Login| Sign Up| Help| Contact|

Patent Searching and Data


Title:
OFFSET FEED RADAR ANTENNA
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2013/013470
Kind Code:
A1
Abstract:
Provided is an offset feed radar antenna comprising: a feed, a metamaterial panel, and a reflective panel. The feed is arranged at a side opposite the metamaterial panel and an area not facing directly the metamaterial panel. The metamaterial panel comprises multiple core layers having identical refractive index distributions. Each core layer comprises multiple metamaterial units. The metamaterial units comprise unit substrates having artificial metal microstructures or artificial pore structures. By changing the pattern of refractive index distribution within the metamaterial panel, the offset feed radar antenna improves antenna far-field power, thus improving antenna transmission distance, while at the same time increases the front-to-back ratio of the antenna, thus providing the antenna with improved directionality. The offset radar antenna prevents the feed from obstructing the radiation of electromagnetic wave, while also prevents the radiation of electromagnetic wave from affecting the feed.

More Like This:
Inventors:
LIU, Ruopeng (Software Building, No. 9 GaoxinZhong 1st RoadHigh-Tech Industrial Estate, Nanshan Distric, Shenzhen Guangdong 7, 518057, CN)
刘若鹏 (中国广东省深圳市南山区高新区中区高新中一道9号软件大厦, Guangdong 7, 518057, CN)
JI, Chunlin (Software Building, No. 9 GaoxinZhong 1st RoadHigh-Tech Industrial Estate, Nanshan Distric, Shenzhen Guangdong 7, 518057, CN)
季春霖 (中国广东省深圳市南山区高新区中区高新中一道9号软件大厦, Guangdong 7, 518057, CN)
Application Number:
CN2011/083010
Publication Date:
January 31, 2013
Filing Date:
November 28, 2011
Export Citation:
Click for automatic bibliography generation   Help
Assignee:
KUANG-CHI INSTITUTE OF ADVANCED TECHNOLOGY (Software Building, No. 9 GaoxinZhong 1st RoadHigh-Tech Industrial Estate, Nanshan Distric, Shenzhen Guangdong 7, 518057, CN)
深圳光启高等理工研究院 (中国广东省深圳市南山区高新区中区高新中一道9号软件大厦, Guangdong 7, 518057, CN)
KUANG-CHI INNOVATIVE TECHNOLOGY LTD. (18B block A, CIC international business center No. 1061 of XiangMei Road, FuTian Distric, Shenzhen Guangdong 4, 518034, CN)
深圳光启创新技术有限公司 (中国广东省深圳市福田区香梅路1061号中投国际商务中心A栋18B, Guangdong 4, 518034, CN)
LIU, Ruopeng (Software Building, No. 9 GaoxinZhong 1st RoadHigh-Tech Industrial Estate, Nanshan Distric, Shenzhen Guangdong 7, 518057, CN)
刘若鹏 (中国广东省深圳市南山区高新区中区高新中一道9号软件大厦, Guangdong 7, 518057, CN)
International Classes:
H01Q15/14
Foreign References:
CN101867094A
CN101587990A
CN101404355A
Attorney, Agent or Firm:
CHINA WISPRO INTELLECTUAL PROPERTY LLP. (Room A806, Zhongdi Building China University of Geosciences Base, No. 8 Yuexing 3rd Road, High-Tech Industrial Estate, Nanshan Distric, Shenzhen Guangdong 7, 518057, CN)
Download PDF:
Claims:
权 利 要求

1、 一种偏馈式雷达天线, 所述天线包括: 馈源, 用于辐射电磁波; 超材料 面板, 用于将所述馈源辐射出的电磁波从球面电磁波转化为平面电磁波, 其特 征在于, 所述天线还包括紧贴于所述超材料面板一侧的反射板, 用于将电磁波 反射到超材料面板进行汇聚折射并向远处辐射, 所述馈源位于所述超材料面板 的另一侧且在超材料面板的非正对区域, 所述超材料面板包括多个具有折射率 相同分布的多个核心层, 所述每一核心层包括多个超材料单元, 所述超材料单 元包括单元基材以及人造金属微结构, 所述超材料面板的每一核心层的折射率 以所述馈源在每一核心层上的正投影为圆心呈圆形分布, 且随着半径的增加折 射率逐渐减小, 且半径相同处的折射率相同。

2、 根据权利要求 1所述的雷达天线, 其特征在于, 所述超材料单元还包括 第一填充层, 所述人造金属微结构位于所述单元基材和第一填充层之间, 所述 第一填充层内填充的材料包括空气、 人造金属微结构以及与所述单元基材相同 材料的介质。

3、 根据权利要求 1所述的雷达天线, 其特征在于, 所述超材料面板还包括 分布于所述核心层一侧的多个渐变层, 所述每一渐变层均包括片状的基板层、 片状的第二填充层以及设置在所述基板层和填充层之间的空气层。

4、 根据权利要求 3所述的雷达天线, 其特征在于, 所述第二填充层内填充 的介质包括空气以及与所述基板层相同材料的介质。

5、 根据权利要求 3所述的雷达天线, 其特征在于, 所述第一基板层和第二 基板层均由陶瓷材料、 环氧树脂、 聚四氟乙烯、 FR-4复合材料或 F4B复合材料 制得。

6、 根据权利要求 1所述的雷达天线, 其特征在于, 所述超材料面板的每一 核心层的折射率以所述馈源在每一核心层上的正投影为圆心,随着半径 r的变化 规律如以下表达式:

.、 ss

n(r )― n :

、 ) max 2d 式中《max表示所述每一核心层中的最大折射率值, d表示所有核心层的总厚 度, ss表示所述馈源到最靠近馈源位置的核心层的距离, n^表示所述多个核心 层内半径 r处折射率值。

7、 根据权利要求 1所述的雷达天线, 其特征在于, 所述超材料面板的每一 渐变层内的折射率均匀分布的, 且多个渐变层间折射率分布的变化规律如以下 表达式:

ητ = ( max ^ mm )m , 1=1、 2、 3、 …、 m, 其中 表示第 i层渐变层的折射率值, m表示渐变层的层数, 《mn表示所述 每一核心层内的最小折射率值, 《max表示所述每一核心层中的最大折射率值, 其 中第 m层渐变层与核心层靠近, 随着 m值的变小逐渐远离核心层, 第一层渐变 层为最外层渐变层。

8、 根据权利要求 1所述的雷达天线, 其特征在于, 所述人造金属微结构为 由至少一根金属丝组成对电磁场有响应的平面结构或立体结构, 所述金属丝为 铜丝或银丝。

9、 根据权利要求 8所述的雷达天线, 其特征在于, 所述金属丝通过蚀刻、 电镀、 钻刻、 光刻、 电子刻或离子刻的方法附着在所述单元基材上。

10、 根据权利要求 8所述的雷达天线, 其特征在于, 所述人造金属微结构 为在 "工"字形、 "工"字形的衍生形、 雪花状或雪花状的衍生形任意一种。

11、 根据权利要求 1 所述的一种偏馈式雷达天线, 其特征在于, 所述每一 超材料单元上形成有一个人造孔结构, 所述人造孔结构内填充有折射率小于单 元基材折射率的介质, 且所有超材料单元内的人造孔结构都填充相同材料的介 质, 所述设置在超材料单元内的人造孔结构体积在每一核心层内的排布规律为: 所述超材料单元上形成的人造孔结构体积以所述馈源在每一核心层上的正投影 为圆心呈半圆形分布, 随着半径的增大超材料单元上形成的人造孔结构体积亦 增大, 且具有相同半径处的超材料单元上形成的人造孔结构体积相同。 12、 根据权利要求 1 所述的一种偏馈式雷达天线, 其特征在于, 所述每一 超材料单元上形成有一个人造孔结构, 所述人造孔结构内填充有折射率大于单 元基材折射率的介质, 且所有超材料单元内的人造孔结构都填充相同材料的介 质, 所述设置在超材料单元内的人造孔结构体积在每一核心层内的排布规律为: 所述超材料单元上形成的人造孔结构体积以所述馈源在每一核心层上的正投影 为圆心呈半圆形分布, 随着半径的增大超材料单元上形成的人造孔结构体积逐 渐减小, 且具有相同半径处的超材料单元上形成的人造孔结构体积相同。

13、 根据权利要求 1 所述的一种偏馈式雷达天线, 其特征在于, 所述超材 料单元上形成有数量不同、 体积相同的人造孔结构, 所述人造孔结构内填充有 折射率小于单元基材折射率的介质, 且所有超材料单元内的人造孔结构都填充 相同材料的介质, 所述设置在超材料单元内的人造孔结构数量在每一核心层内 的排布规律为: 所述超材料单元上形成的人造孔结构数量以所述馈源在每一核 心层上的正投影为圆心呈半圆形分布, 随着半径的增大超材料单元上形成的人 造孔结构数量亦逐渐增加, 且具有相同半径处的超材料单元上形成的人造孔结 构数量相同。

14、 根据权利要求 1 所述的一种偏馈式雷达天线, 其特征在于, 所述超材 料单元上形成有数量不同、 体积相同的人造孔结构, 所述人造孔结构内填充有 折射率大于单元基材折射率的介质, 且所有超材料单元内的人造孔结构都填充 相同材料的介质, 所述设置在超材料单元内的人造孔结构数量在每一核心层内 的排布规律为: 所述超材料单元上形成的人造孔结构数量以所述馈源在每一核 心层上的正投影为圆心呈半圆形分布, 随着半径的增大超材料单元上形成的人 造孔结构数量逐渐减小, 且具有相同半径处的超材料单元上形成的人造孔结构 数量相同。

Description:
偏馈式雷达天线

【技术领域】

本发明涉及雷达天线领域, 特别是涉及一种使用超材料的偏馈式雷达天线 。 【背景技术】

雷达天线通过反射器将馈源辐射的球面波变为 平面波, 从而实现定向接收 或者发射电磁波, 目前使用的反射器是抛物面形状, 馈源位于反射器的焦点附 近。

雷达天线的工作原理与光学反射镜相似, 现有的雷达抛物面天线如图 1 所 示, 包括溃源 1、 抛物面反射器 2和支架 3, 在抛物面反射器 2的焦点处放置有 发射或者接收电磁波的馈源 1, 利用抛物面反射器 2的聚焦特性, 由馈源 1发出 的球面波经抛物面反射器 2 反射后变换成平面波, 形成沿抛物面轴向辐射最强 的窄波束。

为了制造抛物反射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。

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相对介电常数 和磁导率, 实现物质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】

本发明的目的在于克服现有技术中制造抛物面 天线生产工艺复杂的问题, 提供一种偏馈式雷达天线, 该天线提出了一种结构简单的具有平面反射板 的雷 达天线, 这种平面结构的天线具有抛物面天线可以定向 接收或者发射电磁波的 优点, 同时避免了生产抛物面天线时的复杂工艺。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是: 提出一种偏馈式雷达天线, 所述天线包括: 馈源, 用于辐射电磁波; 超材料面板, 用于将所述馈源辐射出 的电磁波从球面电磁波转化为平面电磁波, 所述天线还包括紧贴于所述超材料 面板一侧的反射板, 用于将电磁波反射到超材料面板进行汇聚折射 并向远处辐 射, 所述馈源位于所述超材料面板的另一侧且在超 材料面板的非正对区域, 所 述超材料面板包括多个具有折射率相同分布的 多个核心层, 所述每一核心层包 括多个超材料单元, 所述超材料单元包括单元基材以及人造金属微 结构, 所述 超材料面板的每一核心层的折射率以所述馈源 在每一核心层上的正投影为圆心 呈圆形分布, 且随着半径的增加折射率逐渐减小, 且半径相同处的折射率相同。

进一歩地, 所述超材料单元还包括第一填充层, 所述人造金属微结构位于 所述单元基材和第一填充层之间, 所述第一填充层内填充的材料包括空气、 人 造金属微结构以及与所述单元基材相同材料的 介质。

进一歩地, 所述超材料面板还包括分布于所述核心层一侧 的多个渐变层, 所述每一渐变层均包括片状的基板层、 片状的第二填充层以及设置在所述基板 层和填充层之间的空气层。

进一歩地, 所述第二填充层内填充的介质包括空气以及与 所述基板层相同 材料的介质。

进一歩地, 所述第一基板层和第二基板层均由陶瓷材料、 环氧树脂、 聚四 氟乙烯、 FR-4复合材料或 F4B复合材料制得。

进一歩地, 所述超材料面板的每一核心层的折射率以所述 馈源在每一核心 层上的正投影为圆心, 随着半径 r的变化规律如以下表达式:

.、 ss

n(r )― n :

、 ) max 2d 式中《 max 表示所述每一核心层中的最大折射率值, d表示所有核心层的总厚 度, ss表示所述馈源到最靠近馈源位置的核心层的 离, n^表示所述多个核心 层内半径 r处折射率值。

进一歩地, 所述超材料面板的每一渐变层内的折射率均匀 分布的, 且多个 渐变层间折射率分布的变化规律如以下表达式 :

η τ = ( max ^ mm ) m , 1=1、 2、 3、 …、 m, 其中 表示第 i层渐变层的折射率值, m表示渐变层的层数, 《 mn 表示所述 每一核心层内的最小折射率值, 《 max 表示所述每一核心层中的最大折射率值, 其 中第 m层渐变层与核心层靠近, 随着 m值的变小逐渐远离核心层, 第一层渐变 层为最外层渐变层。

进一歩地, 所述人造金属微结构为由至少一根金属丝组成 对电磁场有响应 的平面结构或立体结构, 所述金属丝为铜丝或银丝。

进一歩地, 所述金属丝通过蚀刻、 电镀、 钻刻、 光刻、 电子刻或离子刻的 方法附着在所述单元基材上。

进一歩地, 所述人造金属微结构为在 "工"字形、 "工"字形的衍生形、 雪 花状或雪花状的衍生形任意一种。

进一歩地, 所述每一超材料单元上形成有一个人造孔结构 , 所述人造孔结 构内填充有折射率小于单元基材折射率的介质 , 且所有超材料单元内的人造孔 结构都填充相同材料的介质, 所述设置在超材料单元内的人造孔结构体积在 每 一核心层内的排布规律为: 所述超材料单元上形成的人造孔结构体积以所 述馈 源在每一核心层上的正投影为圆心呈半圆形分 布, 随着半径的增大超材料单元 上形成的人造孔结构体积亦增大, 且具有相同半径处的超材料单元上形成的人 造孔结构体积相同。

进一歩地, 所述每一超材料单元上形成有一个人造孔结构 , 所述人造孔结 构内填充有折射率大于单元基材折射率的介质 , 且所有超材料单元内的人造孔 结构都填充相同材料的介质, 所述设置在超材料单元内的人造孔结构体积在 每 一核心层内的排布规律为: 所述超材料单元上形成的人造孔结构体积以所 述馈 源在每一核心层上的正投影为圆心呈半圆形分 布, 随着半径的增大超材料单元 上形成的人造孔结构体积逐渐减小, 且具有相同半径处的超材料单元上形成的 人造孔结构体积相同。

进一歩地, 所述超材料单元上形成有数量不同、 体积相同的人造孔结构, 所述人造孔结构内填充有折射率小于单元基材 折射率的介质, 且所有超材料单 元内的人造孔结构都填充相同材料的介质, 所述设置在超材料单元内的人造孔 结构数量在每一核心层内的排布规律为: 所述超材料单元上形成的人造孔结构 数量以所述馈源在每一核心层上的正投影为圆 心呈半圆形分布, 随着半径的增 大超材料单元上形成的人造孔结构数量亦逐渐 增加, 且具有相同半径处的超材 料单元上形成的人造孔结构数量相同。

进一歩地, 所述超材料单元上形成有数量不同、 体积相同的人造孔结构, 所述人造孔结构内填充有折射率大于单元基材 折射率的介质, 且所有超材料单 元内的人造孔结构都填充相同材料的介质, 所述设置在超材料单元内的人造孔 结构数量在每一核心层内的排布规律为: 所述超材料单元上形成的人造孔结构 数量以所述馈源在每一核心层上的正投影为圆 心呈半圆形分布, 随着半径的增 大超材料单元上形成的人造孔结构数量逐渐减 小, 且具有相同半径处的超材料 单元上形成的人造孔结构数量相同。

本发明相对于现有技术, 具有以下有益效果: 一种偏馈式雷达天线, 平面 天线的结构简单, 通过利用超材料对电磁波进行汇聚的特性, 使得雷达天线不 依赖电磁波汇聚设备的形状, 省去了加工传统抛物面天线的复杂制造工艺, 同 时又可以实现传统抛物面天线定向接收或者发 射电磁波的优点。 还有本发明采 用了偏馈式雷达天线, 使得馈源对电磁波的辐射不再遮拦, 同时也避免了辐射 的电磁波对馈源的影响。

【附图说明】 图 2是本发明第一实施例的一种偏馈式雷达天线 意图;

图 3是本发明第一实施例的一种偏馈式雷达天线 意图;

图 4是本发明第一实施例的所述超材料面板的结 示意图;

图 5是本发明第一实施例的所述核心层的结构示 图;

图 6是本发明第一实施例的所述核心层的结构示 图;

图 7是本发明第一实施例的所述超材料单元的结 示意图;

图 8是本发明第一实施例的所述渐变层结构示意 ;

图 9是本发明第一实施例的核心层折射率变化示 图;

图 10是本发明第一实施例的核心层折射率变化示 图;

图 11是本发明第二实施例的一种偏馈式雷达天线 意图;

图 12是本发明第二实施例的一种偏馈式雷达天线 意图;

图 13是本发明第二实施例的所述超材料面板的结 示意图;

图 14是本发明第二实施例的所述核心层的结构示 图;

图 15是本发明第二实施例的所述超材料单元结构 意图;

图 16是本发明第二实施例的所述渐变层结构示意 。

【具体实施方式】

下面结合实施例及附图, 对本发明作进

方式不限于此。 图 2和图 3是本发明前馈式雷达天线的结构示意图, 该天线包括馈源 10、 超材料面板 20以及反射板 30,所述馈源 10和发射板 30分别位于所述超材料面 板 20的两侧, 反射板 30与超材料面板 20紧贴相连, 馈源 10所在点在所述超 材料面板 20上的正投影为超材料面板 20下底边的中点。

通常从馈源 10辐射的电磁波是球面电磁波, 但是球面电磁波的远场方向性 能不好, 对于远距离以球面电磁波为载体的信号传输有 很大的局限性, 而且衰 减快, 本发明通过设计一具有电磁波汇聚功能的超材 料面板 20 , 该超材料面板 20将馈源 10辐射出来的大部分电磁波从球面电磁波转换 平面电磁波,且在通 过超材料面板 20的电磁波经过反射板 30反射后再次通过超材料面板 20折射汇 聚并辐射出去, 使得雷达天线的方向性更好, 天线主瓣能量密度更高, 能量更 大, 进而以该平面电磁波为载体的信号传输距离更 远。

图 4是图 2所示的超材料面板 20的结构示意图, 超材料面板 20包括多个 核心层 210以及分布在靠近馈源一侧的多个渐变层 220,每一核心层 210均由多 个超材料单元组成, 所述超材料单元包括单元基材 211、 片状的第一填充层 213 以及设置在所述单元基材 211 和第一填充层 213 之间的多个人造金属微结构 212, 如图 6以及如图 7所示。 所述第一填充层 213内填充的材料可以是空气、 人造金属微结构以及与所述单元基材相同材料 的介质, 比如, 当需要所述超材 料单元内的等效折射率变大时, 可以在第一填充层 213 内填充金属微结构或者 是填充具有较大折射率的介质; 当需要所述超材料单元内的等效折射率变小时 , 可以在第一填充层 213内填充空气介质或者是不填充任何介质。 超材料面板 20 内的多个超材料核心层 210堆叠在一起, 且各个核心层 210之间等间距排列地 组装, 或两两片层之间直接前、 后表面相粘合地连接成一体。 具体实施时, 超 材料核心层的数目以及各个核心层之间的距离 可依据需求来进行设计。 每个超 材料核心层 210 由多个超材料单元阵列形成, 整个超材料核心层 210可看作是 由多个超材料单元沿 X、 Y、 Ζ三个方向阵列排布而成, 如图 5所示。

所述超材料面板 20的多个核心层 210通过改变其内部的折射率分布以实现 通过所述超材料面板 20后的电磁波等相位辐射, 即实现从所述馈源 10辐射出 的球面电磁波转换为平面电磁波。 本发明中每个超材料核心层 210 的折射率分 布均相同, 这里仅对一个超材料核心层 210 的折射率分布规律进行详细描述。 通过对人造金属微结构 212的拓扑图案、 几何尺寸以及其在单元基材 211和第 一填充层 213上分布的设计, 使中间的核心层 210的折射率分布满足如下规律: 每一层核心层 210的折射率分布均相同, 每一核心层包括一个以馈源 10在每一 核心层 210 上的正投影为圆心的半圆形面域, 所述半圆形面域内圆心处的折射 率为最大值 ¾^且随着半径的增大逐渐减小, 相同半径处的折射率相同, 如图 10所示, 给出了折射率在 r方向上的变化图, 但应知本发明的折射率变化并不 以此为限。 本发明设计目的为: 使电磁波经过各超材料核心层 210 时, 电磁波 偏折角度被逐渐改变并最终平行辐射。 通过公式 Sm^=q* A«, 其中 为所需偏 折电磁波的角度、 Δ«为前后折射率变化差值, q 为超材料功能层的厚度并通过 计算机仿真即可确定所需参数值并达到本发明 设计目的。

图 9和图 10所示为超材料核心层折射率分布在半径 r上的变化视图。 作为 公知常识我们可知, 电磁波的折射率与 Λ ^成正比关系, 其中 μ为磁导率, ε为 介电常数, 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, 因此, 设计超材料面板 20内核心层 210各点的折射率使其满足上述折射率 变化规律, 需要说明的是, 由于实际上超材料单元是一个立方体而非一个 点, 因此上述半圆形面域只是近似描述, 实际上的折射率相同或基本相同的超材料 单元是在一个锯齿形半圆周上分布的。 其具体设计类似于计算机用方形像素点 绘制半圆形、 半椭圆形等平滑曲线时进行描点的编程模式 (例如 OpenGL) , 当 像素点相对于曲线很小时曲线显示为光滑, 而当像素点相对于曲线较大时曲线 显示有锯齿。

为使超材料面板 20的每一核心层 210实现图 9和图 10所示折射率的变化, 经过理论和实际证明, 可对所述人造金属微结构 212 的拓扑结构、 几何尺寸以 及其在单元基材 211和第一填充层 213上分布的设计, 单元基材 211采用介电 绝缘材料制成, 可以为陶瓷材料、 高分子材料、 铁电材料、 铁氧材料、 铁磁材 料等, 高分子材料例如可以是、 环氧树脂或聚四氟乙烯。 人造金属微结构 212 为以一定的几何形状附着在单元基材 211 上能够对电磁波有响应的金属线, 金 属线可以是剖面为圆柱状或者扁平状的铜线、 银线等, 一般采用铜, 因为铜丝 相对比较便宜, 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单元基材 211 上, 所述第一填充层 213可以填充不同材料的介质, 可以与单元基材 211相同的材料, 也可以是人造 金属微结构, 还可以是空气, 所述每一核心层 210 由多个超材料单元组成, 每 超材料单元都具有一个人造金属微结构, 每一个超材料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, 每个超材料单元的尺寸取决 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 包含人造金属微结构 212的超材料单元所组成的排列在空间中不能被 视为连续。

在单元基材 211 的选定的情况下, 通过调整人造金属微结构 212的形状、 尺寸及其在单元基材 211上的空间分布和在第一填充层 213填充不同折射率的 介质, 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。 当人造金属微结构 212采用相同的几何形状时, 某处人造金 属微结构的尺寸越大, 则该处的等效介电常数越大, 折射率也越大。

本实施例采用的人造金属微结构 212 的图案为工字形的衍生图案, 由图 5 可知, 雪花状人造金属微结构 212的尺寸从以馈源 10在每一核心层 210上的正 投影为圆心, 向周围逐渐变小, 在圆心处, 雪花状的人造金属微结构 212 的尺 寸最大, 并且在相同半径处的雪花状人造金属微结构 212 的尺寸相同, 因此每 一核心层 210 的等效介电常数由圆心向四周逐渐变小, 圆心的等效介电常数最 大, 因而每一核心层 210 的折射率从圆心向四周逐渐变小, 圆心部分的折射率 最大。

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, 人造金属微结构 212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 在三维空间中各条边相互垂直的雪花状及雪花 状的衍生结构, 也可以是其他的 几何形状, 其中不同的人造金属微结构 212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, 只要满足由天线单元发出的电磁波 经过超材料面板 20传播后可以平行射出即可。 本发明实施例中, 所述超材料面板 20的每一核心层 210的折射率以以馈源 10在每一核心层 210上的正投影为圆心, 随着半径 r的变化规律如以下表达式:

式中《 max 表示所述每一核心层 210中的最大折射率值, d表示所有核心层 210 的总厚度, ss表示所述馈源 10到最靠近馈源位置的核心层 210的距离, 表 示所述每一核心层 210内半径 r处折射率值。

通常当电磁波从一种介质传输到另一种介质的 时候, 由于阻抗不匹配的问 题, 会出现一部分电磁波反射, 这样影响电磁波的传输性能, 本发明中, 当从 馈源 10辐射出来的电磁波入射到超材料面板 20时同样会产生反射, 为了减少 反射对雷达天线的影响, 我们在超材料面板 20的核心层 210—侧设置多个超材 料渐变层 220, 如图 4所示。

如图 8所示, 每一超材料渐变层 220均包括片状的基板层 221、片状的第二 填充层 223以及设置在所述基板层 221和第二填充层 223之间的空气层 222。所 述基板层 221 可选用高分子聚合物、 陶瓷材料、 铁电材料、 铁氧材料等。 其中 高分子聚合物优选 FR-4或 F4B材料。多个超材料渐变层 220之间的折射率是不 同的, 为了匹配空气与核心层 210的阻抗, 通常是通过调整所述空气层 222的 宽度和通过在第二填充层 223 内填充含有不同折射率的介质来实现阻抗匹配 , 该介质也可以是与基板层 221 相同的材料, 也可以是空气, 其中靠近空气的超 材料渐变层 220的折射率最接近空气且朝核心层 210方向折射率逐渐增加。

本发明中实施例中, 所述超材料面板 20的每一渐变层内 220的折射率均匀 分布的, 且多个渐变层 220间折射率分布的变化规律如以下表达式:

η τ = ( max ^ mm ) m , 1=1、 2、 3、 …、 m, 其中 表示第 i层渐变层 220的折射率值, m表示渐变层 220的层数,《 mn 表 示所述每一核心层 210内的最小折射率值, 《 max 表示所述每一核心层 210中的最 大折射率值, 其中第 m层渐变层 220与核心层 210靠近, 随着 m值的变小逐渐 远离核心层 210, 第 1层渐变层为最外层渐变层。 综上所述, 本发明的一种偏馈式雷达天线通过改变超材料 面板 20内部的折 射率分布情况, 使得天线远场功率大大地增强了, 进而提升了天线传播的距离, 同时增加了天线的前后比, 使得天线更具方向性; 还有本发明采用了偏馈式雷 达天线, 使得馈源对电磁波的辐射不再遮拦, 同时也避免了辐射的电磁波对馈 源的影响。 图 11和图 12是本发明第二实施例的偏馈式雷达天线的结 示意图, 该天 线包括馈源 10、 超材料面板 20'以及反射板 30, 所述馈源 10和发射板 30分别 位于所述超材料面板 20'的两侧,反射板 30与超材料面板 20'紧贴相连,馈源 10 所在点在所述超材料面板 20'上的正投影为超材料面板 20'下底边的中点。

通常从馈源 10辐射的电磁波是球面电磁波, 但是球面电磁波的远场方向性 能不好, 对于远距离以球面电磁波为载体的信号传输有 很大的局限性, 而且衰 减快, 本发明通过设计一具有电磁波汇聚功能的超材 料面板 20' , 该超材料面 板 20'将馈源 10辐射出来的大部分电磁波从球面电磁波转换 平面电磁波, 且 在通过超材料面板 20'的电磁波经过反射板 30反射后再次通过超材料面板 20' 折射汇聚并辐射出去, 使得雷达天线的方向性更好, 天线主瓣能量密度更高, 能量更大, 进而以该平面电磁波为载体的信号传输距离更 远。

图 13所示,所述超材料面板 20'包括多个具有相同折射率分布的核心层 210' 以及分布在靠近馈源 10—侧的多个渐变层 220',所述核心层 210'也就是超材料 面板 10的功能层, 由多个超材料单元组成, 由于超材料面板 20 ' 需对电磁波产 生连续响应, 因此超材料单元尺寸应小于所需响应电磁波波 长的五分之一, 本 实施例优选为电磁波波长的十分之一。 如图 15所示, 所述超材料单元包括设置 有一个或多个人造孔结构 212'的单元基材 211 '。 这样设置有人造孔结构 212'的 每一核心层 210'叠加在一起就构成超材料面板 20'的功能层, 如图 16所示。

所述超材料面板 20'的多个核心层 210'通过改变其内部的折射率分布以实现 通过所述超材料面板 20'后的电磁波等相位辐射, 即实现从所述馈源 10辐射出 的球面电磁波转换为平面电磁波。本实施例中 每一核心层 210' 的折射率分布均 相同, 且与上一实施例中的核心层 210 ' 的折射率分布相同。这里仅对一个超材 料核心层 210 ' 的折射率分布规律进行详细描述。 通过对人造孔结构 212' 的体 积、 人造孔结构 212' 内填充的介质以及人造孔结构 212' 的密度的设计使得每 一核心层 210' 的折射率分布如图 10所示。超材料面板 20 ' 的每一核心层 210' 包括一个以馈源 10在每一核心层 210' 上的正投影为圆心的半圆形面域, 半圆 形面域的圆心处折射率最大为 n max , 具有相同半径处折射率相同, 半径越大, 折 射率越小。 图 10中给出折射率变化图, 但应知本发明的折射率变化并不以此为 限。 本发明设计目的为: 使电磁波经过各核心层 210'时, 电磁波偏折角度被逐 渐改变并最终平行辐射。 通过公式 Sm^=q* A«, 其中 为所需偏折电磁波的角 度、 ^为前后折射率变化差值, q为超材料功能层的厚度并通过计算机仿真即 可确定所需参数值并达到本发明设计目的。

图 9为图 10所示超材料核心层折射率分布在 r方向上的视图。 作为公知常 识我们可知, 电磁波的折射率与 Λ ^成正比关系, 其中 μ为磁导率, ε为介电常 数, 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, 因 此, 设计超材料面板 20' 各点的折射率使其满足上述折射率变化规律, 需要说 明的是, 由于实际上超材料单元是一个立方体而非一个 点, 因此上述半圆形面 域只是近似描述, 实际上的折射率相同或基本相同的超材料单元 是在一个锯齿 形半圆周上分布的。 其具体设计类似于计算机用方形像素点绘制半 圆形、 半椭 圆形等平滑曲线时进行描点的编程模式 (例如 OpenGL) , 当像素点相对于曲线 很小时曲线显示为光滑, 而当像素点相对于曲线较大时曲线显示有锯齿 。

为使功能层实现图 9和图 10所示折射率的变化, 可对人造孔结构 212'的体 积、 人造孔结构 212'内填充的介质进行设计。 下面详细论述两种较佳实施方式。

如图 14所示, 超材料面板 20'的每一核心层 210'由多个超材料单元组成, 每一超材料单元包括设置有一个人造孔结构 212'的单元基材 211 '。单元基材 21Γ 可选用高分子聚合物、 陶瓷材料、 铁电材料、 铁氧材料等。 其中高分子聚合物 优选 FR-4或 F4B材料。对应不同的单元基材 211 '可采用不同的工艺在单元基材 211 '上形成人造孔结构 212', 例如当单元基材 211 '选用高分子聚合物时, 可通 过钻床钻孔、 冲压成型或者注塑成型等方式形成人造孔结构 212', 当单元基材 211 '选用陶瓷时则可通过钻床钻孔、冲压成型或 高温烧结等方式形成人造孔结 构 212,。

人造孔结构 212'内可填充介质, 本较佳实施方式中, 人造孔结构 212'内填 充的介质均为空气, 而空气的折射率必然小于单元基材 211 '的折射率, 当人造 孔结构 212'体积越大时, 人造孔结构 212'所在的超材料单元的折射率则越小。 本较佳实施方式中, 设置在超材料单元内的人造孔结构 212'在每一核心层 210' 内的排布规律为: 所述超材料单元上形成的人造孔结构 212'体积以馈源 10在每 一核心层 210'上的正投影为圆心呈半圆形分布, 其中圆心处的超材料单元上形 成的人造孔结构 212'的体积最小, 随着半径的增大超材料单元上形成的人造孔 结构 212'体积亦增大,且具有相同半径处的超材料 元上形成的人造孔结构 212' 体积相同。 可以想象地, 当人造孔结构 212'内填充有折射率大于单元基材 21Γ 的同种介质时, 则此时人造孔结构 212'体积越大, 人造孔结构 212'所占据的超 材料单元的折射率亦越大, 因此此时设置在超材料单元内的人造孔结构 212'在 每一核心层 210'内的排布规律将与人造孔结构 212'内填充为空气的排布规律完 全相反。

本发明的另一实施例, 与第一较佳实施方式的不同点在于, 每一超材料单 元中存在多个体积相同的人造孔结构 212', 这样能简化在单元基材 21Γ上设置 人造孔结构 212'的工艺难度。 与第一较佳实施方式相同的地方在于, 本较佳实 施方式中每一超材料单元中所有人造孔结构占 超材料单元的体积的分布规律与 第一较佳实施方式相同, 即分为两种情况: (1 ) 所有人造孔结构内填充的介质 折射率小于单元基材折射率时, 每一核心层 210'包括一个以馈源 10在每一核心 层 210'上的正投影为圆心的半圆形面域且圆心处 超材料单元上形成的人造孔 结构 212'的数量最少, 具有相同半径的超材料单元上形成的人造孔结 构 212'的 数量相同, 随着半径的增大、 对应半径的各处的超材料单元上形成的人造孔 结 构 212'的数量亦增多。 本较佳实施方式即为此种情况且所有人造孔结 构 2内填 充介质为空气; (2) 所有人造孔结构 212'内填充的介质折射率大于基板折射率 时,每一核心层 210'包括一个以馈源 10在每一核心层 210'上的正投影为圆心的 半圆形面域且圆心处的超材料单元上形成的人 造孔结构 212'的数量最多, 具有 相同半径的各处的超材料单元上形成的人造孔 结构 212'的数量相同, 随着半径 的增大、 对应半径的各处的超材料单元上形成的人造孔 结构 212'的数量减少。

本发明实施例中,所述超材料面板 20'的每一核心层 210'的折射率以馈源 10 在每一核心层 210' 上的正投影为圆心, 随着半径 r的变化规律如以下表达式:

.、 - ss

n(r)― n :

、 ) max 2d

式中《 max 表示所述每一核心层 210'中的最大折射率值, d表示所有核心层 210'的总厚度, ss表示所述馈源 10到最靠近馈源位置的核心层 210'的距离, n(r) 表示所述每一核心层 210'内半径 r处折射率值。

通常当电磁波从一种介质传输到另一种介质的 时候, 由于阻抗不匹配的问 题, 会出现一部分电磁波反射, 这样影响电磁波的传输性能, 本发明中, 当从 馈源 10辐射出来的电磁波入射到超材料面板 20'时同样会产生反射, 为了减少 反射对雷达天线的影响,我们在超材料面板 20'的核心层 210'—侧堆成设置多个 超材料渐变层 220', 如图 13所示。

如图 16所示, 每一超材料渐变层 220'均包括片状的基板层 221、 片状的填 充层 223'以及设置在所述基板层 221 '和填充层 223'之间的空气层 222'。 基板层 221 '可选用高分子聚合物、 陶瓷材料、 铁电材料、 铁氧材料等。 其中高分子聚合 物优选 FR-4或 F4B材料。每一渐变层 220'内的折射率分布是均匀的, 多个渐变 层之间的折射率是不同的, 为了匹配空气与核心层 210'的阻抗, 通常是通过调 整所述空气层 222'的距离和通过在填充层 223'内填充含有不同折射率的介质来 实现阻抗匹配, 该介质也可以是与基板层 22Γ相同的材料也可以是空气, 其中 靠近空气的超材料渐变层 220'的折射率最接近空气且朝核心层 210'方向折射率 逐渐增加。

本发明中实施例中,所述超材料面板 20'的每一渐变层 220'内的折射率均匀 分布的, 且多个渐变层 220'间折射率分布的变化规律如以下表达式:

η τ = ( max ^ mm ) m , 1=1、 2、 3、 …、 m, 其中 表示第 i层渐变层的折射率值, m表示渐变层的层数, 《 mn 表示所述 每一核心层内的最小折射率值, 《 max 表示所述每一核心层中的最大折射率值, 其 中第 m层渐变层与核心层靠近, 随着 m值的变小逐渐远离核心层, 第一层渐变 层为最外层渐变层。

综上所述, 本发明的一种偏馈式雷达天线通过改变超材料 面板 20'内部的折 射率分布情况, 使得天线远场功率大大地增强了, 进而提升了天线传播的距离, 同时增加了天线的前后比, 使得天线更具方向性; 本发明采用了偏馈式雷达天 线, 使得馈源 10对电磁波的辐射不再遮拦, 同时也避免了辐射的电磁波对馈源 10的影响。

上述实施例为本发明较佳的实施方式, 但本发明的实施方式并不受上述实 施例的限制, 其他的任何未违背本发明的精神实质与原理下 所作的改变、 修饰、 替代、 组合、 简化, 均应为等效的置换方式, 都包含在本发明的保护范围之内。