【技术领域】

本发明涉及雷达天线领域， 特别是涉及一种使用超材料的后馈式雷达天线 。 【背景技术】

后馈天线又被称为卡塞格伦天线， 由抛物面主反射面 2、双曲面副反射面 1、 馈源喇叭 3以及支架 4构成， 如图 1所示。 由于抛物面主反射面 2的实焦点与 双曲面副反射面 1的虚焦点重合，而馈源喇叭 3的相位中心与双曲面副反射面 1 的实焦点重合， 从卫星射来的电磁波经过抛物面主反射面 2 —次反射， 再被双 曲面副反射面 1二次反射后， 被聚焦于馈源喇叭 3的相位中心， 同相叠加。 从 而实现雷达天线定向接收或者发射电磁波。

为了制造抛物面反射面和双曲面副反射面通常 利用模具铸造成型或者采用 数控机床进行加工的方法。 第一种方法的工艺流程包括： 制作抛物面模具、 铸 造成型抛物面和进行抛物面反射器地安装。 工艺比较复杂， 成本高， 而且抛物 面的形状要比较准确才能实现雷达天线的定向 传播， 所以对加工精度的要求也 比较高。 第二种方法采用大型数控机床进行抛物面的加 工， 通过编辑程序， 控 制数控机床中刀具所走路径， 从而切割出所需的抛物面形状。 这种方法切割很 精确， 但是制造这种大型数控机床比较困难， 而且成本比较高。

【发明内容】

本发明的目的在于克服现有技术中制造抛物面 反射面和双曲面副反射面的 困难， 提供一种雷达天线， 该天线不再拘泥于抛物面的定式， 改以平板超材料， 节约了空间； 且改进大角度电磁波入射的偏折问题， 提高了天线能量辐射的效 率。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是： 提出一种后馈式雷达天线， 该天线包括： 馈源， 用于辐射电磁波； 超材料面板， 用于将该馈源辐射出的电 磁波从球面电磁波转化为平面电磁波。 该超材料面板包括多个具有相同折射率 分布的核心层， 该每一核心层包括多个超材料单元， 该超材料单元包括具有人 造金属微结构或是人造孔结构的单元基材， 该超材料面板的每一核心层包括一 个以其中心为圆心的圆形区域和多个与圆形区 域同心的环形区域， 在该圆形区 域内， 随着半径的增加折射率逐渐减小； 在该每一环形区域内， 随着半径的增 加折射率也逐渐减小， 且相连的两个区域的交界处发生折射率突变， 即交界处 的折射率位于半径大的区域时比位于半径小的 区域时要大。

进一歩地， 该雷达天线还包括外壳， 用于固定该馈源； 以及紧贴于该外壳 内壁的吸波材料层， 用于吸收从馈源辐射出来的部分电磁波； 该吸波材料层和 超材料面板共同构成封闭的腔体； 该馈源位于该腔体内。

进一歩地， 该超材料面板还包括对称分布于该核心层两侧 的多个渐变层， 该每一渐变层均包括片状的基板层、 片状的填充层以及设置在该基板层和填充 层之间的空气层， 该填充层内填充的介质包括空气以及与该基板 层相同材料的 介质。

进一歩地， 在该圆形区域内， 圆心处的折射率为最大值《 _max ， 且随着半径的 增加折射率从最大值《 _max 逐渐减小到最小值《 _mn ； 在该每一环形区域内， 随着半 径的增加折射率也是从最大值《皿逐渐减小到 最小值《 _mn 。

进一歩地， 该超材料面板的每一核心层的折射率以其中心 为圆心， 随着半 径 r的变化规律如以下表达式：

. 、 - ss - k

n( Vr)― n max / ： '

a

式中《 _max 表示该每一核心层中的最大折射率值， d表示所有核心层的总厚度， ss表示该馈源到最靠近馈源位置的核心层的距� ��， 表示该每一核心层内半径 r处折射率值， 1表示 的波长， 其中，

« _mn 表示超材料面板中多个核心层内的最小折 射率值， floor表示向下取整。 进一歩地， 该超材料面板的每一渐变层内的折射率均匀分 布的， 且多个渐 变层间折射率分布的变化规律如以下表达式：

η _τ = ( ^max ^ ^mm ) ^m , 1=1、 2、 3、 …、 m， 其中 表示第 i层渐变层的折射率值， m表示渐变层的层数， 《 _mn 表示该每 一核心层内的最小折射率值， 《 _max 表示该每一核心层中的最大折射率值， 其中第 m层渐变层与核心层靠近， 随着 m值的变小逐渐远离核心层， 第一层渐变层为 最外层渐变层。

进一歩地， 该人造金属微结构为由至少一根金属丝组成对 电磁场有响应的 平面结构或立体结构， 该金属丝为铜丝或银丝， 该金属丝通过蚀刻、 电镀、 钻 刻、 光刻、 电子刻或离子刻的方法附着在该单元基材上。

进一歩地， 该超材料单元还包括第一填充层， 该人造金属微结构位于该单 元基材和第一填充层之间， 该第一填充层内填充的材料包括空气、 人造金属微 结构以及与该单元基材相同材料的介质。

进一歩地， 该人造金属微结构为在 "工"字形、 "工"字形的衍生形、 雪花 状或雪花状的衍生形任意一种。

进一歩地， 该第一基板层和第二基板层均由陶瓷材料、 环氧树脂、 聚四氟 乙烯、 FR-4复合材料或 F4B复合材料制得。

进一歩地， 该每一超材料单元上形成有一个小孔， 该小孔内填充有折射率 小于单元基材折射率的介质， 且所有超材料单元内的小孔都填充相同材料的 介 质， 该设置在超材料单元内的小孔体积在每一核心 层内的排布规律为： 该超材 料面板的每一核心层包括一个以其中心为圆心 的圆形区域和多个与圆形区域同 心的环形区域， 在该圆形区域内， 随着半径的增加在该超材料单元上形成的小 孔体积也逐渐增加； 在该每一环形区域内， 随着半径的增加在该超材料单元上 形成的小孔体积也逐渐增加， 且相连的两个区域的交界处发生小孔体积突变 ， 即交界处在该超材料单元上形成的小孔体积在 位于半径大的区域时比位于半径 小的区域时要小。

进一歩地， 该每一超材料单元上形成有一个小孔， 该小孔内填充有折射率 大于单元基材折射率的介质， 且所有超材料单元内的小孔都填充相同材料的 介 质， 该设置在超材料单元内的小孔体积在每一核心 层内的排布规律为： 该超材 料面板的每一核心层包括一个以其中心为圆心 的圆形区域和多个与圆形区域同 心的环形区域， 在该圆形区域内， 随着半径的增加在该超材料单元上形成的小 孔体积减小； 在该每一环形区域内， 随着半径的增加在该超材料单元上形成的 小孔体积也逐渐减小， 且相连的两个区域的交界处发生小孔体积突变 ， 即交界 处在该超材料单元上形成的小孔体积在位于半 径大的区域时比位于半径小的区 域时要大。

进一歩地， 该超材料单元上形成有数量不同、 体积相同的小孔， 该小孔内 填充有折射率小于单元基材折射率的介质， 且所有超材料单元内的小孔都填充 相同材料的介质， 该设置在超材料单元内的小孔数量在每一核心 层内的排布规 律为： 该超材料面板的每一核心层包括一个以其中心 为圆心的圆形区域和多个 与圆形区域同心的环形区域， 在该圆形区域内， 随着半径的增加在该超材料单 元上形成的小孔数量逐渐增加； 在该每一环形区域内， 随着半径的增加在该超 材料单元上形成的小孔数量也逐渐增加， 且相连的两个区域的交界处发生小孔 数量突变， 即交界处在该超材料单元上形成的小孔数量在 位于半径大的区域时 比位于半径小的区域时要少。

进一歩地， 该超材料单元上形成有数量不同、 体积相同的小孔， 该小孔内 填充有折射率大于单元基材折射率的介质， 且所有超材料单元内的小孔都填充 相同材料的介质， 该设置在超材料单元内的小孔数量在每一核心 层内的排布规 律为： 该超材料面板的每一核心层包括一个以其中心 为圆心的圆形区域和多个 与圆形区域同心的环形区域， 在该圆形区域内， 随着半径的增加在该超材料单 元上形成的小孔数量逐渐减小； 在该每一环形区域内， 随着半径的增加在该超 材料单元上形成的小孔数量逐渐减小， 且相连的两个区域的交界处发生小孔数 量突变， 即交界处在该超材料单元上形成的小孔数量在 位于半径大的区域时比 位于半径小的区域时要多。 本发明相对于现有技术， 具有以下有益效果： 本发明一种后馈式雷达天线 通过改变超材料面板内部的折射率分布情况， 使得天线远场功率大大地增强了， 进而提升了天线传播的距离， 同时通过在天线腔体内部设置一层吸波材料层 ， 增加了天线的前后比， 使得天线更具方向性。

【附图说明】

图 1是现有技术中后馈抛物面天线结构示意图；

图 2是本发明第一实施例的后馈式雷达天线的结� �示意图；

图 3是本发明第一实施例的所述超材料面板的结� �示意图；

图 4是本发明第一实施例的所述超材料多个核心� �的结构示意图； 图 5是本发明第一实施例的所述超材料单元的结� �示意图；

图 6是本发明第一实施例的所述超材料渐变层的� �构示意图；

图 7是本发明第一实施例的所述核心层内人造金� �微结构排布示意图。 图 8是本发明第一实施例的核心层折射率变化示� �图；

图 9是本发明第一实施例的核心层折射率变化示� �图；

图 10是本发明第二实施例的后馈式雷达天线的结� ��示意图；

图 11是本发明第二实施例的所述超材料面板的结� ��示意图；

图 12是本发明第二实施例的所述超材料多个核心� ��的结构示意图； 图 13是本发明第二实施例的所述超材料单元的结� ��示意图；

图 14是本发明第二实施例的所述超材料渐变层的� ��构示意图；

【具体实施方式】

下面结合实施例及附图， 对本发明作进一歩地详细说明， 但本发明的实施 方式不限于此。

图 2 是本发明第一实施例的后馈式雷达天线的结构 示意图， 该天线包括馈 源 10、 超材料面板 20、 外壳 30以及吸波材料层 40， 所述馈源 10固定于外壳 30上， 吸波材料层 40紧贴于外壳 30内壁， 所述吸波材料层 40与超材料面板 20相连， 且吸波材料层 40和超材料面板 20共同组成一个封闭的腔体， 所述馈 源 10位于所述腔体内。

通常从馈源 10辐射的电磁波是球面电磁波， 但是球面电磁波的远场方向性 能不好， 对于远距离以球面电磁波为载体的信号传输有 很大的局限性， 而且衰 减快， 本发明通过在馈源 10传输方向上设计一具有电磁波汇聚功能的超� ��料面 板 20 ，该超材料面板 20将馈源 10辐射出来的大部分电磁波从球面电磁波转换 为平面电磁波， 使得雷达天线的方向性更好， 天线主瓣能量密度更高， 能量更 大， 进而以该平面电磁波为载体的信号传输距离更 远。

为了增强雷达天线的前后比， 我们通常是降低天线副瓣和后瓣的电磁波能 量， 本发明中采用在所述外壳 30的内壁紧贴一层吸波材料层 40， 用于吸收除主 瓣方向以外的电磁波能量， 所述外壳 30用于固定所述馈源 10， 一般采用金属材 料或者 ABS材料。

图 3是图 2所示的超材料面板 20的结构示意图， 超材料面板 20包括多个 核心层 210以及对称分布在核心层 210两侧的多个渐变层 220， 每一核心层 210 均由多个超材料单元组成， 所述超材料单元包括单元基材 211、 片状的第一填充 层 213以及设置在所述单元基材 211和第一填充层 213之间的多个人造金属微 结构 212， 如图 4以及如图 5所示。所述第一填充层 213内填充的材料可以是空 气、 人造金属微结构 212以及与所述单元基材 211相同材料的介质， 比如， 当 需要所述超材料单元内的等效折射率变大时， 可以在第一填充层 213 内填充金 属微结构或者是填充具有较大折射率的介质； 当需要所述超材料单元内的等效 折射率变小时， 可以在第一填充层 213内填充空气介质或者是不填充任何介质。 超材料面板 20内的多个超材料核心层 210堆叠在一起， 且各个核心层 210之间 等间距排列地组装， 或两两片层之间直接前、 后表面相粘合地连接成一体。 具 体实施时， 超材料面板 20的核心层的数目以及各个核心层之间的距离� ��依据需 求来进行设计。 每个超材料核心层 210 由多个超材料单元阵列形成， 整个超材 料核心层 210可看作是由多个超材料单元沿 X、 Y、 Ζ三个方向阵列排布而成。 所述超材料面板 20的多个核心层 210通过改变其内部的折射率分布以实现 通过所述超材料面板 20后的电磁波等相位辐射， 即实现从所述馈源 10辐射出 的球面电磁波转换为平面电磁波。 本发明中每个超材料核心层 210 的折射率分 布均相同， 这里仅对一个超材料核心层 210 的折射率分布规律进行详细描述。 通过对人造金属微结构 212的拓扑图案、 几何尺寸以及其在单元基材 211和第 一填充层 213上分布的设计， 使中间的核心层 210的折射率分布满足如下规律： 每一超材料核心层 210包括一个以超材料核心层 210中心点为圆心的圆形区域 和多个半径大于圆形区域且与圆形区域同心的 环形区域， 圆心处折射率最大， 具有相同半径的圆形区域或者环形区域处折射 率相同， 在所述圆形区域内， 随 着半径的增加折射率逐渐减小； 在所述每一环形区域内， 随着半径的增加折射 率也逐渐减小， 且相连的两个区域的交界处发生折射率突变， 即交界处的折射 率在位于半径大的区域时比位于半径小的区域 时要大。 例如： 所述圆形区域和 与圆形区域相邻的环形区域的交界处， 如果该交界处位于圆形区域时， 它的折 射率比其位于环形区域时的折射率小； 同理相邻的两个环形区域也如此。如图 9 所示， 给出 n _max ~ n _mm 的折射率变化图， 即在圆形区域内， 折射率随着半径的增 加从圆心处的最大值 n _max 逐进减小到最小值 n _mm ， 在环形区域也如此， 但是应知 本发明的折射率变化并不以此为限。 本发明设计目的为： 使电磁波经过各超材 料核心层 210 时， 电磁波偏折角度被逐渐改变并最终平行辐射。 通过公式 _Sm ^= _q . ^ , 其中 为所需偏折电磁波的角度、 Δ«为前后折射率变化差值， _q 为超材料功能层的厚度并通过计算机仿真即可 确定所需参数值并达到本发明设 计目的。

图 8为图 9所示超材料核心层折射率分布图的 0-0 ' 视图。 作为公知常识 我们可知， 电磁波的折射率与 成正比关系，其中 μ为磁导率， ε为介电常数， 当一束电磁波由一种介质传播到另外一种介质 时， 电磁波会发生折射， 当物质 内部的折射率分布非均匀时， 电磁波就会向折射率比较大的位置偏折， 因此， 设计超材料面板 20内核心层 210各点的折射率使其满足上述折射率变化规律 ， 需要说明的是， 由于实际上超材料单元是一个立方体而非一个 点， 因此上述圆 形面域只是近似描述， 实际上的折射率相同或基本相同的超材料单元 是在一个 锯齿形圆周上分布的。 其具体设计类似于计算机用方形像素点绘制圆 形、 椭圆 形等平滑曲线时进行描点的编程模式 （例如 OpenGL) , 当像素点相对于曲线很 小时曲线显示为光滑， 而当像素点相对于曲线较大时曲线显示有锯齿 。

为使超材料核心层 210实现图 8以及图 9所示折射率的变化， 经过理论和 实际证明， 可对所述人造金属微结构 212 的拓扑图案、 几何尺寸以及其在单元 基材 211和第一填充层 213上分布的设计， 单元基材 211采用介电绝缘材料制 成， 可以为陶瓷材料、 高分子材料、 铁电材料、 铁氧材料、 铁磁材料等， 高分 子材料例如可以是、 环氧树脂或聚四氟乙烯。 人造金属微结构 212 为以一定的 几何形状附着在单元基材 211 上能够对电磁波有响应的金属线， 金属线可以是 剖面为圆柱状或者扁平状的铜线、 银线等， 一般采用铜， 因为铜丝相对比较便 宜， 当然金属线的剖面也可以为其他形状， 金属线通过蚀刻、 电镀、 钻刻、 光 刻、 电子刻或离子刻等工艺附着在单元基材 211上， 所述第一填充层 213可以 填充不同材料的介质， 可以与单元基材 211 相同的材料， 也可以是人造金属微 结构， 还可以是空气， 所述每一核心层 210 由多个超材料单元组成， 每超材料 单元都具有一个人造金属微结构， 每一个超材料单元都会对通过其中的电磁波 产生响应， 从而影响电磁波在其中的传输， 每个超材料单元的尺寸取决于需要 响应的电磁波， 通常为所需响应的电磁波波长的十分之一， 否则空间中包含人 造金属微结构 212的超材料单元所组成的排列在空间中不能被 视为连续。

在单元基材 211 的选定的情况下， 通过调整人造金属微结构 212的图案、 尺寸及其在单元基材 211上的空间分布和在第一填充层 213填充不同折射率的 介质， 可以调整超材料上各处的等效介电常数及等效 磁导率进而改变超材料各 处的等效折射率。 当人造金属微结构 212采用相同的几何形状时， 某处人造金 属微结构的尺寸越大， 则该处的等效介电常数越大， 折射率也越大。 本实施例采用的人造金属微结构 212 的图案为工字形的衍生图案， 由图 7 可知， 雪花状人造金属微结构 212 的尺寸从中心由最大值向周围逐渐变小为最 小值， 然后又从最大值逐渐变小这样周期性变化， 在每一核心层 210 中心处， 雪花状的人造金属微结构 212 的尺寸最大， 并且在距离中心相同半径处的雪花 状人造金属微结构 212的尺寸相同， 因此每一核心层 210的等效介电常数由中 间向四周逐渐变小的周期性变化， 中间的等效介电常数最大， 因而每一核心层 210的折射率从中间向四周逐渐变小地周期性变 化， 中间部分的折射率最大。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述， 但是本发明并不局限于上述 的具体实施方式， 人造金属微结构 212的图案可以是二维、 也可以是三维结构， 不限于该实施例中使用的 "工"字形， 可以为 "工"字形的衍生结构， 可以是 在三维空间中各条边相互垂直的雪花状及雪花 状的衍生结构， 也可以是其他的 几何形状， 其中不同的人造金属微结构可以是图案相同， 但是其设计尺寸不同； 也可以是图案和设计尺寸均不相同， 只要满足由天线单元发出的电磁波经过超 材料面板 20传播后可以平行射出即可。

本发明实施例中， 所述超材料面板 20的每一核心层 210的折射率以其中心 为圆心， 随着半径 r的变化规律如以下表达式：

+ r ² - s - k

w0

d

式中《 _max 表示所述每一核心层 210中的最大折射率值， d表示所有核心层的 总厚度， ss表示所述馈源 10到最靠近馈源 10位置的核心层 210的距离， ！！ 表 小所述每一核心层内半径 r处折射率值， 表示馈源 10辐射出电磁波的波长， 其中，

« _mm 表示超材料面板 20中每一核心层内的最小折射率值， floor表示向下取 通常当电磁波从一种介质传输到另一种介质的 时候， 由于阻抗不匹配的问 题， 会出现一部分电磁波反射， 这样影响电磁波的传输性能， 本发明中， 当从 馈源 10辐射出来的电磁波入射到超材料面板 20时同样会产生反射， 为了减少 反射对雷达天线的影响， 我们在超材料面板 20的核心层 210两侧堆成设置多个 超材料渐变层 220， 如图 3所示。

如图 5所示， 每一超材料渐变层 220均包括片状的基板层 221、片状的第二 填充层 223以及设置在所述基板层 221和第二填充层 223之间的空气层 222。所 述基板层 221 可选用高分子聚合物、 陶瓷材料、 铁电材料、 铁氧材料等。 其中 高分子聚合物优选 FR-4或 F4B材料。多个超材料渐变层 220之间的折射率是不 同的， 为了匹配空气与核心层 210的阻抗， 通常是通过调整所述空气层 222的 宽度和通过在第二填充层 223 内填充含有不同折射率的介质来实现阻抗匹配 ， 该介质也可以是与基板层 221 相同的材料也可以是空气， 其中靠近空气的超材 料渐变层 220的折射率最接近空气且超核心层 210方向折射率逐渐增加。

本发明中实施例中， 所述超材料面板 20的每一渐变层内 220的折射率均匀 分布的， 且多个渐变层 220间折射率分布的变化规律如以下表达式：

η _τ = ( ^max ^ ^mm ) ^m , 1=1、 2、 3、 …、 m， 其中 表示第 i层渐变层 220的折射率值， m表示渐变层 220的层数，《 _mn 表 示所述每一核心层 210内的最小折射率值， 《 _max 表示所述每一核心层 210中的最 大折射率值， 其中第 m层渐变层 220与核心层 210靠近， 随着 m值的变小逐渐 远离核心层 210， 第 1层渐变层为最外层渐变层。

综上所述， 本发明的一种后馈式雷达天线通过改变超材料 面板 20内部的折 射率分布情况， 使得天线远场功率大大地增强了， 进而提升了天线传播的距离， 同时通过在天线腔体内部设置一层吸波材料层 40， 增加了天线的前后比， 使得 天线更具方向性。

图 10是本发明第二实施例的后馈式雷达天线的结� ��示意图， 该天线包括馈 源 10、 超材料面板 20'、 外壳 30以及吸波材料层 40， 所述馈源 10固定于外壳 30上， 吸波材料层 40紧贴于外壳 30内壁， 所述吸波材料层 40与超材料面板 20'相连， 且吸波材料层 40和超材料面板 20'共同组成一个封闭的腔体， 所述馈 源 10位于所述腔体内。

通常从馈源 10辐射的电磁波是球面电磁波， 但是球面电磁波的远场方向性 能不好， 对于远距离以球面电磁波为载体的信号传输有 很大的局限性， 而且衰 减快， 本发明通过在馈源 10传输方向上设计一具有电磁波汇聚功能的超� ��料面 板 20 '，该超材料面板 20'将馈源 10辐射出来的大部分电磁波从球面电磁波转换 为平面电磁波， 使得雷达天线的方向性更好， 天线主瓣能量密度更高， 能量更 大， 进而以该平面电磁波为载体的信号传输距离更 远。

为了增强雷达天线的前后比， 我们通常是降低天线副瓣和后瓣的电磁波能 量， 本发明中采用在所述外壳 30的内壁紧贴一层吸波材料层 40， 用于吸收除主 瓣方向以外的电磁波能量， 所述外壳 30用于固定所述馈源 10， 一般采用金属材 料或者 ABS材料。

图 11所示，所述超材料面板 20'包括多个具有相同折射率分布的核心层 210' 以及对称分布在所述多个核心层两侧的多个渐 变层 220'， 所述核心层 210'也就 是超材料面板 20'的功能层， 由多个超材料单元组成， 由于超材料面板 20' 需对 电磁波产生连续响应， 因此超材料单元尺寸应小于所需响应电磁波波 长的五分 之一， 本实施例优选为电磁波波长的十分之一。 如图 13所示， 所述超材料单元 包括设置有一个或多个小孔 212'的单元基材 21Γ , 即所述超材料单元包括具有 人造孔结构 212'的单元基材 211 '。 这样设置有小孔 212'的每一核心层 210'叠加 在一起就构成超材料面板 20'的功能层， 如图 12所示。

所述超材料面板 20'的多个核心层 210'通过改变其内部的折射率分布以实现 通过所述超材料面板 20'后的电磁波等相位辐射， 即实现从所述馈源 10辐射出 的球面电磁波转换为平面电磁波。 在本实施例中， 折射率的分布与上一实施例 相同。本发明中每个超材料核心层 210 ' 的折射率分布均相同， 这里仅对一个超 材料核心层 210' 的折射率分布规律进行详细描述。 通过对小孔 212' 的体积、 小孔 212' 内填充的介质以及小孔 212 ' 的密度的设计使得每个超材料核心层 210' 的折射率分布如图 9所示。 所述超材料面板 20'的每一核心层 210'包括一 个以其中心为圆心的圆形区域和多个与圆形区 域同心的环形区域， 在所述圆形 区域内， 随着半径的增加折射率逐渐减小； 在所述每一环形区域内， 随着半径 的增加折射率也逐渐减小， 且相连的两个区域的交界处发生折射率突变， 即交 界处的折射率在位于半径大的区域时比位于半 径小的区域时要大。 例如： 所述 圆形区域和与圆形区域相邻的环形区域的交界 处， 如果该交界处位于圆形区域 时， 它的折射率比其位于环形区域时的折射率小； 同理相邻的两个环形区域也 如此。 图 9中给出 _nmax ~ n _mm 的折射率变化图， 即在圆形区域内， 折射率随着半 径的增加从圆心处的最大值 n _max 逐进减小到最小值 n _mm ， 在环形区域也如此， 但 是应知本发明的折射率变化并不以此为限。 本发明设计目的为： 使电磁波经过 各超材料核心层 210'时， 电磁波偏折角度被逐渐改变并最终平行辐射。 通过公 式 _{Sm =} q* A«， 其中 为所需偏折电磁波的角度、 Δ«为前后折射率变化差值， q 为超材料功能层的厚度并通过计算机仿真即可 确定所需参数值并达到本发明 设计目的。

为使功能层实现图 8以及图 9所示折射率的变化， 可对小孔 212'的体积、 小孔 212'内填充的介质以及小孔 212'的密度进行设计。 下面详细论述两种较佳 实施方式。

如图 12所示， 超材料面板 20'的每一核心层 210'由多个超材料单元组成， 每一超材料单元包括设置有一个小孔 212'的单元基材 211 '。 单元基材 211 '可选 用高分子聚合物、 陶瓷材料、 铁电材料、 铁氧材料等。 其中高分子聚合物优选 FR-4或 F4B材料。对应不同的单元基材 211 '可采用不同的工艺在单元基材 21 Γ 上形成小孔 212'， 例如当单元基材 211 '选用高分子聚合物时， 可通过钻床钻孔、 冲压成型或者注塑成型等方式形成小孔 212'， 当单元基材 211 '选用陶瓷时则可 通过钻床钻孔、 冲压成型或者高温烧结等方式形成小孔 212'。

小孔 212'内可填充介质， 本较佳实施方式中， 小孔 212'内填充的介质均为 空气， 而空气折射率必然小于单元基材 211 '的折射率， 当小孔 212'体积越大时， 小孔 212'所在的超材料单元的折射率则越小。 本较佳实施方式中， 设置在超材 料单元内的小孔 212 ' 的体积在每一核心层 210' 内的排布规律为： 所述超材料 面板的每一核心层 210'包括一个以其中心为圆心的圆形区域和多� �与圆形区域 同心的环形区域， 在所述圆形区域内， 随着半径的增加在所述超材料单元上形 成的小孔 212'的体积也逐渐增加； 在所述每一环形区域内， 随着半径的增加在 所述超材料单元上形成的小孔 212'的体积也逐渐增加， 且相连的两个区域的交 界处发生小孔 212'的体积突变， 即交界处在所述超材料单元上形成的小孔 212' 的体积在位于半径大的区域时比位于半径小的 区域时要小。 具有相同半径的圆 形区域或者各个环形区域处的超材料单元上形 成的小孔 212 ' 的体积相同。可以 想象地， 当小孔 212' 内填充有折射率大于单元基材 21Γ 的同种介质时， 则此 时小孔 212' 体积越大， 小孔 212 ' 所占据的超材料单元的折射率亦越大， 因此 此时设置在超材料单元内的小孔 212'在每一核心层 210'内的排布规律将与小孔 212' 内填充空气的排布规律完全相反。

本发明的另一实施例， 与第一较佳实施方式的不同点在于， 每一超材料单 元中存在多个体积相同的小孔 212 ' ， 这样能简化在单元基材 21Γ 上设置小孔 212' 的工艺难度。 与第一较佳实施方式相同的地方在于， 本较佳实施方式中每 一超材料单元中所有小孔占超材料单元的体积 的分布规律与第一较佳实施方式 相同， 即分为两种情况： （1 ) 所有小孔内填充的介质折射率小于单元基材折 射 率时， 且所有超材料单元内的小孔 212 ' 都填充相同材料的介质， 所述超材料面 板 20'的每一核心层 210'包括一个以其中心为圆心的圆形区域和多� �与圆形区域 同心的环形区域， 在所述圆形区域内， 随着半径的增加在所述超材料单元上形 成的小孔 212 ' 的数量逐渐增加； 在所述每一环形区域内， 随着半径的增加在所 述超材料单元上形成的小孔 212 ' 的数量也逐渐增加，且相连的两个区域的交界 处发生小孔 212'的数量突变，即交界处在所述超材料单元� �形成的小孔 212 ' 的 数量在位于半径大的区域时比位于半径小的区 域时要少。 具有相同半径的圆形 区域或者各个环形区域处的超材料单元上形成 的小孔 212' 的数量相同。本较佳 实施方式即为此种情况且所有小孔 212 ' 内填充介质为空气；（2 )所有小孔 212 ' 内填充的介质折射率大于基板折射率时，且所 有超材料单元内的小孔 212 ' 都填 充相同材料的介质，所述超材料面板 20'的每一核心层 210'包括一个以其中心为 圆心的圆形区域和多个与圆形区域同心的环形 区域， 在所述圆形区域内， 随着 半径的增加在所述超材料单元上形成的小孔 212 ' 的数量逐渐减小；在所述每一 环形区域内，随着半径的增加在所述超材料单 元上形成的小孔 212 ' 的数量逐渐 减小， 且相连的两个区域的交界处发生小孔 212'的数量突变， 即交界处在所述 超材料单元上形成的小孔 212 ' 的数量在位于半径大的区域时比位于半径小的 区域时要多。 具有相同半径的圆形区域或者各个环形区域处 的超材料单元上形 成的小孔 212 ' 的数量相同。

本发明实施例中，所述超材料面板 20'的每一核心层 210'的折射率以其中心 为圆心， 随着半径 r的变化规律如以下表达式：

式中《 _max 表示所述每一核心层 210'中的最大折射率值， d表示所有核心层的 总厚度， ss表示所述馈源 10到最靠近馈源 10位置的核心层 210'的距离， ！！ 表示所述每一核心层 210'内半径 r处折射率值， 1表示馈源 10辐射出电磁波的 波长， 其中，

« _mn 表示超材料面板 20'中每一核心层 210'内的最小折射率值， floor表示向 下取整。

通常当电磁波从一种介质传输到另一种介质的 时候， 由于阻抗不匹配的问 题， 会出现一部分电磁波反射， 这样影响电磁波的传输性能， 本发明中， 当从 馈源 10辐射出来的电磁波入射到超材料面板 20'时同样会产生反射， 为了减少 反射对雷达天线的影响，我们在超材料面板 20'的核心层 210'两侧堆成设置多个 超材料渐变层 220'， 如图 11所示。 如图 14所示， 每一超材料渐变层 220'均包括片状的第二基板层 22Γ、 片状 的填充层 223以及设置在所述第二基板层 221 '和填充层 223'之间的空气层 222'。 第二基板层 22Γ 可选用高分子聚合物、 陶瓷材料、 铁电材料、 铁氧材料等。 其 中高分子聚合物优选 FR-4或 F4B材料。每一渐变层 220'内的折射率分布是均匀 的， 多个超材料渐变层之间的折射率是不同的， 为了匹配空气与核心层 210'的 阻抗， 通常是通过调整所述空气层 222'的距离和通过在填充层 223'内填充含有 不同折射率的介质来实现阻抗匹配， 该介质也可以是与第二基板层 22Γ相同的 材料也可以是空气， 其中靠近空气的超材料渐变层 220'的折射率最接近空气且 朝核心层 210'方向折射率逐渐增加。

本发明中实施例中，所述超材料面板 20'的每一渐变层 220'内的折射率均匀 分布的， 且多个渐变层 220'间 （以核心层 210'—侧的多个渐变层 220为例） 折 射率分布的变化规律如以下表达式：

η _τ = ( ^max ^ ^mm ) ^m , 1=1、 2、 3、 …、 m， 其中 表示第 i层渐变层的折射率值， m表示渐变层的层数， 《 _mn 表示所述 每一核心层内的最小折射率值， 《 _max 表示所述每一核心层中的最大折射率值， 其 中第 m层渐变层与核心层靠近， 随着 m值的变小逐渐远离核心层， 第一层渐变 层为最外层渐变层。

综上所述， 本发明的一种后馈式雷达天线通过改变超材料 面板 20'内部的折 射率分布情况， 使得天线远场功率大大地增强了， 进而提升了天线传播的距离， 同时通过在天线腔体内部设置一层吸波材料层 40， 增加了天线的前后比， 使得 天线更具方向性。

以上所述仅为本发明的实施例， 并非因此限制本发明的专利范围， 凡是利 用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或 等效流程变换， 或直接或间接运 用在其他相关的技术领域， 均同理包括在本发明的专利保护范围内。