[实用新型]一种超宽带高增益超材料龙伯透镜

说明书

本实用新型涉及天线设计领域，特别是应用于天线的一种超宽带高增益超材料龙伯透镜。本实用新型包括基于超材料形成的圆柱体分层结构；所述圆柱体分层结构以坐标原点为中心，沿x轴、y轴和z轴为镜像对称结构；所述圆柱体分层结构从坐标原点开始，沿着x轴或y轴方向半径r逐渐变大，相应沿z轴方向高度h逐渐变小的n层外圈圆柱体，该外圈圆柱体分层结构的中心圆柱体中心点为坐标原点，中心圆柱体为实心的第一层外圈圆柱体，第二层外圈圆柱体是去除第一层外圈圆柱体后的圆柱体,……,第n层外圈圆柱体是去除第n‑1层外圈圆柱体的圆柱体。

技术领域

本实用新型涉及天线设计领域，特别是应用于天线的一种超宽带高增益超材料龙伯透镜。

背景技术

随着无线网络的发展，天线要求超宽带、高增益、波束可控、可共形等。

人工电磁结构材料是以人工微结构为基础、介电常数和磁导率可分别设计的人工电磁功能材料。它的出现突破了传统材料对自然界物质属性对电磁特性的局限，给材料结构的设计和制备提供了一个新的自由度。由于电磁超材料是一种人工周期结构，目前还不能在超宽频频带上实现高增益。

龙伯透镜天线包括馈源和龙伯透镜，是一种利用光学原理对电磁波进行聚合或分散的器件，具有宽带、高增益等先天优势。迄今为止，龙伯透镜天线的研究已经取得了很多阶段性的成果，但是现有的龙伯透镜天线还存在很多不足。

首先，传统方法多采用多层天然材料或者发泡技术等方法构造龙伯透镜，但存在介电常数难以控制、均匀性不易实现等缺点，严重影响了龙伯透镜天线的辐射性能；其次，现有龙伯透镜天线尚不能实现超宽频带上的高增益；第三，传统的龙伯透镜主要为球状或者半球状多层介质球，剖面尺寸偏大不利于后期安装调试。

实用新型内容

本实用新型的发明目的在于：针对现有技术存在的问题，提供一种超宽带高增益超材料龙伯透镜，本专利采用宽带Vivaldi天线作为馈源，电磁超材料制作透镜可以克服现有龙伯透镜天线的缺点，实现加工制造精度高、超宽带高增益、易安装的龙伯透镜。

基于超材料单元形成的圆柱体分层结构。通过3D打印技术将透镜一次性打印成型，最终通过实验验证天线的性能。实现超宽带(指的是工作频带范围10GHz-30GHz)，高增益(指的是透镜增益大于12dBi)以及透镜介电损耗小于0.02。

本实用新型采用的技术方案是这样的：

一种超宽带高增益超材料龙伯透镜包括利用3D打印技术，基于超材料形成的圆柱体分层结构；圆柱体分层结构沿x轴、y轴和z轴为镜像对称结构；所述圆柱体分层结构为从坐标原点开始，以坐标原点为中心，沿着x轴或y轴方向半径r逐渐变大，相应沿z轴方向高度h逐渐变小的n层外圈圆柱体，该外圈圆柱体分层结构的中心圆柱体中心点为坐标原点，中心圆柱体为实心的第一层外圈圆柱体，第二层外圈圆柱体是去除第一层外圈圆柱体后的圆柱体,……,第n层外圈圆柱体是去除第n-1层外圈圆柱体的圆柱体。

中心圆柱体内以坐标原点为中心，设置沿x轴或y轴半径p逐渐变大，同时沿z轴的高度H逐渐变大的k层内圈圆柱体；第一层内圈圆柱体中心点与中心圆柱体中心点重合；第一层内圈圆柱体是实心圆柱体；第二层内圈圆柱体是去除第一内圈圆柱体后的圆柱体，……,第k层内圈圆柱体是去除第k-1层内圈圆柱体后的圆柱体。

进一步的，所述内圈圆柱体半径p的最大值为外圈圆柱体半径r的最小值；内圈圆柱体高度H的最大值是外圈圆柱体高度h的最大值，内圈圆柱体高度H最小值为x；内圈圆柱体半径p的最小值为x；第n层外圈圆柱体的h高度最小值为x；x为超材料的边长尺寸值。

进一步的，所述n大于等于2*R*中心工作频率/光速；k大于等于2*R*中心工作频率/光速；其中光速/中心工作频率＝超材料工作波长；n等于或不等于k。

进一步的，所述r的最大半径值为R，R即为龙伯透镜半径；r最小半径值等于R/n。