【技术领域】

本发明涉及天线领域， 更具体地说， 涉及一种高透射天线。 【背景技术】

超材料是一种新型材料， 是由非金属材料制成的基材和附着在基材表面 上 或嵌入在基材内部的多个人造微结构构成的。 人造微结构是组成一定几何图形 的圓柱形或扁平状金属丝， 例如组成圓环形、 I形的金属丝等。 每个人造微结构 及其附着或占据的部分基材构成一个单元， 整个超材料即是由数十万、 百万甚 至上亿的这样的单元组成的， 就像晶体是由无数的晶格按照一定的排布构成 的， 每个晶格即相当于上述的人造微结构及部分基 材构成的单元。

由于人造微结构的存在， 每个上述单元整体具有不同于基材本身的等效 介 电常数和等效磁导率， 因此所有的单元构成的超材料对电场和磁场呈 现出特殊 的响应特性； 同时， 对人造微结构设计不同的具体结构和形状， 可改变其单元 的等效介电常数和等效磁导率， 进而改变整个超材料的响应特性。

当电磁波经过同一介质时， 基本没有能量的损失； 而当电磁波经过不同介 质的分界面时， 会发生部分反射现象。 通常两边介质的电磁参数（介电常数或 者磁导率） 差距越大反射就会越大。 由于部分电磁波的反射， 沿传播方向的电 磁能量就会相应损耗， 严重影响电磁信号传播的距离和传输信号的质 量。 现有 的基于超材料的天线在设计时， 为了避免折射率的变化使得在电磁波传播时产 生反射， 减少反射干扰与损耗， 通常会在超材料面板上添加阻抗匹配层来减小 反射的损耗， 如图 1所示， 在超材料面板 10上增设阻抗匹配层 30, 辐射源 20 发出的电磁波经过阻抗匹配层 30和超材料面板 10汇聚后以平面波射出。 这样 不仅增加了超材料薄膜的厚度， 还会增加制作成本， 同时增加了使用超材料实 现的天线的尺寸以及制作和安装的难度。

而且， 通常一个天线只能工作在一个工作频点上， 在不同于其工作频点的 其他频点无法响应。

【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工作频点单一、 尺寸 大、 成本高的缺陷， 提供一种高透射天线。

本发明解决其技术问题所釆用的技术方案是： 提供一种高透射天线， 包括： 辐射源和具有电磁波汇聚功能且工作在第一波 长的电磁波汇聚元件； 所述电磁 波汇聚元件包括多个顶面为凹面且底面为平面 的同心圓环体和填充在所述多个 同心圓环体的凹面上的填充体； 每一圓环体的厚度随着半径的增大逐渐增大， 使得辐射源发射的电磁波入射到所述凹面时产 生的反射波与所述电磁波入射到 所述底面时产生的反射波发生干涉而相互抵消 ， 并且， 所述电磁波汇聚元件用 于将所述辐射源发射的电磁波转换为平面波并 使得所述天线同时工作在第二波 长和第三波长上， 所述第二波长和第三波长均小于第一波长， 并且所述第一波 长是第二波长或第三波长的整数倍； 所述填充体使得所述多个同心圓环体的顶 面为平面且与底面平行， 所述填充体各处的折射率相同；

其中，每一圓环体的折射率随着半径的增大从 n _m 连续减小到 n _n 且相同半径 处的折射率相同， 所述电磁波汇聚元件的厚度 d满足如下公式： d(r) = , ^ ~~ ,

- ⁷ # ⁷ ¾

( S为所述辐射源到所述电磁波汇聚元件的距离� � 为第一波长， d ₀ = ~ ^ ^ , n _m 为每一圓环体的最大折射率，¾为每一圓� ��体的最小折射率， L(i) 为半径 r所在的自内向外第 i个圓环体的起始半径， 且 J(1) = 0 )。

在本发明所述的高透射天线中， 每一圓环体内设有多个人造微结构， 所述 多个人造微结构使得每一圓环体的折射率随着 半径的增大从 n _m 连续减小到 ¾且 相同半径处的折射率相同。

在本发明所述的高透射天线中， 所述多个人造微结构具有相同的几何形状， 且每一圓环体的人造微结构的尺寸随着半径的 增大连续减小且相同半径处的人 造微结构的尺寸相同。

在本发明所述的高透射天线中， 所述人造微结构为由至少一根金属丝组成 的平面结构或立体结构。

在本发明所述的高透射天线中， 所述金属丝为铜丝或银丝。

在本发明所述的高透射天线中， 所述金属丝通过蚀刻、 电镀、 钻刻、 光刻、 电子刻或离子刻的方法附着在每一圓环体内。

在本发明所述的高透射天线中， 所述填充体的折射率小于等于 n _n 。

在本发明所述的高透射天线中， 所述填充体的折射率为 1。

本发明解决其技术问题所釆用的另一技术方案 是： 提供一种高透射天线， 包括辐射源和具有电磁波汇聚功能且工作在第 一波长的电磁波汇聚元件， 所述 电磁波汇聚元件用于将所述辐射源发射的电磁 波转换为平面波并使得所述天线 同时工作在小于所述第一波长且与所述第一波 长成不同倍数关系的第二波长和 第三波长上； 所述电磁波汇聚元件包括多个顶面为凹面且底 面为平面的同心圓 环体， 每一圓环体的厚度随着半径的增大逐渐增大， 使得辐射源发射的电磁波 入射到所述 IHJ面时产生的反射波与入射到所述底面时产生 的反射波发生干涉而 相互 4氐消。

在本发明所述的高透射天线中， 每一圓环体的折射率随着半径的增大从 连续减小到" "且相同半径处的折射率相同， 所述电磁波汇聚元件的厚度 d满足 如下公式：

d(r) = , ^ ~~ ,

- ⁷ # ⁷ ¾ 其中， S为所述辐射源到所述电磁波汇聚元件的距离� � 为第一波长， d ₀ = ~ ^ ^ , n _m 为每一圓环体的最大折射率，¾为每一圓� ��体的最小折射率， L(i) 为半径 r所在的自内向外第 i个圓环体的起始半径， 且 J(1) = 0。 在本发明所述的高透射天线中， 每一圓环体内设有多个人造微结构， 所述 多个人造微结构使得每一圓环体的折射率随着 半径的增大从 n _m 连续减小到 ¾且 相同半径处的折射率相同。

在本发明所述的高透射天线中， 所述多个人造微结构具有相同的几何形状， 且每一圓环体的人造微结构的尺寸随着半径的 增大连续减小且相同半径处的人 造微结构的尺寸相同。

在本发明所述的高透射天线中， 所述人造微结构为由至少一根金属丝组成 的平面结构或立体结构。

在本发明所述的高透射天线中， 所述金属丝为铜丝或银丝。

在本发明所述的高透射天线中， 所述金属丝通过蚀刻、 电镀、 钻刻、 光刻、 电子刻或离子刻的方法附着在每一圓环体内。

在本发明所述的高透射天线中， 所述电磁波汇聚元件还包括填充在所述多 个同心圓环体的凹面上的填充体， 所述填充体使得所述多个同心圓环体的顶面 为平面且与底面平行， 所述填充体各处的折射率相同。

在本发明所述的高透射天线中， 所述填充体的折射率小于等于 n _n 。

在本发明所述的高透射天线中， 所述填充体的折射率为 1。

实施本发明的技术方案， 具有以下有益效果： 通过设计电磁波汇聚元件的 工作波长， 使得天线能同时工作在不同的波长， 在有不同的频点需求时， 无需 更换天线即可实现。 通过设计超材料本身的厚度随折射率变化， 使超材料薄膜 本身能够衰减反射损耗， 无需添加阻抗匹配层。 不仅减少了反射干扰与损耗， 增强了透射性能， 还减少了超材料薄膜的厚度， 降低了制作成本， 同时也减少 了天线的尺寸以及制作和安装的难度。

【附图说明】

图 1是现有的包含阻抗匹配层的天线的结构示意� �；

图 2是依据本发明一实施例的高透射天线中电磁� �汇聚元件的部分结构示 意图； 图 3是图 2中电磁波汇聚元件 200的工作波长的生成方法流程图； 图 4是折射率随半径变化的示意图；

图 5是图 2中电磁波汇聚元件 200的截面示意图；

图 6是电磁波汇聚元件 200在 yz平面上的折射率分布图。

【具体实施方式】

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明 。

电磁波在超材料薄膜内部的光程 l=n*d, d为超材料薄膜的厚度， n为折射 率。 当电磁波在经过超材料薄膜时会在超材料薄膜 的两边各形成一次反射（进 入超材料时与传播出超材料时在超材料薄膜的 两个边界面上 )。 当电磁波在薄膜 内的光程为波长的四分之一时， 进入超材料薄膜时产生的反射波与传播出薄膜 时产生的反射波正好相位相差 π /2 , 从而这两束反射波会发生干涉而相互氏消。 由能量守恒原理可知， 反射能量与透射能量之和为一个定值， 因此反射波相互 抵消使得透过薄膜的电磁波能量增强， 增强了透射性能。 从而通过设计超材料 本身的厚度随折射率变化， 使超材料薄膜本身具有衰减反射损耗的作用， 也就 无需添加阻抗匹配层。

图 2是依据本发明一实施例的高透射天线中电磁� �汇聚元件的部分结构示 意图。 高透射天线包括辐射源和具有电磁波汇聚功能 且工作在第一波长 的电 磁波汇聚元件 (超材料制成 ), 电磁波汇聚元件用于将所述辐射源发射的电磁 波 转换为平面波并使得所述天线同时工作在小于 所述第一波长 且与第一波长 入 成不同倍数关系的第二波长 λ ₂ 和第三波长 λ ₃ 上， 即所述天线同时工作在第 二波长 λ ₂ 和第三波长 λ ₃ 上，所述第二波长 λ ₂ 和第三波长 λ ₃ 均小于第一波长， 并且所述第一波长 是第二波长 λ ₂ 或第三波长 λ ₃ 的整数倍。为了描述简便起 见，仅示出了电磁波汇聚元件 200, 这里的电磁波汇聚元件 200不仅具有图 1所 示的超材料面板 10的功能， 还具有阻抗匹配层 30的功能， 辐射源未示出。 本 发明使用的辐射源可以釆用现有技术中任何可 用的辐射设备， 如图 1 所示， 具 体结构不再赘述。 若希望天线工作在两个不同频点上， 该两个频点对应的波长分别为第二波 长 λ ₂ 、 第三波长上 λ ₃ , 那么需要计算电磁波汇聚元件 200所工作的第一波长 入 ₁ 其中 λ ^ 生成过程如图 3所示， 详述如下：

步骤 301、 获取与第三波长 λ ₃ 和第二波长 λ ₂ 的比值 λ ₃ / λ ₂ 在预设误差范 围内的数值 m ₃ / m ₂ (m ₃ 和 m ₂ 为正整数)；预设误差范围可依据计算精� �进行设置， 比^口 0.01等。

歩骤 302、 计算 m ₂ 与 m ₃ 的最小公倍数

步骤 303、生成电磁波汇聚元件 200的工作波长 ，可表示为： A i= A ₂ ( _mi / m ₂ )或 入尸入 3 ( mi/ m ₃ )。

以 入 ₂ =2cm, A ₃ =3cm为例， 可以通过上述计算过程得到 λ尸 6cm。

由图 2可知， 电磁波汇聚元件 200包括多个顶面为凹面且底面为平面的同 心圓环体， 每一圓环体的厚度随着半径的增大逐渐增大， 使得辐射源发射的电 磁波入射到 IHJ面时产生的反射波与所述电磁波入射到所述 底面时产生的反射波 发生干涉而相互抵消； 每一圓环体的折射率随着半径的增大从 n _m 连续减小到 n _n 且相同半径处的折射率相同， 折射率随半径变化的示意图如图 4 所示。 为了更 清楚地解释电磁波汇聚元件 200 的形状和结构， 图中仅示出了每一圓环体的一 半， 由于每一圓环体是对称分布的， 因此仅示出了半圓环体。 为了方便描述， 仅示出了三个圓环体， 圓环体 1~3 , 圓环体的个数可根据实际需求来设置， 只要 满足将电磁波转换为平面波即可。 图中斜线部分示出了电磁波汇聚元件 200在 YX平面的截面， 详见图 5所示， 图 5中的 31表示图 2中圓环体 1的截面， 图 5中的 32表示图 2中圓环体 2的截面，图 5中的 33表示图 2中圓环体 3的截面。 X方向即为厚度 d所在的方向。

其中， 电磁波汇聚元件 200的厚度 d满足如下公式： d(r) = _{/ 2 / 2 2}

- ¾ /¾ 其中， s为所述辐射源到所述电磁波汇聚元件的距离� � 为第一波长， d ₀ = ~ ^ ^ , n _m 为每一圓环体的最大折射率，¾为每一圓� ��体的最小折射率， L(i) 为半径 r所在的自内向外第 i个圓环体的起始半径， 且 J(1) = 0。 如果要计算第 1 个圓环体（实际上是一圓体）的某一处的厚度 ， 该处距离圓心的半径是 r, 那么 上式中的 J(0 = (1) ; 如果要计算第 2个圓环体的某一处的厚度，该处距离圓心的 半径是 r, 那么上式中的 J( ) = (2) ; 如果要计算第 3个圓环体的某一处的厚度， 该处距离圓心的半径是 r, 那么上式中的 J( ) =J(3)。 如图 5所示， 第 1个圓环的 起始半径 J(1) = 0 ;第 2个圓环的起始半径为 J(2) ;第 3个圓环的起始半径为 J(3)。

下面给出一组实验数据，入射电磁波的频率 f=15GHz,波长 尸 2cm, n _max =6, n _mm =l , s=20cm, L(l)=0cm, L(2)=9.17cm, L(3)=13.27cm, L(4)=16.61cm。 在此 例中， 第一圓环体的宽度为 9.17cm, 第二圓环体的宽度为（13.27-9.17)cm, 第三 圓环体的宽度为 13.27cm, L(4)=(16.61-13.27)cm。

满足上述折射率变化关系的电磁波汇聚元件， 对于从辐射源发出的球面波 形式发散的电磁波， 以折射率为 n _m 的超材料单元为圓心， 随着半径的增大电磁 波汇聚元件在 yz平面上的折射率变化量逐渐增大， 随着半径的增大入射的电磁 波出射时偏折角度大， 越靠近圓心所在的超材料单元入射的电磁波其 出射偏折 角越小。 通过一定的设计和计算， 使得这些偏折角依次满足一定的规律， 即可 实现球面电磁波平行出射。 类似于凸透镜， 只要知道各个表面点对光的偏折角 度和材料的折射率， 即可设计出相应的表面曲率特征使从透镜焦点 入射发散光 微结构， 得到该单元的介电常数 ε和磁导率 μ, 进而对超材料面板 10的折射率 折角度， 即可实现球面波形式发散的电磁波转变为平面 形式的电磁波。

为了更直观的表示超材料片层在 yz面上折射率折射率分布规律， 将折射率 相同的超材料单元连成一条线， 并用线的疏密来表示折射率的大小， 线越密折 射率越大，则符合以上所有关系式的超材料片 层的每一核心层折射率分布如图 6 所示， 最大折射率为 n _m , 最小折射率为 n _n 。 在每一圓环体内设有多个人造微结构， 所述多个人造微结构使得每一圓环 体的折射率随着半径的增大从 n _m 连续减小到 ¾且相同半径处的折射率相同。其 具体的

多个人造微结构具有相同的几何形状， 且每一圓环体的人造微结构的尺寸 随着半径的增大连续减小且相同半径处的人造 微结构的尺寸相同。

实验证明， 相同图案的人造微结构， 其几何尺寸与介电常数成 ε 正比， 因 此在入射电磁波确定的情况下， 通过合理设计人造微结构的拓朴图案和不同尺 寸的人造微结构在电磁波汇聚元件内的排布， 就可以调整电磁波汇聚元件的折 射率分布， 进而实现球面波形式发散的电磁波转变为平面 形式的电磁波。

实现上述折射率和折射率变化量分布关系的人 造微结构有很多种可实现方 式， 对于平面结构的人造微结构， 其几何形状可以是轴对称也可以非轴对称； 对于三维结构， 其可以是非 90度旋转对称的任意三维图形。

人造微结构为由至少一根金属丝组成的平面结 构或立体结构。 金属丝为铜 丝或银丝， 可通过蚀刻、 电镀、 钻刻、 光刻、 电子刻或离子刻的方法附着在基 板上。

前文所述的电磁波汇聚元件可以使图 2 所示的形状， 当然也可以是其他需 要的形状， 只要是能够满足前文所述的折射率变化规律以 及厚度变化规律即可。

为了便于电磁波汇聚元件的制作和安装， 还可以在电磁波汇聚元件的多个 同心圓环体的凹面上填充材料， 构成填充体， 使得所述多个同心圓环体的顶面 为平面且与底面平行， 且填充体各处的折射率均相同， 其折射率可为小于等于 η _η 的数值， 例如但不限于 1。

本发明通过设计电磁波汇聚元件的工作波长， 使得天线能同时工作在不同 的波长， 在有不同的频点需求时， 无需更换天线即可实现。 通过对电磁波汇聚 元件自身的形状结构进行改变， 使电磁波经过电磁波汇聚元件后， 其反射损耗 减小， 使其本身具备衰减反射干扰及损耗的作用。

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。