一种偏馈微波天线系统技术方案

本发明专利技术公开一种偏馈微波天线系统，其超材料、位于超材料下方的馈源以及反射装置，所述反射装置与水平线成θr角倾斜放置，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，每层超材料片层包括基材以及周期排布基材上的多个人造金属微结构；所述馈源辐射的电磁波被所述反射装置反射至所述超材料，所述超材料将电磁波以平面波形式辐射出去。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】
一种偏馈微波天线系统
本专利技术涉及无线通信
，尤其涉及一种偏馈微波天线系统。
技术介绍
常规的微波天线一般由金属抛物面以及位于金属抛物面焦点的馈源构成，金属抛物面的作用为将外部的电磁波反射给馈源或者将馈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。现有的偏馈式微波天线由于其馈源的安装位置并不在与天线中心切面垂直且过天线中心的直线上，因此常规的偏馈式微波天线没有馈源阴影的影响。但是现有偏馈式微波天线的反射面仍然是由金属抛物面构成。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。
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的、远场最大值和半功率带宽均表现良好的偏馈微波天线系统。本专利技术解决其技术问题采用的技术方案是，提出一种偏馈微波天线系统，其包括超材料、位于超材料下方的馈源以及反射装置，所述反射装置与水平线成θr角倾斜放置，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，每层超材料片层包括基材以及周期排布基材上的多个人造金属微结构；所述馈源辐射的电磁波被所述反射装置反射至所述超材料，所述超材料将电磁波以平面波形式辐射出去。进一步地，所述馈源为喇叭天线，所述喇叭天线的中轴线与水平线的夹角为θ。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层超材料片层下边沿y处的折射率分布满足：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为所述反射装置的上边沿与所述超材料的垂直距离，LR为所述反射装置长度，θr为所述反射装置与水平线夹角，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，所述反射装置上边沿与所述超材料的垂直距离为0.5米至0.65米，所述反射装置与水平线的夹角为63°至66°，所述反射装置长度为0.3至0.4米，所述喇叭天线中轴线与水平线的夹角为7°至12°。进一步地，所述反射装置上边沿与所述超材料的垂直距离为0.35米，所述喇叭天线与水平线夹角为7°，所述反射装置与水平线的夹角为46°至64°。进一步地，所述反射装置上边沿与所述超材料的垂直距离为0.35米，所述反射装置与水平线的夹角为50°至53°，所述喇叭天线与水平线的夹角为7°至20°。进一步地，所述反射装置上边沿与所述超材料的垂直距离为0.35米，所述反射装置与水平线的夹角为50°至53°，所述喇叭天线与水平线的夹角为10°至16°，所述反射装置长度为0.2米至0.3米。进一步地，所述反射装置与水平线夹角为53°，所述反射装置的长度为0.25米，所述喇叭天线中轴线与水平线夹角为12°，所述反射装置的上边沿与超材料的垂直距离为0.35米。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为本专利技术偏馈微波天线系统的结构示意图；图3为本专利技术偏馈微波天线系统的仿真示意图；图4为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分别为本专利技术偏馈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。本专利技术偏馈微波天线系统包括超材料10以及位于超材料10下方的馈源20，馈源20为喇叭天线，喇叭天线的中轴线与水平线的夹角为θ，还包括反射装置30，反射装置30长度为LR，其与水平线的夹角为θr，反射装置的上边沿与超材料10的垂直距离本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种偏馈微波天线系统，其特征在于：包括超材料、位于超材料下方的馈源以及反射装置，所述反射装置与水平线成θr角倾斜放置，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，每层超材料片层包括基材以及周期排布基材上的多个人造金属微结构；所述馈源辐射的电磁波被所述反射装置反射至所述超材料，所述超材料将电磁波以平面波形式辐射出去。

【技术特征摘要】
1.一种偏馈微波天线系统，其特征在于：包括超材料、位于超材料下方的馈源以及反射装置，所述反射装置与水平线成θr角倾斜放置，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，每层超材料片层包括基材以及周期排布基材上的多个人造金属微结构；所述馈源辐射的电磁波被所述反射装置反射至所述超材料，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层超材料片层下边沿y处的折射率分布满足：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为所述反射装置的上边沿与所述超材料的垂直距离，LR为所述反射装置长度，θr为所述反射装置与水平线夹角，floor函数为向下取整函数。2.如权利要求1所述的偏馈微波天线系统，其特征在于：所述馈源为喇叭天线，所述喇叭天线的中轴线与水平线的夹角为θ。3.如权利要求1所述的偏馈微波天线系统，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，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。4.如权利要求...

【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：