專利名稱：一種前饋式雷達天線的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及雷達天線領域，更具體地說，涉及一種使用超材料的前饋式雷達天線。
背景技術：
如圖1所示，前饋式拋物面天線包括饋源1、主反射面2以及支架3，所述饋源1安裝于主反射面2的焦點處，饋源1的口面與主反射面2的口面相對，由主反射面2反射的電磁波集中射入饋源內。前饋式拋物面天線的優(yōu)點是饋源對空中電磁波的遮擋小，結構簡單， 成本低，安裝調試容易，但是大口徑的前饋式拋物面天線具有如下缺點安裝調試高頻頭部不方便，而且高頻頭位于拋物面焦點處，太陽光有時候被聚焦到高頻頭上，使高頻頭的溫度升高，降低了信號的信噪比，對高頻頭的可靠性和壽命也有一定的影響。再者，為了制造拋物面反射面通常利用模具鑄造成型或者采用數控機床進行加工的方法。第一種方法的工藝流程包括制作拋物面模具、鑄造成型拋物面和進行拋物面反射器地安裝。工藝比較復雜，成本高，而且拋物面的形狀要比較準確才能實現(xiàn)雷達天線的定向傳播，所以對加工精度的要求也比較高。第二種方法采用大型數控機床進行拋物面的加工， 通過編輯程序，控制數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控機床比較困難，而且成本比較高。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術制造拋物面反射面的問題，提供前饋式雷達天線，該天線采用了平板超材料，節(jié)約了天線的空間，改進了電磁波大角度入射的偏折問題， 提高了能量輻射的效率；同時也提高了天線的前后比，使天線的方向性更好，同時也解決了避免制造高精度的拋物面反射面的問題。為了達到上述目的，本發(fā)明采用的如下技術方案一種前饋式雷達天線，所述天線包括饋源，用于輻射電磁波；超材料面板，用于將所述饋源輻射出的電磁波從球面電磁波轉化為平面電磁波，所述天線還包括位于超材料面板一側的反射板，用于將電磁波反射到超材料面板進行匯聚折射并向遠處輻射，所述超材料面板包括多個具有相同折射率分布的核心層，所述每一核心層包括多個超材料單元， 所述超材料單元包括單元基材以及人造微結構，所述超材料面板的每一核心層包括一個以其中心為圓心的圓形區(qū)域和多個與圓形區(qū)域同心的環(huán)形區(qū)域，在所述圓形區(qū)域內，隨著半徑的增加折射率逐漸減?。辉谒雒恳画h(huán)形區(qū)域內，隨著半徑的增加折射率也逐漸減小，且相連的兩個區(qū)域的交界處發(fā)生折射率突變，即交界處的折射率位于半徑大的區(qū)域時比位于半徑小的區(qū)域時要大。進一步地，所述超材料面板還包括分布于所述核心層一側的多個漸變層，所述每一漸變層均包括片狀的基板層、片狀的第二填充層以及設置在所述基板層和第二填充層之間的空氣層，所述第二填充層內填充的介質包括空氣以及與所述基板層相同材料的介質。進一步地，在所述圓形區(qū)域內，圓心處的折射率為最大值nmax，且隨著半徑的增加折射率從最大值nmax逐漸減小到最小值nmin ；在所述每一環(huán)形區(qū)域內，隨著半徑的增加折射率也是從最大值nmax逐漸減小到最小值nmin。進一步地，所述超材料單元還包括第一填充層，所述人造微結構位于所述單元基材和第一填充層之間，所述第一填充層內填充的材料包括空氣、人造微結構以及與所述單元基材相同材料的介質。進一步地，所述超材料面板的每一核心層的折射率以其中心為圓心，隨著半徑r 的變化規(guī)律如以下表達式n{r) = n J^+r'-ss-kA
V ) max2d式中nmax表示所述每一核心層中的最大折射率值，d表示所有核心層的總厚度，ss 表示所述饋源到最靠近饋源位置的核心層的距離，η (r)表示所述每一核心層內半徑r處折射率值，λ表示饋源輻射出電磁波的波長，其中，
_ 3] d = 2(ηλ η ^ ,k = —Ο1—+f—SS)，
^V1Tnax "mm)Anmin表示超材料面板中每一核心層內的最小折射率值，floor表示向下取整。進一步地，所述超材料面板的每一漸變層內的折射率均勻分布的，且多個漸變層間折射率分布的變化規(guī)律如以下表達式
γι -I- γι —η =( max ^ mm)m，i = 1、2、3、· · ·、m，其中ni表示第i層漸變層的折射率值，m表示漸變層的層數，nmin表示所述每一核心層內的最小折射率值，nfflax表示所述每一核心層中的最大折射率值，其中第m層漸變層與核心層靠近，隨著m值的變小逐漸遠離核心層，第一層漸變層為最外層漸變層。進一步地，所述人造微結構為由至少一根金屬絲組成對電磁場有響應的平面結構或立體結構，所述金屬絲為銅絲或銀絲。進一步地，所述金屬絲通過蝕刻、電鍍、鉆刻、光刻、電子刻或離子刻的方法附著在所述單元基材上。進一步地，所述人造微結構為在“工”字形、“工”字形的衍生形、雪花狀或雪花狀的衍生形任意一種。進一步，所述第一基板層和第二基板層均由陶瓷材料、環(huán)氧樹脂、聚四氟乙烯、 FR-4復合材料或F4B復合材料制得。本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術，具有以下有益效果本發(fā)明一種前饋式雷達天線通過設計超材料面板內部的金屬微結構的形狀，排布方式以改變超材料面板的折射率分布規(guī)律， 并采用平板超材料，節(jié)約了天線的空間，改進了大角度電磁波入射的偏折問題，提高了能量輻射的效率；同時也提高了天線的前后比，使天線的方向性更好。


圖1是現(xiàn)有技術中前饋拋物面天線結構示意圖；圖2是本發(fā)明一種前饋式雷達天線的結構示意圖；圖3是本發(fā)明所述超材料面板的結構示意5
圖4是本發(fā)明所述超材料多個核心層的結構示意圖；圖5是本發(fā)明所述超材料單元的結構示意圖；圖6是本發(fā)明所述超材料漸變層的結構示意7是本發(fā)明所述核心層內人造微結構排布示意圖；圖8是本發(fā)明核心層折射率變化示意圖；圖9是本發(fā)明核心層折射率變化示意圖。
具體實施例方式下面結合實施例及附圖，對本發(fā)明作進一步地詳細說明，但本發(fā)明的實施方式不限于此。圖2是本發(fā)明前饋式雷達天線的結構示意圖，該天線包括饋源10、超材料面板20 以及反射板30，所述饋源10和發(fā)射板30分別位于所述超材料面板20的兩側，反射板30與超材料面板20緊貼相連。通常從饋源10輻射的電磁波是球面電磁波，但是球面電磁波的遠場方向性能不好，對于遠距離以球面電磁波為載體的信號傳輸有很大的局限性，而且衰減快，本發(fā)明通過在饋源10傳輸方向上設計一具有電磁波匯聚功能的超材料面板20，該超材料面板20將饋源10輻射出來的大部分電磁波從球面電磁波轉換為平面電磁波，且在通過一次超材料面板20的電磁波經過反射板30反射再次通過超材料面板20折射匯聚并輻射出去，使得雷達天線的方向性更好，天線主瓣能量密度更高，能量更大，進而以該平面電磁波為載體的信號傳輸距離更遠。圖3是圖2所示的超材料面板20的結構示意圖，超材料面板20包括多個核心層 210以及分布在靠近所述饋源10 —側的多個漸變層220，每一核心層210均由多個超材料單元組成，所述超材料單元包括單元基材211、片狀的第一填充層213以及設置在所述單元基材211和第一填充層213之間的多個人造微結構212，如圖4以及如圖5所示。所述第一填充層213內填充的材料可以是空氣、人造微結構212以及與所述單元基材211相同材料的介質，比如，當需要所述超材料單元內的等效折射率變大時，可以在第一填充層213內填充金屬微結構或者是填充具有較大折射率的介質；當需要所述超材料單元內的等效折射率變小時，可以在第一填充層213內填充空氣介質或者是不填充任何介質。超材料面板20內的多個超材料核心層210堆疊在一起，且各個核心層210之間等間距排列地組裝，或兩兩片層之間直接前、后表面相粘合地連接成一體。具體實施時，超材料面板20的核心層的數目以及各個核心層之間的距離可依據需求來進行設計。每個超材料核心層210由多個超材料單元陣列形成，整個超材料核心層210可看作是由多個超材料單元沿X、Y、Z三個方向陣列排布而成。所述超材料面板20的多個核心層210通過改變其內部的折射率分布以實現(xiàn)通過所述超材料面板20后的電磁波等相位輻射，即實現(xiàn)從所述饋源10輻射出的球面電磁波轉換為平面電磁波。本發(fā)明中每個超材料核心層210的折射率分布均相同，這里僅對一個超材料核心層210的折射率分布規(guī)律進行詳細描述。通過對人造微結構212的拓撲圖案、幾何尺寸以及其在單元基材211和第一填充層213上分布的設計，使中間的核心層210的折射率分布滿足如下規(guī)律每一超材料核心層210包括一個以超材料核心層210中心點為圓心的圓形區(qū)域和多個半徑大于圓形區(qū)域且與圓形區(qū)域同心的環(huán)形區(qū)域，圓心處折射率最大，具有相同半徑的圓形區(qū)域或者環(huán)形區(qū)域處折射率相同，在所述圓形區(qū)域內，隨著半徑的增加折射率逐漸減小；在所述每一環(huán)形區(qū)域內，隨著半徑的增加折射率也逐漸減小，且相連的兩個區(qū)域的交界處發(fā)生折射率突變，即交界處的折射率在位于半徑大的區(qū)域時比位于半徑小的區(qū)域時要大。例如所述圓形區(qū)域和與圓形區(qū)域相鄰的環(huán)形區(qū)域的交界處，如果該交界處位于圓形區(qū)域時，它的折射率比其位于環(huán)形區(qū)域時的折射率?。煌硐噜彽膬蓚€環(huán)形區(qū)域也如此。如圖9所示，給出Iimax nmin的折射率變化圖，即在圓形區(qū)域內，折射率隨著半徑的增加從圓心處的最大值nmax逐進減小到最小值nmin，在環(huán)形區(qū)域也如此，但是應知本發(fā)明的折射率變化并不以此為限。本發(fā)明設計目的為使電磁波經過各超材料核心層210 時，電磁波偏折角度被逐漸改變并最終平行輻射。通過公式Sin θ = q. Δη，其中θ為所需偏折電磁波的角度、Δη為前后折射率變化差值，q為超材料功能層的厚度并通過計算機仿真即可確定所需參數值并達到本發(fā)明設計目的。圖8為圖9所示超材料核心層折射率分布圖的0-0'視圖。作為公知常識我們可知，電磁波的折射率與‘成正比關系，其中μ為磁導率，ε為介電常數，當一束電磁波由一種介質傳播到另外一種介質時，電磁波會發(fā)生折射，當物質內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，因此，設計超材料面板20內核心層210各點的折射率使其滿足上述折射率變化規(guī)律，需要說明的是，由于實際上超材料單元是一個立方體而非一個點，因此上述圓形面域只是近似描述，實際上的折射率相同或基本相同的超材料單元是在一個鋸齒形圓周上分布的。其具體設計類似于計算機用方形像素點繪制圓形、橢圓形等平滑曲線時進行描點的編程模式(例如OpenGL)，當像素點相對于曲線很小時曲線顯示為光滑，而當像素點相對于曲線較大時曲線顯示有鋸齒。為使超材料核心層210實現(xiàn)圖8以及圖9所示折射率的變化，經過理論和實際證明，可對所述人造微結構212的拓撲圖案、幾何尺寸以及其在單元基材211和第一填充層 213上分布的設計，單元基材211采用介電絕緣材料制成，可以為陶瓷材料、高分子材料、鐵電材料、鐵氧材料、鐵磁材料等，高分子材料例如可以是、環(huán)氧樹脂或聚四氟乙烯。人造微結構212為以一定的幾何形狀附著在單元基材211上能夠對電磁波有響應的金屬線，金屬線可以是剖面為圓柱狀或者扁平狀的銅線、銀線等，一般采用銅，因為銅絲相對比較便宜，當然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、電子刻或離子刻等工藝附著在單元基材211上，所述第一填充層213可以填充不同材料的介質，可以與單元基材211相同的材料，也可以是人造微結構，還可以是空氣，所述每一核心層210由多個超材料單元組成，每超材料單元都具有一個人造微結構，每一個超材料單元都會對通過其中的電磁波產生響應，從而影響電磁波在其中的傳輸，每個超材料單元的尺寸取決于需要響應的電磁波，通常為所需響應的電磁波波長的十分之一，否則空間中包含人造微結構212的超材料單元所組成的排列在空間中不能被視為連續(xù)。在單元基材211的選定的情況下，通過調整人造微結構212的圖案、尺寸及其在單元基材211上的空間分布和在第一填充層213填充不同折射率的介質，可以調整超材料上各處的等效介電常數及等效磁導率進而改變超材料各處的等效折射率。當人造微結構212 采用相同的幾何形狀時，某處人造微結構的尺寸越大，則該處的等效介電常數越大，折射率也越大。
本實施例采用的人造微結構212的圖案為工字形的衍生圖案，由圖7可知，雪花狀人造微結構212的尺寸從中心由最大值向周圍逐漸變小為最小值，然后又從最大值逐漸變小這樣周期性變化，在每一核心層210中心處，雪花狀的人造微結構212的尺寸最大，并且在距離中心相同半徑處的雪花狀人造微結構212的尺寸相同，因此每一核心層210的等效介電常數由中間向四周逐漸變小的周期性變化，中間的等效介電常數最大，因而每一核心層210的折射率從中間向四周逐漸變小地周期性變化，中間部分的折射率最大。上面結合附圖對本發(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
，人造微結構212的圖案可以是二維、也可以是三維結構，不限于該實施例中使用的“工”字形，可以為“工”字形的衍生結構，可以是在三維空間中各條邊相互垂直的雪花狀及雪花狀的衍生結構，也可以是其他的幾何形狀，其中不同的人造微結構可以是圖案相同， 但是其設計尺寸不同；也可以是圖案和設計尺寸均不相同，只要滿足由天線單元發(fā)出的電磁波經過超材料面板20傳播后可以平行射出即可。本發(fā)明實施例中，所述超材料面板的每一核心層210的折射率以其中心為圓心， 隨著半徑r的變化規(guī)律如以下表達式
權利要求
1.一種前饋式雷達天線，所述天線包括饋源，用于輻射電磁波；超材料面板，用于將所述饋源輻射出的電磁波從球面電磁波轉化為平面電磁波，其特征在于，所述天線還包括位于超材料面板一側的反射板，用于將電磁波反射到超材料面板進行匯聚折射并向遠處輻射，所述超材料面板包括多個具有相同折射率分布的核心層，所述每一核心層包括多個超材料單元，所述超材料單元包括單元基材以及人造微結構，所述超材料面板的每一核心層包括一個以其中心為圓心的圓形區(qū)域和多個與圓形區(qū)域同心的環(huán)形區(qū)域，在所述圓形區(qū)域內，隨著半徑的增加折射率逐漸減小；在所述每一環(huán)形區(qū)域內，隨著半徑的增加折射率也逐漸減小，且相連的兩個區(qū)域的交界處發(fā)生折射率突變，即交界處的折射率位于半徑大的區(qū)域時比位于半徑小的區(qū)域時要大。
2.根據權利要求1所述的一種前饋式雷達天線，其特征在于，所述超材料面板還包括分布于所述核心層一側的多個漸變層，所述每一漸變層均包括片狀的基板層、片狀的第二填充層以及設置在所述基板層和第二填充層之間的空氣層，所述第二填充層內填充的介質包括空氣以及與所述基板層相同材料的介質。
3.根據權利要求1所述的一種前饋式雷達天線，其特征在于，在所述圓形區(qū)域內，圓心處的折射率為最大值η.，且隨著半徑的增加折射率從最大值nmax逐漸減小到最小值nmin ； 在所述每一環(huán)形區(qū)域內，隨著半徑的增加折射率也是從最大值nmax逐漸減小到最小值nmin。
4.根據權利要求1所述的一種前饋式雷達天線，其特征在于，所述超材料單元還包括第一填充層，所述人造微結構位于所述單元基材和第一填充層之間，所述第一填充層內填充的材料包括空氣、人造微結構以及與所述單元基材相同材料的介質。
5.根據權利要求1 3任意一項所述的一種前饋式雷達天線，其特征在于，所述超材料面板的每一核心層的折射率以其中心為圓心，隨著半徑r的變化規(guī)律如以下表達式
6.根據權利要求1所述的一種前饋式雷達天線，其特征在于，所述超材料面板的每一漸變層內的折射率均勻分布的，且多個漸變層間折射率分布的變化規(guī)律如以下表達式
7.根據權利要求1所述的一種前饋式雷達天線，其特征在于，所述人造微結構為由至少一根金屬絲組成對電磁場有響應的平面結構或立體結構，所述金屬絲為銅絲或銀絲。
8.根據權利要求7所述的一種前饋式雷達天線，其特征在于，所述金屬絲通過蝕刻、電鍍、鉆刻、光刻、電子刻或離子刻的方法附著在所述單元基材上。
9.根據權利要求7所述的一種前饋式雷達天線，其特征在于，所述人造微結構為在 “工”字形、“工”字形的衍生形、雪花狀或雪花狀的衍生形任意一種。
10.根據權利要求1或3所述的一種前饋式雷達天線，其特征在于，所述第一基板層和第二基板層均由陶瓷材料、環(huán)氧樹脂、聚四氟乙烯、FR-4復合材料或F4B復合材料制得。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種前饋式雷達天線，所述天線包括饋源、超材料面板以及反射板，所述超材料面板包括多個具有相同折射率分布的核心層，所述每一核心層包括多個超材料單元，所述超材料單元包括單元基材以及人造微結構。本發(fā)明一種前饋式雷達天線通過設計超材料面板內部的金屬微結構的形狀，排布方式以改變超材料面板的折射率分布規(guī)律，并采用了平板超材料，節(jié)約了天線的空間，改進了電磁波大角度入射的偏折問題，提高了能量輻射的效率；同時也提高了天線的前后比，使天線的方向性更好。
文檔編號H01Q19/10GK102480026SQ201110210339
公開日2012年5月30日 申請日期2011年7月26日 優(yōu)先權日2011年7月26日
發(fā)明者劉若鵬, 季春霖, 岳玉濤, 郭潔 申請人:深圳光啟創(chuàng)新技術有限公司, 深圳光啟高等理工研究院