【技术领域】

本发明涉及一种天线， 尤其涉及一种由超材料制成的偏馈式微波天线 。 【背景技术】

常规的微波天线一般由金属抛物面以及位于金 属抛物面焦点的馈源构成， 金属抛物面的作用为将外部的电磁波反射给馈 源或者将馈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。 现有的偏馈式微波天线由于其馈源的安装位置 并 不在与天线中心切面垂直且过天线中心的直线 上， 因此常规的偏馈式微波天线 没有馈源阴影的影响。 但是现有偏馈式微波天线的反射面仍然是由金 属抛物面 构成。

金属抛物面通常利用模具铸造成型或者釆用数 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。 第二种方法釆用大型数控机 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】

本发明所要解决的技术问题在于， 针对现有技术的上述不足， 提出一种结 构简单、 体积较小且增益较高的偏馈式微波天线。

本发明解决其技术问题所釆用的技术方案是： 提供一种偏馈式微波天线， 包括馈源、 第一超材料面板以及贴附于第一超材料面板背 部的反射面板； 所述 第一超材料面板包括核心层， 所述核心层由多个折射率分布相同的核心超材 料 片层构成， 所述核心超材料片层包括核心超材料片层基材 以及周期排布于所述 核心超材料片层基材上的多个第一人造金属微 结构或第一人造孔结构， 所述核 心超材料片层上的折射率分布满足规律： 以一不与核心超材料片层中心点重合 的定点为圓心， 核心超材料片层上相同半径处的折射率相同， 且随着半径的增 大， 折射率逐渐减小。

进一步地， 以所述定点为圓心， 核心超材料片层上半径为 r处的折射率为：

其中， L为所述馈源到所述第一超材料面板的垂直距� �， n _max 为所述核心超 材料片层所具有的最大折射率值 , d ₂ 为所述核心层的厚度。

进一步地， 所述馈源与所述定点的连线垂直于所述第一超 材料面板， 且所 述定点位于所述第一超材料面板边界上。

进一步地， 所述第一超材料面板边界为四边形， 所述定点位于四边形一边 中点。

进一步地， 所述第一超材料面板边界为圓形， 所述定点位于圓形圓周上。 进一步地， 所述多个第一人造金属微结构在所述核心超材 料片层上的排布 规律为： 所述多个第一人造金属微结构具有相同的几何 形状， 以所述定点为圓 心， 圓心处的第一人造金属微结构尺寸最大， 相同半径处的第一人造金属微结 构尺寸相同， 随着半径增大， 第一人造金属微结构尺寸减小。

进一步地， 所述多个第一人造金属微结构的几何形状为为 "工" 字形， 包 括竖直的第一金属分支以及位于所述第一金属 分支两端且垂直于所述第一金属 分支的第二金属分支。

进一步地， 所述第一人造金属微结构还包括位于所述第二 金属分支两端且 垂直于所述第二金属分支的第三金属分支。

进一步地， 所述多个第一人造金属微结构的几何形状为为 平面雪花形， 包 括相互垂直的两条第一金属分支以及位于所述 第一金属分支两端且垂直于所述 第一金属分支的第二金属分支。 进一步地， 所述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， 周期排布于所述核心超材料片层的基材中的多 个所述第一人造 孔结构的排布规律为： 以所述定点为圓心， 圓心处的第一人造孔结构体积最小， 相同半径处的第一人造孔结构体积相同， 随着半径增大， 第一人造孔结构体积 增大。

进一步地， 所述第一人造孔结构内填充有折射率大于核心 超材料片层基材 折射率的介质， 周期排布于所述核心超材料片层的基材中的多 个所述第一人造 孔结构的排布规律为： 以所述定点为圓心， 圓心处的第一人造孔结构体积最大， 相同半径处的第一人造孔结构体积相同， 随着半径增大， 第一人造孔结构体积 进一步地， 所述第一超材料面板还包括设置于所述核心层 外侧的第一渐变 超材料片层至第 N渐变超材料片层，所述第 N渐变超材料片层紧贴所述核心层； 每一渐变超材料片层包括渐变超材料片层基材 以及周期排布于所述渐变超材料 片层基材上的多个第二人造金属微结构或第二 人造孔结构； 各渐变超材料片层 上的折射率分布满足规律： 以一定点为圓心， 相同半径处的折射率相同， 随着 最大值逐渐减小到各渐变超材料片层所具有的 折射率最小值； 各渐变超材料片 层和核心超材料片层具有相同的折射率最小值 ； 各渐变超材料片层的折射率分 布圓心点与各核心超材料片层的折射率分布圓 心点在同一轴线上。

进一步地， 所述核心超材料片层上以其折射率分布圓心点 为圓心， 半径为 r 处的折射率为：

d _x + 2d ₂

其中， L为所述馈源到所述第一超材料面板的垂直距� �， n _max 为所述核心超 材料片层所具有的最大折射率值， d ₂ 为所述核心层的厚度， 为所有的渐变超 材料片层所具有的厚度。

进一步地， 所述第一渐变超材料片层至第 N渐变超材料片层上， 以各渐变 超材料片层折射率分布圓心点为圓心， 半径为 r处的折射率为：

n ₁ (r)=n _mm +(n(r)-n _mm ) * (i/N)

其中， N为渐变超材料片层的总层数， 1为第一渐变超材料片层至第 N渐变 超材料片层所对应的序号， n _mm 为所有的渐变超材料片层所具有的相同的 最小折 射率值。

进一步地， 所述第一渐变超材料片层至第 N渐变超材料片层上， 以各渐变 超材料片层折射率分布圓心点为圓心， 半径为 r处的折射率为：

n ₁ (r)=n _mm +(n(r)/n _mm )(i/N)

其中， N为渐变超材料片层的总层数， 1为第一渐变超材料片层至第 N渐变 超材料片层所对应的序号， n _mm 为所有的渐变超材料片层所具有的相同的 最小折 射率值。

进一步地， 所述偏馈式微波天线还包括用于将所述馈源辐 射的电磁波发散 的第二超材料面板， 所述第二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， 所述第一超材料片层包括第一基材以及周期排 布于所述第一基材上 的第三人造金属微结构或第三人造孔结构； 所述第一超材料片层的折射率分布 规律满足： 所述第一超材料片层上的折射率呈圓形分布， 圓心位于所述第一超 材料片层中心点， 圓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。

进一步地， 所述第二超材料面板紧贴于所述馈源口径面上 且所述第二超材 料面板中心点与所述馈源口径面中心点重合。

进一步地， 所述第三人造金属微结构在所述第一基材上的 排布规律为： 以 所述第一超材料片层中心点为圓心， 圓心处的第三人造金属微结构尺寸最小， 相同半径处的第三人造金属微结构尺寸相同， 随着半径增大， 第三人造金属微 结构尺寸增大。

进一步地， 所述第三人造孔结构在所述第一基材上的排布 规律为： 所述第 三人造孔结构填充有折射率小于第一基材折射 率的介质， 以所述第一超材料片 层中心点为圓心， 圓心处的第三人造孔结构体积最大， 相同半径处的第三人造 孔体积相同， 随着半径增大， 第三人造孔体积减小。

进一步地， 所述第三人造孔结构在所述第一基材上的排布 规律为： 所述第 三人造孔结构填充有折射率大于第一基材折射 率的介质， 以所述第一超材料片 层中心点为圓心， 圓心处的第三人造孔结构体积最小， 相同半径处的第三人造 孔体积相同， 随着半径增大， 第三人造孔体积增大。

本发明釆用超材料原理制作天线， 使得天线脱离了常规的凸透镜形状、 凹 透镜形状以及抛物面形状的限制， 釆用本发明的天线， 其形状可为平板状或任 意形状且厚度更薄、 体积更小、 加工和制作更为方便， 具有成本低廉、 增益效 果好的有益效果。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案 ， 下面将对实施例描述中所 需要使用的附图作简单地介绍， 显而易见地， 下面描述中的附图仅仅是本发明 的一些实施例， 对于本领域普通技术人员来讲， 在不付出创造性劳动的前提下， 还可以根据这些附图获得其他的附图。 其中：

图 1为本发明第一实施例中超材料基本单元的立� �结构示意图；

图 2为本发明第一实施例的偏馈式微波天线的结� �示意图；

图 3 为本发明第一实施例的偏馈式微波天线中第一 超材料面板边界为四边 形时其上的折射率分布示意图；

图 4 为本发明第一实施例的偏馈式微波天线中第一 超材料面板边界为圓形 时其上的折射率分布示意图；

图 5 为本发明第一实施例中构成第二超材料面板的 第二超材料片层的立体 结构示意图；

图 6 为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 状拓朴图案；

图 7为图 6中人造金属微结构几何形状拓朴图案的衍生� �案； 图 8 为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 状拓朴图案；

图 9为图 7中人造金属微结构几何形状拓朴图案的衍生� �案；

图 10为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为本发明第二实施例的偏馈式微波天线的结� ��示意图；

图 12为本发明第二实施例中第一超材料片层 300，的立体结构示意图。

【具体实施方式】

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所 釆取的技术手段及功效， 以 下结合附图及较佳实施例， 对依据本发明提出的立体图像显示方法以及相 应的 立体图像显示装置其具体实施方式、 方法、 步骤、 结构、 特征及其功效， 详细 说明如下。 有关本发明的前述及其他技术内容、 特点及功效， 在以下配合参考 图式的较佳实施例的详细说明中将可清楚呈现 。 通过具体实施方式的说明， 当 解， 然而所附图式仅是提供参考与说明之用，并非 用来对本发明加以限制。

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为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。 本实施例中， 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 磁波电场和 /或磁场产生响应的平面或立体拓朴结构， 改变每个超材料基本单元 上的人造金属微结构的图案和 /或尺寸即可改变每个超材料基本单元对入射� �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为本发明第一实施例的偏馈式微波天线的结� �示意图。 图 2中， 偏馈式微波天线包括馈源 20、 第一超材料面板 10以及贴附于第一超材 料面板 10背部的反射面板 40,本实施例中反射面板 40为金属材质的反射面板。 馈源 20与第一超材料面板 10外表面中心点的连线与水平面呈一不等于 180° 的 角度 θ , 且馈源 20与第一超材料面板 10的垂直距离为 L。 本实施例中， 馈源 20与第一超材料面板 10外表面中心点的连线与水平面所形成的角度� �� 45° , 馈源 20与第一超材料面板 10的垂直交点位于第一超材料面板 10的边界上， 此 时第一超材料面板 10的整体高度即为 2L。 下面均以馈源 20与第一超材料面板 10外表面中心点的连线与水平面所形成的角度� �� 45° 来进行说明。

第一超材料面板 10包括核心层， 该核心层由多个折射率分布相同的核心超 材料片层构成。 构成核心超材料片层的基本单元如图 1 所示， 核心超材料片层 包括核心超材料片层基材以及周期排布于核心 超材料片层基材上的多个第一人 造金属微结构， 优选地， 在多个第一人造金属微结构上还覆盖有覆盖层 使得第 一人造金属微结构被封装， 覆盖层与核心超材料片层基材材质相同且厚度 相等， 每一人造金属微结构和其所附着的部分核心超 材料片层基材构成了核心超材料 片层的基本单元。 本实施例中， 覆盖层与核心超材料片层基材的厚度均为 0.4毫 米， 而人造金属微结构层的厚度为 0.018毫米， 因此每片核心超材料片层的厚度 为 0.818毫米。 整个核心层具有厚度 d ₂ 。

因为第一超材料面板 10需要使得入射的电磁波发生折射以后被反射� ��板 40 反射并再次被第一超材料面板 10折射后能平行出射， 因此第一超材料面板 10 的折射率分布需满足规律： 以一不与核心超材料片层中心重合的定点为圓 心， 核心超材料片层上相同半径处的折射率相同， 且随着半径的增大， 折射率逐渐 减小。 优选地， 本实施例中， 该圓心位于第一超材料面板的边界上， 且圓心与 馈源的连线垂直于第一超材料面板。 当第一超材料面板的边界形状为四边形时， 圓心 0即位于该四边形一边的中点上， 如图 3所示； 当第一超材料面板的边界 形状为圓形时， 圓心 0即位于该圓的圓周上， 如图 4所示。 图 3、 图 4中我们 看出， 当圓心位于第一超材料面板边界上时， 圓心所在的区域即为第一超材料 面板上的折射率最大值所在区域， 且第一超材料面板上折射率相同的基本单元 中心点的连线为该多个同心圓被第一超材料面 板边界截断形成的弧线。 进一步 地， 第一超材料面板上折射率 n对应半径 r的表达式为：

其中， n _max 为核心层所具有的最大折射率值， L为馈源到第一超材料面板的 垂直距离， 也即馈源与上述圓心的连线距离， d ₂ 为第一超材料面板核心层厚度。

同时， 为了使得出射电磁波增益最大， 需使得出射电磁波相位一致， 因此 优选地， 核心层厚度 d ₂ 、 核心层高度 2L、 馈源 20到第一超材料面板的垂直距 离 核心层所具有的最大折射率 n _max 、 核心层所具有的最小折射率 n _mm 需满足 以下关系式：

V(2 ) ² + ² ~L = n _mm ) * {2d ₂ )

优选地， 为了减少从馈源 20发射的电磁波在第一超材料面板 10表面产生 的反射能量损失， 可以在第一超材料面板 10的核心层外侧设置第一渐变超材料 片层至第 N渐变超材料片层。 每一渐变超材料片层的基本单元如图 1所示， 每 一渐变超材料片层也包括渐变超材料片层基材 以及在渐变超材料片层基材上周 期排布的多个第二人造金属微结构， 其尺寸构造亦与核心超材料片层相同， 即 包括 0.4毫米厚度的覆盖层、 0.4毫米厚度的渐变超材料片层基材以及 0.018毫 米厚度的第二人造金属微结构， 每一第二人造金属微结构和其所附着的部分渐 变超材料片层基材构成了所述渐变超材料片层 的基本单元。 各渐变超材料片层 上的折射率分布满足规律： 以一定点为圓心， 相同半径处的折射率相同， 随着 半径的增大， 折射率从各渐变超材料片层的最大值逐渐减小 到最小值， 所述定 点与所述馈源的连线垂直于渐变超材料片层且 所述定点位于所述渐变超材料片 层边界上； 各渐变超材料片层和核心超材料片层具有相同 的折射率最小值。 本 实施例中， 各渐变超材料片层所具有的最小折射率与核心 超材料片层所具有的 最小折射率相等， 即均为 n _mm 。 第一渐变超材料片层至第 N渐变超材料片层所 具有的最大折射率分别为 _ηι 、 n ₂ ... ... n _n , 且满足 _ηι <η ₂ < ... ... <n _n <n _max 。 所有的渐 变超材料片层共具有厚度 , 且所有的超材料片层高度与核心超材料片层高 度 相等， 均为 2L

设置有渐变超材料片层后， 核心超材料片层的折射率分布公式变化为：

相应地， 为了使得出射电磁波增益最大， 需使得出射电磁波相位一致， 因 此优选地， 核心层厚度 d ₂ 、 渐变超材料片层 核心层高度 2L、 馈源 20与第 二超材料面板的垂直距离 L、核心层所具有的最大折射率 n _max 、核心层所具有的 最小折射率 n _mm 需满足以下关系式：

2L) ² + L ² - L = (n _max - n _mm ) * {2d ₂ + d ₁ ) 每一渐变超材料片层的精确折射率分布可为多 种形式， 例如线性分布的每 一渐变超材料片层表达式：

n ₁ (r)=n _mm +(n(r)-n _mm ) * (i/N)

其中， N为渐变超材料片层的总层数， 1为第一渐变超材料片层至第 N渐变 超材料片层所对应的序号， 即 i取值 1、 2、 3 N。

同时， 每一渐变超材料片层亦可釆用幂值分布， 釆用幂值分布时每一渐变 超材料片层表达式为：

1¾( =11匪 +(η( /η皿 _n ) ^(l/N)

其中， N为渐变超材料片层的总层数， 1为第一渐变超材料片层至第 N渐变 超材料片层所对应的序号， 即 i取值 1、 2、 3 N。

本发明还提供一种第二超材料面板 30,第二超材料面板 30的作用为将馈源 发射的电磁波发散， 以提高馈源的近距离辐射范围。 第二超材料面板 30的位置 可以紧贴馈源的发射端口亦可与馈源相隔一定 距离。 本实施例中， 第二超材料 面板 30紧贴于馈源 20的发射端口上。

第二超材料面板 30由多片折射率分布相同的第一超材料片层 300构成， 如 图 5所示， 图 5为本发明第一实施例中第一超材料片层 300的立体结构示意图， 为清楚介绍第一超材料片层 300 , 图 5釆用透视图画法， 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 302相等且厚度相等。 本实 施例中，覆盖层 303与第一基材 302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 率呈圓形分布， 圓心位于第一超材料片层中心点， 圓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， 以提 高辐射源的近距离辐射范围， 使得偏馈式微波天线整体能够更小的尺寸。

更具体地， 本实施例中， 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 _Q +KR, K为常数， R为圓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， ηθ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 _Q +KR ² ; 或为立方率变化即 n( _R )=n _Q +KR ³ ; 或为冥函数变化， 即 n( _R )=n。*K ^R 等。 常数 K和 n。均可根据实际需要通过简单的计算机仿真� �可确 定。

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。 本实施例中， 为简化设 计、 便于制作， 多个第一人造金属微结构、 多个第二人造金属微结构和多个第 三人造金属微结构具有相同的几何形状， 因此构成第二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 圓 形分布， 且圓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， 以一不与渐变超材料片层中心点重合的定点为 圓心， 核心超材料片层上相同半径处的第二人造金属 微结构尺寸相同， 且随着半径的 增大， 第二人造金属微结构尺寸减小。 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， 以一不与渐变超材 料片层中心点重合的定点为圓心， 核心超材料片层上相同半径处的第一人造金 属微结构尺寸相同， 且随着半径的增大， 第一造金属微结构尺寸减小。

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上 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为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朴图 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朴图案的衍生� �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。

如图 8所示， 图 8为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二较佳实施方式的人造 金属微结构的几何形状拓朴图 案。图 8中，人造金属微结构呈平面雪花型，包括相� �垂直的第一金属分支 1021， 以及两条第一金属分支 1021，两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朴图案的衍生 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 1021，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端点� �第三金属分支 1023， 长度相等且中点位于第二金属分支端点； 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。 釆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为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 1，使得基材 2，每点的介电常数和磁导率随着人 造孔结构体积的不同而不同， 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为本发明第二实施例的偏馈式微波天线的结� ��示意图。 图 11中， 偏馈式微波天线包括馈源 20、 第一超材料面板 10，以及贴附于第一超 材料面板 10'背部的反射面板 40, 本实施例中反射面板 40为金属材质的反射面 板。 本实施例与第一实施例的区别在于， 第一超材料面板 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 构成。 构成核心超材料片层的基 本单元如图 10所示， 核心超材料片层包括核心超材料片层基材以及 周期排布于 核心超材料片层基材中的多个第一人造孔结构 ， 每一人造孔结构和其占据的部 分核心超材料片层基材构成了核心超材料片层 的基本单元。

同样， 优选地， 为了减少从馈源 20发射的电磁波在第一超材料面板 10'表 面产生的反射能量损失， 可以在第一超材料面板 10，的核心层外侧设置第一渐变 超材料片层至第 Ν渐变超材料片层。 每一渐变超材料片层的基本单元如图 1所 示， 每一渐变超材料片层也包括渐变超材料片层基 材以及在渐变超材料片层基 材上周期排布的多个第二人造孔结构， 每一第二人造孔结构和其所占据的部分 渐变超材料片层基材即构成了核心超材料片层 的基本单元。 各渐变超材料片层 上的折射率分布满足的规律与第一实施例相同 。 本实施例还提供一种第二超材料面板 30' , 第二超材料面板 30'的作用为将 馈源发射的电磁波发散， 以提高馈源的近距离辐射范围。 第二超材料面板 30，的 位置可以紧贴馈源的发射端口亦可与馈源相隔 一定距离。 本实施例中， 第二超 材料面板 30'紧贴于馈源 20的发射端口上。

第二超材料面板 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为本发明第二实施例中第一超材料片层 300，的立体结构示意 图， 第一超材料片层 300，包括第一基材 301，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� �，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 率呈圓形分布， 圓心位于第一超材料片层中心点， 圓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， 以提 高辐射源的近距离辐射范围， 使得偏馈式微波天线整体能够更小的尺寸。

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。+KR, K为常数， R为圓形分布的第三人造孔结构附着的超材 料基本单元中心点与第一基材中心点的连线距 离， ηθ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 _Q +KR ² ; 或为立方率变化即 n( _R )=n _Q +KR ³ ; 或为冥函数变化， 即 n( _R )=n。*K ^R 等。 常数 K和 n。均可根据实际需要通过简单的计算机仿真� �可确定。

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： 所述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， 所述第一超 材料片层的多个第三人造孔结构在所述第一基 材上呈圓形分布， 圓心处的第三 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减小 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： 所述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， 以一不与渐变超材料片层中心点重合的定点为 圓心， 核心超材 料片层上相同半径处的第二人造孔结构体积相 同， 且随着半径的增大， 第二人 造孔结构尺寸增大。 核心超材料片层上的第一人造孔结构排布规律 为： 所述第 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， 以一不 与渐变超材料片层中心点重合的定点为圓心， 核心超材料片层上相同半径处的 第一人造孔结构尺寸相同， 且随着半径的增大， 第一造孔结构尺寸减小。 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 射率小于各基 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。