专利名称：一种天线的制作方法
技术领域：
本发明涉及天线领域，尤其涉及可以实现阵列功能的天线。
背景技术：
阵列天线是由两个或两个以上天线单元按照某种规则排列并通过适当激励获得预定辐射特性的特殊天线。阵列天线比单个单元天线的方向性好，所以为了获得更好的方向性，通常构造阵列天线来实现。按单元排列方式不同可将阵列天线分为线阵和面阵。最常用的线阵是各单元的中心依次等距排列在一条直线上的直线阵。多个直线阵在某一平面上按一定间隔排列就构成平面阵。图I为平面阵列天线的示意图，整个平面阵列由一系列天线单元排列而成。现有技术就是通过把各个实际的天线单元一个个加工出来，并排列起来以实现平面阵列天线，比如说平面缝隙阵列天线，就是在导体上割出一个个特定尺寸、相距特定间距的缝隙来实现的，如图2所示。现有技术形成阵列天线的方法很机械，需要重复一个个天线单元的加工，工艺要求高，加工比较麻烦。超材料是一种具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构材料。超材料通过对微结构的有序排列，可以改变超材料中每点的介电常数和磁导率，实现超材料的折射率分布的非均匀性从而控制电磁波在材料中的传播路径。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有技术中制造阵列天线生产工艺复杂的问题，提出了一种结构简单可以实现阵列功能的天线。当一束电磁波由一种介质传播到另外一种介质时，电磁波会发生折射，当物质内部的折射率分布非均匀时，电磁波就会向折射率比较大的位置偏折，相邻单元折射率变化越大偏折角越大，通过设计折射率在材料中的分布，可以改变电磁波的传播路径，使用中间轴向的折射率最大周围折射率呈逐渐减小、而且随着半径的增大折射率的变化量逐渐增大的超材料面板可以使相互平行且垂直于超材料面板入射的电磁波经超材料折射后汇聚到一点即超材料面板的焦点上，本发明就是利用了超材料的汇聚特性实现了具有阵列功能的天线。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是一种天线包括天线单元和具有汇聚功能的超材料面板，相互平行且垂直于超材料面板入射的电磁波束经过超材料面板折射后在一点汇聚，该汇聚点是超材料面板的焦点，天线单元位于该焦点上。在本发明的优选实施方式中，超材料面板的折射率在垂直于该超材料面板的中心轴向上最大，以中心轴为圆心，随着半径的增大，折射率逐渐变小且折射率的变化量逐渐增大，相同半径处的折射率相同，天线单元位于超材料面板的中心轴向上。
在本发明的优选实施方式中，超材料面板包括片状基板，该片状基板包括基材以及附着在该基材上的多个人造微结构。在本发明的优选实施方式中，超材料面板由至少一片片状基板堆叠而成。在本发明的优选实施方式中，片状基板中心点处的折射率最大、以中心点为圆心，随着半径的增大，折射率逐渐变小且折射率的变化量逐渐增大，相同半径处的折射率相同。在本发明的优选实施方式中，片状基板以中心点为圆心，相同半径上的人造微结构相同，随着半径逐渐增大人造微结构的尺寸逐渐变小。在本发明的优选实施方式中，人造微结构是以几何图案附着在基材上的金属线。在本发明的优选实施方式中，几何图案为在工字形或者工字形的衍生形。
在本发明的优选实施方式中，几何图案为雪花状或者雪花状的衍生形。实施本发明的天线，具有以下有益效果该天线结构简单，通过利用超材料对电磁波进行汇聚的特性，只需一个天线单元和一块超材料面板即可生成相当于传统阵列天线的众多天线单元。天线单元位于超材料面板的焦点上，由天线单元射向超材料面板的电磁波，经超材料面板折射后平行射出，平行射出的电磁波从超材料面板的出射面看过去，可以看做是一个个微小的点源的排列，每一个微小的点源可以看做一个天线单元，所以平行射出的电磁波相当于阵列天线的众多单元同时发射电磁波，因此，采用该技术方案与传统生成阵列天线的方法相比，结构简单，避免了现有技术中重复加工一个个天线单元工艺要求高、工序复杂的缺点。
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步详细地说明，附图中图I是现有技术中平面阵列天线的示意图；图2是现有技术中平面缝隙阵列天线的示意图；图3是本发明提出的天线发射电磁波时的示意图；图4是本发明提出的天线等效为阵列天线的示意图；图5是超材料面板汇聚特性的示意图；图6是由四片片状基板堆叠而成的超材料面板汇聚特性的示意图；图7是超材料面板相对中心轴对称的折射率分布示意图；图8是人造微结构的一种具体形式‘工字形’结构；图9是人造微结构的另一种具体形式‘雪花状’结构；图10是人造微结构的一种具体形式‘雪花状’结构的衍生结构；图11是人造微结构的一种具体形式‘雪花状’结构的又一种衍生结构。图12是采用工字形结构的人造微结构在每层基板中的排列示意图；图中各标号对应的名称为S发射源、I超材料面板
具体实施例方式本实施例如图3所示,包括天线单元和具有汇聚功能的超材料面板,天线单元位于超材料面板的焦点上。由天线单元射向超材料面板的电磁波，经超材料面板折射后平行射出，平行射出的电磁波从超材料面板的出射面看过去，可以看做是一个个微小的点源的排列，每一个微小的点源可以看做一个天线单元，如图4所示，所以平行射出的电磁波相当于阵列天线的众多单元同时发射电磁波。本实施例所用超材料的汇聚特性如图5所示，当电磁波从位于焦点的发射源S发出后，通过超材料面板I折射后平行射出。超材料面板I的折射率分布如图7所示，中心轴向处的折射率为Ii1,以中心轴AA'与超材料面板的交点为圆心，随着半径的逐渐增加折射率逐渐变小，而且随着半径的增大，折射率的变化量逐渐增大，其中Ii1 > n2 > n3 >…> np, Oim-Iv1) > Ov1-Iv2), m为大于3小于等于q的自然数。由上述描述可知，超材料面板的设计至关重要，下面对超材料面板做具体说明，由天线单元发出的电磁波经过图3中的结构传播后可以平行射出，假设超材料面板的结构如图6所示由4片片状基板堆叠而成，电磁波经过4片片状基板折射后传播的路径如图6所示，每片片状基板包括片状基材和附着在该基材上的人造微结构，基材采用介电绝缘材料 制成，可以为陶瓷材料、环氧树脂或聚四氟乙烯等，人造微结构为以一定的几何形状附着在基材上的金属线，金属线可以是剖面为圆柱状或者扁平状的铜线、银线等，当然金属线的剖面也可以为其他形状，金属线通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻等工艺附着在基材上，整个基板划分为多个单元(包括该单元中的基材和附着在该单元基材上的人造微结构)，每个单元都具有一个人造微结构，每一个单元都会对通过其中的电磁波产生响应，从而影响电磁波在其中的传输，每个单元的尺寸取决于需要响应的电磁波，通常为所需响应的电磁波波长的十分之一，否则空间中包含人造微结构的单元所组成的排列在空间中不能被视为连续。由超材料技术可知，在基材选定的情况下，通过调整人造微结构的图案、尺寸及其在基材上的空间分布，可以调整超材料上各处的等效介电常数及等效磁导率进而改变超材料各处的等效折射率。当人造微结构采用相同的几何形状时，某处人造微结构的尺寸越大，则该处的等效介电常数及等效磁导率越大，折射率也越大。本实施例采用的人造微结构的图案为工字形，如图8所示，人造微结构在基材上的分布如图12所示，由图12可知，基板上工字形的人造微结构的尺寸从基板中心向周围逐渐变小，在基板中心处，工字形的人造微结构的尺寸最大，并且在距离中心相同半径处的工字形人造微结构的尺寸相同，因此基板的等效介电常数及等效磁导率由中间向四周逐渐变小，中间的等效介电常数及等效磁导率最大，因而基板的折射率从中间向四周逐渐变小，中间部分的折射率最大。如图6所示，由发射源S发出的电磁波经过超材料面板汇聚后沿SI方向平行传出时，偏折角9与折射率的关系为Sin 0 = q A n (参见Metamaterials :Theory, Design,and Applications, Publisher Springer, ISBN 1441905723, 75 页-76 页)，其中 q 是沿轴向排列的人造微结构的个数，图6中所示的超材料面板由于是4片片状基板堆叠而成的，所以对于图6所示的超材料面板q取值为4 ； An表示相邻单元的折射率变化量,且0 < q An
<1，由上述公式可知，超材料面板上相邻单元的折射率变化量大小相同时，对于传输到该位置的电磁波的偏折角相同，折射率变化量越大，偏折角越大。材料的折射率与其介电常数及磁导率存在如下关系n=kV^"，其中k为比例系数，k取值为正负I, e为材料的介电常数，u为材料的磁导率，
通过对超材料空间中每一点的介电常数￡与磁导率U的精确设计，可以实现由发射源发出的电磁波经超材料折射后平行射出的汇聚特性。若干人造微结构可通过人工仿真技术实现，即可由人工对具有特定电磁特性的人造微结构进行设计，将片状基板划分为多个单元，每个单元中的基材与附着在该单元上的人造微结构的等效介电常数e与等效磁导率U的选择方法为通过计算机仿真和实验测试，先预设发射源与超材料面板的距离，预选一个单元(包括该单元中的基材和附着在基材上具有一定几何形状的人造微结构)作为中心处的单元，将若干单元(包含不同几何参数的人造微结构)响应发射源发出的电磁波的电磁特性 进行测量，存储测量得到的电磁响应曲线，确定各种不同单元结构的等效介电常数以及等效磁导率并存在于一个数据库中；然后根据公式Sin0 =q. An，对于不同的偏转角度，确定折射率的变化量，确定不同半径处的折射率，根据折射率与介电常数和磁导率的关系从数据库中选择符合条件的单元结构。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
，人造微结构的图案可以是二维、也可以是三维结构，不限于该实施例中使用的“工”字形，可以为“工”字形的衍生结构，可以是图9所示的在三维空间中各条边相互垂直的雪花状及图10和图11所示的雪花状的衍生结构，也可以是其他的几何形状，其中不同的人造微结构可以是图案相同，但是其设计尺寸不同；也可以是图案和设计尺寸均不相同。构成超材料的基板的数量根据需要可增可减，每一片基板的结构可以相同，也可以不同，只要满足由天线单元发出的电磁波经过超材料面板传播后可以平行射出即可，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。
权利要求
1.一种天线，其特征在于，包括天线单元和具有汇聚功能的超材料面板，所述天线単元位于所述超材料面板的焦点上。
2.根据权利要求I所述的天线，其特征在于，所述超材料面板的折射率在垂直于该超材料面板的中心轴上最大，以中心轴为圆心，随着半径的増大，折射率逐渐变小且折射率的变化量逐渐増大，相同半径处的折射率相同，所述天线単元位于所述超材料面板的中心轴向上。
3.根据权利要求2所述的天线，其特征在于，所述超材料面板包括片状基板，该片状基板包括基材以及附着在该基材上的多个人造微结构。
4.根据权利要求3所述的天线，所述超材料面板由至少ー片片状基板堆叠而成。
5.根据权利要求4所述的天线，其特征在于，所述片状基板中心点处的折射率最大、以中心点为圆心，随着半径的増大，折射率逐渐变小且折射率的变化量逐渐増大，相同半径处的折射率相同。
6.根据权利要求5所述的天线，其特征在于，所述片状基板以中心点为圆心，相同半径上的人造微结构相同，随着半径逐渐增大所述人造微结构的尺寸逐渐变小。
7.根据权利要求6所述的天线，其特征在于，所述的人造微结构是以几何图案附着在所述基材上的金属线。
8.根据权利要求7所述的天线，其特征在于，所述几何图案为在エ字形或者エ字形的衍生形。
9.根据权利要求7所述的天线，其特征在于，所述几何图案为雪花状或者雪花状的衍生形。
全文摘要
本发明涉及一种天线，该天线包括天线单元和具有汇聚功能的超材料面板，天线单元位于超材料面板的焦点上。由天线单元射向超材料面板的电磁波，经超材料面板折射后平行射出，平行射出的电磁波，看做是一个个微小的点源的排列，每一个微小的点源可以看做一个天线单元，所以平行射出的电磁波相当于阵列天线的众多单元同时发射电磁波，因此，采用该技术方案只需一个天线单元和一块超材料面板即可生成相当于传统阵列天线的众多天线单元。
文档编号H01Q19/06GK102683893SQ20111006189
公开日2012年9月19日 申请日期2011年3月15日 优先权日2011年3月15日
发明者刘若鹏, 张洋洋, 徐冠雄, 石小红 申请人:深圳光启创新技术有限公司, 深圳光启高等理工研究院