专利名称：基于磁谐振结构的零折射率平板透镜天线的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于磁谐振结构的零折射率平板透镜天线。
背景技术：
新型人工电磁材料(Metamaterials或称超材料)是将具有特定几何形状的亚波长宏观基本单元周期性或非周期性地排列所构成的人工材料。简单来说，就是用有序的人造单元“粒子”代替自然界材料的分子/原子等基本粒子，所组成一种等效材料。理论分析和实验结果表明，当基本单元的结构尺寸处于亚波长尺度(1/10波长)时，新型人工电磁材料呈现出宏观的媒质特性。与传统意义材料相比，新型人工电磁材料的媒质特性取决于其基本单元结构和单元的空间分布。新型人工电磁材料最大的特点是可以通过控制人工基本单元的形状、单元材料的构成来改变人工材料的宏观电磁属性。众所周知，所有材料的电磁属性都可以用介电常数 ε和磁导率μ来描述。但是自然界中介电常数ε和磁导率μ的取值是有限的，即我们不能随心所欲的控制介电常数ε和磁导率μ来改变材料特性。而在这种新型人工电磁材料中，则可控制其等效的ε和μ，使其可以为正、可以为负、甚至为零；也可控制其按照需要形成一定的变化(例如渐变、突变等)。另外，我们还可以通过控制结构单元本身，使材料呈各向异性。2002年，S. Enoch等人提出了若将二维线源置于二维零折射率材料中时，可以提高其定向性高，并且辐射波瓣比较窄(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无法与空气层进行匹配，这就导致辐射效率比较低。2009年，Ma等人从理论上提出了运用各向异性零折射率材料来提高电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.)，从而有效解决了零折射率材料与空气层不匹配的问题。2010年，程强等人用实验验证了 Ma等人的理论(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.), 但局限于二维情况，电磁辐射源必须置于材料中间，不能直接用于提高传统天线的定向性。 本发明运用磁谐振结构实现各向异性的零折射率材料制成三维平板透镜，可以直接将其置于传统天线的口径上，如喇叭天线，微带天线等，提高它们H面远场方向图的定向性。
发明内容
技术问题本发明提供一种三维各向异性，可在入射方向上满足透镜与空气之间的波阻抗匹配，从而减小反射，在波的传播方向上磁导率为零，可提高待测天线H面定向性的基于磁谐振结构的零折射率平板透镜天线。技术方案基于磁谐振结构的零折射率平板透镜天线，包括多个平行等距排列的介质基板，所述介质基板所在的平面与电磁波入射方向垂直，两相邻介质基板间设置有电磁参数与空气接近的填充物，所述介质基板的一面设置有沿横向和纵向均勻排列的正方形结构单元，每个所述结构单元上设置有覆铜线构成的开口谐振环。本发明中，开口谐振环的外形为开口的正方形，开口谐振环的开口向下，开口两侧的覆铜线向上延伸至环内。本发明中，介质基板的厚度为sub_h，所述单元结构的边长为sub_a，sub_a的取值范围为λ/10-λ/6，λ为相应频点的波长，两相邻介质基板的间距为0.8Χ (sub_a-sub_h) 至 L 2X (sub_a-sub_h)。有益效果本发明的平板透镜天线三维各向异性，可在入射方向上满足透镜与空气之间的波阻抗匹配，从而减小反射；当传统待测天线口面上覆盖本发明的平板透镜天线时，透镜天线在波的传播方向上实现磁导率趋近于0，电磁参数的其余分量接近于1，使传统待测天线的H面远场方向图的定向性可以得到很大程度的改善。
图1为本发明的平板透镜天线的yz平面示意图，假设电磁波沿Z方向传播。图2为本发明的单片介质基板的局部平面示意图。图3为单元结构平面示意图，单元结构的边长为sub_a，开口谐振环SRR的边长为 srr_a,覆铜线宽度为w，覆铜线延伸段的长度为b，开口谐振环的开口间距为g，开口谐振环四角的90°圆弧的半径为r。图4为本发明提取SRR结构的等效磁导率ζ方向分量时边界条件设置的示意图， X方向设置为开放边界条件，y方向设置为电壁边界条件，Z方向设置为磁壁边界条件，其中 ζ方向为波传播方向。图5为本发明SRR结构等效磁导率的ζ方向分量参数提取结果图，其中横坐标为频率，纵坐标为磁导率，实线表示实部，虚线表示虚部。图6为本发明SRR结构等效介电常数的y方向分量参数提取结果图，其中横坐标为频率，纵坐标为介电常数，实线表示实部，虚线表示虚部。图7为本发明SRR结构等效磁导率的χ方向分量参数提取结果图，其中其中横坐标为频率，纵坐标为磁导率，实线表示实部，虚线表示虚部。图8为本发明波阻抗参数提取结果图，其中其中横坐标为频率，纵坐标为波阻抗， 实线表示实部，虚线表示虚部。图9为喇叭天线H面远场方向图，其中实线为空喇叭的方向图，虚线为加上本发明透镜天线后喇叭天线的方向图。图中有介质基板1、填充物2，结构单元3。
具体实施例方式下面结合附图对本发明做进一步说明。 基于磁谐振结构的零折射率平板透镜天线，包括多个平行等距排列的介质基板1， 所述介质基板1能覆盖待测传统天线的口面，介质基板1所在的平面与电磁波入射方向垂直，两相邻介质基板间设置有电磁参数与空气接近的填充物2，所述介质基板1的一面设置有沿横向和纵向均勻排列的正方形结构单元3，每个所述结构单元3上设置有覆铜线构成的开口谐振环SRR结构，所述的开口谐振环SRR结构为正方形，开口谐振环的开口向下，开口两侧的覆铜线向上延伸至环内。所述介质基板的厚度为sub_h，所述单元结构的边长为 sub_a, sub_a的取值范围为λ/10_λ/6，λ为相应频点的波长，两相邻介质基板的间距为 0. 8Χ (sub_a-sub_h)至 L 2X (sub_a_sub_h)。本发明中，介质基板一面的覆铜完全刻蚀掉，另一面将部分覆铜刻蚀掉，使剩下的覆铜形成覆铜线，构成开口谐振环SRR结构，在每个单元结构中，开口谐振环如图2所示，其中单元结构的边长为sub_a，开口谐振环SRR的边长为srr_a，覆铜线宽度为w，覆铜线延伸段的长度为b，开口谐振环的开口间距为g，开口谐振环四角的90°圆弧的半径为r。假设波的传播方向为ζ方向，磁谐振单元结构沿χ方向和y方向均勻地(周期性地)排列， χ方向和y方向的单元个数根据待测天线的口径来确定，介质基板需大于天线口径，并覆盖整个口面。介质基板通常用FR4(FR-4环氧玻璃布层压板)或者F4B(聚四氟乙烯(PTFE) 高频微波电路板材料)，当然用其他的材料也是可以的。介质基板的厚度对工艺有一定的要求，但只要确定的了介质基板的材质和厚度，基本可以通过调节单元结构的参数来满足要求。各介质基板沿ζ方向进行排列，为了固定样品，层与层之间的间隙需要用电磁参数与空气近似的物质进行填充。本发明透镜天线的制作以及确定单元结构和覆铜线尺寸参数的具体方法如下第一步，根据给定的频率，使磁谐振结构的谐振在给定的频率周围，可用商业软件 CST仿真提取其S参数进行观察。在实验验证中，我们设定频率为9. 4GHz，必须保证电磁波穿过SRR结构，并且电场需平行于中间的延伸结构，以免发生磁谐振。在仿真中，若磁谐振结构边界条件的设置如图3所示，即磁场方向垂直于SRR的结构平面，电场方向平行于中间的延伸结构，此时提取的是ζ方向的磁导率和y方向的介电常数。通过调节结构的各个参数，使S参数的谐振频率调到给定频率附近。第二步，观察介电常数和磁导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，都会造成空气层和透镜之间的阻抗不匹配，从而使反射过大，影响透镜效率。对于横电场模式(TE模)，主要考虑εζ、ε χ、μ y三个分量；对于横磁场模式(TM模)，主要考虑μζ、μχ、ey三个分量。我们的样品实现的是μ z为零，主要作用于TM模，所以重点考虑 μζ、μχ、ε y三个分量和波阻抗。第三步，对于SRR结构，影响其性能的参数主要包括SRR单元结构的边长sub_a， 单元上所刻蚀结构的边长srr_a，延伸结构的臂长b，两臂的间距g，线宽w，，四个角上90° 圆弧的半径r。sub_a的变化范围为λ/10-λ/6(其中λ表示相应频点的波长)，srr_a的变化范围与sub_a —致，但要小于sub_a，W和g最小为0. Imm(工艺限制)。通过调节这些参数，在f = 9. 4GHz处实现磁导率的ζ方向分量为0，电磁参数的其余分量基本接近于1。 本发明的实验验证中，尺寸参数为sub_a = 3. anm，g = 0. 2謹，b = 1. 8_，γ = 0. 5謹，srr_ a = 2. 5mm, w = 0. 16mm,覆铜的厚度为0. 018mm,介质基板的厚度sub_h为0. 2，介电常数为2. 65。其电磁参数三个分量的提取如图4-图7所示，在f = 9. 4GHz时，μ z 0，μ y = 0. 98，εχ = 1. 6，波阻抗为0. 78，满足要求。第四步，制做样品。介质基板形状及所需单元数根据待测天线口径确定，图1为单片介质板xy平面内的局部示意图。Z方向等距排列的介质基板的层数至少为2层，两相邻介质基板间距的取值范围为0. 8X (sub_a-sub_h)到1. 2X (sub_a-sub_h)，实验中我们取为 a-sub_ho 第五步，实验测试。这里用X波段的标准喇叭进行测试，运用样品提高其H面远场方向图的定向性，而对E面基本没影响。图8为在喇叭口的H面方向图的对比图。其中实线表示空喇叭的测试结果图，虚线表示加透镜以后的测试结果。从图中可以看到，加了透镜以后，喇叭的波束宽度降低了 38%，显著提高了其定向性。
权利要求
1.一种基于磁谐振结构的零折射率平板透镜天线，其特征在于，该透镜天线包括多个平行等距排列的介质基板(1)，所述介质基板(1)所在的平面与电磁波入射方向垂直，两相邻介质基板间设置有电磁参数与空气接近的填充物O)，所述介质基板(1)的一面设置有沿横向和纵向均勻排列的正方形结构单元(3)，每个所述结构单元(3)上设置有覆铜线构成的开口谐振环。
2.根据权利要求1所述基于磁谐振结构的零折射率平板透镜天线，其特征在于，所述开口谐振环的外形为开口的正方形，开口谐振环的开口向下，开口两侧的覆铜线向上延伸至环内。
3.根据权利要求1所述基于磁谐振结构的零折射率平板透镜天线，其特征在于，所述介质基板的厚度为sub_h，所述单元结构的边长为sub_a，sub_a的取值范围为λ/10-λ/6， λ为相应频点的波长，两相邻介质基板的间距为0. 8 X (sub_a-sub_h)至1 · 2 X (sub_ a_sub_h)ο
全文摘要
一种基于磁谐振结构的零折射率平板透镜天线，包括多个平行等距排列的介质基板，所述介质基板所在的平面与电磁波入射方向垂直，两相邻介质基板间设置有电磁参数与空气接近的填充物，所述介质基板的一面设置有沿横向和纵向均匀排列的正方形结构单元，每个所述结构单元上设置有覆铜线构成的正方形开口谐振环，开口谐振环的开口向下，开口两侧的覆铜线向上延伸至环内。本发明的平板透镜天线三维各向异性，可在入射方向上满足透镜与空气之间的波阻抗匹配，从而减小反射；当将透镜置于待测天线的口面时，可提高待测天线H面方向图的定向性。
文档编号H01Q15/02GK102299422SQ20111013076
公开日2011年12月28日 申请日期2011年5月18日 优先权日2011年5月18日
发明者崔铁军, 袁丽华 申请人:东南大学