【技术领域】

本发明涉及通信技术领域， 特别是涉及一种微波天线及通讯装置。 【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� �� 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。

现有的微波天线受限于常规材料的物理限制， 其厚度、 远场值和方向性均 不能突破常规天线的物理极限， 此种情况下， 微波天线的小型化、 高增益化、 高方向性化都存在极大难度。

【发明内容】

本发明主要解决的技术问题是提供一种微波天 线及通讯装置， 能够使微波 天线具有较好的方向性和远场辐射响应， 并且厚度变薄、 质量变轻。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术 方案是：提供一种微波天线， 包括馈源、 紧贴于所述馈源口径面且形状与所述馈源口径 面相适配的第一超材 料、 紧邻所述第一超材料上下表面设置的第二超材 料以及与所述第一超材料、 第二超材料构成封闭腔体的外壳， 与第一超材料和第二超材料相对的外壳表面 为金属反射面， 所述馈源、 所述第一超材料以及所述金属反射面的中心轴 线重 合； 所述第一超材料包括第一基材以及在第一基材 上周期排布的多个第一人造 金属微结构， 所述第一超材料的折射率以其中心点为圆心呈 同心圆形分布， 圆 心处的折射率最小， 相同半径处折射率相同， 随着半径的增大折射率增大； 所 述第二超材料由多片超材料片层叠加构成， 每片超材料片层包括第二基材以及 在第二基材上周期排布的多个第二人造金属微 结构， 所述超材料片层的折射率 SI : 在微波天线未设置第二超材料的情况下， 用空气填充第二超材料区域 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^ 00， 其中， 第 i层超材料片层前表面中心点处的初 始相位为 (0) _;

S2: 根据公式 Ψ =

其中， d为每层超材料片层的厚度， A为馈源辐射的电磁波波长， n _raax 为所述 第二超材料所具有的最大折射率值， M为构成所述第二超材料的超材料片层的总 层数；

S3： 根据公式 Ψ = φ _ι0 ( _γ ) - ^ ^{H y)d} * _2π 得到第一超材料各点的折射率 ，

A

其中， y为超材料片层上任一点距超材料片层中心轴� �的距离。

其中， 同一超材料片层上的所有第二人造金属微结构 具有相同的几何形状， 且在第二基材上呈圆形排布， 紧邻第一超材料上下表面处的第二人造金属微 结 构几何尺寸最大， 相同半径处的第二人造金属微结构几何尺寸相 同。

其中，所述第一超材料上以其中心点为圆心， 半径为 r处的折射率分布为：

其中， 《。为第一超材料中心点处折射率值， ^为电磁波经过第一超材料后的 偏折角度， 为第一超材料厚度， L为馈源的等效点源距第一超材料前表面的垂 直距离。

其中， 所述 的正弦值 ^sin 应大于等于 ⁴ * ² ^ ² ， 其中 为所述馈源口 径面半径， ss为所述第一超材料后表面距所述金属反射面� ��距离。

其中， 所述第一人造金属微结构与所述第二人造金属 微结构材质和几何形 状相同。

其中， 所述第一人造金属微结构与所述第二人造金属 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。

其中， 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。

其中， 所述第一人造金属微结构与所述第二人造金属 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。

其中， 所述两条第一金属分支过中点垂直相交， 所述第二金属分支中点与 所述第一金属分支端点重合。

其中， 所述馈源为喇叭天线。

为解决上述技术问题， 本发明采用的另一个技术方案是： 提供一种通讯装 置， 通讯装置包括微波天线， 微波天线包括： 馈源、 紧贴于所述馈源口径面且 形状与所述馈源口径面相适配的第一超材料、 紧邻所述第一超材料上下表面设 置的第二超材料以及与所述第一超材料、 第二超材料构成封闭腔体的外壳， 与 第一超材料和第二超材料相对的外壳表面为金 属反射面， 所述馈源、 所述第一 超材料以及所述金属反射面的中心轴线重合； 所述第一超材料包括第一基材以 及在第一基材上周期排布的多个第一人造金属 微结构， 所述第一超材料的折射 率以其中心点为圆心呈同心圆形分布， 圆心处的折射率最小， 相同半径处折射 率相同， 随着半径的增大折射率增大； 所述第二超材料由多片超材料片层叠加 构成， 每片超材料片层包括第二基材以及在第二基材 上周期排布的多个第二人 造金属微结构， 所述超材料片层的折射率分布通过如下步骤得 到：

S1 : 在微波天线未设置第二超材料的情况下， 用空气填充第二超材料区域 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 0 ， 其中， 第 i层超材料片层前表面中心点处的初 始相位为 (0) _;

S2 : 根据公式 Ψ =

其中， d为每层超材料片层的厚度， A为馈源辐射的电磁波波长， n _raax 为所述 第二超材料所具有的最大折射率值， M为构成所述第二超材料的超材料片层的总 层数； S3： 根据公式 Ψ = φ _ι0 ( _γ ) - ^ ^{H y)d} * _2π 得到第一超材料各点的折射率 ，

A

其中， y为超材料片层上任一点距超材料片层中心轴� �的距离。

其中， 同一超材料片层上的所有第二人造金属微结构 具有相同的几何形状， 且在第二基材上呈圆形排布， 紧邻第一超材料上下表面处的第二人造金属微 结 构几何尺寸最大， 相同半径处的第二人造金属微结构几何尺寸相 同。

其中，所述第一超材料上以其中心点为圆心， 半径为 r处的折射率分布为： n _x {r) = n _Q +— * (L + r * sin ^ - L ² + r ² ) 其中， 《。为第一超材料中心点处折射率值， 为电磁波经过第一超材料后的 偏折角度， 为第一超材料厚度， L为馈源的等效点源距第一超材料前表面的垂 直距离。

其中， 所述 的正弦值 ^sin 应大于等于 ι ^ ⁴ ^ ² ^ ² ， 其中 为所述馈源口 径面半径， ss为所述第一超材料后表面距所述金属反射面� ��距离。

其中， 所述第一人造金属微结构与所述第二人造金属 微结构材质和几何形 状相同。

其中， 所述第一人造金属微结构与所述第二人造金属 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。

其中， 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。

其中， 所述第一人造金属微结构与所述第二人造金属 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。

其中， 所述两条第一金属分支过中点垂直相交， 所述第二金属分支中点与 所述第一金属分支端点重合。

其中， 所述馈源为喇叭天线。

区别于现有技术， 本发明的有益效果是： 本发明馈源辐射的电磁波经过第 一超材料发散后被金属反射面反射， 第一超材料扩散的电磁波和金属反射面反 射的电磁波经过第二超材料后以平面波辐射出 去， 第一超材料和反射面使得馈 源近场辐射范围增大， 微波天线厚度变薄， 第二超材料使得天线方向性增强， 且本发明中构成第二超材料的超材料片层上的 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， 使用者仅需掌握代码的使用即可， 便于 大规模推广。

【附图说明】

图 1是构成超材料的基本单元的立体结构示意图� �

图 2是本发明微波天线的结构示意图；

图 3是本发明第一超材料横截面折射率分布示意� �；

图 4是本发明第一超材料纵截面折射率分布示意� �；

图 5是本发明第二超材料折射率分布计算示意图� �

图 6是能对电磁波产生响应以改变超材料基本单� �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 7是图 6中人造金属微结构几何形状拓扑图案的衍生� �案；

图 8是能对电磁波产生响应以改变超材料基本单� �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 9是图 8中人造金属微结构几何形状拓扑图案的衍生� �案。

【具体实施方式】

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明 。

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 1附着的基材 2。本发明中， 人造 微结构 1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� �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 2 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 2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 2 上， 其中蚀刻为较优工艺， 其步骤为将金属片覆盖于基材 2 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 2 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 括用作馈源的喇叭天线 10、 紧贴于喇叭天线 10 口径面上且形状与喇叭天线 10 口径面相适配的第一超材料 20、紧邻第一超材料 20的上下表面设置的第二超材 料 30、 与第一超材料 20以及第二超材料 30构成封闭腔体的外壳 40， 其中第一 超材料 20以及第二超材料 30相对的外壳表面为金属反射面 401。喇叭天线 10、 第一超材料 20、金属反射面 401三者的中心轴线重合。喇叭天线 10辐射的电磁 波经过第一超材料 20发散后被金属反射面 401反射， 第一超材料 20扩散的电 磁波和金属反射面 401反射的电磁波经过第二超材料 30后以平面波辐射出去。 本发明中， 第一超材料 20以及第二超材料 30厚度相等。 金属反射面 401长度 应大于第二超材料 30长度与第一超材料 20长度之和的一半。

第一超材料 20包括第一基材以及在第一基材上周期排布的� ��个第一人造金 属微结构， 第一超材料 20的折射率分布通过公式法计算得出。 请参照图 3、 图 4， 其为第一超材料 20在其横截面和纵截面的折射率分布示意图。 图 3中， 第 一超材料 20的折射率以其中心点为圆心呈同心圆形分布� ��圆心处的折射率最小， 相同半径处折射率相同， 随着半径的增大折射率增大。

第一超材料 20将喇叭天线 10辐射的电磁波发散后需要保证经过金属反射 面 401反射的电磁波绕开喇叭口径， 防止电磁波被反射到喇叭天线 10内， 造成 能量损失、 干扰馈源。 记喇叭天线 10口径面的半径为 第一超材料 20后表面 距金属反射面 401的距离为 _SS ，则要求经第一超材料 20发散后的电磁波与水平 线的夹角 的正弦值 sin 应大于等于 l ^ ss ² _{+ ri} ² 。

喇叭天线 10发出的电磁波可等效为由一点源发出的电磁� ��， 记该等效点源 到第一超材料 20前表面的垂直距离为 L , 则根据光程近似相等原理， 可得到第 一超材料 20上， 半径为 r处的折射率分布为：

n {r) = /i ₀ +— * (L + r * sin 6 - ^L ² -\- r ² ) 其中， 《。为第一超材料 20中心点处折射率值， 为电磁波经过第一超材料 20后的偏折角度， 4为第一超材料 20的厚度。

本发明中， 第一超材料 20前表面是指靠近喇叭天线 10 口径面的表面， 第 一超材料 20后表面是指与前表面相对的远离喇叭天线 10 口径面的表面。 光程 近似相等即指近似认为电磁波在超材料内部是 沿着水平线传播。

第一超材料 20所响应的电磁波仅仅为馈源辐射的电磁波， 因此利用光程近 似相等的原理可得到第一超材料 20的折射率分布公式 A (r)， 且公式 A (r)的实验 仿真结果与实际测试结果相差不大。

第二超材料 30所响应的电磁波既有第一超材料 20扩散的部分电磁波又有 经金属反射面 401 反射来的电磁波， 系统较为复杂， 不适于用公式法求解其折 射率分布。

本发明利用初始相位法得到第二超材料 30各点的折射率分布以使得第二超 材料 30实现将电磁波转化为平面电磁波的目的。 本发明中， 第二超材料 30 由 多片超材料片层叠加构成， 每片超材料片层包括第二基材以及在第二基材 上周 期排布的多个第二人造金属微结构， 各超材料片层厚度相等且折射率分布相同。

初始相位法中初始相位通过如下方式定义： 如图 5所示， 设计初始阶段将 第二超材料 30区域填充空气， 第二超材料 30共有 M层， 标注出第二超材料 30 区域内各超材料片层的边界。 此时， 第二超材料 30区域内部折射率为 1， 选取 其中第 i层超材料片层的前表面测试并记录各处的初� �相位 ( ， 其中， 中心 点处的初始相位为^ (0)。 本发明中， 第二超材料 30 前表面是指远离喇叭天线 10 口径面的表面， 第二超材料 30后表面是指与前表面相对的靠近喇叭天线 10 口径面的表面。

图 5中， 第二超材料 30仅显示了其纵截面， 将第二超材料 30纵截面的折 射率分布旋转一周即构成了第二超材料 30整体的折射率分布。 因此， 第二超材 料 30横截面的折射率分布与第一超材料 20类似， 仍是以其中心点成同心圆形 分布， 相同半径处的折射率相同。

本发明中， 第二超材料 30需要使得电磁波以平面波形式辐射且超材料� ��平 板状， 因此需使得第二超材料 30 后表面处， 相位分布等相， 即第二超材料 30 后表面的相位不随 y值变化而变化， 其为固定值 Ψ , 该固定值 Ψ为第二超材料 30后表面中心点处的相位， 即第二超材料 30紧邻第一超材料 20上下表面处的 相位。 第二超材料 30上的折射率是人为设计， 因此在设计时， 由于技术限制， 第二超材料 30的最大折射率值 n _raax 与最小折射率值 n _rain 为固定值。本发明中， 第 二超材料 30各层超材料片层紧邻第一超材料 20上下表面处的折射率为最大折 射率 n _raax ， 根据公式：

y ^M n d 可求得 Ψ值。其中 d为每层超材料片层的厚度， A为馈源辐射的电磁波波长。 而后再根据公式：

n{y)d 得到超材料片层各点处的折射率 值。 y为超材料片层各点距其中心点距 离。

本发明中， 可通过在多个超材料片层前表面上分别取值， 以得到多组折射 率分布 M() ， 将该些折射率分布对应的第二超材料 30应用到微波天线后， 仿真 测试各项数据参数并筛选出最优数据以最终确 定 的分布。

采用初始相位法得到超材料折射率分布， 在源的情况复杂， 用常规公式法 难以确定系数、 难以得到较满意结果或者甚至无法运用公式法 时， 初始相位法 能轻松得到结果， 且其最优结果较之常规公式法得到的最优结果 ， 在各方面指 标上都要优良。 并且， 初始相位法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。

满足上述第一超材料 20和第二超材料 30折射率分布要求的人造金属微结 构的几何形状有多种， 但都为能对入射电磁波产生响应的几何形状。 最典型的 即为 "工"字形人造金属微结构。下面详细描述几种� ��造金属微结构几何形状。 第一超材料 20和第二超材料 30上各点折射率对应的人造金属微结构的尺寸� �� 通过计算机仿真得出， 也可通过人工计算得出。本发明中， 为便于大规模生产， 第一超材料 20和第二超材料 30的第一基材和第二基材材质相同， 第一金属微 结构和第二金属微结构几何形状相同。 如图 6所示， 图 6为能对电磁波产生响应以改变超材料基本单� �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 6 中， 人造金属 微结构呈 "工"字形， 包括竖直的第一金属分支 1021以及分别垂直该第一金属 分支 1021且位于第一金属分支 1021两端的第二金属分支 1022， 图 7为图 6中 人造金属微结构几何形状拓扑图案的衍生图案 ，其不仅包括第一金属分支 1021、 第二金属分支 1022， 每条第二金属分支 1022 两端还垂直设置有第三金属分支 1023。

图 8 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 8 中， 人造金属微结构呈平面 雪花型， 包括相互垂直的第一金属分支 102Γ 以及与两条第一金属分支 102Γ 两端均垂直的第二金属分支 1022 '；图 9为图 8所示人造金属微结构几何形状拓 扑图案的衍生图案， 其不仅包括两条第一金属分支 1021 '、 四条第二金属分支 1022，， 四条第二金属分支 1022 ' 两端还垂直设置有第三金属分支 1023，。 优选 地， 第一金属分支 1021， 长度相等且垂直于中点相交， 第二金属分支 1022， 长 度相等且中点位于第一金属分支 1021， 端点， 第三金属分支 1023， 长度相等且 中点位于第二金属分支 1022 ' 端点； 上述金属分支的设置使得人造金属微结构 呈各向同性， 即在人造金属微结构所属平面内任意方向旋转 人造金属微结构 90 ° 都能与原人造金属微结构重合。 采用各向同性的人造金属微结构能简化设计、 减少干扰。

本发明还包括一种通讯装置， 该通讯装置包括上述的任一个实施例的微波 具体的微波天线的工作原理请参见上文关于微 波天线的描述， 在此不做赘 述。

以上所述仅为本发明的实施例， 并非因此限制本发明的专利范围， 凡是利 用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或 等效流程变换， 或直接或间接运 用在其他相关的技术领域， 均同理包括在本发明的专利保护范围内。