【技术领域】

本发明涉及通信技术领域， 尤其涉及一种混合透反射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 馈源且成抛物面状， 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。

可见， 传统的微波天线的需要加工成精度很高的抛物 面， 但是， 加工这样 精度高的抛物面， 难度非常大， 而且成本相当的高， 并且体积庞大。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题在于， 针对现有技术的上述不足， 提出一种易 于制作、 体积较小的混合透反射微波天线及通讯装置。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是， 提出一种混合透反射微波天线， 包括一侧开口的外壳及设置在外壳另一侧的馈 源， 还包括封闭外壳开口的超材 料， 馈源与超材料同轴设置， 超材料由多片厚度相等、 折射率分布相同的超材 料片层构成， 超材料片层包括基材以及周期排布于基材上的 多个人造微结构， 超材料正对馈源的位置设置有锥形反射面， 外壳上与超材料相对的位置还设置 有反射元件， 超材料片层的折射率分布通过如下步骤得到：

S1 : 在混合透反射微波天线未设置超材料的情况下 ， 用空气填充超材料区 域并标注出各超材料片层的边界，测试并记录 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^ ⁽ °， 其中， 第 i层超材料片层前表面中心点处的初始 相位为^ ； S2 : 根据公式 Ψ = (0)-2^ί* _{2 Γ} 得到超材料后表面中心点处的相位 _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 _max 为超 材料所具有的最大折射率值， M为构成超材料的超材料片层的总层数；

S3： 根据公式 Ψ = - ^∑ ^ ⁽³ ； ^¥ * 2π得到超材料各点的折射率 "( ， 其中， y为超材料上任一点距超材料中心轴线的距离� �

其中， 超材料片层还包括填充层， 同一超材料片层上的所有人造微结构被 夹持在基材与填充层之间。

其中，填充层与基材由相同的材料制成，超材 料片层的总厚度为 0.818mm， 其中填充层与基材的厚度均为 0.4mm， 人造微结构的厚度为 0.018mm。 其中， 同一超材料片层上的所有人造微结构具有相同 的几何形状， 且在基 材上呈圆形排布， 圆心处的人造微结构几何尺寸最大， 相同半径处的人造微结 构几何尺寸相同。

其中， 人造微结构为平面雪花状的金属微结构， 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， 第一金属线两端连接有相同长度的两个第一 金属分支， 第一金属线两端连接在两个第一金属分支的中 点上， 第二金属线两 端连接有相同长度的两个第二金属分支， 第二金属线两端连接在两个第二金属 分支的中点上。

其中， 超材料的中间位置具有一通孔， 锥形反射面包括锥形的反射部及连 接在反射部底部的连接部，连接部嵌入通孔中 ，反射部与连接部均为中空结构。

其中， 超材料片层的折射率变化范围为 1.89-5.8。 其中， 馈源为矩形波导或圆形波导， 其开口端正对锥形反射面的反射部。 其中， 反射元件包括平板超材料及设置在平板超材料 一侧表面的金属反射 板， 平板超材料包括片状的基材以及设置在基材上 的多个人造微结构， 平板超 材料按照折射率分布可划分为多个共圆心的环 形区域， 环形区域内相同半径处 的折射率相同， 且在环形区域各自的区域内随着半径的增大折 射率逐渐减小， 相邻两个环形区域， 处于内侧的环形区域的折射率的最小值小于处 于外侧的环 形区域的折射率的最大值。 其中， 平板超材料对应于馈源开口处设置有中央通孔 ， 中央通孔的形状与 馈源的外形相适应， 多个环形区域的圆心在中央通孔的中轴线与平 板超材料纵 向剖面相交的位置， 平板超材料的折射率分布满足如下公式：

"(r) sin(2^ * ^-) . 其中， L表示平板超材料的最大直径，n表示平板超材� ��上环形区域的个数。 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， 通讯装置包括混合透反射微波天线， 混合透反射微波天线， 包括一侧开口 的外壳及设置在外壳另一侧的馈源， 还包括封闭外壳开口的超材料， 馈源与超 材料同轴设置， 超材料由多片厚度相等、 折射率分布相同的超材料片层构成， 超材料片层包括基材以及周期排布于基材上的 多个人造微结构， 超材料正对馈 源的位置设置有锥形反射面， 外壳上与超材料相对的位置还设置有反射元件 ， 超材料片层的折射率分布通过如下步骤得到：

S1 : 在混合透反射微波天线未设置超材料的情况下 ， 用空气填充超材料区 域并标注出各超材料片层的边界，测试并记录 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^ ⁽ °， 其中， 第 i层超材料片层前表面中心点处的初始 相位为 ( ^Q ) ;

S2 : 根据公式 = (0) -^^ * 2^得到超材料后表面中心点处的相位 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 _max 为超 材料所具有的最大折射率值， M为构成超材料的超材料片层的总层数；

S3： 根据公式 Ψ = φ^) - Σ * _2π 得到超材料各点的折射率 "( ， 其中， y为超材料上任一点距超材料中心轴线的距离� �

其中， 超材料片层还包括填充层， 同一超材料片层上的所有人造微结构被 夹持在基材与填充层之间。

其中，填充层与基材由相同的材料制成，超材 料片层的总厚度为 0.818mm 其中填充层与基材的厚度均为 0.4mm， 人造微结构的厚度为 0.018mm

其中， 同一超材料片层上的所有人造微结构具有相同 的几何形状， 且在基 材上呈圆形排布， 圆心处的人造微结构几何尺寸最大， 相同半径处的人造微结 构几何尺寸相同。 其中， 人造微结构为平面雪花状的金属微结构， 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， 第一金属线两端连接有相同长度的两个第一 金属分支， 第一金属线两端连接在两个第一金属分支的中 点上， 第二金属线两 端连接有相同长度的两个第二金属分支， 第二金属线两端连接在两个第二金属 分支的中点上， 第一金属分支与第二金属分支的长度相等。

其中， 超材料的中间位置具有一通孔， 锥形反射面包括锥形的反射部及连 接在反射部底部的连接部，连接部嵌入通孔中 ，反射部与连接部均为中空结构。

其中， 超材料片层的折射率变化范围为 1.89-5.8。

其中， 馈源为矩形波导或圆形波导， 其开口端正对锥形反射面的反射部。 其中， 反射元件包括平板超材料及设置在平板超材料 一侧表面的金属反射 板， 平板超材料包括片状的基材以及设置在基材上 的多个人造微结构， 平板超 材料按照折射率分布可划分为多个共圆心的环 形区域， 环形区域内相同半径处 的折射率相同， 且在环形区域各自的区域内随着半径的增大折 射率逐渐减小， 相邻两个环形区域， 处于内侧的环形区域的折射率的最小值小于处 于外侧的环 形区域的折射率的最大值。

其中， 平板超材料对应于馈源开口处设置有中央通孔 ， 中央通孔的形状与 馈源的外形相适应， 多个环形区域的圆心在中央通孔的中轴线与平 板超材料纵 向剖面相交的位置， 平板超材料的折射率分布满足如下公式：

n(r) = «mi„ + ("max " «mi„ ) * ^sin ( ² ^" * 其中， L表示平板超材料的最大直径，n表示平板超材� ��上环形区域的个数。 根据本发明的混合透反射微波天线及通讯装置 ， 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，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， 并且添加超材料后的混合 透反射微波天线其厚度变薄、 质量变轻， 损耗小， 增益高。 并且外壳上与超材 料相对的位置上还设置有反射元件， 这样， 可以使得从锥形反射面反射回来的 电磁波能够被再次反射至超材料后射出。

【附图说明】 图 1是本发明混合透反射微波天线的结构示意图� �

图 2是本发明一种形式的超材料单元的透视示意� �；

图 3是本发明的一种形式的超材料片层的结构示� �图；

图 4是本发明的一种形式的超材料的正视图；

图 5是本发明超材料折射率分布计算示意图；

图 6是平面雪花状的金属微结构的衍生结构；

图 7是本发明的混合透反射微波天线的远场图；

图 8是本发明的平板超材料的折射率分布示意图� �

【具体实施方式】

如图 1、 图 2和图 3所示， 根据本发明的混合透反射微波天线， 包括一侧开 口的外壳 2、 设置在外壳 2另一侧的馈源 1 以及封闭外壳 2开口的超材料 10， 馈源 1与超材料 10同轴设置， 超材料 10由多片厚度相等、 折射率分布相同的 超材料片层 11构成， 超材料片层 11包括基材 13以及周期排布于基材 13上的 多个人造微结构 12， 超材料 10正对馈源 1的位置设置有锥形反射面 3， 外壳 2 上与超材料 10相对的位置还设置有反射元件 200，超材料片层 11的折射率分布 通过初始相位法得到， 初始相位法具体如下：

S1 : 一并参阅图 5， 在混合透反射微波天线未设置超材料 10的情况下， 用 空气填充超材料区域 C并标注出各超材料片层 11的边界 BL测试并记录馈源 1 辐射的电磁波在第 i层超材料片层 11前表面的初始相位^ ⁽ °，初始相位^ ( 也 可以通过仿真得到， 其中， 第 i层超材料片层 11前表面中心点处的初始相位为

^¾(0) ； 例如取第一层超材料片层 in , 则第一层超材料片层 m前表面 SFi 的 初始相位为 ^。 ^(} ；)， 第 1层超材料片层 m前表面中心点处的初始相位为 。( ^Q ) _;

S2: 根据公式 Ψ = φ _ί0 (0) - ^Σ '· * 2π ( 1 )， 得到超材料后表面 Sb中心点处

A

的相位 ψ，

其中， d为每层超材料片层 11的厚度， A为馈源 1辐射的电磁波波长， n _max 为超材料 10所具有的最大折射率值， M为构成超材料 10的超材料片层 11的总 层数；

S3：根据公式 Ψ = θ(3 _ ^{Σί y)d} * 2π ( 2 ) ,得到超材料 10各点的折射率 "( ，

A

因为要求出射的电磁波为平面波， 即出射面为等相面， 即超材料 10后表面各点 相位相同， 另外， 由于中心处的折射率最大， 因此 S2可以很容易得到超材料 10 后表面中心点的相位 Ψ , 再令其它点的相位等于中心点的相位， 通过

Ψ = θ(3 _ ^∑ί · ^y)d * 2π，可以反推得到 "( ，即得到了超材料 10的折射率分布。

A

上述中， y为超材料 10上任一点距超材料 10中心轴线的距离。

另外， 在上述的方法中， 还可做如下的优化： 即 S1中， 选取每层的超材料 片层 11的初始相位， 即 ^。 ⁽ ；)、 ^。() 、 ......，在 S2中， 计算得到多个 Ψ ,

Ψ 1、 Ψ 2、 Ψ 3......， 在 S3中得到多个" ( ， 对这多个 进行测试， 选出最优 的一个 "（ 。 如图 1、 图 2和图 3所示， 本发明中， 超材料 10的多个超材料片层 11紧密 贴合， 相互之间可以通过双面胶粘接， 或者通过螺栓等固定连接。 另外， 超材 料片层 11还包括填充层 15， 同一超材料片层 11上的所有人造微结构 12被夹持 在基材 13与填充层 15之间， 填充层 15可以是空气， 也可以是其它介质板， 优 选为与基材 13相同的材料制成的板状件。 如图 2及图 3所示， 每一超材料片层 11的可以划分为多个相同的超材料单元 D, 每一超材料单元 D由一个人造微结 构 12、 单元基材 V及单元填充层 W构成， 每一超材料片层 11在厚度方向上只 有一个超材料单元 D。 每一超材料单元 D可以是完全相同的方块， 可以是立方 体， 也可是长方体， 每一超材料单元 D的长、 宽、 高几何尺寸不大于入射电磁 波波长的五分之一（通常为入射电磁波波长的 十分之一）， 以使得整个超材料 10 对电磁波具有连续的电场和 /或磁场响应。 优选情况下， 超材料单元 D为边长是 入射电磁波波长十分之一的立方体。当然，单 元填充层 W的厚度是可以调节的， 其最小值可以至 0， 也就是说不需要单元填充层 W, 此种情况下， 单元基材 V 与人造微结构 12组成超材料单元，即此时超材料单元 D的厚度等于单元基材 V 的厚度加上人造微结构 12的厚度， 但是此时， 超材料单元 D的厚度也要满足十 分之一波长的要求， 因此， 实际上， 在超材料单元 D的厚度选定在十分之一波 长的情况下， 单元基材 V的厚度越大， 则单元填充层 W的厚度越小， 当然最优 的情况下， 即是如图 2所示的情况， 即单元基材 V的厚度等于单元填充层 W的 厚度， 且单元基材 V的材料与填充层 W的相同。

作为一种实施例， 超材料片层 11的总厚度为 0.818mm， 其中单元填充层 W 与单元基材 V的厚度均为 0.4mm， 人造微结构 12的厚度为 0.018mm。

作为一个实施例， 如图 1及图 4所示， 超材料 10呈圆柱形平板状， 其直径 为 600mm。 超材料 10的中间位置具有一通孔 4， 锥形反射面 3包括锥形的反射 部 31及连接在锥形反射面底部的连接部 32， 连接部 32嵌入通孔 4中， 反射部 31与连接部 32均为中空结构，其中填充空气。从上述的初� ��相位法的公式（2) 知道， 在 d确定， 折射率的最大值也确定的情况下， 就可以得到" ( 的表达式， 得到" ( 的表达式以后， 如果限定 y的最大值 （其实就是超材料的直径）， 就可 以得到整个超材料片层 11的折射率， 另外在有通孔 4存在的情况下， y的最小 值有限制， 即 y 的最小值等于反射部底部的半径， 本实施例中， 反射部底部的 半径为 60mm。 本实施例中， 超材料片层 11的折射率变化范围取值为 1.89-5.8。 当然， 也可以不需要通孔 4， 此时， y从 0开始到最大值， 锥形反射面 3直接安 装在超材料 10表面即可。

另外， 馈源 1为矩形波导或圆形波导， 其开口端正对锥形反射面 3的反射 部 31。 直接采用波导做馈源 1， 成本低。

本发明中， 如图 1所示， 馈源 1发出的电磁波一部分直接通过超材料 10出 射， 另一部分打在反射部 31的锥面上， 再反射到反射元件 200上， 通过反射元 件 200再一次反射， 最后通过超材料 10射出。 这样做的好处如下：

( 1 ) 馈源 1 正对电磁波的位置如果不设锥形反射面， 而采用与超材料 10 一样的结构， 则将有一部分电磁波反射回馈源 1 处， 导致能量损耗， 同时干扰 馈源 1 的工作， 设置锥形反射面 3恰好改变了电磁波反射方向， 使得反射的电 磁波不再进入馈源 1， 馈源 1工作不受影响。 (2) 反射元件 200可以将锥形反射面 3反射的能量， 再反射到超材料 10 上，通过超材料 10后向远处传播，减少了能量损失。当然，在� ��些特殊要求下， 外壳 2也可以采用吸波材料， 不再反射， 将反射能量吸收。

另外， 从公式 （2) 可以知道， y为超材料 10上任一点距超材料 10中心轴 线的距离， 同一个 y值有多个点， 将这些点连接起来， 则构成一个圆， 由此， 可以知道， 每一超材料片层 11的折射率呈圆形分布， 相同半径 （同一 y值） 的 超材料单元 D具有相同的折射率， 因此， 可以使得同一超材料片层 11上的所有 人造微结构 12具有相同的几何形状， 且在基材 13上呈圆形排布， 靠近圆心处 的人造微结构 12几何尺寸最大， 相同半径处的人造微结构 12几何尺寸相同， 这样设计， 即可得到圆形的折射率分布。

本发明的人造微结构 12优选为金属微结构， 金属微结构由一条或多条金属 线组成。 金属线本身具有一定的宽度及厚度。 本发明的金属微结构优选为具有 各向同性的电磁参数的金属微结构， 如图 3的平面雪花状的金属微结构。

对于具有平面结构的人造微结构， 各向同性， 是指对于在该二维平面上以 任一角度入射的任一电磁波， 上述人造微结构在该平面上的电场响应和磁场 响 应均相同， 也即介电常数和磁导率相同； 对于具有三维结构的人造微结构， 各 向同性是指对于在三维空间的任一方向上入射 的电磁波， 每个上述人造微结构 在三维空间上的电场响应和磁场响应均相同。 当人造微结构为 90度旋转对称结 构时， 人造微结构即具有各向同性的特征。

对于二维平面结构， 90度旋转对称是指其在该平面上绕一垂直于该� ��面且 过其对称中心的旋转轴任意旋转 90度后与原结构重合； 对于三维结构， 如果具 有两两垂直且共交点 （交点为旋转中心） 的 3 条旋转轴， 使得该结构绕任一旋 转轴旋转 90度后均与原结构重合或者与原结构以一分界� ��对称，则该结构为 90 度旋转对称结构。

图 2所示的平面雪花状的金属微结构即为各向同� �的人造微结构的一种形 式， 的雪花状的金属微结构具有相互垂直平分的第 一金属线 121 及第二金属线 122， 第一金属线 121两端连接有相同长度的两个第一金属分支 1211， 第一金属 线 121两端连接在两个第一金属分支 1211的中点上， 第二金属线 122两端连接 有相同长度的两个第二金属分支 1221， 第二金属线 122两端连接在两个第二金 属分支 1221的中点上。 并且第一金属分支 1211与第二金属分支 1221的长度相 等。

图 6是图 2所示的平面雪花状的金属微结构的一种衍生� �构。 其在每个第 一金属分支 1211及第二金属分支 1221的两端均连接有第三金属分支 123，四个 第三金属分支 123完全相同， 并且相应的第三金属分支 123的中点分别与第一 金属分支 1211及第二金属分支 1221的端点相连。 这样， 图 5所示的金属微结 构也是一种形式的平面结构的各向同性的金属 微结构。 依此类推， 还可以衍生 出其它形式的金属微结构。

本发明中， 超材料片层的基材由陶瓷材料、 高分子材料、 铁电材料、 铁氧 材料或铁磁材料等制得。 高分子材料可选用的有聚四氟乙烯、 环氧树脂、 F4B 复合材料、 FR-4复合材料等。 例如， 聚四氟乙烯的电绝缘性非常好， 因此不会 对电磁波的电场产生干扰， 并且具有优良的化学稳定性、 耐腐蚀性， 使用寿命 长。

本发明中， 金属微结构为铜线或银线等金属线。 上述的金属线可以通过蚀 刻、 电镀、 钻刻、 光刻、 电子刻或离子刻的方法附着在基材上。 当然， 也可以 采用三维的激光加工工艺。

如图 1所示， 反射元件 200包括平板超材料 201及设置在平板超材料 201 一侧表面的金属反射板。金属反射板具有光滑 的表面，例如可以是抛光的铜板、 铝板或铁板等。平板超材料 201与金属反射板固定一体后固定在外壳 2的内侧。 当然， 外壳 2若采用金属板件， 则此时反射元件 200则由平板超材料 201与外 壳 2的一部分构成。 图 1所示的反射元件 200即采用了此种形式， 可以把外壳 2 与平板超材料 201贴合的那部分 202看成是金属反射板 202。这样， 有利于天线 的进一步小型、 轻量化。 如图 8所示， 平板超材料 201包括片状的基材 2011 以及设置在基材 2011 上的多个人造微结构 （未示出）， 平板超材料 201按照折射率分布可划分为多个 共圆心 0的环形区域 （HI , H2 H3 H4)， 环形区域内相同半径处的折射率相 同， 且在环形区域各自的区域内随着半径的增大折 射率逐渐减小， 相邻两个环 形区域， 处于内侧的环形区域的折射率的最小值小于处 于外侧的环形区域的折 射率的最大值。

更为具体地， 平板超材料 201对应于馈源开口处设置有中央通孔 2012， 中 央通孔 2012的形状与馈源 1的外形相适应， gp， 如果馈源 1是矩形波导， 中央 通孔 2012为方形孔； 如果馈源 1是圆形波导， 中央通孔 2012为圆柱孔， 多个 环形区域的圆心 0在中央通孔 2012的中轴线与平板超材料 201纵向剖面相交的 位置， 平板超材料 201的折射率分布满足如下公式：

n(r) = «πήη + (" - «mi„) * ^Sln ( ² *―) ( 3 ) . 其中， L表示平板超材料 201的最大直径， n表示平板超材料 201上环形区 域的个数， r即为平板超材料 201上任一点的半径， "皿即为平板超材料 201的 最小折射率， "™即为平板超材料 201 的最大折射率。 由公式 （3 ) 确定的平板 超材料 201能够发散电磁波。

采用此种特殊设计的反射元件 200，平板超材料 201对电磁波具有发散的作 用， 使得电磁波两次经过平板超材料 201 时， 均被发散， 因此， 相对于传统形 式的 PEC (理想电导体） 反射面， 在同等口径的情况下， 馈源 1可以更加的靠 近反射元件 200设置， 有利于微波天线整体的小型化。

平板超材料 201的结构与图 4所示的汇聚超材料 10具有类似的结构。 即都 是则图 2所示的超材料单元 D组成， 只是折射率分布不同。

本实施例中， 平板超材料 201的人造微结构 12优选为金属微结构， 金属微 结构由一条或多条金属线组成。 金属线本身具有一定的宽度及厚度。 平板超材 料 201的人造微结构 12可以是如图 2的平面雪花状的金属微结构。 金属微结构 为铜线或银线等金属线。 上述的金属线可以通过蚀刻、 电镀、 钻刻、 光刻、 电 子刻或离子刻的方法附着在基材上。 当然， 也可以采用三维的激光加工工艺。 本实施例中，平板超材料的基材 2011由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、 铁氧材料或铁磁材料等制得。 高分子材料可选用的有聚四氟乙烯、 环氧树脂、 F4B复合材料、 FR-4复合材料等。 例如， 聚四氟乙烯的电绝缘性非常好， 因此 不会对电磁波的电场产生干扰， 并且具有优良的化学稳定性、 耐腐蚀性， 使用 寿命长。

图 7是本发明的混合透反射微波天线的远场图， 工作频率为 13GHZ, 可以 看出， 在厚度减小、 成本降低的情况下， 本发明的混合透反射微波天线方向性 也不会太差， 天线增益、 半功率带宽都较好。

本发明还包括一种通讯装置， 该通讯装置包括上述的任一实施例混合透反 射微波天线。

具体的混合透反射微波天线的工作原理请参见 上文关于混合透反射微波天 线的描述， 在此不做赘述。

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， 上述的具体实施方式仅仅是示意性的， 而不是限制性的， 本 领域的普通技术人员在本发明的启示下， 在不脱离本发明宗旨和权利要求所保 护的范围情况下， 还可做出很多形式， 这些均属于本发明的保护之内。