本发明涉及通信技术领域， 尤其涉及一种 WLAN (Wireless Local Area Networks) 网桥天线。 背景技术

WLAN 网桥抛弃了传统的铜线或光纤， 利用无线通讯技术， 以空气作为媒 介进行网络数据传输， 达到连接不同的网段的目的。 由于商业运作的需要， 许 多相距较远的建筑物之间要求能够相互通信， 这就用到 WLAN网桥。

WLAN 网桥的桥接模式分为两种： 一种是点对点桥接模式， 可用来连接两 个分别位于不同地点的网络； 还有一种是点对多点桥接模式， 它能把多个离线 的远程网络连成一体， 结构相对点对点无线网桥来说较复杂。

WLAN网桥天线主要有如下三种形式。

( 1 )全向天线：全向天线将信号均匀分布在中心� �周围 360度全方位区域， 适用于连接点距离较近且数目多， 分布角度范围大的情况。

(2)扇面天线：扇面天线具有能量定向聚集功能 ，可以有效地进行水平 180 度、 120度、 90度、 60度范围内的覆盖， 因此如果远程连接点在某一角度范围 内比较集中时可采用扇面天线。

(3 ) 定向天线： 定向天线的能量聚集能力最强， 信号的方向指向性极好。 因此当远程链接点数量较少， 或者角度方位相当集中时， 采用定向天线是最有 效的方案。

目前常用的网桥天线多是平板天线。 如微带阵列天线或贴片天线。 其缺点 是损耗大， 增益不高。 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， 提出一种损 耗小、 增益高的 WLAN网桥天线。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是， 提出一种 WLAN网桥天线， 包 括一侧开口的外壳及设置在所述外壳另一侧的 馈源， 所述 WLAN网桥天线还包 括封闭所述外壳开口的超材料， 所述馈源与所述超材料同轴设置， 所述超材料 包括多片厚度相等、 折射率分布相同的超材料片层， 所述超材料片层包括基材 以及周期排布于所述基材上的多个人造微结构 ， 所述超材料正对所述馈源的位 置设置有锥形反射面， 所述超材料片层的折射率分布通过如下步骤得 到：

S1 : 在 WLAN网桥天线未设置所述超材料的情况下， 用空气填充超材料区 域并标注出各所述超材料片层的边界， 测试并记录所述馈源辐射的电磁波在第 i 层所述超材料片层前表面的初始相位^ ⁰ ， 其中， 第 i层所述超材料片层前表 面中心点处的初始相位为 ⁽⁰⁾ ；

∑ ^M n _ma d

Ύ = a? i ^ 2π

S2: 根据公式 ^Ψ '。、 ) λ 得到所述超材料后表面中心点处的相位

Ψ 其中， d 为每层所述超材料片层的厚度， A为所述馈源辐射的电磁波波长， nmax为所述超材料所具有的最大折射率值， M为构成所述超材料的所述超材料 片层的总层数；

_ ∑ ^M n(y)d

S3： 根据公式^^ ^ —^^^^得到超材料各点的折射率^ ， 其中， y为所述超材料上任一点距所述超材料中心轴� �的距离。

进一步地， 所述超材料片层还包括填充层， 同一超材料片层上的所有人造 微结构被夹持在所述基材与所述填充层之间。

进一步地， 所述填充层与所述基材由相同的材料制成， 所述超材料片层的 总厚度为 0.818mm， 其中所述填充层与所述基材的厚度均为 0.4mm， 所述人造 微结构的厚度为 0.018mm

进一步地， 同一超材料片层上的所有所述人造微结构具有 相同的几何形状， 且在基材上呈圆形排布， 圆心处的所述人造微结构几何尺寸最大， 相同半径处 的所述人造微结构几何尺寸相同。 进一步地， 所述人造微结构为具有各向同性的电磁参数的 金属微结构。 进一步地， 所述人造微结构为平面雪花状的金属微结构， 所述金属微结构 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所述第一金属 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所述第二金属分支 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， 所述第一金属分支及所述第二金属的两端均连 接有第三金属分 支， 所述第一金属分支以及所述第二金属分支均连 接在所述第三金属分支的中 点上。

进一步地， 所述外壳与锥形反射面的反射部均由 PEC材料制成。

进一步地， 所述超材料呈圆柱形平板状， 其直径为 340mm， 所述馈源与所 述超材料的距离为 40mm。

进一步地， 所述超材料的中间位置具有一通孔， 所述锥形反射面包括锥形 的反射部及连接在所述反射部底部的连接部， 所述连接部嵌入所述通孔中， 所 述反射部与所述连接部均为中空结构。

进一步地， 所述超材料片层的折射率变化范围为 2-10.21。

进一步地， 所述馈源为矩形波导或圆形波导， 其开口端正对所述锥形反射 面的反射部。

进一步地， 所述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制备。

进一步地，所述高分子材料为聚四氟乙烯、环 氧树脂、 F4B复合材料或 FR-4 复合材料。

根据本发明的 WLAN网桥天线， 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 WLAN网桥天线其 厚度变薄、 质量变轻且方向性得到较大增强， 损耗小， 增益高。 附图说明

图 1是本发明 WLAN网桥天线的结构示意图；

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。 具体实施方式

如图 1至图 4所示， 根据本发明的 WLAN网桥天线， 包括一侧开口的外壳 2、设置在外壳 2另一侧的馈源 1以及封闭所述外壳 2开口的超材料 10， 所述馈 源 1与所述超材料 10同轴设置， 所述超材料 10由多片厚度相等、 折射率分布 相同的超材料片层 11构成， 所述超材料片层 11包括基材 13以及周期排布于基 材上的多个人造微结构 12，所述超材料 10正对所述馈源 1的位置设置有锥形反 射面 3， 所述超材料片层 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 : 如图 5所示， 在 WLAN网桥天线未设置超材料 10的情况下， 用空气 填充超材料区域 C并标注出各所述超材料片层 11 的边界 BL 测试并记录所述 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 。( ^Q ) _; 例如我们取第一层超材料片层 111， 则第一层超材料片层 111 前表面 SF1的初始相位为 。(y)，第 1层超材料片层 111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 )， 得到所述超材料 10后表面 Sb

A

中心点处的相位 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， nmax 为所述超材料 10所具有的最大折射率值， M为构成所述超材料 10的超材料片 层 11的总层数；

^ ^M n(y)d

S3： 根据公式 ^Ψ ^^* ² (2)， 得到所述超材料 10各点的折射率 ， 因为我们我们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 得到所述超材料 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

^ ^{M n} (y)d

位， 通过 ^{Ψ =} ^ ^{ω _} ^^* ^2;Γ 可以反推得到 ， 即得到了所述超材料 10的折射率 分布。 上述中， y为所述超材料 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， 选取每层的所述超 材料片层 11的初始相位， 即 。 ^(}; )、 (J)……， 在 _S2 中， 计算得到 多个 ψ， Ψ ΐ、 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" ( 。

本发明中， 所述超材料 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， 所述超材料片层 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被夹持在所述基材 13与 所述填充层 15之间， 填充层 15可以空气， 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， 所述超材料单元 D为边长是 入射电磁波波长十分之一的立方体。 当然， 填充层的厚度是可以调节的， 其最 小值可以至 0， 也就是说不需要填充层， 此种情况下， 单元基材 V与人造微结 构 12组成超材料单元 D,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， 且元 单元基材 V的材料与填充层 W的相同。

作为一种实施例， 所述超材料片层 11的总厚度为 0.818mm， 其中填充层 15 与基材的厚度均为 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， 所述超材料 10呈圆柱形平板状， 其 直径为 340mm， 所述馈源 1与所述超材料 10的距离为 40mm。 所述超材料 10 的中间位置具有一通孔 4， 所述锥形反射面 3包括锥形的反射部 31及连接在锥 形反射面 3底部的连接部 32， 所述连接部 32嵌入通孔 4中， 所述反射部 31与 连接部 32均为中空结构， 其中填充空气。 从上述的初始相位法的公式 （2) 可 知， 在每层超材料片层 11的厚度 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， 如果我们限定 y的最大值（其 实就是超材料的半径）， 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 31底部的半 径。本实施例中， 所述超材料片层 11的折射率变化范围取值为 2-10.21， 从这个 变化范围可以反推出 y的最小值， 即可以得到通孔 4的半径。 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， 在本实施例中， 所述馈源 1 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 31。 本实施例中， 直接采用波导做馈源 1， 成本低。

本发明中， 外壳 2优选采用 PEC (Perfect Electric Conductor)材料制作， 同 样锥形反射面的反射部 31也采用 PEC材料制成。 这样， 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， 再反射到外壳 2上， 通过外壳 2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 3， 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)外壳 2采用 PEC材料， 而不是普通的塑料， 这样， 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， 在某些特殊要求下， 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)可以得知， y为超材料 10上任一点距超材料中心轴线的 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， 我们可以使得， 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， 所述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 6所述的平面雪花状的金属微结 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 12的一种 形式， 所述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，所述第一金属线 121两端连接有相同长度的两个第一金属分支 1211， 所述第一金属线 121两端连接在两个第一金属分支 1211的中点上， 所述第二金 属线 122两端连接有相同长度的两个第二金属分支 1221， 所述第二金属线 122 两端连接在两个第二金属分支 1221 的中点上。 并且所述第一金属分支 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 6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，所述超材料片层 11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， 所述金属微结构 12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。

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。