【技术领域】

本发明涉及天线领域， 更具体地说， 涉及一种前馈式微波天线。 【背景技术】

现有的前馈式微波天线， 通常由金属抛物面及位于金属抛物面焦点的辐 射 源构成， 金属抛物面的作用为将外部的电磁波反射给辐 射源或将辐射源发射的 电磁波反射出去。 金属抛物面的面积以及金属抛物面的加工精度 直接决定微波 天线的各项参数， 例如增益、 方向性等。

但现有的前馈式微波天线存在以下缺点： 一是从金属抛物面反射的电磁波 部分会被辐射源阻挡造成一定的能量损失， 二是金属抛物面制作困难， 成本较 高。 金属抛物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反射 面的安装。 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】

本发明要解决的技术问题在于， 针对现有技术的上述不足， 提供一种体积 较小、 成本低廉、 增益较高且传输距离远的前馈式微波天线。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是： 提出一种前馈式微波天线， 包括： 辐射源、 用于将该辐射源发射的电磁波发散的第一超材 料面板、 第二超 材料面板以及贴附于该第二超材料面板背部的 反射面板， 电磁波经过该第一超 材料面板被发散后进入该第二超材料面板产生 折射并被该反射面板反射后再次 进入该第二超材料面板再次发生折射并最终平 行出射； 该第一超材料面板包括 第一基材及周期排布于该第一基材上的多个第 三人造金属微结构或第三人造孔 结构； 该第二超材料面板包括核心层， 该核心层包括多个具有相同折射率分布 的核心超材料片层， 每一核心超材料片层包括一个圆心为该核心超 材料片层基 材中心的圆形区域和与该圆形区域同心的多个 环形区域， 该圆形区域和该环形 区域内折射率变化范围相同， 均随着半径的增大从该核心超材料片层的最大 折 射率 n _p 连续减小到该核心超材料片层的最小折射 率 n _Q 且相同半径处的折射率相 同； 该核心超材料片层包括核心超材料片层基材及 周期排布于该核心超材料片 层基材表面的多个第一人造金属微结构或第一 人造孔结构。

进一歩地， 该第二超材料面板还包括对称设置于该核心层 两侧的第一渐变 超材料片层至第 N渐变超材料片层， 其中对称设置的两层第 N渐变超材料片层 均靠近该核心层； 第一渐变超材料片层至第 N渐变超材料片层的最大折射率分 别为 1^、 n ₂ 、 n ₃ · · · n _n ， 其中 nc^n n n · · · <n _n <n _p ; 第 a层渐变超材料片层 的最大折射率为 ¾， 第 a层渐变超材料片层包括一个圆心为该第 a层渐变超材 料片层基材中心的圆形区域和与该圆形区域同 心的多个环形区域， 该圆形区域 和该环形区域内的折射率变化范围相同， 均随着半径的增大从第 a层渐变超材 料片层的最大折射率 ¾连续减小到所有渐变超材料片层和核心超材� ��片层所具 有的相同的最小折射率 1¾)且相同半径处的折射率相同； 该每一渐变超材料片层 包括渐变超材料片层基材以及周期排布于该渐 变超材料片层基材表面的多个第 二人造金属微结构或第二人造孔结构； 全部的渐变超材料片层和全部的核心超 材料片层构成了该第二超材料面板的功能层。

进一歩地， 该第二超材料面板还包括对称设置于该功能层 两侧的第一匹配 层至第 M匹配层，其中对称设置的两层第 M匹配层均靠近该第一渐变超材料片 层； 每一匹配层折射率分布均匀， 靠近自由空间的该第一匹配层折射率大致等 于自由空间折射率， 靠近该第一渐变超材料片层的第 M匹配层折射率大致等于 该第一渐变超材料片层最小折射率 n _Q 。

进一歩地， 所有渐变超材料片层与所有核心超材料片层上 被划分的圆形区 域和与圆形区域同心的环形区域的起始半径和 终止半径均相等； 每一渐变超材 料片层和所有核心超材料片层随着半径 r的变化， 折射率分布关系式为： 其中， 第一渐变超材料片层至第 N渐变超材料片层对应的 1值即为数值 1 至 N， 所有的核心超材料片层对应的 1值均为 N+1， s为该辐射源距该第一渐变 超材料片层的垂直距离； d为第一渐变超材料片层至第 N渐变超材料片层与所 有的核心超材料片层所具有的总厚度， ά= _ί ^λ ,其中 λ为该第二超材料面板

² ( - " ₀ ) 的工作波长； LG)表示核心超材料片层与渐变超材料片层上的 圆形区域以及与该 圆形区域同心的多个环形区域的起始半径值， 」表示第几区域， 其中 L I)表示第 一区域， 即该圆形区域， L(1)=0。 进一歩地， 周期排布于该核心超材料片层基材上的多个该 第一人造金属微 结构的尺寸变化规律为： 多个该第一人造金属微结构的几何形状相同， 该核心 超材料片层基材包括圆心为该核心超材料片层 基材中心的圆形区域以及与该圆 形区域同心的多个环形区域， 该圆形区域和该环形区域内第一人造金属微结 构 尺寸变化范围相同， 均随着半径的增大从最大尺寸连续减小到最小 尺寸且相同 半径处的第一人造金属微结构尺寸相同。

进一歩地， 该核心层两侧对称设置有第一渐变超材料片层 至第三渐变超材 料片层， 周期排布于该渐变超材料片层基材上的该第二 人造金属微结构的尺寸 变化规律为： 多个该第二人造金属微结构的几何形状相同， 该渐变超材料片层 基材包括圆心为渐变超材料片层基材中心的圆 形区域以及与该圆形区域同心的 多个环形区域， 该圆形区域和该环形区域内第二人造金属微结 构尺寸变化范围 相同， 均随着半径的增大从最大尺寸连续减小到最小 尺寸且相同半径处的第二 人造金属微结构尺寸相同。

进一歩地， 该第一人造孔结构内填充有折射率小于核心超 材料片层基材折 射率的介质， 周期排布于该核心超材料片层基材中的多个该 第一人造孔结构的 排布规律为： 该核心超材料片层基材包括圆心为该核心超材 料片层基材中心的 圆形区域以及与该圆形区域同心的多个环形区 域， 该圆形区域和该环形区域内 第一人造孔结构体积变化范围相同， 均随着半径的增大从最小体积连续增大到 最大体积且相同半径处的第一人造孔体积相同 。 进一歩地， 所述介质为空气。

进一歩地， 该第二人造孔结构内填充有折射率小于渐变超 材料片层基材折 射率的介质， 周期排布于该渐变超材料片层基材中的该第二 人造孔结构的排布 规律为： 该渐变超材料片层基材包括圆心为该渐变超材 料片层基材中心的圆形 区域以及与该圆形区域同心的多个环形区域， 该圆形区域和该环形区域内第二 人造孔结构体积变化范围相同， 均随着半径的增大从最小体积连续增大到最大 体积且相同半径处的第二人造孔体积相同。 进一歩地， 所述介质为空气。

进一歩地， 该多个第一人造金属微结构、 该多个第二人造金属微结构和该 多个第三人造金属微结构具有相同的几何形状 。

进一歩地， 该几何形状为 "工"字形， 包括竖直的第一金属分支以及位于 该第一金属分支两端且垂直于该第一金属分支 的第二金属分支。

进一歩地， 该几何形状还包括位于该第二金属分支两端且 垂直于该第二金 属分支的第三金属分支。

进一歩地， 该几何形状为平面雪花型， 包括相互垂直的两条第一金属分支 以及位于该第一金属分支两端且垂直于该第一 金属分支的第二金属分支。

进一歩地， 该第一超材料面板折射率呈圆形分布， 圆心为该第一超材料面 板中心点， 圆心处的折射率最小且随着半径的增大， 对应半径的折射率亦增大， 相同半径处折射率相同。

进一歩地， 该第一超材料面板由多个折射率分布相同的第 一超材料片层构 成； 该第三人造金属微结构在该第一基材上呈圆形 分布， 圆心为该第一超材料 面板中心点， 圆心处的第三人造金属微结构尺寸最小， 随着半径的增大， 对应 半径的第三人造金属微结构尺寸亦增大且相同 半径处的第三人造金属微结构尺 寸相同。

进一歩地， 该第一超材料面板由多个折射率分布相同的第 一超材料片层构 成； 该第三人造孔结构内填充有折射率小于第一基 材折射率的介质， 周期排布 于该第一基材中的该第三人造孔结构的排布规 律为： 以该第一超材料面板中心 点为圆心， 圆心处的第三人造孔结构体积最大， 相同半径处的第三人造孔结构 体积相同， 随着半径增大， 第三人造孔结构体积减小。 进一歩地， 该介质为空 实施本发明的技术方案， 具有以下有益效果： 通过设计超材料面板核心层 和渐变层上及各自之间的折射率变化将辐射源 发射的电磁波经过两次折射后转 换为平面波， 从而提高了天线的汇聚性能， 大大减少了反射损耗， 也就避免了 电磁能量的减少， 增强了传输距离， 提高了天线性能。 进一歩地， 本发明还在 辐射源前端设置具有发散功能的超材料， 从而提高辐射源的近距离辐射范围， 使得前馈式微波天线整体能够更小的尺寸并使 得被核心层反射回来的电磁波绕 过辐射源而不会产生辐射源阴影、 造成能量损失。 更进一歩地， 本发明采用人 造微金属结构或人造孔结构构成超材料， 具有工艺简单、 成本低廉的有益效果。

【附图说明】

下面将结合附图及实施例对本发明作进一歩说 明， 附图中：

图 1是本发明第一实施例中构成超材料的基本单� �的立体结构示意图； 图 2是本发明第一实施例的前馈式微波天线的结� �示意图；

图 3 是本发明第一实施例的前馈式微波天线中构成 第一超材料面板的第一 超材料片层的结构示意图；

图 4 是本发明第一实施例的前馈式微波天线中第二 超材料面板的立体结构 示意图；

图 5 是本发明第一实施例的前馈式微波天线中第二 超材料面板上核心层随 半径变化的折射率分布示意图 ；

图 6 是本发明第一实施例中能对电磁波产生响应以 改变超材料基本单元折 射率的第一较佳实施方式的人造金属微结构的 几何形状拓扑图案；

图 7为图 6中人造金属微结构几何形状拓扑图案的衍生� �案；

图 8 是本发明第一实施例中能对电磁波产生响应以 改变超材料基本单元折 射率的第二较佳实施方式的人造金属微结构的 几何形状拓扑图案；

图 9为图 8中人造金属微结构几何形状拓扑图案的衍生� �案；

图 10是本发明第二实施例中构成超材料的基本单� ��的立体结构示意图； 图 11是本发明第二实施例的前馈式微波天线的结� ��示意图；

图 12是本发明第二实施例的前馈式微波天线中构� ��第一超材料面板的第一 超材料片层的结构示意图；

图 13是本发明第二实施例的前馈式微波天线中第� ��超材料面板的立体结构 示意图； 图 14是本发明第二实施例的前馈式微波天线中第� ��超材料面板的匹配层的 剖视图。

【具体实施方式】

光， 作为电磁波的一种， 其在穿过玻璃的时候， 因为光线的波长远大于原 子的尺寸， 因此我们可以用玻璃的整体参数， 例如折射率， 而不是组成玻璃的 原子的细节参数来描述玻璃对光线的响应。 相应的， 在研究材料对其他电磁波 响应的时候， 材料中任何尺度远小于电磁波波长的结构对电 磁波的响应也可以 用材料的整体参数， 例如介电常数 ε和磁导率 μ来描述。 通过设计材料每点的 结构使得材料各点的介电常数和磁导率都相同 或者不同从而使得材料整体的介 电常数和磁导率呈一定规律排布， 规律排布的磁导率和介电常数即可使得材料 对电磁波具有宏观上的响应， 例如汇聚电磁波、 发散电磁波等。 该类具有规律 排布的磁导率和介电常数的材料我们称之为超 材料。

如图 1所示， 图 1是本发明第一实施例中构成超材料的基本单� �的立体结 构示意图。超材料的基本单元包括人造微结构 1以及该人造微结构附着的基材 2。 本发明中， 人造微结构为人造金属微结构， 人造金属微结构具有能对入射电磁 波电场或磁场产生响应的平面或立体拓扑结构 ， 改变每个超材料基本单元上的 人造金属微结构的图案或尺寸即可改变每个超 材料基本单元对入射电磁波的响 应。 多个超材料基本单元按一定规律排列即可使得 超材料对电磁波具有宏观的 响应。 由于超材料整体需对入射电磁波有宏观电磁响 应因此各个超材料基本单 元对入射电磁波的响应需形成连续响应， 这要求每一超材料基本单元的尺寸为 入射电磁波的十分之一至五分之一， 优选为入射电磁波的十分之一。 本段描述 中， 我们人为地将超材料整体划分为多个超材料基 本单元， 但应知此种划分方 法仅为描述方便， 不应看成超材料由多个超材料基本单元拼接或 组装而成， 实 际应用中超材料是将人造金属微结构周期排布 于基材上即可构成， 工艺简单且 成本低廉。 周期排布即指上述我们人为划分的各个超材料 基本单元上的人造金 属微结构能对入射电磁波产生连续的电磁响应 。

如图 2所示， 图 2是本发明第一实施例的前馈式微波天线的结� �示意图。 图 2中， 本发明前馈式微波天线包括辐射源 20、 第一超材料面板 30、 第二超材 料面板 10以及位于第二超材料面板 10背部的反射面板 40。 本发明中， 辐射源 20发射的电磁波频率为 12.4G赫兹至 18G赫兹。

第一超材料面板 30可直接贴附于辐射源 20的辐射端口上， 但是， 当第一 超材料面板 30直接贴附于辐射源 20的辐射端口上时辐射源 20辐射的电磁波部 分会被第一超材料面板 30反射造成能量损失， 因此本发明中， 第一超材料面板 30设置于辐射源 20前方。 第一超材料面板 30由多片折射率分布相同的第一超 材料片层 300构成， 如图 3所示， 图 3是本发明第一实施例的第一超材料片层 300的立体结构示意图，为清楚介绍第一超材料 片层 300，图 3采用透视图画法， 第一超材料片层 300包括第一基材 301 以及周期排布于第一基材上的多个第三 人造金属微结构 302， 优选地， 在多个第三人造金属微结构 302上还覆盖有覆盖 层 303使得第三人造金属微结构 302被封装， 覆盖层 303与第一基材材质 301 相等且厚度相等。 本发明中， 覆盖层 303与第一基材 301的厚度均为 0.4毫米， 而人造金属微结构层的厚度为 0.018 毫米， 因此整个第一超材料片层的厚度为 0.818毫米。

构成第一超材料片层 300的基本单元仍如图 1所示，但第一超材料片层 300 需具有发散电磁波的功能， 根据电磁学原理， 电磁波向折射率大的方向偏折。 因此， 第一超材料片层 300上的折射率变化规律为： 第一超材料片层 300折射 率呈圆形分布， 圆心为第一超材料面板中心点， 圆心处的折射率最小且随着半 径的增大， 对应半径的折射率亦增大， 相同半径处折射率相同。 具有该类折射 率分布的第一超材料片层 300使得辐射源 20辐射出来的电磁波被发散， 从而提 高辐射源的近距离辐射范围， 使得微波天线整体能够更小的尺寸， 并能使得被 反射面反射出来的电磁波不被辐射源挡住。

更具体地， 本发明中， 第一超材料片层 300上的折射率分布规律可以为线 性变化， 即 _n ( _R )=n _mm +KR， K为常数， R为圆形分布的第三人造金属微结构附着 的超材料基本单元中心点与第一基材中心点的 连线距离， n _mm 为第一基材中心点 所具有的折射率值。 另外， 第一超材料片层 300上的折射率分布规律亦可为平 方率变化， 即 n( _R )=n _mm +KR ² _; 或为立方率变化， 即 n( _R )=n _mm +KR ³ _; 或为冥函数变 化， 即 _n ( _R )=n _mm *K ^R 等。 由上述第一超材料片层 300的变化公式可知， 只要第一 超材料片层 300满足发散辐射源发射的电磁波即可。 下面详细描述本发明微波天线第二超材料面板 。 被第一超材料面板发散的 电磁波进入第二超材料面板后发生折射并被反 射面板反射， 反射的电磁波再次 进入第二超材料面板再次发生折射后使得发散 的球面电磁波以更适于远距离传 输的平面电磁波辐射出去。 如图 4所示， 图 4是本发明第一实施例的第二超材 料面板和反射面板的立体结构示意图。图 4中，第二超材料面板 10包括核心层， 该核心层由多个折射率分布相同的核心超材料 片层 11构成； 设置于核心层两侧 的第一渐变超材料片层 101至第 N渐变超材料片层， 本实施例中渐变超材料片 层为第一渐变超材料片层 101、第二渐变超材料片层 102以及第三渐变超材料片 层 103; 设置于第一渐变超材料片层 101两侧的第一匹配层 111至第 M匹配层， 每一匹配层 111折射率分布均匀且靠近自由空间的第一匹配 层 111折射率大致等 于自由空间折射率， 靠近第一渐变超材料片层 101 的最后一层匹配层折射率大 致等于该第一渐变超材料片层 101 最小的折射率； 本实施例中匹配层包括第一 匹配层 111、 第二匹配层 112以及第三匹配层 113。 渐变超材料片层与匹配层均 具有减少电磁波的反射， 并起到阻抗匹配和相位补偿的作用， 因此设置渐变超 材料片层和匹配层是较优选的实施方式。

匹配层结构与第一超材料片层类似， 由覆盖层和基材构成， 与第一超材料 片层不同之处在于， 覆盖层和基材中间全部填充有空气， 通过改变覆盖层与基 材的间距以改变空气的占空比从而使得各匹配 层具有不同的折射率。

构成核心超材料片层和渐变超材料片层的基本 单元均如图 1 所示， 且本发 明中， 为简化制作工艺， 核心超材料片层和渐变超材料片层的尺寸结构 与第一 超材料片层相同， 即均由 0.4毫米的覆盖层、 0.4毫米的基材以及 0.018毫米的 人造金属微结构构成各核心超材料片层与各渐 变超材料片层。 同时， 本发明中， 分别构成核心超材料片层、 渐变超材料片层与第一超材料片层的第一人造 金属 微结构、 第二人造金属微结构与第三人造金属微结构的 几何形状均相同。

核心超材料片层和渐变超材料片层均被划分为 一个圆形区域和与所述圆形 区域同心的多个环形区域， 且圆形区域和环形区域内的折射率均随着半径 的增 大从各片层所具有的最大折射率连续减小到 n _Q ， 处于相同半径的超材料基本单 元的折射率值相同。 其中核心超材料片层具有的最大折射率为 n _p ， 第一渐变超 材料片层至第 N渐变超材料片层的最大折射率分别为 _ηι 、 η ₂ 、 η ₃ · · · η _η ， 其中 ηο< _ηι <η ₂ <η ₃ < · · · <¾<¾。 所有渐变超材料片层与所有核心超材料片层上 被划分 的圆形区域和与圆形区域同心的环形区域的起 始半径和终止半径均相等； 每一 渐变超材料片层和所有核心超材料片层随着半 径 r 的变化， 折射率分布关系式 为 ·· 1值即为数值 1 至 N， 所有的核心层对应的 1值均为 N+1， s为所述辐射源距所述第一渐变超材 料片层的垂直距离， d为第一渐变超材料片层至第 N渐变超材料片层与所有的 λ

核心超材料片层所具有的总厚度， d= ·,其中 λ为第二超材料面板的工作

² ( - " ₀ ) 波长， 第二超材料面板的工作波长在实际应用时确定 ， 根据上述对超材料片层 的描述可知， 本实施例中各超材料片层的厚度均为 0.818毫米， 当确定第二超材 料面板的工作波长以后即可确定 d值， 从而可得到实际应用中应制作的超材料 片层的层数； LG)表示所述核心超材料片层与所述渐变超材料 片层上的所述圆形 区域以及与所述圆形区域同心的多个环形区域 的起始半径值， j表示第几区域， 其中 ι ι)表示第一区域， 即所述圆形区域， ι ι;ι=ο。 下面论述较佳的 LG)的确定方法，从辐射源辐射的电磁波入射进 入第一渐变 超材料片层时， 由于不同的出射角度使得入射到第一渐变超材 料片层的电磁波 经过的光程不相等， s为辐射源距第一渐变超材料片层的垂直距离� �是入射到第 一渐变超材料片层的电磁波所经过的最短光程 ， 此时， 该入射点即对应第一渐 变超材料片层的圆形区域起始半径， 即 j=i 时对应的 ι ι;ι=ο。 当辐射源发出的 某束电磁波入射到第一渐变超材料片层时， 其经过的光程为 s+ λ时， 该束电磁 波的入射点与垂直入射时入射点的距离即为多 个环形区域的第一环形区域的起 始半径亦为圆形区域的终止半径， 根据数学公式可知， J=2 时， 对应的 ， 其中 λ为入射电磁波的波长值。 当辐射源发出的某束电磁波 入射第一渐变超材料片层时， 其经过的光程为 时， 该束电磁波的入射点与 垂直入射时入射点的距离即为多个环形区域的 第二环形区域的起始半径亦为第 一环形区域的终止半径，根据数学公式可知， j=3时，对应的 ， 以此类推可知圆形区域和与圆形区域同心的各 环形区域的起始半径和终止半 径。

为了更直观表示上述变化规律， 图 5 给出了核心层随半径变化的折射率示 意图。 图 5中， 每个区域的折射率均由 n _p 逐渐变化到 n _Q ， 各个区域的起始半径 和终止半径根据上述 LG)的关系式给出。 图 5仅给出了三个区域即 L(2)至 L(4) 的区域变化范围， 但应知其仅为示意性的， 实际应用中可根据需要应用上述 LG) 的推导得出任意区域的起始和终止半径。 渐变层折射率随半径变化的折射率示 意图与图 5类似， 不同之处仅在于其最大值不为 n _p ， 而是其自身的折射率最大 值。

上面详细论述了第一超材料面板和第二超材料 面板的整体折射率分布关 系， 由超材料原理可知， 基材上附着的人造金属微结构的尺寸和图案直 接决定 超材料各点的折射率值。 同时， 根据实验可知， 相同几何形状的人造金属微结 构其尺寸越大时， 对应的超材料基本单元折射率越大。 本发明中， 由于多个第 一人造金属微结构、 多个第二人造金属微结构、 多个第三人造金属微结构几何 形状均相同， 因此构成第一超材料面板的第一超材料片层上 的第三人造金属微 结构排布规律为： 多个第三人造微结构为第三人造金属微结构且 几何形状相同， 所述第三人造金属微结构在所述第一基材上呈 圆形分布， 圆心为所述第一基材 中心点且圆心处的第三人造金属微结构尺寸最 小， 随着半径的增大， 对应半径 的第三人造金属微结构尺寸亦增大且相同半径 处的第三人造金属微结构尺寸相 同。 渐变超材料片层上的第二人造金属微结构排布 规律为： 多个第二人造金属 微结构的几何形状相同， 渐变超材料片层基材包括圆心为渐变超材料片 层基材 中心的圆形区域以及与所述圆形区域同心的多 个环形区域， 所述圆形区域和所 述环形区域内第二人造金属微结构尺寸变化范 围相同， 均随着半径的增大从最 大尺寸连续减小到最小尺寸且相同半径处的第 二人造金属微结构尺寸相同。 核 心超材料片层上的第一人造金属微结构排布规 律为： 多个第一人造金属微结构 的几何形状相同， 核心超材料片层的基材包括圆心为所述核心超 材料片层基材 中心的圆形区域以及与所述圆形区域同心的多 个环形区域， 所述圆形区域和所 述环形区域内第一人造金属微结构尺寸变化范 围相同， 均随着半径的增大从最 大尺寸连续减小到最小尺寸且相同半径处的第 一人造金属微结构尺寸相同。 满足上述第一超材料面板和第二超材料面板折 射率分布要求的人造金属微 结构的几何形状有多种， 但基本都为能对入射电磁波产生响应的几何形 状。 由 于改变入射电磁波磁场较为困难， 因此目前多数人造金属微结构均为能对入射 电磁波电场响应的几何形状， 最典型的即为 "工"字形人造金属微结构。 下面 详细描述几种人造金属微结构几何形状。 第一超材料面板和第二超材料面板可 根据其需要的最大折射率和最小折射率调整人 造金属微结构的尺寸以使其满足 要求， 调整的方式可通过计算机仿真亦可通过手工计 算， 由于其不是本发明重 点， 因此不作详细描述。

如图 6所示， 图 6是本发明第一实施例中能对电磁波产生响应� �改变超材 料基本单元折射率的第一较佳实施方式的人造 金属微结构的几何形状拓扑图 案。 图 6中， 人造金属微结构呈 "工"字形， 包括竖直的第一金属分支 1021以 及分别垂直该第一金属分支 1021且位于第一金属分支 1021两端的第二金属分 支 1022， 图 7为图 6中人造金属微结构几何形状拓扑图案的衍生� �案， 其不仅 包括第一金属分支 1021、 第二金属分支 1022， 每条第二金属分支两端还垂直设 置有第三金属分支 1023。

图 8 是本发明第一实施例中能对电磁波产生响应以 改变超材料基本单元折 射率的第二较佳实施方式的人造金属微结构的 几何形状拓扑图案。 图 8 中， 人 造金属微结构呈平面雪花型， 包括相互垂直的第一金属分支 102Γ 以及两条第 一金属分支 102Γ 两端均垂直设置有第二金属分支 1022' ； 图 9为图 8所示人 造金属微结构几何形状拓扑图案的衍生图案， 其不仅包括两条第一金属分支 1021， 、 四条第二金属分支 1022' ， 四条第二金属分支两端还垂直设置有第三 金属分支 1023 ' 。 优选地， 第一金属分支 102Γ 长度相等且垂直于中点相交， 第二金属分支 1022' 长度相等且中点位于第一金属分支 102Γ 端点， 第三金属 分支 1023 ' 长度相等且中点位于第二金属分支 1022' 端点； 上述金属分支的设 置使得人造金属微结构呈各向同性， 即在人造金属微结构所属平面内任意方向 旋转人造金属微结构 90° 都能与原人造金属微结构重合。 采用各向同性的人造 金属微结构能简化设计、 减少干扰。

如图 10所示， 图 10是本发明第二实施例中构成超材料的基本单� ��的立体 结构示意图。 超材料的基本单元包括基材 2' 以及在基材 2' 中形成的人造孔结 构 Γ 。 在基材 2' 中形成人造孔结构 Γ 使得基材 2' 每点的介电常数和磁导 率随着人造孔结构 Γ 体积的不同而不同，从而每个超材料基本单元 对相同频率 的入射波具有不同的电磁响应。 多个超材料基本单元按一定规律排列即可使得 超材料对电磁波具有宏观的响应。 由于超材料整体需对入射电磁波有宏观电磁 响应， 因此各个超材料基本单元对入射电磁波的响应 需形成连续响应， 这要求 每一超材料基本单元的尺寸为入射电磁波的十 分之一至五分之一， 优选为入射 电磁波的十分之一。 本段描述中， 我们人为的将超材料整体划分为多个超材料 基本单元， 但应知此种划分方法仅为描述方便， 不应看成超材料由多个超材料 基本单元拼接或组装而成， 实际应用中超材料是将人造孔结构周期排布于 基材 中即可构成， 工艺简单且成本低廉。 周期排布即指上述我们人为划分的各个超 材料基本单元上能对入射电磁波产生连续的电 磁响应。

如图 11所示， 图 11是本发明第二实施例的前馈式微波天线的结� ��示意图。 图 11 中， 本发明前馈式微波天线包括辐射源 20、 第一超材料面板 30' 、 第二 超材料面板 10' 以及位于第二超材料面板 10' 背部的反射面板 40。 本发明中， 辐射源 20发射的电磁波频率为 12.4G赫兹至 18G赫兹。

第一超材料面板 30' 可直接贴附于辐射源 20的辐射端口上， 但是， 当第一 超材料面板 30' 直接贴附于辐射源 20的辐射端口上时辐射源 20辐射的电磁波 部分会被第一超材料面板 30 ' 反射造成能量损失， 因此本发明中， 第一超材料 面板 30' 设置于辐射源 20前方。 第一超材料面板 30' 由多片折射率分布相同 的第一超材料片层 300' 构成， 如图 12所示， 图 12是本发明第二实施例的第一 超材料片层 300 ' 的立体结构示意图，第一超材料片层 300' 包括第一基材 30Γ 以及周期排布于第一基材中的多个第三人造孔 结构 302' 。

构成第一超材料片层 300 ' 的基本单元仍如图 10所示， 但第一超材料片层 300' 需具有发散电磁波的功能， 根据电磁学原理， 电磁波向折射率大的方向偏 折。因此，第一超材料片层 300' 上的折射率变化规律为：第一超材料片层 300' 折射率呈圆形分布， 圆心处的折射率最小且随着半径的增大， 对应半径的折射 率亦增大且相同半径处折射率相同。 具有该类折射率分布的第一超材料片层 300' 使得辐射源 20辐射出来的电磁波被发散， 从而提高辐射源的近距离辐射 范围， 使得前馈式微波天线整体能够更小的尺寸， 并能使得被反射面板反射出 来的电磁波不被辐射源挡住。

更具体地， 本发明中， 第一超材料片层 300' 上的折射率分布规律可以为线 性变化， 即 _n ( _R )=n _mm +KR， K为常数， R为圆形分布的形成有第三人造孔结构的 超材料基本单元中心点与第一基材中心点的连 线距离， n _mm 为第一基材中心点所 具有的折射率值。另外， 第一超材料片层 300' 上的折射率分布规律亦可为平方 率变化， 即 n( _R )=n _mm +KR ² _; 或为立方率变化即 n( _R )=n _mm +KR ³ _; 或为冥函数变化， 即 n( _R )=n _mm *K ^R 等。 由上述第一超材料片层 300' 的变化公式可知， 只要第一超 材料片层 300' 满足发散辐射源发射的电磁波即可。

下面详细描述本发明前馈式微波天线第二超材 料面板。 被第一超材料面板 发散的电磁波进入第二超材料面板后发生折射 并被反射面板反射， 反射的电磁 波再次进入第二超材料面板再次发生折射后使 得发散的球面电磁波以更适于远 距离传输的平面电磁波辐射出去。 如图 13所示， 图 13是本发明第二实施例的 第二超材料面板的立体结构示意图。图 13中，第二超材料面板 10' 包括核心层， 该核心层由多个折射率分布相同的核心超材料 片层 1 构成； 设置于核心层前 侧的第一渐变超材料片层 10Γ 至第 N渐变超材料片层， 本实施例中渐变超材 料片层为第一渐变超材料片层 10Γ 、 第二渐变超材料片层 102' 以及第三渐变 超材料片层 103 ' ； 设置于第一渐变超材料片层 10Γ 前侧的第一匹配层 11Γ 至第 M匹配层，每一匹配层折射率分布均匀且靠近� �由空间的第一匹配层 11Γ 折射率大致等于自由空间折射率，靠近第一渐 变超材料片层 10Γ 的最后一层匹 配层折射率大致等于该第一渐变超材料片层 10Γ 最小的折射率。渐变超材料片 层与匹配层均具有减少电磁波的反射， 并起到阻抗匹配和相位补偿的作用， 因 此设置渐变超材料片层和匹配层是较优选的实 施方式。

本实施例中， 匹配层由具有空腔 1111的片层构成， 空腔的体积越大使得片 层的折射率越小， 通过空腔的体积逐渐变化使得各匹配层的折射 率逐渐变化。 匹配层的剖视图如图 14所示。

构成核心超材料片层和渐变超材料片层的基本 单元均如图 10所示。

核心超材料片层和渐变超材料片层均被划分为 一个圆形区域和与所述圆形 区域同心的多个环形区域， 且圆形区域和环形区域内的折射率均随着半径 的增 大从各片层所具有的最大折射率连续减小到 n _Q ， 处于相同半径的超材料基本单 元的折射率值相同。 其中核心超材料片层具有的最大折射率为 n _p ， 第一渐变超 材料片层至第 N渐变超材料片层的最大折射率分别为 _ηι 、 η ₂ 、 η ₃ · · · η _η ， 其中 ηο< _ηι <η ₂ <η ₃ < · · · <¾<¾。 所有渐变超材料片层与所有核心超材料片层上 被划分 的圆形区域和与圆形区域同心的环形区域的起 始半径和终止半径均相等； 每一 渐变超材料片层和所有核心超材料片层随着半 径 r 的变化， 折射率分布关系式 为： 其中， 第一渐变超材料片层至第 Ν渐变超材料片层对应的 1值即为数值一 至 Ν， 所有的核心层对应的 1值均为 Ν+1， s为所述辐射源距所述第一渐变超材 料片层的垂直距离， d为第一渐变超材料片层至第 Ν渐变超材料片层与所有的 核心超材料片层所具有的总厚度， d= λ

·,其中 λ为第二超材料面板的工作

² ( - " ₀ ) 波长， 第二超材料面板的工作波长在实际应用时确定 ， 根据上述对超材料片层 的描述可知， 本实施例中各超材料片层的厚度均为 0.818毫米， 当确定第二超材 料面板的工作波长以后即可确定 d值， 从而可得到实际应用中应制作的超材料 片层的层数； LG)表示所述核心超材料片层与所述渐变超材料 片层上的所述圆形 区域以及与所述圆形区域同心的多个环形区域 的起始半径值， j表示第几区域， 其中 ι ι)表示第一区域， 即所述圆形区域， ι ι;ι=ο。 下面论述较佳的 LG)的确定方法，从辐射源辐射的电磁波入射进 入第一渐变 超材料片层时， 由于不同的出射角度使得入射到第一渐变超材 料片层的电磁波 经过的光程不相等， s为辐射源距第一渐变超材料片层的垂直距离� �是入射到第 一渐变超材料片层的电磁波所经过的最短光程 ， 此时， 该入射点即对应第一渐 变超材料片层的圆形区域起始半径， 即 j=i 时对应的 ι ι;ι=ο。 当辐射源发出的 某束电磁波入射到第一渐变超材料片层时， 其经过的光程为 s+ λ时， 该束电磁 波的入射点与垂直入射时入射点的距离即为多 个环形区域的第一环形区域的起 始半径亦为圆形区域的终止半径， 根据数学公式可知， J=2 时， 对应的 其中 λ为入射电磁波的波长值。 当辐射源发出的某束电磁波 入射第一渐变超材料片层时， 其经过的光程为 时， 该束电磁波的入射点与 垂直入射时入射点的距离即为多个环形区域的 第二环形区域的起始半径亦为第 一环形区域的终止半径，根据数学公式可知， j=3时，对应的

以此类推可知圆形区域和与圆形区域同心的 各环形区域的起始半径和终止半 径。

上述变化规律参见上一实施例图 5及相关描述， 此处不再赘述。

上面详细论述了第一超材料面板和第二超材料 面板的整体折射率分布关 系， 由超材料原理可知， 基材中的人造孔结构的体积直接决定超材料各 点的折 射率值。 同时， 根据实验可知， 当人造孔结构内填充有折射率小于基材的介质 时， 人造孔结构的体积越大， 其对应的超材料基本单元的折射率越小。 本发明 中， 构成第一超材料面板的第一超材料片层上的第 三人造孔结构排布规律为： 第三人造孔结构内填充有折射率小于第一基材 折射率的介质， 第一超材料片层 的基本单元在第一基材上呈圆形分布， 圆心为所述第一基材中心点， 圆心处的 第一超材料片层的基本单元上的第三人造孔结 构体积最大， 随着半径的增大， 对应半径的第三人造孔结构体积亦增大且相同 半径处的第三人造孔结构体积相 同。 渐变超材料片层上的第二人造孔结构排布规律 为： 第二人造孔结构内填充 有折射率小于渐变超材料片层基材折射率的介 质， 渐变超材料片层基材包括圆 心为所述渐变超材料片层基材中心点的圆形区 域以及与圆形区域同心的多个环 形区域， 圆形区域和环形区域内第二人造孔结构占据渐 变超材料片层基本单元 的体积的变化范围相同， 均随着半径的增大， 第二人造孔结构占据渐变超材料 片层基本单元的体积从最小体积连续增大到最 大体积且相同半径处第二人造孔 结构占据渐变超材料片层基本单元的体积相同 。 核心超材料片层上的第一人造 孔结构排布规律为： 第一人造孔结构内填充有折射率小于核心超材 料片层基材 折射率的介质， 核心超材料片层基材包括圆心为所述渐变超材 料片层基材中心 点的圆形区域以及与所述圆形区域同心的多个 环形区域， 所述圆形区域和所述 环形区域内第一人造孔结构占据核心超材料片 层基本单元的体积的变化范围相 同， 均随着半径的增大， 第一人造孔结构占据核心超材料片层基本单元 的体积 从最小体积连续增大到最大体积且相同半径处 第一人造孔结构占据核心超材料 片层基本单元的体积相同。 上述第一人造孔结构、 第二人造孔结构和第三人造 孔结构内填充的折射率小于基材折射率的介质 为空气。

可以想象地， 当第一人造孔结构、 第二人造孔结构或第三人造孔结构内填 充介质的折射率大于基材折射率时， 各人造孔的体积与上述排布规律相反即可。

满足上述第一超材料面板和第二超材料面板折 射率分布要求的人造孔结构 的形状并不受限制， 只要其所占据超材料基本单元的体积满足上述 排布规律即 可。 同时， 每一超材料基本单元内也可形成有多个体积相 同的人造孔结构， 此 时需要使得每一超材料基本单元上所有的人造 孔体积之和满足上述排布规律。

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， 上述的具体实施方式仅仅是示意性的， 而不是限制性的， 本 领域的普通技术人员在本发明的启示下， 在不脱离本发明宗旨和权利要求所保 护的范围情况下， 还可做出很多形式， 这些均属于本发明的保护之内。