡中折射率小于1.15的部分都設計成"=1.15。圖3為該專利技術的方向圖，圖3(a)為8 GHz 下的測量結果和仿真結果的比較，可見二者吻合很好，且有較高的方向性和增益； 圖3 (b)給出了該專利技術在7GHz， 8GHz和8.5GHz下測量方向圖的比較。其結果表明，在不同頻率上該專利技術都可以很好地工作。權利要求1、一種基于人工電磁材料的寬帶圓柱形透鏡天線，其特征在于此透鏡天線由一系列不同長度的人工電磁材料(1)并排排列組成一個橫截面近似于圓形的人工媒質圓柱形透鏡(2)，饋源(3)位于透鏡的邊緣處，理想導體反射器(4)位于饋源(3)的后面；每一片人工電磁材料(1)的印刷電路板(5)是由印刷在介質基板上的一系列大小不一的人工媒質的非諧振基本單元(6)構成。2、 根據權利要求1所述的基于人工電磁材料的寬帶圓柱形透鏡天線，其特征在于所述的圓柱形透鏡(2)，其折射率變化為 = >/2-(V及)2 ，其中A為圓 柱形透鏡(2)的半徑，r為圓柱形透鏡(2)上任意一點到圓心的距離，0Sa^/ 。3、 根據權利要求1所述的基于人工電磁材料的寬帶圓柱形透鏡天線，其特 征在于所述的非諧振基本單元(6)，其長度可改變，以得到不同的等效折射率分 布。全文摘要基于新型人工電磁材料的寬帶圓柱形透鏡天線由一系列新型人工電磁材料按照一定的規律排列而成，構成等效的折射率漸變的人工媒質。該新型透鏡天線包括基于新型人工電磁材料1的圓柱形透鏡2、作為激勵的饋源3、抑制后向輻射的反射器4。新型人工電磁材料1的某一片印刷電路板的具體結構5為印刷在介質基板上的一系列“I”形狀單元6，按照特定的規律排列。通過調節“I”形結構的大小，得到透鏡所需的折射率分布。選取合適里想導體反射器4放置于饋源3的后面，用來減少由饋源產生的后向輻射，以便提高天線的增益和方向性。本專利技術具有高增益、寬頻帶、高定向性、易于加工、成本低、重量輕本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于人工電磁材料的寬帶圓柱形透鏡天線，其特征在于此透鏡天線由一系列不同長度的人工電磁材料（１）并排排列組成一個橫截面近似于圓形的人工媒質圓柱形透鏡（２），饋源（３）位于透鏡的邊緣處，理想導體反射器（４）位于饋源（３）的后面；每一片人工電磁材料（１）的印刷電路板（５）是由印刷在介質基板上的一系列大小不一的人工媒質的非諧振基本單元（６）構成。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：崔鐵軍，馬慧鋒，陳曦，楊歆汨，徐弘升，程強，
申請(專利權)人：東南大學，
類型：發明
國別省市：84[中國|南京]