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Title:
METAMATERIAL-BASED ANTENNA AND GENERATION METHOD OF WORKING WAVELENGTH OF METAMATERIAL PANEL
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2012/155471
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a metamaterial-based antenna and a generation method of the working wavelength of a metamaterial panel. The antenna includes: a radiation source and a metamaterial panel having the function of converging electromagnetic waves and working on the first wavelength, the metamaterial panel being used to convert the electromagnetic waves emitted by the radiation source into plane waves and to allow the antenna to work simultaneously on the second wavelength and the third wavelength, said two wavelengths both being smaller than the first wavelength and being different multiples of the first wavelength. A generation method of the working wavelength of the metamaterial panel used for said antenna is also provided. The method includes: acquiring the numerical value m3/m2 that is in the preset error range of the ratio of the third wavelength and the second wavelength λ2/λ3; computing the lowest common multiple m1 of m2 and m3; generating the working wavelength of the metamaterial panel, which can be expressed as: λ1=λ2 (m1/m2) or λ1=λ3 (m1/m3). The design of the working wavelength of the metamaterial panel allows the antenna to work on different wavelengths simultaneously and to convert electromagnetic waves of the radiation source to plane waves, thereby enhancing convergence performance and reducing the volume and the size of the antenna.

Inventors:
LIU RUOPENG (CN)
JI CHUNLIN (CN)
YUE YUTAO (CN)
Application Number:
PCT/CN2011/082311
Publication Date:
November 22, 2012
Filing Date:
November 16, 2011
Export Citation:
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Assignee:
KUANG CHI INST ADVANCED TECH (CN)
KUANG CHI INNOVATIVE TECH LTD (CN)
LIU RUOPENG (CN)
JI CHUNLIN (CN)
YUE YUTAO (CN)
International Classes:
H01Q15/00
Foreign References:
US20090201572A12009-08-13
CN101971422A2011-02-09
US20100225562A12010-09-09
US20100046083A12010-02-25
CN101389998A2009-03-18
CN101946365A2011-01-12
Other References:
None
Attorney, Agent or Firm:
CHINA WISPRO INTELLECTUAL PROPERTY LLP. (CN)
深圳市威世博知识产权代理事务所(普通合伙) (CN)
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Claims:
权 利 要求

1、 一种基于超材料的天线, 其特征在于, 包括:

辐射源和具有电磁波汇聚功能且工作在第一波长的超材料面板;

所述超材料面板包括多个核心层以及对称分布在所述核心层两侧的多个渐 变层, 每一核心层和每一渐变层均包括片状的基板和设置在所述基板上的多个 人造微结构, 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, 所述超材料面板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;

其中, 每一核心层的折射率分布均相同, 每一核心层包括一个圓形区域和 与所述圓形区域同心的多个环形区域, 所述圓形区域和所述环形区域内折射率 随着半径的增大从 np连续减小到 n0且相同半径处的折射率相同。

2、 根据权利要求 1所述的天线, 其特征在于, 分布在所述核心层同一侧的 每一渐变层均包括一个圓形区域和与所述圓形区域同心的多个环形区域, 每一 渐变层对应的所述圓形区域和所述环形区域内的折射率变化范围相同且随着半 径的增大从其最大折射率连续减小到 n0 , 相同半径处的折射率相同, 两个相邻 的渐变层的最大折射率表示为 1¾和111+1 , 其中 η η^η ^ηρ, i为正整数, ι¾对应 于距离所述核心层较远的渐变层。

3、 根据权利要求 2所述的天线, 其特征在于, 每一核心层的所述多个人造 微结构具有相同的几何形状, 每一区域内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。

4、 根据权利要求 3所述的天线, 其特征在于, 每一渐变层的所述多个人造 微结构具有相同的几何形状, 每一区域内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, 且两个相邻的渐变层中距离所 述核心层较远的渐变层对应的同一区域内相同半径处的人造微结构的尺寸较 小。

5、 根据权利要求 4所述的天线, 其特征在于, 所述超材料面板每一层的折 射率为:

n1(r)=i*nmax/N-(i/(N*d))*( r2 + ,2 - ^Wf + s2 ) *( n -(N/i)* n /( n

Hmin) , 其中 i表示第几层, 且 i≥l , 自远至近(距离核心层的距离) i=l、 2 · · ·; N=c+1 , c表示一侧渐变层的层数; nmax表示核心层的最大折射率, nmm表示核心 层的最小折射率; r为半径; s表示辐射源与超材料面板的距离; d=(b+c)t, b表 示核心层的层数, t表示每一层的厚度, c表示一侧渐变层的层数; LG)表示每一 区域的起始半径, j表示第几区域, j≥l。 3、 根据权利要求 2所述的天线, 其特 征在于, 每一核心层的所述多个人造微结构具有相同的几何形状, 每一区域内 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。

6、 根据权利要求 1所述的天线, 其特征在于, 所述金属丝为铜丝或银丝。

7、根据权利要求 1所述的天线, 其特征在于, 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基板上。

8、 一种基于超材料的天线, 其特征在于, 包括: 辐射源和具有电磁波汇聚 功能且工作在第一波长的超材料面板, 所述超材料面板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。

9、 根据权利要求 8所述的天线, 其特征在于, 所述超材料面板包括多个核 心层以及对称分布在所述核心层两侧的多个渐变层, 每一核心层和每一渐变层 均包括片状的基板和设置在所述基板上的多个人造微结构。

10、 根据权利要求 9 所述的天线, 其特征在于, 每一核心层的折射率分布 均相同, 每一核心层包括一个圓形区域和与所述圓形区域同心的多个环形区域, 所述圓形区域和所述环形区域内折射率随着半径的增大从 np连续减小到 n0且相 同半径处的折射率相同。

11、 根据权利要求 10所述的天线, 其特征在于, 分布在所述核心层同一侧 的每一渐变层均包括一个圆形区域和与所述圓形区域同心的多个环形区域, 每 一渐变层对应的所述圓形区域和所述环形区域内的折射率变化范围相同且随着 半径的增大从其最大折射率连续减小到 n0, 相同半径处的折射率相同, 两个相 邻的渐变层的最大折射率表示为 1¾和 n1+1 , 其中 η η^η ^ηρ, i为正整数, ι¾ 对应于距离所述核心层较远的渐变层。

12、 根据权利要求 11所述的天线, 其特征在于, 每一核心层的所述多个人 造微结构具有相同的几何形状, 每一区域内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。 13、 根据权利要求 12所述的天线, 其特征在于, 每一渐变层的所述多个人 造微结构具有相同的几何形状, 每一区域内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, 且两个相邻的渐变层中距离 所述核心层较远的渐变层对应的同一区域内相同半径处的人造微结构的尺寸较 小。

14、 根据权利要求 13所述的天线, 其特征在于, 所述超材料面板每一层的 折射率为:

n1(r)=i*nmax/N-(i/(N*d))*( r2 + ,2 - *( n -(N/i)* n /( n

Hmin) ,

其中 i表示第几层,且 1 ,自远至近(距离核心层的距离)i=l、2•••; N=c+l , c表示一侧渐变层的层数; nmax表示核心层的最大折射率, nmm表示核心层的最 小折射率; r为半径; s表示辐射源与超材料面板的距离; d=(b+c)t, b表示核心 层的层数, t表示每一层的厚度, c表示一侧渐变层的层数; LG)表示每一区域的 起始半径, j表示第几区域, j≥l。 3、 根据权利要求 2所述的天线, 其特征在于, 每一核心层的所述多个人造微结构具有相同的几何形状, 每一区域内人造微结 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。

15、 根据权利要求 9 所述的天线, 其特征在于, 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。

16、根据权利要求 15所述的天线, 其特征在于, 所述金属丝为铜丝或银丝。

17、 根据权利要求 15所述的天线, 其特征在于, 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基板上。

18、 一种天线的超材料面板的工作波长的生成方法, 其特征在于, 所述天 线可同时工作在第二波长 λ 2和第三波长 λ 3, 所述方法包括:

获取与第三波长 入 3和第二波长 入 2的比值 λ 3/入 2在预设误差范围内的数值 m3/ m2;

计算 m2与 m3的最小公倍数

生成所述超材料面板的工作波长 λ 1 可表示为: λ λ ^ π^/π^ )或 λ 1=3

Description:
基于超材料的天线和超材料面板的工作波长的 生成方法

【技术领域】

本发明涉及天线领域, 更具体地说, 涉及基于超材料的天线和超材料面板 的工作波长的生成方法。

【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。 透镜天线是由透镜和放在透镜焦点上的辐射 器组成, 利用透镜汇聚的特性, 将辐射器辐射出的电磁波经过透镜汇聚后再发 射出去的天线, 这种天线方向性比较强。

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; 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体积大、 工作频点单 一的缺陷, 提供一种基于超材料的天线和超材料面板的工 作波长的生成方法。

本发明解决技术问题所釆用的技术方案是: 提供一种基于超材料的天线, 包括: 辐射源和具有电磁波汇聚功能且工作在第一波 长的超材料面板; 所述超 材料面板包括多个核心层以及对称分布在所述 核心层两侧的多个渐变层, 每一 核心层和每一渐变层均包括片状的基板和设置 在所述基板上的多个人造微结 构, 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, 所述超 材料面板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; 其中, 每一核心层的折射率分布均相同, 每一核心层包括一个圓形区域 和与所述圆形区域同心的多个环形区域, 所述圓形区域和所述环形区域内折射 率随着半径的增大从 n p 连续减小到 n 0 且相同半径处的折射率相同。

在本发明所述的天线中, 分布在所述核心层同一侧的每一渐变层均包括 一 个圓形区域和与所述圓形区域同心的多个环形 区域, 每一渐变层对应的所述圓 形区域和所述环形区域内的折射率变化范围相 同且随着半径的增大从其最大折 射率连续减小到 n 0 , 相同半径处的折射率相同, 两个相邻的渐变层的最大折射 率表示为 n^ n 1+1 , 其中 n^n^n ^np, i为正整数, 对应于距离所述核心层较 远的渐变层。

在本发明所述的天线中, 每一核心层的所述多个人造微结构具有相同的 几 何形状, 每一区域内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。

在本发明所述的天线中, 每一渐变层的所述多个人造微结构具有相同的 几 何形状, 每一区域内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, 且两个相邻的渐变层中距离所述核心层较远的 渐变 层对应的同一区域内相同半径处的人造微结构 的尺寸较小。

在本发明所述的天线中, 所述超材料面板每一层的折射率为:

n 1 (r)=i*n max /N-(i/(N*d))*( ^r 2 + s 2 - ^L(j) 2 + S 2 ) *( n max -(N/i)* n mm )/( n max - l^min),

其中 i表示第几层, 且 i≥l, 自远至近(距离核心层的距离) i=l、 2 · · ·; N=c+1, c表示一侧渐变层的层数; n max 表示核心层的最大折射率, n mm 表示核心 层的最小折射率; r为半径; s表示辐射源与超材料面板的距离; d=(b+c)t, b表 示核心层的层数, t表示每一层的厚度, c表示一侧渐变层的层数; LG)表示每一 区域的起始半径, j表示第几区域, j≥l。

在本发明所述的天线中, 每一核心层的所述多个人造微结构具有相同的 几 何形状, 每一区域内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。

在本发明所述的天线中, 所述金属丝为铜丝或银丝。

在本发明所述的天线中, 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基板上。

本发明解决其技术问题所采用的另一技术方案 是: 提供一种基于超材料的 天线, 包括: 辐射源和具有电磁波汇聚功能且工作在第一波 长的超材料面板, 所述超材料面板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。

在本发明所述的天线中, 所述超材料面板包括多个核心层以及对称分布 在 所述核心层两侧的多个渐变层, 每一核心层和每一渐变层均包括片状基板和设 置在所述基板上的多个人造微结构。

在本发明所述的天线中, 每一核心层的折射率分布均相同, 每一核心层包 括一个圓形区域和与所述圓形区域同心的多个 环形区域, 所述圓形区域和所述 环形区域内折射率随着半径的增大从 n p 连续减小到 n 0 且相同半径处的折射率相 同。

在本发明所述的天线中, 分布在所述核心层同一侧的每一渐变层均包括 一 个圓形区域和与所述圓形区域同心的多个环形 区域, 每一渐变层对应的所述圓 形区域和所述环形区域内的折射率变化范围相 同且随着半径的增大从其最大折 射率连续减小到 n 0 , 相同半径处的折射率相同, 两个相邻的渐变层的最大折射 率表示为 1¾和11 1+1 , 其中 η η^η ^ηρ, i为正整数, ι¾对应于距离所述核心层较 远的渐变层。

在本发明所述的天线中, 每一核心层的所述多个人造微结构具有相同的 几 何形状, 每一区域内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。

在本发明所述的天线中, 每一渐变层的所述多个人造微结构具有相同的 几 何形状, 每一区域内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, 且两个相邻的渐变层中距离所述核心层较远的 渐变 层对应的同一区域内相同半径处的人造微结构 的尺寸较小。

在本发明所述的天线中, 所述超材料面板每一层的折射率为:

n 1 (r)=i*n max /N-(i/(N*d))*( r 2 + , 2 - *( n -(N/i)* n /( n

Hmin) ,

其中 i表示第几层, 且 i≥l , 自远至近(距离核心层的距离) i=l、 2 · · ·; N=c+1 , c表示一侧渐变层的层数; n max 表示核心层的最大折射率, n mm 表示核心 层的最小折射率; r为半径; s表示辐射源与超材料面板的距离; d=(b+c)t, b表 示核心层的层数, t表示每一层的厚度, c表示一侧渐变层的层数; LG)表示每一 区域的起始半径, j表示第几区域, j≥l。 在本发明所述的天线中, 每一核心层的所述多个人造微结构具有相同的 几 何形状, 每一区域内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。

在本发明所述的天线中, 所述金属丝为铜丝或银丝。

在本发明所述的天线中, 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基板上。

在本发明所述的天线中,所述人造微结构为" "字形、 "十"字形或 "王"字形。 本发明还提供一种天线的超材料面板的工作波 长的生成方法, 所述天线可 同时工作在第二波长 λ 2 和第三波长 λ 3 , 所述方法包括:

获取与第三波长入 3 和第二波长入 2 的比值 λ 3 / λ 2 在预设误差范围内的数值 m 3 / m 2 ;

计算 m 2 与 m 3 的最小公倍数

生成所述超材料面板的工作波长 ,可表示为: λ λ ^ π^/π^ )或 λ 1= 3

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的工作 波长, 使得天线能够同时工作在两个不同的波长上, 通过调整超材料面板上的 折射率变化将辐射源发射的电磁波转换为平面 波, 从而提高了天线的汇聚性能, 增强了传输距离, 而且减少了天线的体积和尺寸, 还能保证天线工作在不同频 点 (也即不同的波长), 使得在有不同的频点需求时, 无需更换天线即可实现, 降低了使用成本。

【附图说明】

图 1是现有的球面形状的透镜天线汇聚电磁波的 意图;

图 2是本发明一实施例的基于超材料的天线汇聚 磁波的示意图; 图 3是图 2所述的超材料面板 10的工作波长的生成方法流程图;

图 4是图 2所示的超材料面板 10的结构示意图;

图 5是核心层的折射率随半径变化的示意图;

图 6是渐变层的折射率随半径变化的示意图;

图 7是超材料面板的核心层在 yz平面上的折射率分布图; 图 8是超材料面板的第 i层渐变层在 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 。

超材料是一种以人造微结构 402 为基本单元并以特定方式进行空间排布、 具有特殊电磁响应的新型材料, 包括人造微结构 402和供人造微结构附着的基 板 401。人造微结构 402为由至少一根金属丝组成的平面结构或立体 结构, 多个 人造微结构 402在基板 401上阵列排布, 每个人造微结构 402以及其所附着的 基板 401所占部分即为一个超材料单元。 基板 401可为任何与人造微结构 402 不同的材料, 这两种材料的叠加使每个超材料单元产生一个 等效介电常数与磁 对电磁响应的特征是由人造微结构 402的特征所决定, 而人造微结构 402的电 磁响应很大程度上取决于其金属丝的图案所具 有的拓朴特征和其几何尺寸。 根 据上述原理设计超材料空间中排列的每个人造 微结构 402 的拓朴图形和几何尺 寸, 就可对超材料中每一点的电磁参数进行设置。

图 2示出了一种基于超材料的天线, 包括: 辐射源 20和具有电磁波汇聚功 能且工作在第一波长 λ ,的超材料面板 10,超材料面板 10用于将辐射源 20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 λ ,且与 第一波长 成不同倍数关系的第二波长 λ 2 和第三波长 λ 3 上。天线对电磁波的 汇聚效果见图 2所示。

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 , 那么需要计算超材料面板 10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。

步骤 302、 计算 m 2 与 m 3 的最小公倍数

步骤 303、 生成超材料面板 10的工作波长 λ " 可表示为: λ 1= λ 2 ( mi/m 2 ) 或 入 ι=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 6^11。

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 率分布非均勾时, 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面板 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 4是图 2所示的超材料面板 10的结构示意图, 超材料面板 10包括多个 核心层以及对称分布在所述核心层两侧的多个 渐变层, 每一核心层和每一渐变 层均包括片状基板 401和设置在基板 401上的多个人造微结构 402。每个人造微 结构 402以及其所附着的基板 401所占部分即为一个超材料单元。 超材料面板 10 由多个超材料片层堆叠形成, 这各个超材料片层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, 超材料片层 的数目可依据需求来进行设计。 每个超材料片层由多个超材料单元阵列形成, 整个超材料面板 10可看作是由多个超材料单元沿 X、 Υ、 Ζ三个方向阵列排布 而成。 通过对人造微结构 402的拓朴图案、 几何尺寸以及其在基板 401上分布 的设计, 使中间的核心层的折射率分布满足如下规律: 每一层的折射率分布均 相同, 每一核心层包括一个圓形区域和与所述圓形区 域同心的多个环形区域, 所述圓形区域和所述环形区域内折射率随着半 径的增大从 ηρ连续减小到 η 0 且相 同半径处的折射率相同。

如图 4所示, 仅示出了 7层, 其中中间三层为核心层 3 , 核心层两侧的两层 均为渐变层 1、 2, 且两侧的渐变层对称分布, 即距离核心层相同距离处的渐变 层特性相同。 图 4 中的超材料面板的核心层和渐变层的数量仅为 示例, 可依据 需要进行设置。 假设最终制成的超材料面板的厚度为 D, 每一层的厚度为 t, 核 心层一侧的渐变层的层数为 c, 超材料面板 10工作的波长为 λ 1 核心层的折射 率变化区间为 n max ~n mm , A n=n max -n mm , 核心层的层数为 b, 则核心层 b与渐变 层的层数 c具有如下关系: (b+c^^ A A n; D=b+2c。 其中, 渐变层主要是为了 实现折射率的緩冲作用, 避免电磁波入射时折射率较大的变化, 减少电磁波的 反射, 并起到阻抗匹配和相位补偿的作用。

以三层核心层, 核心层两侧各两层渐变层为例, 对于中间的三层核心层来 说, 每一层的折射率分布均相同, 每一核心层包括一个圓形区域和与所述圓形 区域同心的多个环形区域, 所述圓形区域和所述环形区域内折射率随着半 径的 增大从 n p 连续减小到 n 0 且相同半径处的折射率相同。 核心层的折射率随半径变 化的示意图如图 5 所示。 作为示例, 每一核心层包括三个区域, 第一区域为圓 形区域, 其半径长度为 L1 ; 第二区域为环形区域, 环形宽度从 L1变化为 L2; 第三区域为环形区域, 环形宽度从 L2变化为 L3 , 三个区域沿半径增大方向折 射率依次从 n p (即 n max )减小为 n Q (即 n mm ), n p >n Q 。 核心层的每一层的折射率 分布均相同。

渐变层的折射率随半径变化的示意图如图 6 所示。 与核心层的分布类似, 区别仅在于每一区域的最大折射率不同, 核心层的最大折射率为 n p , 渐变层的 最大折射率为 !¾, 且不同的渐变层 1¾不同。 分布在核心层同一侧的每一渐变层 均包括一个圓形区域和与所述圓形区域同心的 多个环形区域, 两个相邻的渐变 层对应的圆形区域和环形区域内的最大折射率 表示为 1¾和 11 1+1 , 其中 no^n^^np, i为正整数, ι¾对应于距离所述核心层较远的渐变层; 每一渐变层 对应的所述圓形区域和所述环形区域内的折射 率随着半径的增大从其最大折射 率连续减小到 n 0 且相同半径处的折射率相同。 也就是说, 对于图 4来说, 核心 层左侧的两层渐变层, 其中最左边的渐变层最大折射率为 , 另一渐变层最大 折射率为 , 而 nQ n n n p 。 同理, 由于核心层两侧的渐变层是对称分布的, 因此, 最右边的渐变层与最左边的渐变层折射率排布 相同, 次右边的渐变层与 次左边的渐变层折射率排布相同。

对于超材料面板的具体每一层的折射率分布随 着半径 r 的变化可用下式进 行表示:

n 1 (r)=i*n max /N-(i/(N*d))*( r 2 + , 2 -^O') 2 ) *(n max -(N/i)*n /(iwn 其中 i表示第几层, 且 1 , 自远至近(距离核心层的距离) i=l、 2 · · ·; N=c+1 , c表示一侧渐变层的层数; n max 表示核心层的最大折射率, n mm 表示核心 层的最小折射率; r为半径; s表示辐射源与超材料面板的距离; d=(b+c)t, b表 示核心层的层数, t表示每一层的厚度, c表示一侧渐变层的层数; LG)表示每一 区域的起始半径, j表示第几区域, 其中 L(l)表示第一区域(即圓形区域) 的起始半径, 因此 L(l) =0, L(2)表示第二区域(环形区域) 的起始半径, L(3) 表示第三区域(环形区域) 的起始半径, 依次类推, 对于图 5所示, L(2)=L1 , L(3)= L1+L2、 L(4)= L1+L2+L3。 其中, 不管是渐变层还是核心层, 每一层的每 一区域的 LG)的取值都相同, 若要计算第一区域的 n(r), 则上述公式 LG)取值为 L(1) =0, 若要计算第二区域的 n(r), 则上述公式 LG)取值为 L(2), 以此类推。 对于如图 4所示的超材料面板, 标号为 1的渐变层, 在上式中 i取值为 1, 标号为 2的渐变层下式中 i取值为 2, 对于标号为 3的核心层, i取值为 3, —侧 渐变层的层数 c=2, 核心层的层数 b=3, N=c+1=3。

下面以一组实验数据为例, 详细解释上述公式的含义: 入射电磁波的频率 f=15GHz,波长 =2^11,天线能够同时工作的波长为 A 2 =0.67cm, λ 3 =1 C m(当 然 也是天线的工作波长, 也就是说至少可以同时工作在三个波长), n max =6, n mm =l , Δη=5, s=20cm, L(l)=0cm, L(2)=9.17cm, L(3)=13.27cm, L(4)=16.61cm, c=2, N=c+1=3; 每一层的厚度 t=0.818mm; 根据核心层的层数 b与渐变层的层 数 c的关系 (b+c^^A An, 可得 b=3; d=(b+c)t=5*0.818。 超材料面板每一层的 折射率分布如下:

对于渐变层来说, 自远至近(距离核心层的距离) i=l、 2。

第一层渐变层:

ni(r)=i*n max /N-(i/(N*d))* ( r 2 +, 2

=l*6/3-(l/(3*5*0.818mm))* ( r 2 +20 2 cm 2 - L(jf + 20 2 cm 2 ) *(6-(3/l)*l)/5 第一渐变层中的每一区域 LG)的值不同,其中,第一区域 j=l, LG)=L(1)=0; 第二区域 j=2, LG)=L(2)=9.17cm; 第三区域 j=3, L(j)=L(3)= 13.27cm。

第二层渐变层:

=2 * 6/3 - (2/(3 * 5 * 0.818 mm)) * (sir 2 +20 2 cm 2 -^L(j) 2 +20 2 cm 2 ) *(6-(3/2)*l)/5 第二渐变层中的每一区域 LG)的值不同,其中,第一区域 j=l, LG)=L(1)=0; 第二区域 j=2, LG)=L(2)=9.17cm; 第三区域 j=3, L(j)=L(3)= 13.27cm。

对于核心层, 每一层的折射率分布均相同, 也即均为 n 3 (r):

=3*6/3-(3/(3*5*0.818mm))* (Vr 2 +2。W -^L(j) 2 +20 2 cm 2 )*(6-(3/3)*l)/5 通过上述公式, 可以得到如下规律, 超材料面板自左向右每一层的最大折 射率依次降低, 例如, 第一层渐变层最大折射率 n=2, 第二层渐变层最大折射率 n=4, 第三、 四、 五层核心层最大折射率 n=6; 由于渐变层是对称分布的, 因此 右侧渐变层自右向左第一层渐变层最大折射率 n=2, 第二层渐变层最大折射率 n=4。也就是说, 图 6所示的渐变层的最大折射率 ι¾ (随着距离核心层越近 i越大) 满足如下规律: n 1+1 > !¾, 对于核心层, 最大折射率为 n p 。 上文关于公式中的具 体取值仅为示例, 并不作为对本发明的限制。 在实际应用中, 可依据需要进行 调整。 比如最大折射率、 最小折射率、 渐变层的层数等等都可以根据需要更改。 满足上述折射率变化关系的超材料面板 10,对于从辐射源 20发出的球面波 形式发散的电磁波, 以折射率为 ι¾ 或 n p 的超材料单元为圓心, 随着半径的增大 超材料面板 10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 散光线平行出射。 同理本发明的基于超材料的天线通过设计各个 超材料单元的 人造微结构, 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 的偏折角度, 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 7 所示, 最大折射率为 n p , 最小折射率为 n Q 。 渐变层的折射率分布与核心层折射 率分布类似, 不过渐变层的每一层的最大折射率不同, 如图 8所示, 第 i层渐变 层的最大折射率为!¾, 最小折射率为 n Q , 渐变层的最大折射率 ι¾ (随着距离核心 层越近 i越大)满足如下规律: η 1+1 > ηι

实验证明, 相同图案的人造微结构 402 , 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 402 的拓朴图案和 不同尺寸的人造微结构 402在超材料片层上的排布, 就可以调整超材料面板 10 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 402有很多种可实 现方式,对于平面结构的人造微结构 402, 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。

本发明还提供一种应用于上文所述的基于超材 料的天线的超材料面板的工 作波长的生成方法, 具体过程如图 3所示, 天线可同时工作在第二波长 入 2 和第 三波长 λ 3 , 该方法包括如下步骤:

1 )获取与第三波长 入 3和第二波长入 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);

2 )计算 m 2 与 m 3 的最小公倍数

3 )生成所述超材料面板的工作波长 ,可表示为: λ 1= λ 2 ( mi /m 2 )或 λ 1= 3

本发明通过设计超材料面板的工作波长, 使得天线能够同时工作在两个不 同的波长上, 通过调整超材料面板上的折射率变化将辐射源 发射的电磁波转换 为平面波, 从而提高了天线的汇聚性能, 增强了传输距离, 而且减少了天线的 体积和尺寸, 还能保证天线工作在不同频点(也即不同的波 长), 使得在有不同 的频点需求时, 无需更换天线即可实现, 降低了使用成本。

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。