專利名稱：一種超材料天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超材料領(lǐng)域，尤其涉及一種超材料天線。
背景技術(shù)：
半功率角，也稱3dB波束寬度、半功率波束寬度、半功率帶寬。功率方向圖中，在包含主瓣最大輻射方向的某一平面內(nèi)，把相對最大輻射方向功率通量密度下降到一半處(或小于最大值3dB)的兩點之間的夾角稱為半功率波束寬度。場強方向圖中，在包含主瓣最大輻射方向的某一平面內(nèi)，把相對最大輻射方向場強下降到0. 707倍處的夾角也稱為半功率波束寬度。水平面半功率波束寬度是指水平面方向圖的半功率波束寬度，垂直面半功率波束寬度是指垂直面方向圖的半功率波束寬度。在定向天線中，天線傳播的距離由垂直面半功率波束寬度決定，即垂直面半功率帶寬越小，天線的增益就越大，天線發(fā)射的信號傳播距離就越遠，反之，天線的增益就越小，信號傳播的距離也就越近?，F(xiàn)有技術(shù)中改進半功率帶寬的方法一般有介質(zhì)覆層法。介質(zhì)覆層法采用天線保護裝置的形式加載在天線陣列的前端，這種方法可以提高天線陣列3db左右的增益，使半功率帶寬變?yōu)?6°并使得天線的方向性變好。但是在信號遠距離傳輸時，半功率帶寬沒法達到我們的需求，為了滿足長距離信號傳輸需要再建立一些基站或者中繼站，這樣加大的成本，也給信號發(fā)射或接受都帶來麻煩。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)天線半功率帶寬較小的問題，提供一種超材料天線，該天線通過在天線前端設(shè)置一超材料薄膜層，使得天線發(fā)出的信號通過超材料薄膜層后具有較小的半功率帶寬，達到信號遠距離發(fā)射和接收。為了達到上述目的，本發(fā)明采用的如下技術(shù)方案一種超材料天線，所述天線包括一個振子，用于產(chǎn)生電磁波；一超材料薄膜層，用于將所述振子產(chǎn)生的電磁波匯聚后并向外輻射，還用于將所述振子產(chǎn)生的球面電磁波轉(zhuǎn)換為平面電磁波；所述超材料薄膜層由多個超材料片層組成，其中，最接近所述振子的超材料片層為第一超材料片層，所述第一超材料片層的折射率以其中心為圓心呈圓形分布，第一超材料片層的折射率分布隨著半徑r的變化規(guī)律如以下表達式n{r) = nmax-^-df + S2 -式中nmax表示第一超材料片層中的最大折射率值，d表示第一超材料片層的厚度， s表示所述振子到第一超材料片層的距離，n(r)表示第一超材料片層內(nèi)半徑r處折射率值。進一步地，所述天線還包括一反射體，用于將振子產(chǎn)生的部分電磁波反射到超材料薄膜層里，所述反射體為一無蓋腔體并與超材料薄膜層相連構(gòu)成封閉腔體，所述振子位于反射體內(nèi)。進一步地，所述反射體為電導(dǎo)體。
進一步地，所述第一超材料片層包括片狀的基板和周期排布于所述基板上的多個人造微結(jié)構(gòu)。進一步地，所述超材料薄膜層內(nèi)除了第一超材料片層的多個超材料片層均與第一超材料片層相同。進一步地，所述人造微結(jié)構(gòu)為由至少一根金屬絲組成對電磁場有響應(yīng)的平面結(jié)構(gòu)或立體結(jié)構(gòu)。進一步地，所述金屬絲為銅絲或銀絲。進一步地，所述金屬絲通過蝕刻、電鍍、鉆刻、光刻、電子刻或離子刻的方法附著在基板上。進一步地，所述人造微結(jié)構(gòu)為在“工”字形、“工”字形的衍生形、雪花狀或雪花狀的衍生形任意一種。進一步地，所述基板由陶瓷材料、環(huán)氧樹脂、聚四氟乙烯、FR-4復(fù)合材料或F4B復(fù)合材料制得。本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)，具有以下有益效果本發(fā)明通過改變超材料薄膜層內(nèi)部的折射率分布情況，使得天線遠場的半功率帶寬大大地減小了，進而提升了天線傳播的距離，同時也增加了天線的前后比，使得天線更具方向性。


圖1是本發(fā)明一種超材料天線的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明所述超材料薄膜層內(nèi)圓形區(qū)域示意圖；圖3是本發(fā)明所述超材料片層內(nèi)折射率分布示意圖；圖4是本發(fā)明另一實施例結(jié)構(gòu)示意圖；圖5A是超材料薄膜層上‘工字形’人造微結(jié)構(gòu)；圖5B是超材料薄膜層上‘雪花狀’人造微結(jié)構(gòu)；圖5C是超材料薄膜層上的另一種‘雪花狀’的人造微結(jié)構(gòu)；圖5D是超材料薄膜層上的人造微結(jié)構(gòu)的一種具體形式‘雪花狀’結(jié)構(gòu)的又一種衍生結(jié)構(gòu)；圖6是采用工字形結(jié)構(gòu)的人造微結(jié)構(gòu)在超材料薄膜層的基板中的排列示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例及附圖，對本發(fā)明作進一步地詳細說明，但本發(fā)明的實施方式不限于此。超材料是一種以人造微結(jié)構(gòu)為基本單元并以特定方式進行空間排布、具有特殊電磁響應(yīng)的新型材料，包括周期排布的人造微結(jié)構(gòu)和供人造微結(jié)構(gòu)附著的基板。人造微結(jié)構(gòu)為由至少一根金屬絲組成對電磁波有響應(yīng)的平面結(jié)構(gòu)或立體結(jié)構(gòu)，多個人造微結(jié)構(gòu)在基板上陣列排布，每個人造微結(jié)構(gòu)以及其所附著的基板所占部分即為一個超材料單元?；蹇蔀槿魏闻c人造微結(jié)構(gòu)不同的材料，這兩種材料的疊加使每個超材料單元產(chǎn)生一個等效介電常數(shù)與磁導(dǎo)率，這兩個物理參數(shù)分別對應(yīng)了超材料單元的電場響應(yīng)與磁場響應(yīng)。超材料對電磁響應(yīng)的特征是由人造微結(jié)構(gòu)的特征所決定，而人造微結(jié)構(gòu)的電磁響應(yīng)很大程度上取決于其金屬絲的圖案所具有的拓?fù)涮卣骱推鋷缀纬叽?。根?jù)上述原理設(shè)計超材料空間中排列的每個人造微結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋱D形和幾何尺寸，就可對超材料中每一點的電磁參數(shù)進行設(shè)置。請參閱圖1，一種超材料天線，包括一個振子10、超材料薄膜層20以及反射體30。 所述反射體30為一無蓋腔體，所述超材料薄膜層20與反射體30構(gòu)成一封閉腔體，所述振子10置于反射體30內(nèi)。振子10用于輻射電磁波，其中大部分電磁波直接進入超材料薄膜層20內(nèi)進行折射匯聚，并轉(zhuǎn)換為平面電磁波，還有少部分電磁波通過反射體30反射后再經(jīng)過超材料薄膜層20折射匯聚后轉(zhuǎn)換為平面電磁波，在本實施方式中，反射體30為電導(dǎo)體。超材料薄膜層20的折射匯聚功能是通過設(shè)計其內(nèi)的折射率分布來實現(xiàn)的，所述超材料薄膜層20由多個超材料片層組成，所述每一超材料片層均包括片狀的基板和周期排布于所述基板上的多個人造微結(jié)構(gòu)。以圖1為例，超材料薄膜層20包括第一超材料片層201、第二超材料片層202、第三超材料片層203。如圖2所示，每一超材料片層的折射率均以其中心為圓心呈圓形分布。所述第一超材料片層201在其圓形區(qū)域內(nèi)的折射率分布規(guī)律如以下表達式
權(quán)利要求
1.一種超材料天線，所述天線包括一個振子，用于產(chǎn)生電磁波；一超材料薄膜層，用于將所述振子產(chǎn)生的電磁波匯聚后并向外輻射；其特征在于，所述超材料薄膜層由多個超材料片層組成，其中，最接近所述振子的超材料片層為第一超材料片層，所述第一超材料片層的折射率以其中心為圓心呈圓形分布，第一超材料片層的折射率分布隨著半徑r的變化規(guī)律如以下表達式
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超材料天線，其特征在于，所述天線還包括一反射體，用于將振子產(chǎn)生的部分電磁波反射到超材料薄膜層里，所述反射體為一無蓋腔體并與超材料薄膜層相連構(gòu)成封閉腔體，所述振子位于反射體內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種超材料天線，其特征在于，所述反射體為電導(dǎo)體。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超材料天線，其特征在于，所述第一超材料片層包括片狀的基板和周期排布于所述基板上的多個人造微結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超材料天線，其特征在于，所述超材料薄膜層內(nèi)除了第一超材料片層的多個超材料片層均與第一超材料片層相同。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種超材料天線，其特征在于，所述人造微結(jié)構(gòu)為由至少一根金屬絲組成對電磁場有響應(yīng)的平面結(jié)構(gòu)或立體結(jié)構(gòu)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種超材料天線，其特征在于，所述金屬絲為銅絲或銀絲。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種超材料天線，其特征在于，所述金屬絲通過蝕刻、電鍍、 鉆刻、光刻、電子刻或離子刻的方法附著在基板上。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種超材料天線，其特征在于，所述人造微結(jié)構(gòu)為在“工”字形、“工”字形的衍生形、雪花狀或雪花狀的衍生形任意一種。
10.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種超材料天線，其特征在于，所述基板由陶瓷材料、環(huán)氧樹脂、聚四氟乙烯、FR-4復(fù)合材料或F4B復(fù)合材料制得。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種超材料天線，該天線包括一個振子，用于產(chǎn)生電磁波；一超材料薄膜層，用于將所述振子產(chǎn)生的電磁波匯聚后并向外輻射，還用于將所述振子產(chǎn)生的球面電磁波轉(zhuǎn)換為平面電磁波，超材料薄膜層由多個超材料片層組成；該天線還包括一反射體，用于將振子產(chǎn)生的部分電磁波反射到超材料薄膜層里，反射體為一無蓋腔體并與超材料薄膜層構(gòu)成封閉腔體，振子位于反射體內(nèi)。本發(fā)明通過改變超材料薄膜層內(nèi)部的折射率分布情況，使得天線遠場的半功率帶寬減小了，進而提升了天線傳播的距離，同時也增加了天線的前后比。
文檔編號H01Q15/02GK102480019SQ20111017954
公開日2012年5月30日 申請日期2011年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月29日
發(fā)明者劉若鵬, 季春霖, 岳玉濤, 李云龍 申請人:深圳光啟創(chuàng)新技術(shù)有限公司, 深圳光啟高等理工研究院