专利名称：一种微波天线的制作方法
技术领域：
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种微波天线。
背景技术：
微波天线是通信技术领域中较常用和较重要的一种天线，其用于点对点通信，工作频率通常为12GHZ至15GHZ。现有的微波天线通常采用喇叭天线作为馈源且成抛物面状， 喇叭天线发出的电磁波经过抛物面状的外壳汇聚后向外辐射。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述不足，提出一种方向性良好的微波天线。本发明解决其技术问题采用的技术方案是，提出一种微波天线，其包括一侧开口的外壳及设置在外壳另一侧的馈源，还包括封闭所述外壳开口的超材料，所述馈源与超材料同轴设置，所述超材料由多片厚度相等、折射率分布相同的超材料片层构成，所述超材料片层包括基材以及周期排布于基材上的多个人造微结构，所述超材料片层的折射率分布通过如下步骤得到Sl 在微波天线未设置超材料的情况下，用空气填充超材料区域并标注出各超材料片层的边界，测试并记录所述馈源辐射的电磁波在第i层超材料片层前表面的初始相位 φΜ，其中，第i层超材料片层前表面中心点处的初始相位为仍。(ο);
M ,S2 根据公式η φι (0)「； ’ ^ax 得到超材料后表面的相位门，
λ其中，d为每层超材料片层的厚度，λ为馈源辐射的电磁波波长，Hfflax为所述超材料所具有的最大折射率值，M为构成所述超材料的超材料片层的总层数；S3 根据公式η φι0(γ) Γ ·, ‘ n{y)d \27Γ得到超材料各点的折射率η (y)，
λ其中，y为超材料上任一点距超材料中心轴线的距离。进一步地，同一超材料片层上的所有人造微结构具有相同的几何形状，且在基材上呈圆形排布，圆心处的人造微结构几何尺寸最大，相同半径处的人造微结构几何尺寸相同。进一步地，所述超材料片层还包括覆盖层，同一超材料片层上的所有人造微结构被夹持在基材与覆盖层之间。进一步地，所述人造微结构为具有“工”字形几何形状的金属微结构，所述金属微结构包括竖直的第一金属分支以及位于所述第一金属分支两端且垂直于所述第一金属分支的两个第二金属分支。进一步地，所述金属微结构还包括位于每一第二金属分支两端且垂直于所述第二金属分支的第三金属分支。
进一步地，所述人造微结构为具有平面雪花型的几何形状的金属微结构，所述金属微结构包括相互垂直的第一主金属线及第二主金属线，垂直连接在所述第一主金属线两端的两个第一分金属线，以及垂直连接在所述第二主金属线两端的两个第二分金属线。进一步地，所述基材由高分子材料、陶瓷材料、铁电材料、铁氧材料或者铁磁材料制成。进一步地，所述金属微结构通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻周期排布于所述基材上。进一步地，所述覆盖层由高分子材料、陶瓷材料、铁电材料、铁氧材料或者铁磁材料制成。进一步地，所述馈源为圆形波导，其开口端正对超材料的中心。本发明超材料片层上的折射率分布通过初始相位法得到，其计算过程易于实现程序化、代码化，在形成代码后，使用者仅需掌握代码的使用即可，便于大规模推广，并且添加超材料后的微波天线其厚度变薄、质量变轻。
图1为构成超材料的基本单元的立体结构示意图；图2为本发明微波天线的结构示意图；图3为本发明超材料折射率分布计算示意图；图4为能对电磁波产生响应以改变超材料基本单元折射率的第一较佳实施方式的人造金属微结构的几何形状拓扑图案；图如为图4中人造金属微结构几何形状拓扑图案的衍生图案；图5为能对电磁波产生响应以改变超材料基本单元折射率的第二较佳实施方式的人造金属微结构的几何形状拓扑图案；图fe为图5中人造金属微结构几何形状拓扑图案的衍生图案。
具体实施例方式光，作为电磁波的一种，其在穿过玻璃的时候，因为光线的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ε和磁导率μ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。如图1所示，图1为构成超材料的基本单元的立体结构示意图。超材料的基本单元包括人造微结构1以及该人造微结构附着的基材2。本发明中，人造微结构为人造金属微结构，人造金属微结构具有能对入射电磁波电场和/或磁场产生响应的平面或立体拓扑结构，改变每个超材料基本单元上的人造金属微结构的图案和/或尺寸即可改变每个超材料基本单元对入射电磁波的响应。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金属微结构周期排布于基材上即可构成，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的人造金属微结构能对入射电磁波产生连续的电磁响应。本发明中，基材可选用高分子材料、陶瓷材料、铁电材料、铁氧材料或者铁磁材料等，其中高分子材料优选为 FR-4或F4B。人造金属微结构可通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻周期排布于所述基材上，其中蚀刻为较优工艺，其步骤为将金属片覆盖于基材上，而后利用化学溶剂去掉除预设人造金属图案以外的金属。本发明中，利用上述超材料原理，设计好超材料整体的折射率分布，而后根据该折射率分布在基材上周期排布人造金属微结构以改变入射电磁波的电磁响应从而实现所需要的功能。如图2所示，图2为本发明微波天线的结构示意图。图2中，微波天线包括馈源 10、一侧开口的外壳20以及与封闭外壳开口的超材料30，馈源10与超材料30同轴设置。 本发明中，馈源10采用圆形波导，其开口端正对超材料中心。外壳由金属反射体制成，其将馈源发出的电磁波反射至超材料；超材料将电磁波转化为平面电磁波辐射出去以提高微波天线的方向性。对于超材料上的折射率设计，常规的设计方法为公式法，即利用光程近似相等的原理得到超材料各点上对应的折射率值。公式法得到的超材料折射率分布能应用于较简单的系统仿真设计，但由于实际情况中，电磁波的分布并不是完美的符合软件仿真中电磁波的分布，因此对于复杂的系统，利用公式法得到的超材料折射率分布会存在较大的误差。本发明利用初始相位法得到超材料各点的折射率分布以使得超材料实现将电磁波转化为平面电磁波的目的。本发明中，超材料由多片超材料片层叠加构成，每片超材料片层包括基材以及在基材上周期排布的人造金属微结构，各超材料片层厚度相等且折射率分布相同。本实施例中，超材料片层还包括覆盖层以封装所述人造金属微结构，覆盖层设置于所述多个人造金属微结构之上。初始相位法中初始相位通过如下方式定义如图3所示，设计初始阶段将超材料区域填充空气，超材料共有M层，仅标注出超材料区域内各超材料片层的边界。此时，超材料区域内部折射率为1，选取其中第i层的前表面测试并记录前表面各处的初始相位 φ10ω，其中，第i层前表面中心点处的初始相位为仍。(0)。本文中，所述前表面是指靠近馈源的表面，后表面是指与前表面相对的原理馈源的表面。图3与图4中，超材料仅显示了其纵截面，将超材料纵截面的折射率分布旋转一周即构成了超材料整体的折射率分布，即超材料上的折射率以其中心点为圆心呈同心圆形分布，相同半径处的折射率相同。本发明中，超材料需要使得电磁波以平面波形式辐射且超材料为平板状，因此需使得超材料后表面处，相位分布等相，即超材料后表面的相位不随y值变化而变化，其为固定值η，该固定值η为超材料后表面中心点处的相位。超材料上的折射率是人为设计，因此在设计时，由于技术限制，超材料的最大折射率值nmax与最小折射率值nmin为固定值。本发明中，超材料中心轴线上各层超材料片层的折射率为最大折射率nmax，根据公式
权利要求
1.一种微波天线，包括一侧开口的外壳及设置在外壳另一侧的馈源，其特征在于还包括封闭所述外壳开口的超材料，所述馈源与超材料同轴设置，所述超材料由多片厚度相等、折射率分布相同的超材料片层构成，所述超材料片层包括基材以及周期排布于基材上的多个人造微结构，所述超材料片层的折射率分布通过如下步骤得到Sl 在微波天线未设置超材料的情况下，用空气填充超材料区域并标注出各超材料片层的边界，测试并记录所述馈源辐射的电磁波在第i层超材料片层前表面的初始相位 ^o ω，其中，第i层超材料片层前表面中心点处的初始相位为仍Q(o);
2.如权利要求1所述的微波天线，其特征在于同一超材料片层上的所有人造微结构具有相同的几何形状，且在基材上呈圆形排布，圆心处的人造微结构几何尺寸最大，相同半径处的人造微结构几何尺寸相同。
3.如权利要求1或2所述的微波天线，其特征在于所述超材料片层还包括覆盖层，同一超材料片层上的所有人造微结构被夹持在基材与覆盖层之间。
4.如权利要求2所述的微波天线，其特征在于所述人造微结构为具有“工”字形几何形状的金属微结构，所述金属微结构包括竖直的第一金属分支以及位于所述第一金属分支两端且垂直于所述第一金属分支的两个第二金属分支。
5.如权利要求4所述的微波天线，其特征在于所述金属微结构还包括位于每一第二金属分支两端且垂直于所述第二金属分支的第三金属分支。
6.如权利要求2所述的微波天线，其特征在于所述人造微结构为具有平面雪花型的几何形状的金属微结构，所述金属微结构包括相互垂直的两条第一金属分支以及位于所述第一金属分支两端且垂直于所述第一金属分支的第二金属分支。
7.如权利要求1所述的微波天线，其特征在于所述基材由高分子材料、陶瓷材料、铁电材料、铁氧材料或者铁磁材料制成。
8.如权利要求2或4所述的微波天线，其特征在于所述金属微结构通过蚀刻、电镀、 钻刻、光刻、电子刻或离子刻周期排布于所述基材上。
9.如权利要求4所述的微波天线，其特征在于所述覆盖层由高分子材料、陶瓷材料、 铁电材料、铁氧材料或者铁磁材料制成。
10.如权利要求1所述的微波天线，其特征在于所述馈源为圆形波导，其开口端正对超材料的中心。
全文摘要
本发明公开一种微波天线，其包括一侧开口的外壳及设置在外壳另一侧的馈源，还包括封闭所述外壳开口的超材料，所述馈源与超材料同轴设置，所述超材料由多片厚度相等、折射率分布相同的超材料片层构成，所述超材料片层包括基材以及周期排布于基材上的多个人造微结构。本发明超材料片层上的折射率分布通过初始相位法得到，其计算过程易于实现程序化、代码化，在形成代码后，使用者仅需掌握代码的使用即可，便于大规模推广，并且添加超材料后的微波天线其厚度变薄、质量变轻。
文档编号H01Q19/06GK102570046SQ201110333588
公开日2012年7月11日 申请日期2011年10月28日 优先权日2011年10月28日
发明者刘若鹏, 季春霖, 岳玉涛, 李星昆 申请人:深圳光启高等理工研究院