本發(fā)明涉及無線通信技術領域，尤其涉及一種微波天線系統。

背景技術：
現有的微波天線，通常由金屬拋物面及位于金屬拋物面焦點的輻射源構成，金屬拋物面的作用為將外部的電磁波反射給輻射源或將輻射源發(fā)射的電磁波反射出去。金屬拋物面的面積以及金屬拋物面的加工精度直接決定微波天線的各項參數，例如增益、方向性等。但現有的微波天線存在以下缺點：金屬拋物面制作困難，成本較高。金屬拋物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反射面的安裝。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。由于上述制約，現有的微波天線在遠場值、半功率帶寬等方面參數也不盡如人意。

技術實現要素：
本發(fā)明所要解決的技術問題在于，針對現有技術的上述不足，提出一種基于超材料原理制備、遠場最大值和半功率帶寬均表現良好的微波天線系統。本發(fā)明解決其技術問題采用的技術方案是，提出一種微波天線系統，其包括中間開孔的超材料，設置于所述開孔中心的饋源，與所述饋源同軸設置的圓錐體；所述超材料由第一至第N層超材料片層以及緊貼于第N層超材料片層的反射板構成；所述饋源輻射的電磁波被所述圓錐體的圓錐面反射至所述超材料，所述超材料將電磁波以平面波形式輻射出去；所述超材料片層包括基材以及周期排布于基材上的多個人造金屬微結構。進一步地，所述第一至第N層超材料片層中第i層超材料片層上，距第i層超材料片層中心軸線y處的折射率為：其中，上式中，nmax為所述超材料的最大折射率值，nmin為所述超材料的最小折射率值，λ為所述饋源輻射的電磁波波長，d為所述超材料的總厚度，px為所述圓錐體的底面距超材料的垂直距離，θ為所述圓錐體的圓錐角，LR為所述圓錐體斜高，floor函數為向下取整函數。進一步地，所述人造金屬微結構呈平面雪花狀，所述人造金屬微結構具有相互垂直平分的第一金屬線及第二金屬線，所述第一金屬線與第二金屬線的長度相同，所述第一金屬線兩端連接有相同長度的兩個第一金屬分支，所述第一金屬線兩端連接在兩個第一金屬分支的中點上，所述第二金屬線兩端連接有相同長度的兩個第二金屬分支，所述第二金屬線兩端連接在兩個第二金屬分支的中點上，所述第一金屬分支與第二金屬分支的長度相等。進一步地，所述平面雪花狀的金屬微結構的第一金屬線與第二金屬線均設置有兩個彎折部，所述平面雪花狀的金屬微結構繞垂直于第一金屬線與第二金屬線交點的軸線向任意方向旋轉90度的圖形都與原圖重合。進一步地，所述超材料片層還包括覆蓋于所述人造金屬結構上的覆蓋層。進一步地，所述覆蓋層與所述基材的厚度為0.4毫米，所述人造金屬微結構厚度為0.018毫米。進一步地，所述超材料長度為1.4米，所述開孔半徑為0.2米，所述超材料最小折射率為1.85，所述超材料最大折射率為6，所述圓錐體底面距所述超材料的垂直距離為0.15米至0.4米，所述圓錐角為110°至170°。進一步地，所述圓錐體底面距所述超材料的垂直距離為0.35米，所述圓錐角為140°。進一步地，所述圓錐體底面距所述超材料的垂直距離為0.4米，所述圓錐角為149°。進一步地，所述超材料片層的層數為七層。本發(fā)明通過采用超材料調制電磁波，使電磁波能過以平面電磁波輻射，從而提高天線系統的整體增益。同時，本發(fā)明微波天線系統合理設置饋源與圓錐反射體和超材料的位置，使得微波天線系統的遠場最大值和半功率帶寬均表現十分良好。附圖說明圖1為構成超材料的基本單元的立體結構示意圖；圖2為本發(fā)明微波天線系統的結構示意圖；圖3為本發(fā)明微波天線系統的仿真示意圖；圖4為第一超材料的結構示意圖；圖5為本發(fā)明平面雪花狀的金屬微結構的示意圖；圖6為圖5所示的平面雪花狀的金屬微結構的一種衍生結構；圖7為圖5所示的平面雪花狀的金屬微結構的一種變形結構；圖8為平面雪花狀的金屬微結構的拓撲形狀演變的第一階段；圖9為平面雪花狀的金屬微結構的拓撲形狀演變的第二階段；圖10為本發(fā)明一優(yōu)選方案遠場仿真結果圖；圖11為本發(fā)明另一優(yōu)選方案遠場仿真結果圖。具體實施方式光，作為電磁波的一種，其在穿過玻璃的時候，因為光線的波長遠大于原子的尺寸，因此我們可以用玻璃的整體參數，例如折射率，而不是組成玻璃的原子的細節(jié)參數來描述玻璃對光線的響應。相應的，在研究材料對其他電磁波響應的時候，材料中任何尺度遠小于電磁波波長的結構對電磁波的響應也可以用材料的整體參數，例如介電常數ε和磁導率μ來描述。通過設計材料每點的結構使得材料各點的介電常數和磁導率都相同或者不同從而使得材料整體的介電常數和磁導率呈一定規(guī)律排布，規(guī)律排布的磁導率和介電常數即可使得材料對電磁波具有宏觀上的響應，例如匯聚電磁波、發(fā)散電磁波等。該類具有規(guī)律排布的磁導率和介電常數的材料我們稱之為超材料。如圖1所示，圖1為構成超材料的基本單元的立體結構示意圖。超材料的基本單元包括人造微結構2以及該人造微結構附著的基材1。本發(fā)明中，人造微結構為人造金屬微結構，人造金屬微結構具有能對入射電磁波電場和/或磁場產生響應的平面或立體拓撲結構，改變每個超材料基本單元上的人造金屬微結構的圖案和/或尺寸即可改變每個超材料基本單元對入射電磁波的響應。本發(fā)明中，人造微結構2上還覆蓋有覆蓋層3，覆蓋層3、人造微結構2以及基材1構成本發(fā)明超材料的基本單元。多個超材料基本單元按一定規(guī)律排列即可使得超材料對電磁波具有宏觀的響應。由于超材料整體需對入射電磁波有宏觀電磁響應因此各個超材料基本單元對入射電磁波的響應需形成連續(xù)響應，這要求每一超材料基本單元的尺寸小于入射電磁波波長的五分之一，優(yōu)選為入射電磁波波長的十分之一。本段描述中，我們人為的將超材料整體劃分為多個超材料基本單元，但應知此種劃分方法僅為描述方便，不應看成超材料由多個超材料基本單元拼接或組裝而成，實際應用中超材料是將人造金屬微結構周期排布于基材上即可構成，工藝簡單且成本低廉。周期排布即指上述我們人為劃分的各個超材料基本單元上的人造金屬微結構能對入射電磁波產生連續(xù)的電磁響應。如圖2、圖3所示，圖2、圖3分別為本發(fā)明微波天線系統的結構示意圖及仿真示意圖。圖3中，波紋狀的條紋表示電磁波，密度越密的條紋即表示該處電磁波增益越高。由于圖2、圖3為截面圖，因此圖2、圖3中，超材料為上下對稱、彼此相隔一定距離的第一超材料10以及第二超材料20，三維狀態(tài)下，超材料實際為中間形成一個孔30的整塊超材料，但為描述方面，下面均以截面狀態(tài)下的超材料描述，即描述第一超材料10或第二超材料20。作為饋源的喇叭天線40置于孔30中間，作為反射裝置的圓錐體50相隔喇叭天線40一定距離設置，且圓錐體50、喇叭天線40以及孔30的中心軸線重合。圓錐體50具有圓錐角θ，圓錐體50的喇叭開口方向與喇叭天線40的喇叭開口方向相同，圓錐體50的圓錐面用于反射喇叭天線40輻射的電磁波。喇叭天線40輻射的電磁波被圓錐體50反射后輻射到第一超材料10以及第二超材料20，第一超材料20以及第二超材料20利用其內部的折射率分布將電磁波以平面波輻射出去。如圖4所示，圖4為本發(fā)明第一超材料10的結構示意圖。第一超材料10由N片超材料片層以及緊貼于最外層超材料片層上的反射板構成，每層超材料片層均包括基材以及周期排布于基材上的多個人造金屬微結構，本實施例中還包括覆蓋于人造金屬微結構上的覆蓋層。每層超材料片層厚度相同，均由0.4毫米厚度的基材、0.4毫米厚度的覆蓋層以及0.018毫米厚度的人造金屬微結構構成，即每層超材料片層厚度為0.818毫米。基材和覆蓋層的材質可選取高分子材料、陶瓷材料、鐵電材料、鐵氧材料等，人造金屬微結構可通過蝕刻、鉆刻、電刻等方式附著于基材上。第一至N層超材料片層中第i層超材料片層上，距第i層超材料片層中心軸線y處的折射率分布滿足：其中，上式中，nmax為所述第一超材料的最大折射率值，nmin為所述第一超材料的最小折射率值，λ為所述饋源輻射的電磁波波長，d為所述第一超材料的總厚度，px為所述圓錐體的底面距第一超材料面的垂直距離，θ為所述圓錐體的圓錐角，LR為所述圓錐體斜高，floor函數為向下取整函數。得到各超材料片層的折射率分布后，需要各超材料片層虛擬劃分的超材料基本單元中排布人造金屬微結構以改變超材料基本單元的折射率，各個超材料基本單元中的人造金屬微結構的尺寸以及拓撲圖案均會影響到超材料基本單元的折射率值。各層上的人造金屬微結構以及不同層上的人造金屬微結構的拓撲圖案可以相同也可以不同，只要該人造金屬微結構使得其附著的超材料單元的折射率符合超材料片層的折射率分布即可。人造金屬微結構拓撲圖案和尺寸的選取可通過計算機仿真實現，也可通過在建立的人造金屬微結構數據庫中選取。各超材料片層可根據自身的折射率分布要求選擇所需要的人造金屬微結構拓撲圖案和尺寸。下面論述幾種能改變超材料基本單元折射率的人造金屬微結構的拓撲圖案。如圖5所示，圖5為能對電磁波產生響應以改變超材料基本單元折射率的第一較佳實施方式的人造金屬微結構的幾何形狀拓撲圖案。圖5所示為平面雪花狀的金屬微結構的示意圖，所述的雪花狀的金屬微結構具有相互垂直平分的第一金屬線J1及第二金屬線J2，所述第一金屬線J1與第二金屬線J2的長度相同，所述第一金屬線J1兩端連接有相同長度的兩個第一金屬分支F1，所述第一金屬線J1兩端連接在兩個第一金屬分支F1的中點上，所述第二金屬線J2兩端連接有相同長度的兩個第二金屬分支F2，所述第二金屬線J2兩端連接在兩個第二金屬分支F2的中點上，所述第一金屬分支F1與第二金屬分支F2的長度相等。圖6是圖5所示的平面雪花狀的金屬微結構的一種衍生結構。其在每個第一金屬分支F1及每個第二金屬分支F2的兩端均連接有完全相同的第三金屬分支F3，并且相應的第三金屬分支F3的中點分別與第一金屬分支F1及第二金屬分支F2的端點相連。依此類推，本發(fā)明還可以衍生出其它形式的金屬微結構。圖7是圖5所示的平面雪花狀的金屬微結構的一種變形結構，此種結構的金屬微結構，第一金屬線J1與第二金屬線J2不是直線，而是彎折線，第一金屬線J1與第二金屬線J2均設置有兩個彎折部WZ，但是第一金屬線J1與第二金屬線J2仍然是垂直平分，通過設置彎折部的朝向與彎折部在第一金屬線與第二金屬線上的相對位置，使得圖7所示的金屬微結構繞垂直于第一金屬線與第二金屬線交點的軸線向任意方向旋轉90度的圖形都與原圖重合。另外，還可以有其它變形，例如，第一金屬線J1與第二金屬線J2均設置多個彎折部WZ。確定金屬微結構形狀和折射率分布后，下面詳細描述通過各個超材料單元上的人造金屬微結構形狀和尺寸的演變獲得整個超材料折射率分布的過程，該過程可通過計算機仿真得到，具體步驟如下：(1)確定金屬微結構的附著基材。本明中，所述基材和覆蓋層采用相同的FR-4復合材料制成，所述的FR-4復合材料制成具有一個預定的介電常數，例如介電常數為3.3的FR-4復合材料。(2)確定超材料單元的尺寸。超材料單元的尺寸的尺寸由天線的中心頻率得到，利用頻率得到其波長，再取小于波長的五分之一的一個數值作為超材料單元D的長度CD與寬度KD。本發(fā)明中，所述超材料單元D為如圖1所示的長CD與寬KD均為2.5mm、厚度HD為0.818mm的方形小板。(3)確定金屬微結構的材料及拓撲結構。本發(fā)明中，金屬微結構的材料為銅，金屬微結構的拓撲結構為圖5所示的平面雪花狀的金屬微結構，其線寬W各處一致；此處的拓撲結構，是指拓撲形狀演變的基本形狀。(4)確定金屬微結構的拓撲形狀參數。如圖5所示，本發(fā)明中，平面雪花狀的金屬微結構的拓撲形狀參數包括金屬微結構的線寬W，第一金屬線J1的長度a，第一金屬分支F1的長度b。(5)確定金屬微結構的拓撲形狀的演變限制條件。本發(fā)明中，金屬微結構的拓撲形狀的演變限制條件有，金屬微結構之間的最小間距WL(即如圖5所示，金屬微結構與超材料單元的長邊或寬邊的距離為WL/2)，金屬微結構的線寬W，超材料單元的尺寸；由于加工工藝限制，WL大于等于0.1mm，同樣，線寬W也是要大于等于0.1mm。本發(fā)明中，WL取0.1mm，W取0.3mm，超材料單元的尺寸為長與寬為2.5mm，厚度為0.818mm，此時金屬微結構的拓撲形狀參數只有a和b兩個變量。金屬微結構的拓撲形狀的通過如圖8至圖9所示的演變方式，對應于某一特定頻率(例如12.225GHZ)，可以得到一個連續(xù)的折射率變化范圍。具體地，所述金屬微結構的拓撲形狀的演變包括兩個階段(拓撲形狀演變的基本形狀為圖5所示的金屬微結構)：第一階段：根據演變限制條件，在b值保持不變的情況下，將a值從最小值變化到最大值，此演變過程中的金屬微結構均為“十”字形(a取最小值時除外)。本實施例中，a的最小值即為0.3mm(線寬W)，a的最大值為(CD-WL)，即2.5-0.1mm，則a的最大值為2.4mm。因此，在第一階段中，金屬微結構的拓撲形狀的演變如圖7所示，即從邊長為W的正方形JX1，逐漸演變成最大的“十”字形拓撲形狀JD1，在最大的“十”字形拓撲形狀JD1中，第一金屬線J1與第二金屬線J2長度均為2.4mm，寬度W均為0.3mm。在第一階段中，隨著金屬微結構的拓撲形狀的演變，與其對應的超材料單元的折射率連續(xù)增大((對應天線一特定頻率)，當頻率為12.225GHZ時，超材料單元對應的折射率的最小值nmin為1.85。第二階段：根據演變限制條件，當a增加到最大值時，a保持不變；此時，將b從最小值連續(xù)增加到最大值，此演變過程中的金屬微結構均為平面雪花狀。本實施例中，b的最小值即為0.3mm(線寬W)，b的最大值為(CD-WL-2W)，即2.5-0.1-2*0.3mm，則b的最大值為1.8mm。因此，在第二階段中，金屬微結構的拓撲形狀的演變如圖8所示，即從最大的“十”字形拓撲形狀JD1，逐漸演變成最大的平面雪花狀的拓撲形狀JD2，此處的最大的平面雪花狀的拓撲形狀JD2是指，第一金屬分支J1與第二金屬分支J2的長度b已經不能再伸長，否則第一金屬分支與第二金屬分支將發(fā)生相交，b的最大值為1.8mm。此時，第一金屬線與第二金屬線長度均為2.4mm，寬度均為0.3mm，第一金屬分支及第二金屬分支的長度均為1.8mm，寬度為0.3mm。在第二階段中，隨著金屬微結構的拓撲形狀的演變，與其對應的超材料單元的折射率連續(xù)增大(對應天線一特定頻率)，當頻率為12.225GHZ時，超材料單元對應的折射率的最大值nmax為6。通過上述演變得到超材料單元的折射率變化范圍(1.85-6)滿足設計需要。如果上述演變得到超材料單元的折射率變化范圍不滿足設計需要，例如最大值太小，則變動WL與W，重新仿真，直到得到我們需要的折射率變化范圍。獲得超材料的折射率分布后，由于孔30的孔徑大小，圓錐體底面距超材料面的垂直距離px，圓錐體的圓錐角θ以及第一超材料10的長度L均對整個微波天線系統的各項參數有影響，下面通過仿真測試，取得其最佳值范圍。測試條件為：第一超材料10的長度L為固定值0.5米，孔30的半徑為0.2米，即整個超材料的長度為1.4米，喇叭天線40輻射的電磁波頻率為12.225G赫茲，超材料最小折射率為1.85，最大折射率為6，采用七層超材料片層設計。改變圓錐體底面距超材料面的垂直距離px以及圓錐體的圓錐角θ后得到如下測試結果：px[米]θ/2遠場最大值半功率帶寬0.1555°70.0132dB164.6598°0.1560°71.7829dB241.1912°0.1565°76.2556dB0.8898°0.1570°77.6418dB0.8599°0.1575°74.9817dB0.9275°0.1580°78.2356dB0.9426°0.1585°73.2386dB332.1932°0.260°79.1667dB0.8153°0.265°80.8846dB0.8425°0.270°81.9597dB0.8597°0.275°79.6465dB0.9347°0.280°80.5129dB0.9296°0.285°73.9714dB326.7794°0.2560°81.1916dB0.7815°0.2565°83.4106dB0.7963°0.2570°82.1822dB0.8380°0.2575°82.9542dB0.8743°0.2580°83.8007dB0.9132°0.2585°76.4611dB330.6783°0.360°79.4602dB0.7282°0.365°81.7350dB0.7670°0.370°83.1172dB0.8008°0.375°83.5078dB0.8464°0.380°81.6961dB0.9254°0.385°76.7402dB4.1521°0.3560°78.0053dB2.9659°0.3565°81.3166dB0.7089°0.3570°85.1857dB0.7682°0.3575°83.3550dB0.7930°0.3580°84.9690dB0.8898°0.3585°78.8376dB4.3627°0.460°74.6798218.5221°0.465°79.60452.9142°0.470°83.47003.1202°0.475°85.27040.7957°0.480°84.51360.8304°0.485°81.42054.1071°本方案中，可得到第一優(yōu)選方案：圓錐體底面距超材料面的垂直距離px為0.35米，圓錐體的圓錐角θ為140°。其遠場仿真圖如圖10所示。第二優(yōu)選方案：圓錐體底面距超材料面的垂直距離px為0.4米，圓錐體的圓錐角θ為149°。其遠場仿真圖如圖11所示。從上述仿真圖可以看出，本發(fā)明微波天線系統遠場值和半功率帶寬表現都極為出色，同時采用超材料調制電磁波，其厚度較薄、成本較低、制備簡單，且超材料為平板狀，占用空間少，便于放置和運輸。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，上述的具體實施方式僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領域的普通技術人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨和權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。