本發(fā)明涉及毫米波天線技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種小型化高增益超材料喇叭天線。

背景技術(shù)：

在現(xiàn)代通信系統(tǒng)及雷達(dá)系統(tǒng)中，天線是必不可缺的器件。其中喇叭天線是最常見的一種形式，因?yàn)槠湓O(shè)計(jì)簡單、功率容量高、回波損耗小，所以在高頻及大功率系統(tǒng)中特別適用。然而，隨著現(xiàn)代通信技術(shù)及雷達(dá)系統(tǒng)的快速發(fā)展，對喇叭天線的性能提出了更高的要求。例如，要求喇叭天線在其遠(yuǎn)場增益不變的情況下減小尺寸，即，要求喇叭天線更加小型化、輕量化、集成化。同時(shí)，對喇叭天線的成本控制也提出了更高的要求。隨著近年來科學(xué)界對超材料的研究的深入化，將其應(yīng)用于提高喇叭天線性能方面的研究也已成為學(xué)術(shù)界以及工業(yè)領(lǐng)域的熱點(diǎn)。

近年來，為使喇叭天線在小型化的同時(shí)提高其遠(yuǎn)場增益而適應(yīng)遠(yuǎn)距離信號傳輸，Xi Chen等人公開了一種通過匹配層及非均勻超材料介質(zhì)透鏡加載于喇叭天線輸出端口的高增益天線(Three-dimensional broadband and high-directivity lens antenna made of metamaterials，Journal of Applied Physics110,044904(2011))，其根據(jù)喇叭輸出端口面的相位與折射率的關(guān)系，設(shè)計(jì)出一款非均勻的超材料平面介質(zhì)透鏡，以提高天線的遠(yuǎn)場增益，并在透鏡的兩端加上匹配層，以改善回波損耗。但是，這種透鏡體積大，并且加工復(fù)雜、誤差大，成本高，而且對輸出端口面上各點(diǎn)的相對介電常數(shù)及折射率的分析較為復(fù)雜。Yingran He等人也公開了一種各向異性的超材料喇叭天線(Short-Length and High-Aperture-Efficiency HornAntenna Using Low-Loss Bulk AnisotropicMetamaterial，IEEE ANTENNAS AND WIRELESS PROPAGATION LETTERS,VOL.14,2015)，該天線使用特氟龍作為襯底材料，在其上刻蝕開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)，利用磁諧振原理，改變其等效磁導(dǎo)率來提高天線增益。但是該設(shè)計(jì)需要使用6層結(jié)構(gòu)，體積較大，加工復(fù)雜，設(shè)計(jì)周期長。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種小型化高增益超材料喇叭天線，其結(jié)構(gòu)簡單、體積小、易于加工、成本低，利用電諧振原理，能夠在實(shí)現(xiàn)高遠(yuǎn)場增益的前提下保證喇叭天線小型化、輕量化和集成化。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種小型化高增益超材料喇叭天線，包括喇叭天線本體，所述喇叭天線本體上設(shè)有自輸出端口面向內(nèi)延伸的一臺階孔，該臺階孔內(nèi)固定有一用于使所述輸出端口面的電磁波相位分布均勻化的相位分布調(diào)整模塊；

所述相位分布調(diào)整模塊包括至少兩塊重疊設(shè)置的非均勻超材料金屬片，相鄰兩塊所述非均勻超材料金屬片之間設(shè)有一金屬墊片，位于最外面的所述非均勻超材料金屬片的外側(cè)面與所述輸出端口面齊平。

進(jìn)一步地，所述非均勻超材料金屬片包括一金屬邊框，該金屬邊框內(nèi)設(shè)有若干橫向金屬線和若干縱向金屬線，所述橫向金屬線與縱向金屬線垂直連接并形成一位于中心的第一超材料網(wǎng)格單元、一圍繞并緊鄰該第一超材料網(wǎng)格單元的第二超材料網(wǎng)格單元、以及一圍繞并緊鄰該第二超材料網(wǎng)格單元的第三超材料網(wǎng)格單元；其中，

所述第一超材料網(wǎng)格單元由一個對稱多邊形網(wǎng)格構(gòu)成；

所述第二超材料網(wǎng)格單元由若干四邊形網(wǎng)格構(gòu)成；

所述第三超材料網(wǎng)格單元由若干不規(guī)則網(wǎng)格構(gòu)成，所述不規(guī)則網(wǎng)格的一邊由所述金屬邊框的內(nèi)緣構(gòu)成，其余邊由所述橫向金屬線和縱向金屬線構(gòu)成。

進(jìn)一步地，所述喇叭天線本體的外緣設(shè)有外螺紋，所述相位分布調(diào)整模塊的外側(cè)設(shè)有與所述外螺紋配合的螺帽。

優(yōu)選地，所述橫向金屬線和縱向金屬線均由細(xì)銅線構(gòu)成。

優(yōu)選地，各所述橫向金屬線和縱向金屬線的直徑相同。

優(yōu)選地，所述喇叭天線本體為圓錐喇叭天線。

優(yōu)選地，所述喇叭天線本體的工作頻率范圍為60～90GHz。

進(jìn)一步地，所述非均勻超材料金屬片和金屬墊片的外緣形狀與所述喇叭天線本體的輸出端口面的內(nèi)緣形狀相同。

進(jìn)一步地，所述非均勻超材料金屬片和金屬墊片上均設(shè)有位置標(biāo)記切口。

進(jìn)一步地，所述非均勻超材料金屬片的外表面設(shè)有鍍金層。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下的優(yōu)點(diǎn)和積極效果：

本發(fā)明通過在具有成熟制作工藝和流程的喇叭天線本體的輸出端口面增設(shè)用于使電磁波在輸出端口面相位分布均勻化的相位分布調(diào)整模塊來提高其遠(yuǎn)場增益，該設(shè)計(jì)推廣便捷、成本較低，且具有小型化、輕型化、集成化的優(yōu)點(diǎn)。此外，本發(fā)明所采用的非均勻超材料金屬片由橫向金屬線和縱向金屬線交叉布置形成的三種不同超材料網(wǎng)格單元按照一定規(guī)律緊密相連排列而成，其結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計(jì)方便、成本低、易于制作且制備周期短、重量較輕、裝配簡單；并且，由于使用了三種不同超材料網(wǎng)格單元，利用電諧振原理改變了超材料整體的有效介電常數(shù)，使其具有改善喇叭天線本體輸出端口面電磁波相位分布的作用，進(jìn)而提升喇叭天線本體的遠(yuǎn)場增益。

附圖說明

圖1為本發(fā)明小型化高增益超材料喇叭天線的分解示意圖；

圖2為本發(fā)明中的非均勻超材料金屬片的正視圖；

圖3為本發(fā)明小型化高增益超材料喇叭天線在77GHz的高頻遠(yuǎn)場E面方向圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等價(jià)形式同樣落于本申請所附權(quán)利要求書所限定的范圍。

如圖1所示，本發(fā)明的小型化高增益超材料喇叭天線包括喇叭天線本體1(此處示例性地示出為圓錐喇叭天線本體)，該喇叭天線本體1上設(shè)有一自輸出端口面7向內(nèi)延伸的臺階孔8，該臺階孔8內(nèi)固定有一用于使輸出端口面7的電磁波相位分布均勻化的相位分布調(diào)整模塊，且該相位分布調(diào)整模塊的外側(cè)設(shè)有一與喇叭天線本體1前端外緣上的外螺紋2配合的螺帽6。

本發(fā)明中的相位分布調(diào)整模塊如圖1所示，包括兩塊重疊設(shè)置的非均勻超材料金屬片3、4，相鄰非均勻超材料金屬片3、4之間設(shè)有一金屬墊片5，且位于最外面的非均勻超材料金屬片4的外側(cè)面與輸出端口面7齊平，即，非均勻超材料金屬片3、4與金屬墊片5的厚度之和與臺階孔8的深度相同。需說明的是，本發(fā)明也可采用兩塊以上的非均勻超材料金屬片，只是根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，數(shù)量為兩塊時(shí)效果最佳。

上述非均勻超材料金屬片3、4如圖2所示，包括一金屬邊框12，該金屬邊框12內(nèi)連接有若干橫向金屬線和縱向金屬線，且橫向金屬線和縱向金屬線垂直交叉布置并形成一位于中心的第一超材料網(wǎng)格單元、一圍繞并緊鄰該第一超材料網(wǎng)格單元的第二超材料網(wǎng)格單元、以及一圍繞并緊鄰該第二超材料網(wǎng)格單元的第三超材料網(wǎng)格單元。其中，第一超材料網(wǎng)格單元由一個對稱多邊形網(wǎng)格9構(gòu)成，該網(wǎng)格單元的結(jié)構(gòu)和尺寸根據(jù)喇叭天線本體1所工作的頻段和相位分布決定；第二超材料網(wǎng)格單元由若干四邊形網(wǎng)格10(此處設(shè)計(jì)成四邊形是為了便于確定其等離子體頻率，其它形狀對于計(jì)算等離子體頻率較困難，且當(dāng)四邊形為正方形時(shí)，最便于計(jì)算)構(gòu)成，四邊形網(wǎng)格10的尺寸和個數(shù)同樣由喇叭天線本體1所工作的頻段和相位分布決定；第三超材料網(wǎng)格單元由若干不規(guī)則網(wǎng)格11構(gòu)成，其中不規(guī)則網(wǎng)格11的一邊(最外側(cè)的邊)由金屬邊框12的內(nèi)緣構(gòu)成，其余邊由橫向金屬線和縱向金屬線構(gòu)成，不規(guī)則網(wǎng)格11的尺寸和個數(shù)亦根據(jù)喇叭天線本體1所工作的頻段及相位分布決定。需要說明的是，在本實(shí)施例中，第一超材料網(wǎng)格單元、第二超材料網(wǎng)格單元、第三超材料網(wǎng)格單元的尺寸和形狀各不相同，但構(gòu)成網(wǎng)格邊的橫向金屬線和縱向金屬線的直徑相同，由喇叭天線的工作頻率決定。此外，兩塊非均勻超材料金屬片3、4之間的距離同樣由喇叭天線本體1的工作頻率決定，該距離通過兩超材料金屬片3、4之間的金屬墊片5的厚度來實(shí)現(xiàn)。

在本發(fā)明中，前述橫向金屬線和縱向金屬線均優(yōu)選細(xì)銅線，由厚度為0.1-0.15mm的銅片刻蝕而成。非均勻超材料金屬片3、4的外表面(包括構(gòu)成網(wǎng)格邊的細(xì)銅線上)均設(shè)有鍍金層，以防止氧化。此外，非均勻超材料金屬片3、4和金屬墊片5的外緣形狀與喇叭天線本體1的輸出端口面7的內(nèi)緣形狀相同，且非均勻超材料金屬片3、4和金屬墊片5的外緣尺寸不超過喇叭天線本體1的輸出端口面7的內(nèi)緣尺寸，以便于安裝。進(jìn)一步地，如圖2所示，非均勻超材料金屬片上設(shè)有作為位置標(biāo)記切口13的直線切口，以便于快速裝配，且應(yīng)該理解，金屬墊片5上應(yīng)設(shè)有同樣的位置標(biāo)記切口。

本發(fā)明的工作原理如下：工作時(shí)，兩片非均勻超材料金屬片3、4的第一超材料網(wǎng)格單元、第二超材料網(wǎng)格單元、第三超材料網(wǎng)格單元受到波導(dǎo)端發(fā)射出來的電磁波的輻射后，由于同一非均勻超材料金屬片的不同超材料網(wǎng)格單元之間的相互作用以及不同超材料金屬片之間的相互作用，非均勻超材料金屬片內(nèi)部的有效電子密度和有效電子質(zhì)量將發(fā)生改變，宏觀上第二、第三超材料網(wǎng)格單元所處位置的等效相對介電常數(shù)以及折射率將發(fā)生改變，使其折射率小于1，導(dǎo)致自然界中材料不會出現(xiàn)的現(xiàn)象發(fā)生。對于圓錐喇叭天線本體1而言，其輻射口徑面是通過一個標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)—矩圓過渡波導(dǎo)和—標(biāo)準(zhǔn)圓波導(dǎo)后，由標(biāo)準(zhǔn)圓波導(dǎo)逐漸向外擴(kuò)張而成，在其輸出端口面，由于電磁波的相位分布不均勻，會導(dǎo)致其遠(yuǎn)場增益受限。因此根據(jù)圓錐喇叭天線本體1的相位分布，有效布局各超材料網(wǎng)格單元在超材料金屬片上的相對位置，可以使電磁波經(jīng)過此非均勻超材料金屬片后的相位分布均勻化。本發(fā)明正是通過將非均勻超材料金屬片固定于圓錐喇叭天線本體1的輸出端口面來調(diào)整輸出端口面的相位分布，在不改變圓錐喇叭天線本體1的輸出端口面的面積和圓錐喇叭天線本體的長度的前提下，使其輸出端口面的相位分布均勻化，從而提高喇叭天線的遠(yuǎn)場增益。

在本發(fā)明中，喇叭天線本體1的工作頻率范圍為60～90GHz，而最終形成的小型化高增益超材料喇叭天線的工作頻率在77GHz附近，帶寬為3～5GHz。圖3示出了本發(fā)明的喇叭天線工作在77GHz的E面方向圖，由圖可知，其最大增益為20.32dB，這相較于未加載非均勻超材料金屬片的圓錐喇叭天線其增益提高了3.5dB；其反射系數(shù)在工作頻段均小于-10dB。

本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會意識到，此處所描述的實(shí)例是為了幫助讀者理解本發(fā)明的原理，這里應(yīng)該被理解為本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此文中的特別陳述和實(shí)施實(shí)例。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可根據(jù)本發(fā)明公開的這些技術(shù)及原理啟示做出各種不脫離本發(fā)明的其它各種具體變形和組合，所做的變形和組合仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。