【技术领域】

本发明涉及电磁领域， 更具体地说， 涉及一种超材料和超材料天线。

【背景技术】

在常规的光学器件中， 利用透镜能使位于透镜焦点上的点光源辐射出 的球 面波经过透镜折射后变为平面波。 目前透镜的汇聚是依靠透镜的球面形状的折 射来实现， 如图 1所示， 辐射器 30发出的球面波经过球形的透镜 40汇聚后以 平面波射出。 发明人在实施本发明过程中， 发现透镜天线至少存在如下技术问 题： 球形透镜 40的体积大而且笨重， 不利于小型化的使用； 球形透镜 40对于 形状有很大的依赖性， 需要比较精准才能实现天线的定向传播； 电磁波反射干 扰和损耗比较严重， 电磁能量减少。 而且， 多数透镜天线的折射率的跳变是沿 一条简单的且垂直于透镜表面的直线， 导致电磁波经过透镜时的折射、 衍射和 反射较大， 严重影响透镜性能。

【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折射、 衍射和反射较 大、 超材料性能差的缺陷， 提供一种高性能的超材料和超材料天线。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是： 构造一种超材料， 设辐射源 与所述超材料第一表面上一点的连线与垂直于 超材料的直线之间的夹角为 0， 夹角 唯一对应所述超材料内的一曲面， 且夹角 唯一对应的曲面上每一处的 折射率均相同； 所述超材料的折射率随着夹角 0的增大逐渐减小； 电磁波经过 所述超材料后在所述超材料的第二表面平行射 出。

在本 面的折射率分布满足： η{θ)

S(0) l cos0 其中 为所述曲面的母线的弧长， F为所述辐射源到所述超材料的距 , d为所述超材料的厚度； w _max 为所述超材料的最大折射率。 在本发明所述的超材料中， 所述超材料包括至少一个超材料片层， 每个片 层包括片状的基板和附着在所述基板上的多个 人造微结构。

在本发明所述的超材料中， 每个所述人造微结构为由至少一根金属丝组成 的具有几何图案的平面或立体结构。

在本发明所述的超材料中， 每个所述人造微结构为"工"字形、 "十"字形、 雪花状。

在本发明所述的超材料中， 所述曲面的母线为抛物线弧时， 所述抛物线弧 的弧长 满足： = Θ

Itan^l + ^ 其中， 为预设小数。 在本发明所述的超材料中， 以经过所述超材料第一表面的中心且垂直于所 述超材料的直线为横坐标轴， 以经过所述超材料第一表面的中心且平行于所 述 第一表面的 轴， 所述抛物线弧所在的抛物线方程为： y(x) = + Λ: + )。

在本发明所述的超材料中， 夹角 与抛物线弧上每一点 （X , y) 满足如下

在本发明所述的超材料中， 所述曲面的母线为椭圆弧时， 以经过所述超材 料第一表面的中心且垂直于所述超材料的直线 为横坐标轴， 以经过所述超材料 第一表面的中心且平行于所述第一表面的直线 为纵坐标轴， 所述椭圆弧所在的 椭圆方程为：

且上式中的 a、 b、 c满足如下关系: sin b d

ln ² (9) - sm ² (9) a ¹ F tanO - c 在本发明所述的超材料中， 所述椭圆弧所在的椭圆的中心位于所述第二表 面上， 坐标为 （d， c)。

在本发明所述的超材料中，夹角 0所对应的第一表面上的点的折射角为 ， 该点的折射率为 满足：

sin^

η{θ) = 。

sin^' 在本发明所述的超材料中， 所述曲面的母线为圆弧时， 所述曲面的折射率 分布满足：

、

其中， 为所述辐射源到所述超材料的距离； ^为所述超材料的厚度； η 为所述超材料的最大折射率。

在本发明所述的超材料中， 其中所述辐射源与所述超材料第一表面上一点 的连线的垂线与所述超材料第二表面的交点为 所述圆弧段的圆心， 所述交点与 超材料第一表面上一点之间的垂线段为所述圆 弧段的半径。

在本发明所述的超材料中， 所述超材料两侧设置有阻抗匹配层。

本发明还提供一种超材料天线， 包括超材料和设置在所述超材料焦点上的 辐射源； 设辐射源与所述超材料第一表面上一点的连线 与垂直于超材料的直线 之间的夹角为 0， 夹角 0唯一对应所述超材料内的一曲面， 且夹角 0唯一对应 的曲面上每一处的折射率均相同； 所述超材料的折射率随着夹角 0的增大逐渐 减小； 电磁波经过所述超材料后在所述超材料的第二 表面平行射出。

在本发明所述的超材料天线中， 所述曲面的折射率分布满足：

^(1 - " ^l - ) + n _max d

S(0) l cos 其中 为所述抛物线弧的弧长， F为所述辐射源到所述超材料的距离， d 为所述超材料的厚度； 为所述超材料的最大折射率。

在本发明所述的超材料天线中， 所述超材料包括至少一个超材料片层， 每 个片层包括片状的基板和附着在所述基板上的 多个人造微结构。

在本发明所述的超材料天线中， 所述曲面的母线为椭圆弧时， 以经过所述 超材料第一表面的中心且垂直于所述超材料的 直线为横坐标轴， 以经过所述超 材料第一表面的中心且平行于所述第一表面的 直线为纵坐标轴， 所述椭圆弧所 在的椭圆方程为：

且上式中的 a、 b、 c满足如下关系:

ln ² (9) - sm ² (9) a ¹ F tanO - c 在本发明所述的超材料天线中， 所述曲面的母线为抛物线弧时， 所述抛 线弧的弧长 满足： = Θ

Itan^l + ^ 其中， 为预设小数。 在本发明所述的超材料天线中， 以经过所述超材料第一表面的中心且垂直 于所述超材料的直线为横坐标轴， 以经过所述超材料第一表面的中心且平行于 所述第一表面的直线为纵坐标轴，

所述抛 抛物线方程为： y(x) = + Λ: + )。

实施本发明的技术方案， 具有以下有益效果： 将超材料的折射率的跳变设 计为曲面状， 从而大大减少跳变处的折射、 衍射和反射效应， 减轻了互相干涉 带来的问题， 使得超材料和超材料天线具有更加优异的性能 。 【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是现有的球面形状的透镜汇聚电磁波的示意� �；

图 2是依据本发明一实施例的超材料汇聚电磁波� �示意图；

图 3是图 2所示的超材料 10内一夹角 0唯一对应的一曲面的形状示意图； 图 4示出了图 3中的的超材料 10的侧视图；

图 5是图 3所示的曲面 Cm的母线 m为抛物线弧的示意图；

图 6是图 5的折射率变化的示意图；

图 7是图 5的抛物线弧的坐标示意图；

图 8是图 5所示的超材料在 yx平面上的折射率分布图；

图 9是图 3所示的曲面 Cm的母线 m为椭圆弧的示意图；

图 10是图 3所示的曲面 Cm的母线 m为圆弧时， 圆弧的构造示意图； 图 11是图 9的超材料在 yx平面上的折射率分布图。

【具体实施方式】

图 2是依据本发明一实施例的超材料汇聚电磁波� �示意图， 超材料 10相对 设置于辐射源的电磁波传播方向上。

作为公知常识我们可知， 电磁波的折射率与 成正比关系， 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， 通过设计超材料中 每一点的电磁参数， 就可对超材料的折射率分布进行调整， 进而达到改变电磁 波的传播路径的目的。 根据上述原理可以通过设计超材料 10的折射率分布使从 辐射源 20发出的球面波形式发散的电磁波转变成适于� ��距离传输的平面波形式 的电磁波。

图 3是图 2所示的超材料 10内一夹角 0唯一对应的一曲面的形状示意图。 如图所示， 设辐射源 20与超材料 10第一表面 A上一点的连线与经过超材料 10 第一表面 A的中心 0且垂直于超材料 10的直线 L之间的夹角为 ， 夹角 0唯 一对应超材料 10内的一曲面 Cm, 且夹角 唯一对应的曲面 Cm上每一处的折 射率均相同； 超材料 10的折射率随着夹角 0的增大逐渐减小； 电磁波经过所述 超材料后在超材料的第二表面 B平行射出。

如图 3所示， 曲面 Cm的母线为弧线 m， 曲面 Cm由 m直线绕 L旋转而成。 图 4示出了超材料 10的侧视图。超材料 10的厚度如图 d所示， L表示垂直于超 材料的直线。 折射率相同的曲面的侧视截面图为两段弧线， 相对于 L对称分布。 虚线所示的弧线为超材料 10内一虚拟曲面的母线。 为了更清楚地描述相同曲面 上的折射率相同， 对超材料内部的虚拟曲面 （实际不存在， 只是为了描述方便， 虚拟出的一个曲面） 也进行阐述。

图 5是图 3所示的曲面 Cm的母线 m为抛物线弧的示意图。 如图所示， 辐 射源与超材料第一表面上一点 01 的连线与经过第一表面中心 0且垂直于超材 料 10的直线 L之间的夹角为 ，对应的抛物线弧为 ml ,该抛物线弧 ml旋转而 成的虚拟曲面上每一处的折射率均相同。 同理， 辐射源与超材料第一表面上一 点 02 的连线与直线 L之间的夹角为 ， 对应的抛物线弧为 m2， 该抛物线弧 ml旋转而成的虚拟曲面上每一处的折射率均相� ��。 虚拟曲面的折射率分布满足： ^η ( ^θ 如图 6所

示， 其中 为虚拟曲面的母线 （抛物线弧 m) 的弧长， F为辐射源 20到超材 料 10的距离， 为超材料 10的厚度； w _max 为超材料的最大折射率。 抛物线弧 m的弧长 满足：

其中， 为预设小数， 比如 0.0001 ^可以保证在夹角 接近 0的时候比值 收敛。

如图 7所示， 以经过超材料 10 表面的中心 0且垂直于超材料 10的直 线 L为横坐标轴，以经过超材料 10 I -表面的中心 0且平行于第一表面的直线 为纵坐标轴， 辐射源与 A面上某一点 O'的连线与 x轴的夹角为 ， 夹角 与抛 物线弧 m上每一点 （X , y) 满足如下关系式： 假设抛物线弧 m所在抛物线的方程为 = + + c。 该抛物线经过点 ( 0, tan ^ ) , 即 (O) = c = tan 。 为了使得经过超材料后电磁波平行射出， 则需使电磁波经过超材料第二表面 B时抛物线弧的切线是与 X轴平行的， 即保 证 (ί ) = 0。 由于 ( ) = 2αχ + 6， 因此 W) = 2i¾ + 6 = 0。 另外还要保证电 磁波到达超材料第一表面 A时， 电磁波沿着夹角 对应的切线方向传播， 因此 = tan^ 。 由 以 上 几 个 条 件 可 得 到 抛 物 线 的 方 程 为

[x) = tane(-^-x ² + x + F) , 由此可得夹角 0与抛物线弧 _m 上每一点 （ _x ， y)

的关系式^ , ^{= tan}

2d(F + x) - x ² 夹角 唯一对应超材料内的一曲面， 该曲面就是由母线 m绕 L ( X轴） 旋 转而来的， 夹角 0唯一对应的该曲面上每一处的折射率均相同� �

超材料可用于将辐射源发射的电磁波转换为平 面波。 其折射率随着夹角 0 的增大从 w _max 减小到 w _min ， 如图 7所示。虚线所示的弧线为超材料内一虚拟曲� � 的母线， 相同曲面上的折射率相同。 可以理解的是， 本发明提供的超材料还可 应用在平面波汇聚到焦点的情况， 也即图 2 中的可逆情景。 超材料本身的构造 无需改变， 只需将辐射源放置在第二表面 B—侧即可， 而此时的原理一样， 但 是 0的定义中的辐射源就应该是处于第一表面 A侧且位于超材料焦点的虚拟辐 射源位置。 只要是应用本发明的原理而进行的各种应用场 景都属于本发明的保 护范围。

在超材料内设有多个人造微结构， 多个人造微结构使得超材料的折射率随 着夹角 的增大逐渐减小。 多个人造微结构具有相同的几何形状， 且人造微结 构的尺寸随着夹角的增大逐渐减小。

为了更直观的表示超材料片层在 xy面上折射率折射率分布规律， 将折射率 相同的单元连成一条线， 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的折射率分布 如图 8所示。

曲面 Cm 的母线还可以是其他曲线状， 例如但不限于椭圆弧， 下面以此为 例进行阐述。

如图 3所示的曲面 Cm的母线为椭圆弧 m， 曲面 Cm由椭圆弧 m直线绕 L 旋转而成。折射率相同的曲面的侧视截面图为 两段椭圆弧， 相对于 L对称分布。 虚线所示的椭圆弧为超材料 10内一虚拟曲面的母线。 为了更清楚地描述相同曲 面上的折射率相同， 对超材料内部的虚拟曲面 （实际不存在， 只是为了描述方 便， 虚拟出的一个曲面） 也进行阐述。 对于椭圆弧而言， 图 5 中辐射源与超材 料第一表面上一点 01的连线与经过第一表面中心 0且垂直于超材料 10的直线 L之间的夹角为 ， 对应的椭圆弧为 ml , 该椭圆弧 ml旋转而成的虚拟曲面上 每一处的折射率均相同。 同理， 辐射源与超材料第一表面上一点 02的连线与直 线 L之间的夹角为 ， 对应的椭圆弧为 m2， 该椭圆弧 m2旋转而成的虚拟曲面 上每一处的折射率均相同。 虚拟曲面的折射率分布满足： ^η ( ^θ 图 6 中

S( 为虚拟曲面的母线 （椭圆弧 m) 的弧长， F为辐射源 20到超材料 10的距 离， ^为超材料 10的厚度； w _max 为超材料的最大折射率。 如图 9所示， 以经过超材料 10第一表面的中心 0且垂直于超材料 10的直 线 L为横坐标轴，以经过超材料 10第一表面的中心 0且平行于第一表面的直线 为纵坐标轴， 辐射源与 A面上某一点 0'的连线与 X轴的夹角为 。 椭圆上实线 所示的椭圆弧 m所在的椭圆方程为： ⁼ 1，椭圆的中心位于第

二表面 B上， 坐标为 （d， c 该椭圆经过点 （O^tan ), 即 O) = tan ， 代入椭圆公式可得 。为了使得经过超材料后电磁波平行射 出， 则需使电磁波经过超材料第二表面 B时椭圆弧的切线是与 x轴平行的， 即 保证 (ί ) = 0。 由于椭圆上任一点 （X , y) 处的切线方程为 ,

由此可得满足 ( ) = 0。 夹角 Θ所对应的第一表面 A上的点 0'的折射角为 θ，，该点的折射率为 η(θ)， 根据斯奈尔定律可知： "( = "^ 。 电磁波到达超材料 10第一表面 Α时， 电 磁波沿着折射角 对应的切线方向传播（如图 9所示）， 也就是说在椭圆弧 m无 限接近 0'的位置处满足 (0+) = tan ^， 由此可得如下关系式：

。

夹角 0唯一对应超材料内的一曲面， 该曲面就是由母线 m绕 L ( X轴） 旋 转而来的， 夹角 0唯一对应的该曲面上每一处的折射率均相同� � 夹角 0取值范 围为 [0, 、。 可以理解的是， 当椭圆中的 a=b时， 椭圆就变为真正的圆； 而对应的椭圆 弧就变为圆弧， 曲面就是圆弧绕 L ( X轴） 旋转而成的曲面。

当曲面的母线为圆弧时， 图 4所示的弧线为圆弧段， 其构造示意图如图 10 所示。 图 10中虚线所示的圆弧段为超材料内一曲面的母� ��， 为了更清楚地描述 相同曲面上的折射率相同， 对超材料内部的虚拟曲面 （实际不存在， 只是为了 描述方便， 虚拟出的一个曲面） 也进行阐述。 其中辐射源与超材料第一表面 A 上一点的连线的垂线与超材料 10第二表面 B的交点为圆弧段的圆心，所述交点 与超材料第一表面 A上一点之间的垂线段为所述圆弧段的半径。 超材料的中心 处折射率最大。

辐射源与超材料第一表面 A上一点 C'的连线与 L之间的夹角为 ，辐射源 与点 C'的连线的垂线 与超材料的另一面的交点是 0 ₃ ，超材料内对应曲面的母 线为 m3 ; m3是以 0 ₃ 为圆心、 ₃ 为半径旋转而来的圆弧段。 为了更清楚地描述 相同曲面上的折射率相同， 对超材料内部的虚拟曲面也进行阐述。 图 10示出了 超材料内 2个虚拟曲面对应的母线圆弧段 ml、 m2。圆弧段 ml对应的夹角为 ， 对应超材料第一表面上点 A'，辐射源与点 A'的连线的垂线 ^与超材料 10的另一 面的交点是 Q， 该虚拟曲面外表面的母线为 ml ; ml是以 (^为圆心、 为半径 旋转而来的圆弧段。 同理， 圆弧段 m2对应的夹角为 ， 对应第一表面上点 B'， 辐射源与点 B'的连线的垂线 与超材料 10的第二表面 B的交点是 0 ₂ ， 该虚拟 曲面外表面的母线为 m2 _; m2是以 <¾为圆心、 ^为半径旋转而来的圆弧段。 如 图 5所示， 圆弧段 ml、 m2、 m3相对于 L对称分布。

对于第一表面 A上任一点 D'而言， 设辐射源与第一表面 A上点 D'的连线 与垂直于超材料 10的直线之间的夹角为 0， 夹角 0取值范围为 [0, 超材料 的折射率 随着 0的变化规律满足：

、 sin<9 , ,

dx 6> cos °

其中， s为辐射源到超材料 10的距离； 为超材料 10的厚度； w _max 为所述 超材料的最大折射率。 夹角 0唯一对应超材料内的一曲面， 且夹角 0唯一对应 的曲面上每一处的折射率均相同。

如图 10所示， 辐射源与第一表面 A上某一点的连线与垂直于超材料 10的 直线之间的夹角为 0， 辐射源与第一表面 A上该点的连线的垂线 与超材料的 第二表面 B的交点是 0 _Μ ，母线 _m 是以 0 _∞ 为圆心、 为半径旋转而来的圆弧段。 夹角 0唯一对应超材料内的一曲面， 该曲面就是由母线 m绕 L旋转而来的， 夹 角 0唯一对应的该曲面上每一处的折射率均相同� �

超材料可用于将所述辐射源发射的电磁波转换 为平面波。 其折射率随着夹 角的增大从 U咸小到 w _min 。

超材料可用于将辐射源发射的电磁波转换为平 面波。 其折射率随着夹角 0 的增大从 w _max 减小到 w _min ， 如图 10所示。 椭圆上实线所示的椭圆弧段为超材料 内一虚拟曲面的母线， 相同曲面上的折射率相同。 可以理解的是， 本发明提供 的超材料还可应用在平面波汇聚到焦点的情况 ， 也即图 2 中的可逆情景。 超材 料本身的构造无需改变， 只需将辐射源放置在第二表面 B—侧即可， 而此时的 原理一样， 但是 0的定义中的辐射源就应该是处于第一表面 A侧且位于超材料 焦点的虚拟辐射源位置。 只要是应用本发明的原理而进行的各种应用场 景都属 于本发明的保护范围。

超材料在实际的结构设计时， 可以设计为多个超材料片层， 每个片层包括 片状的基板和附着在所述基板上的多个人造微 结构或人造孔结构。 多个超材料 片层结合在一起后整体的折射率分布需要满足 或近似满足上述公式， 使得在同 一曲面上的折射率分布相同， 曲面的母线设计为椭圆弧或抛物线弧。 当然， 在 实际设计时， 可能设计成精确的椭圆弧或抛物线弧比较困难 ， 可以根据需要设 计为近似的椭圆弧、 抛物线弧或者阶梯状， 具体的精确程度可依据需要来选择。 随着技术的不断进歩， 设计的方式也会不断更新， 可能会有更好的超材料设计 工艺来实现本发明提供的折射率排布。

对于人造微结构来说， 每个所述人造微结构为由金属丝组成的具有几 何图 案的平面或立体结构， 例如但不限于 "十"字形、 平面雪花状、 立体雪花状。 金属丝可以为铜丝或银丝， 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。 超材料内多个人造微结构使得超材料的折射率 随着夹角 Θ的增大而减小。 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 扑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， 就可以调整超材 料的折射率分布， 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。

为了更直观的表示超材料片层在 yx面上折射率折射率分布规律， 将折射率 相同的单元连成一条线， 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的折射率分布 如图 11所示。

上文以抛物线弧和椭圆弧为例进行了详细阐述 ， 作为非限制性例子， 本发 明还可以适用于其他种类的曲线， 例如不规则的曲线。 满足本发明折射率分布 原理的情况都包含在保护之列。

本发明还提供一种超材料天线， 如图 2和图 3所示， 超材料天线包括超材 料 10和设置在超材料 10焦点上的辐射源 20，超材料 10的具体结构和折射率变 化如上文所述， 此处不再赘述。

前文所述的超材料可以是图 3 所示的形状， 当然也可以制作成是其他需要 的形状例如圆环状等， 只要是能够满足前文所述的折射率变化规律即 可。

在实际应用时， 为了使得超材料的性能更好， 减少反射， 可以再超材料两 侧均设置阻抗匹配层。 关于阻抗匹配层的内容可参见现有技术资料， 此处不再 赘述。

本发明在超材料的折射率的跳变设计为曲面状 ， 从而大大减少跳变处的折 射、 衍射和反射效应， 减轻了互相干涉带来的问题， 使得超材料具有更加优异 的性能。

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。