一种微波天线系统技术方案

本发明专利技术公开一种微波天线系统，其包括中间开孔的超材料，设置于所述开孔中心的馈源，与所述馈源同轴设置的圆锥体；所述超材料由第一至第N层超材料片层以及紧贴于第N层超材料片层的反射板构成；所述馈源辐射的电磁波被所述圆锥体的圆锥面反射至所述超材料，所述超材料将电磁波以平面波形式辐射出去；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金属微结构。本发明专利技术通过采用超材料调制电磁波，使电磁波能过以平面电磁波辐射，从而提高天线系统的整体增益。同时，本发明专利技术微波天线系统合理设置馈源与圆锥反射体和超材料的位置，使得微波天线系统的远场最大值和半功率带宽均表现十分良好。

【技术实现步骤摘要】
一种微波天线系统
本专利技术涉及无线通信
，尤其涉及一种微波天线系统。
技术介绍
现有的微波天线，通常由金属抛物面及位于金属抛物面焦点的辐射源构成，金属抛物面的作用为将外部的电磁波反射给辐射源或将辐射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。但现有的微波天线存在以下缺点：金属抛物面制作困难，成本较高。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，而且成本比较高。由于上述制约，现有的微波天线在远场值、半功率带宽等方面参数也不尽如人意。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述不足，提出一种基于超材料原理制备、远场最大值和半功率带宽均表现良好的微波天线系统。本专利技术解决其技术问题采用的技术方案是，提出一种微波天线系统，其包括中间开孔的超材料，设置于所述开孔中心的馈源，与所述馈源同轴设置的圆锥体；所述超材料由第一至第N层超材料片层以及紧贴于第N层超材料片层的反射板构成；所述馈源辐射的电磁波被所述圆锥体的圆锥面反射至所述超材料，所述超材料将电磁波以平面波形式辐射出去；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金属微结构。进一步地，所述第一至第N层超材料片层中第i层超材料片层上，距第i层超材料片层中心轴线y处的折射率为：其中，上式中，nmax为所述超材料的最大折射率值，nmin为所述超材料的最小折射率值，λ为所述馈源辐射的电磁波波长，d为所述超材料的总厚度，px为所述圆锥体的底面距超材料的垂直距离，θ为所述圆锥体的圆锥角，LR为所述圆锥体斜高，floor函数为向下取整函数。进一步地，所述人造金属微结构呈平面雪花状，所述人造金属微结构具有相互垂直平分的第一金属线及第二金属线，所述第一金属线与第二金属线的长度相同，所述第一金属线两端连接有相同长度的两个第一金属分支，所述第一金属线两端连接在两个第一金属分支的中点上，所述第二金属线两端连接有相同长度的两个第二金属分支，所述第二金属线两端连接在两个第二金属分支的中点上，所述第一金属分支与第二金属分支的长度相等。进一步地，所述平面雪花状的金属微结构的第一金属线与第二金属线均设置有两个弯折部，所述平面雪花状的金属微结构绕垂直于第一金属线与第二金属线交点的轴线向任意方向旋转90度的图形都与原图重合。进一步地，所述超材料片层还包括覆盖于所述人造金属结构上的覆盖层。进一步地，所述覆盖层与所述基材的厚度为0.4毫米，所述人造金属微结构厚度为0.018毫米。进一步地，所述超材料长度为1.4米，所述开孔半径为0.2米，所述超材料最小折射率为1.85，所述超材料最大折射率为6，所述圆锥体底面距所述超材料的垂直距离为0.15米至0.4米，所述圆锥角为110°至170°。进一步地，所述圆锥体底面距所述超材料的垂直距离为0.35米，所述圆锥角为140°。进一步地，所述圆锥体底面距所述超材料的垂直距离为0.4米，所述圆锥角为149°。进一步地，所述超材料片层的层数为七层。本专利技术通过采用超材料调制电磁波，使电磁波能过以平面电磁波辐射，从而提高天线系统的整体增益。同时，本专利技术微波天线系统合理设置馈源与圆锥反射体和超材料的位置，使得微波天线系统的远场最大值和半功率带宽均表现十分良好。附图说明图1为构成超材料的基本单元的立体结构示意图；图2为本专利技术微波天线系统的结构示意图；图3为本专利技术微波天线系统的仿真示意图；图4为第一超材料的结构示意图；图5为本专利技术平面雪花状的金属微结构的示意图；图6为图5所示的平面雪花状的金属微结构的一种衍生结构；图7为图5所示的平面雪花状的金属微结构的一种变形结构；图8为平面雪花状的金属微结构的拓扑形状演变的第一阶段；图9为平面雪花状的金属微结构的拓扑形状演变的第二阶段；图10为本专利技术一优选方案远场仿真结果图；图11为本专利技术另一优选方案远场仿真结果图。具体实施方式光，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2以及该人造微结构附着的基材1。本专利技术中，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。本专利技术中，人造微结构2上还覆盖有覆盖层3，覆盖层3、人造微结构2以及基材1构成本专利技术超材料的基本单元。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小于入射电磁波波长的五分之一，优选为入射电磁波波长的十分之一。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。如图2、图3所示，图2、图3分别为本专利技术微波天线系统的结构示意图及仿真示意图。图3中，波纹状的条纹表示电磁波，密度越密的条纹即表示该处电磁波增益越高。由于图2、图3为截面图，因此图2、图3中，超材料为上下对称、彼此相隔一定距离的第一超材料10以及第二超材料20，三维状态下，超材料实际为中间形成一个孔30的整块超材料，但为描述方面，下面均以截面状态下的超材料描述，即描述第一超材料10或第二超材料20。作为馈源的喇叭天线40置于孔30中间，作为反射装置的圆锥体50相隔喇叭天线40一定距离设置，且圆锥体50、喇叭天线40以及孔30的中心轴线重合。圆锥体50具有圆锥角θ，圆锥体50的喇叭开口方向与喇叭天线40的喇叭开口方向相同，圆锥体50的圆锥面用于反射喇叭天线40辐射的电磁波。喇叭天线40辐射的电磁波被圆锥体50反射后辐射到第一超材料10以及第二超材料20，第一超材料20以及第二超材料本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微波天线系统，其特征在于：包括中间开孔的超材料，设置于所述开孔中心的馈源，与所述馈源同轴设置的圆锥体；所述超材料由第一至第N层超材料片层以及紧贴于第N层超材料片层的反射板构成；所述馈源辐射的电磁波被所述圆锥体的圆锥面反射至所述超材料，所述超材料将电磁波以平面波形式辐射出去；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金属微结构。

【技术特征摘要】
1.一种微波天线系统，其特征在于：包括中间开孔的超材料，设置于所述开孔中心的馈源，与所述馈源同轴设置的圆锥体；所述超材料由第一至第N层超材料片层以及紧贴于第N层超材料片层的反射板构成；所述馈源辐射的电磁波被所述圆锥体的圆锥面反射至所述超材料，所述超材料将电磁波以平面波形式辐射出去；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金属微结构；所述第一至第N层超材料片层中第i层超材料片层上，距第i层超材料片层中心轴线y处的折射率为：其中，上式中，nmax为所述超材料的最大折射率值，nmin为所述超材料的最小折射率值，λ为所述馈源辐射的电磁波波长，d为所述超材料的总厚度，px为所述圆锥体的底面距超材料的垂直距离，θ为所述圆锥体的圆锥角，LR为所述圆锥体斜高，floor函数为向下取整函数。2.如权利要求1所述的微波天线系统，其特征在于：所述人造金属微结构呈平面雪花状，所述人造金属微结构具有相互垂直平分的第一金属线及第二金属线，所述第一金属线与第二金属线的长度相同，所述第一金属线两端连接有相同长度的两个第一金属分支，所述第一金属线两端连接在两个第一金属分支的中点上，...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘若鹏，季春霖，岳玉涛，李云龙，
申请(专利权)人：深圳光启创新技术有限公司，
类型：发明
国别省市：