[发明专利]一种基于非均匀介质的高增益喇叭天线

说明书

技术领域

本发明设计到一种喇叭天线，特别是一种基于非均匀介质的高增益喇叭天线。

背景技术

喇叭天线是一种定向天线，它可以看成是张开的波导。喇叭的功能是在比波导更大的口径上产生均匀的相位波前，从而获得较高的定向性。由于其设计、制造容易以及成本均比较低，喇叭天线在实际生活中有着广泛的用途。

限制喇叭天线方向性的主要是喇叭口面上相位的不一致性。当电磁波从波导进入喇叭喉部到达喇叭口面时，电磁波的波面由平面变成球面，在喇叭口面上电磁波的相位已经不再是相等的了。为了减小口面上相位的不一致性，经常采用的手段是改变喇叭的张角或者喇叭的长度，但是采用上述手段只能减小相位差，并不能从根本上消除掉相位不一致的不良影响。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有的普通喇叭天线喇叭口面上位相不一致的缺点，提供一种基于非均匀介质的高增益喇叭天线，采用非均匀介质消除位相差，提高了喇叭天线的增益。

本发明的技术解决方案：基于非均匀介质的高增益喇叭天线，制作步骤如下：

(1)确定天线工作的中心频率f，根据天线工作的中心频率按照普通喇叭天线的设计方法设计出一个工作在该频段的喇叭天线，所述喇叭天线的H面口径为a，E面口径为b，喇叭长度为h；

(2)在喇叭天线的喇叭口面上增加一层非均匀介质，根据非均匀介质的厚度d和非均匀介质在坐标原点处的折射率n₀，求出置于喇叭口面的非均匀介质的折射率分布n(x，y)，其中x，y代表非均匀介质各点在以天线口面中心为坐标原点，以喇叭天线辐射方向为x轴正向建立的坐标系中的坐标；

(3)将非均匀介质离散化成边长为l的多个立方体单元，由步骤(2)中的公式求出每一立方体单元的折射率n(m，n)，其中(m，n)为单元的编号；

(4)建立“工”字型亚波长人工结构材料的有限元模型，采用有限元法计算材料的等效折射率，改变材料的结构参数a₀，a₀为“工”字型结构中“工”形金属结构的边长，仿真计算出不同边长a₀的结构对应的等效折射率n；

(5)由步骤(4)中得到的a₀和n的关系得到步骤(3)中每一个小单元的结构尺寸，以该尺寸加工每一个单元，再将所有单元组合即可得到需要的非均匀介质。

所述步骤(2)中的n₀的取值应根据后面所述的人工结构材料的最小和最大折射率来确定，设“工”字型人工结构材料的最小和最大折射率为n_min，n_max，则n₀满足：nmin+h2+b24-hd<n0<nmax.]]>

所述步骤(3)中的立方体单元的边长l小于等于天线工作波长的十分之一。

所述步骤(3)中将非均匀介质离散化以后每一立方体单元均看成均匀介质，由于每一个单元的尺寸小于十分之一波长，单元与单元之间折射率阶梯变化可以忽略，将每一单元的中心点坐标带入公式中即可计算出该单元的折射率。

所述步骤(4)中的“工”字型亚波长人工结构材料由边长为l的立方体单元组成，每一单元由三部分组成：厚度为h₀的FR-4基底、在基底上刻蚀出的厚度为0.017mm的“工”字型金属铜膜以及包裹它们的介质，其中“工”字型中间的竖边宽度为w₁、上下两边的横边宽度为w₂，介质的介电常数为ε₀。

所述的介质的为空气或硅，选用的介质的介电常数越大，得到的等效折射率也越大。