專利名稱：一種雷達天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及雷達天線領(lǐng)域，更具體地說，涉及ー種使用超材料的雷達天線。
背景技術(shù)：
雷達天線通過反射器將饋源輻射的球面波變?yōu)槠矫娌?，從而實現(xiàn)定向接收或者發(fā)射電磁波，目前使用的反射器是拋物面形狀，饋源位于反射器的焦點附近。雷達天線的工作原理與光學(xué)反射鏡相似，現(xiàn)有的雷達拋物面天線如圖1所示，包括潰源1、拋物面反射器2和支架3，在拋物面反射器2的焦點處放置有發(fā)射或者接收電磁波的饋源1，利用拋物面反射器2的聚·焦特性，由饋源I發(fā)出的球面波經(jīng)拋物面反射器2反射后變換成平面波，形成沿拋物面軸向輻射最強的窄波束。為了制造拋物反射面通常利用模具鑄造成型或者采用數(shù)控機床進行加工的方法。第一種方法的エ藝流程包括制作拋物面模具、鋳造成型拋物面和進行拋物反射面的安裝。エ藝比較復(fù)雜，成本高，而且拋物面的形狀要比較準(zhǔn)確才能實現(xiàn)天線的定向傳播，所以對加エ精度的要求也比較高。第二種方法采用大型數(shù)控機床進行拋物面的加工，通過編輯程序，控制數(shù)控機床中刀具所走路徑，從而切割出所需的拋物面形狀。這種方法切割很精確，但是制造這種大型數(shù)控機床比較困難，而且成本比較高。超材料是ー種具有天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的人工復(fù)合結(jié)構(gòu)材料。超材料通過對微結(jié)構(gòu)的有序排列，可以改變超材料中每點的相對介電常數(shù)和磁導(dǎo)率，實現(xiàn)物質(zhì)的折射率分布的非均勻性從而控制電磁波在材料中的傳播路徑。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在干，針對現(xiàn)有技術(shù)中制造拋物面天線生產(chǎn)エ藝復(fù)雜的問題，提出了一種結(jié)構(gòu)簡單的具有平面反射器的雷達天線。這種平面結(jié)構(gòu)的天線具有拋物面天線可以定向接收或者發(fā)射電磁波的優(yōu)點，同時避免了生產(chǎn)拋物面天線時的復(fù)雜エ藝。當(dāng)一束電磁波由ー種介質(zhì)傳播到另外ー種介質(zhì)時，電磁波會發(fā)生折射，當(dāng)物質(zhì)內(nèi)部的折射率分布非均勻時，電磁波就會向折射率比較大的位置偏折，相鄰單元折射率變化越大偏折角越大，通過改變折射率在材料中的分布，可以改變電磁波的傳播路徑，使用中間軸向的折射率最大周圍折射率呈逐漸減小、而且隨著半徑的増大折射率的變化量逐漸増大的超材料面板可以使相互平行且垂直于超材料面板入射的電磁波經(jīng)超材料折射后匯聚到一點上，該匯聚點是超材料面板的焦點，本發(fā)明就是利用了超材料的匯聚特性實現(xiàn)了電磁波的匯聚功能。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是雷達天線包括反射器和位于反射器焦點上的潰源，其中反射器為平面反射器，該平面反射器包括平面反射面和附著在該平面反射面上具有匯聚功能的平面超材料面板，饋源位于平面超材料面板的焦點上。在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，平面超材料面板的折射率在垂直于該平面超材料面板的中心軸上最大，以中心軸為圓心，隨著半徑的増大，折射率逐漸變小且折射率的變化量逐漸増大，相同半徑處的折射率相同，饋源位于平面超材料面板的中心軸向上。在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，平面超材料面板包括片狀基板，該片狀基板包括基材以及附著在基材上的多個人造微結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，平面超材料面板由至少ー片片狀基板沿垂直于片狀基板的表面的方向堆疊而成。在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，片狀基板中心點處的折射率最大、以中心點為圓心，隨著半徑的増大，折射率逐漸變小且折射率的變化量逐漸増大，相同半徑處的折射率相同。在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，片狀基板以中心點為圓心，相同半徑上的人造微結(jié)構(gòu)相同，隨著半徑逐漸增大所述人造微結(jié)構(gòu)的尺寸逐漸變小。在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，人造微結(jié)構(gòu)是以一定的圖案附著在基材上的金屬線。 在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，幾何圖案為“エ”字形或“エ”字形的衍生形。在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，幾何圖案為雪花狀或者雪花狀的衍生形。實施本發(fā)明的雷達天線，具有以下有益效果平面天線的結(jié)構(gòu)簡單，通過利用超材料對電磁波進行匯聚的特性，使得雷達天線不依賴電磁波匯聚設(shè)備的形狀，省去了加工傳統(tǒng)拋物面天線的復(fù)雜制造エ藝，同時又可以實現(xiàn)傳統(tǒng)拋物面天線定向接收或者發(fā)射電磁波的優(yōu)點。


下面將結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進ー步詳細(xì)地說明，附圖中圖1是現(xiàn)有技術(shù)中拋物面雷達天線的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是超材料對電磁波匯聚特性的示意圖；圖3是雷達天線的平面反射器的工作原理圖；圖4是相對中心軸對稱的折射率分布示意5是本發(fā)明提出的雷達天線發(fā)射電磁波時的示意圖；圖6是本發(fā)明提出的雷達天線接收電磁波時的示意圖。圖7是人造微結(jié)構(gòu)的ー種具體形式エ字形結(jié)構(gòu)；圖8是人造微結(jié)構(gòu)的另ー種具體形式ー種エ字形的衍生結(jié)構(gòu)。圖9是電磁波經(jīng)過具有4層基板的平面超材料面板時的示意圖；圖10是采用エ字形結(jié)構(gòu)的人造微結(jié)構(gòu)在每層基板中的排列示意圖；圖11是超材料匯聚特性示意圖；圖12是人造微結(jié)構(gòu)的另ー種具體形式‘雪花狀’結(jié)構(gòu)；圖13是人造微結(jié)構(gòu)的ー種具體形式‘雪花狀’結(jié)構(gòu)的衍生結(jié)構(gòu)；圖14是人造微結(jié)構(gòu)的ー種具體形式‘雪花狀’結(jié)構(gòu)的又一種衍生結(jié)構(gòu)。圖中各標(biāo)號對應(yīng)的名稱為I饋源、2拋物面反射器、3支架、4平面超材料面板、5平面反射面、6發(fā)射源、7平面超材料面板，其中標(biāo)號4對應(yīng)的平面超材料面板的厚度為標(biāo)號7對應(yīng)的平面超材料面板的
厚度的一半
具體實施例方式本實施例利用可以匯聚電磁波的平面超材料面板的匯聚特性，用平面反射器代替了目前的拋物面反射器，解決了雷達天線拋物面反射器生產(chǎn)エ藝復(fù)雜的問題，又具有原拋物面反射器天線可以定向接收或者發(fā)射電磁波的優(yōu)點。本實施例所用超材料的匯聚特性如圖2所示，當(dāng)電磁波從發(fā)射源6發(fā)出后，通過平面超材料面板7折射后變成了平面波，這個過程光路是可逆的，也就是說，當(dāng)平面電磁波照射到平面超材料面板7經(jīng)過其折射后，電磁波將匯聚于發(fā)射源6。采用這種超材料制作的平面反射器如圖3所示，包括平面反射面5和附著在平面反射面5上的平面超材料面板4，平面反射面5是具有良好反射特性的反射面，比如金屬反射面等；平面超材料面板4的折射率分布如圖4所示，中心軸向處的折射率為Ii1,以中心軸AA'與平面超材料面板的交點為圓心，隨著半徑的逐漸增加折射率逐漸變小且折射率的變化量逐漸增大，其中II1 > n2 > n3 > > np, Oim-1v1) > Ov1-1v2), m為大于3小于等于q的自然數(shù)。對比圖3和圖2可知，圖3中由于使用了平面反射面5，由饋源I發(fā)出的電磁波經(jīng)平面超材料面板4折射后、經(jīng) 過平面反射面5反射，最后又經(jīng)過平面超材料面板4折射出來為平面波。電磁波在圖2和圖3中的光路傳播是等效的，所以圖3中的平面超材料面板4的厚度為圖2中的平面超材料面板7的厚度的一半。雷達天線如圖5和圖6所示，包括用于接收或者發(fā)射電磁波的饋源1、平面反射面5、附著在平面反射面5上具有匯聚功能的平面超材料面板4、用于支撐平面反射面5和控制其轉(zhuǎn)動的支架3、饋源I位于平面超材料面板4的中心軸向AA'上的焦點上。雷達天線朝某一特定方向AlAl'發(fā)射電磁波時，如圖5所示，平面超材料面板4的中心軸向AA'與特定方向AlAl'重合，饋源I發(fā)出的電磁波經(jīng)平面超材料面板4折射、平面反射面5反射、又經(jīng)平面超材料面板4折射后以平行與AlAl，方向發(fā)射出去。雷達天線接收某ー特定方向A2A2'傳播的電磁波時，如圖6所示，平面超材料面板4的中心軸向AA'與特定方向A2A2'重合，沿A2A2'方向傳播的電磁波經(jīng)平面超材料面板4折射、平面反射面5反射、又經(jīng)平面超材料面板4折射后在饋源I的位置匯聚。旋轉(zhuǎn)雷達天線的支架3從而帶動平面反射面5和平面超材料面板4跟著轉(zhuǎn)動，平面超材料面板4的中心軸向AA'跟著一起轉(zhuǎn)動，因此當(dāng)雷達天線需要向特定方向發(fā)射或者接收電磁波時，只需使中心軸向AA'與特定方向重合既可。因此當(dāng)雷達天線接收沿平面超材料面板軸向的電磁波時，電磁波經(jīng)過平面超材料面板折射、平面反射面板反射和平面超材料面板再次折射后在潰源處匯聚。當(dāng)雷達天線發(fā)射電磁波時，由位于平面超材料面板軸向焦點處的饋源發(fā)出電磁波，經(jīng)過平面超材料面板折射、平面反射面反射和平面超材料面板再次折射后平行射出，實現(xiàn)了雷達天線定向發(fā)射電磁波的功能。由上述描述可知，平面超材料面板的設(shè)計至關(guān)重要，下面對平面超材料面板做具體說明，由饋源發(fā)出的電磁波經(jīng)過圖2和圖3中的結(jié)構(gòu)傳播后都可以平行射出，因此電磁波在圖2和圖3中的傳輸是等效的，其中圖3中的平面超材料面板的厚度是圖2中的平面超材料面板厚度的一半，下面以圖2為例來說明電磁波在其中的傳輸特性，假設(shè)圖2中的平面超材料面板的結(jié)構(gòu)如圖9所示由4片片狀基板堆疊而成，所以對應(yīng)的圖3中的雷達天線的平面超材料面板由2片片狀基板堆疊而成，波束經(jīng)過4片片狀基板折射傳播的路徑如圖9所示，每片片狀基板包括片狀基材和附著在該基材上的人造微結(jié)構(gòu)，基材采用介電絕緣材料制成，可以為陶瓷材料、環(huán)氧樹脂或聚四氟こ烯等，人造微結(jié)構(gòu)為以一定的幾何形狀附著在基材上的金屬線，金屬線可以是剖面為圓柱狀或者扁平狀的銅線、銀線等，金屬線的剖面也可以為其他形狀，金屬線通過蝕刻、電鍍、鉆刻、光刻、電子刻或離子刻等エ藝附著在基材上，整個基板劃分為多個單元(包括該單元中的基材和附著在該單元基材上的人造微結(jié)構(gòu))，每個單元都具有ー個人造微結(jié)構(gòu)，每ー個單元都會對通過其中的電磁波產(chǎn)生響應(yīng)，從而影響電磁波在其中的傳輸，每個単元的尺寸取決于需要響應(yīng)的電磁波頻率，通常為所需響應(yīng)的電磁波波長的十分之一，否則空間中包含人造微結(jié)構(gòu)的單元所組成的排列在空間中不能被視為連續(xù)。由超材料技術(shù)可知，在基材選定的情況下，通過調(diào)整人造微結(jié)構(gòu)的圖案、尺寸及其在基材上的空間分布，可以調(diào)整超材料上各處的等效介電常數(shù)及等效磁導(dǎo)率進而改變超材料各處的等效折射率。當(dāng)人造微結(jié)構(gòu)采用相同的幾何形狀時，某處人造微結(jié)構(gòu)的尺寸越大，則該處的等效介電常數(shù)及等效磁導(dǎo)率越大。本實施例采用的人造微結(jié)構(gòu)的圖案為エ字形，如圖7所示，人造微結(jié)構(gòu)在基材上的分布如圖10所示，由圖10可知，基板上エ字形的人造微結(jié)構(gòu)的尺寸從基板中心向周圍逐漸變小，在基板中心處，エ字形的人造微結(jié)構(gòu)的尺寸最大，并且在距離中心相同半徑處的 エ字形人造微結(jié)構(gòu)的尺寸相同，因此基板的等效介電常數(shù)及等效磁導(dǎo)率由中間向四周逐漸變小，中間的等效介電常數(shù)及等效磁導(dǎo)率最大，因而基板的折射率從中間向四周逐漸變小，中間部分的折射率最大。如圖11所示，由饋源S發(fā)出的電磁波經(jīng)過平面超材料面板匯聚后沿SI方向平行傳出時，偏折角9與折射率的關(guān)系為Sin 0 = q An(參見Metamaterials :Theory,Design,and Applications,Publisher :Springer,ISBN 1441905723,75 頁-76 頁)，其中 q是沿軸向排列的人造微結(jié)構(gòu)的個數(shù)，圖9中所示的平面超材料面板由于是4片片狀基板堆疊而成的，所以對于圖9所示的平面超材料面板q取值為4 ; An表示相鄰單元的折射率變化,且0 < q An < 1，超材料面板上相鄰單元的折射率變化量大小相同時，對于傳輸?shù)皆撐恢玫碾姶挪ǖ钠劢窍嗤凵渎首兓吭酱?，偏折角越大。材料的折射率與其介電常數(shù)及磁導(dǎo)率存在如下關(guān)系:n=k士 XM，其中k為比例系數(shù)，k取值為正負(fù)I, e為材料的介電常數(shù)，u為材料的磁導(dǎo)率，通過對超材料空間中每一點的介電常數(shù)￡與磁導(dǎo)率U的精確設(shè)計，可以實現(xiàn)由饋源發(fā)出的電磁波經(jīng)超材料折射后平行射出的匯聚特性。若干人造微結(jié)構(gòu)可通過人工仿真技術(shù)實現(xiàn)，即可由人工對具有特定電磁特性的人造微結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，將片狀基板劃分為多個單元，每個單元中的基材與附著在該單元上的人造微結(jié)構(gòu)的等效介電常數(shù)e與等效磁導(dǎo)率U的選擇方法為通過計算機仿真和實驗測試，先預(yù)設(shè)饋源與平面超材料面板的距離，預(yù)選ー個單元(包括該單元中的基材和附著在基材上具有一定幾何形狀的人造微結(jié)構(gòu))作為中心處的單元，將若干單元(包含不同幾何參數(shù)的人造微結(jié)構(gòu))響應(yīng)饋源發(fā)出的電磁波的電磁特性進行測量，存儲測量得到的電磁響應(yīng)曲線，確定各種不同単元結(jié)構(gòu)的等效介電常數(shù)以及等效磁導(dǎo)率并存在于ー個數(shù)據(jù)庫中；然后根據(jù)公式Sine =q. An，對于不同的偏轉(zhuǎn)角度，確定折射率的變化量，確定不同半徑處的折射率，根據(jù)折射率與介電常數(shù)和磁導(dǎo)率的關(guān)系從數(shù)據(jù)庫中選擇符合條件的單元結(jié)構(gòu)。上面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例進行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實施方式
，人造微結(jié)構(gòu)的圖案可以是ニ維、也可以是三維結(jié)構(gòu)，不限于該實施例中使用的“エ”字形，可以為“エ”字形的衍生結(jié)構(gòu)如圖8所示，可以為如圖12所示的在三維空間中各條邊相互垂直的雪花狀及圖13和圖14所示的雪花狀的衍生結(jié)構(gòu)，也可以是其他的幾何形狀，其中不同的人造微結(jié)構(gòu)可以是圖案相同，但是其設(shè)計尺寸不同；也可以是圖案和設(shè)計尺寸均不相同。平面超材料面板的數(shù)量根據(jù)需要可增可減，每一片基板的結(jié)構(gòu)可以相同，也可以不同，只要滿足由饋源發(fā)出的電磁波經(jīng)過平面反射器傳播后可以平行射出即可，本發(fā)明中的饋源可以通過與平面超材料面板或者與支座相連的支架固定在平面超材料面板的焦點上、也可以通過獨立的控制結(jié)構(gòu)使饋源位于平面超材料面板的焦點上，上述的具體實施方式
僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗g和權(quán)利要求所保護的范圍情況下，還可做出很多形式，這些均屬于本發(fā)明的保 護之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種雷達天線，包括反射器和位于該反射器焦點上的饋源，其特征在于，所述反射器為平面反射器，該平面反射器包括平面反射面和附著在該平面反射面上具有匯聚功能的平面超材料面板，所述饋源位于該平面超材料面板的焦點上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雷達天線，其特征在于，所述平面超材料面板的折射率在垂直于該平面超材料面板的中心軸上最大，以中心軸為圓心，隨著半徑的增大，折射率逐漸變小且折射率的變化量逐漸增大，相同半徑處的折射率相同，所述饋源位于所述平面超材料面板的中心軸向上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的雷達天線，其特征在于，所述平面超材料面板包括片狀基板，該片狀基板包括基材以及附著在該基材上的多個人造微結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的雷達天線，其特征在于，所述平面超材料面板由至少一片片狀基板堆疊而成。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的雷達天線，其特征在于，所述片狀基板中心點處的折射率最大、以中心點為圓心，隨著半徑的增大，折射率逐漸變小且折射率的變化量逐漸增大，相同半徑處的折射率相同。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的雷達天線，其特征在于，所述片狀基板以中心點為圓心，相同半徑上的人造微結(jié)構(gòu)相同，隨著半徑逐漸增大所述人造微結(jié)構(gòu)的尺寸逐漸變小。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的雷達天線，其特征在于，所述的人造微結(jié)構(gòu)是以幾何圖案附著在所述基材上的金屬線。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的雷達天線，其特征在于，所述幾何圖案為“工”字形或“工”字形的衍生形。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的雷達天線，其特征在于，所述幾何圖案為雪花狀或者雪花狀的衍生形。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種雷達天線，包括反射器和位于該反射器焦點上的饋源，反射器為平面反射器，該平面反射器包括平面反射面和附著在該平面反射面上具有匯聚功能的平面超材料面板，饋源位于該平面超材料面板的焦點上。該平面超材料面板和平面反射面替代了傳統(tǒng)的拋物反射面，實現(xiàn)定向接收或者發(fā)射電磁波，平面結(jié)構(gòu)雷達天線的使用省去了加工傳統(tǒng)拋物面雷達天線的復(fù)雜制造工藝。
文檔編號H01Q19/185GK103036067SQ20111006172
公開日2013年4月10日 申請日期2011年3月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月15日
發(fā)明者劉若鵬, 石小紅, 徐冠雄, 張洋洋 申請人:深圳光啟高等理工研究院, 深圳光啟創(chuàng)新技術(shù)有限公司