【技术领域】

本发明涉及电磁领域， 更具体地说， 涉及人工复合材料和人工复合材料天 线。 【背景技术】

在常规的光学器件中， 利用透镜能使平面波经过透镜折射后变为球面 波， 该球面波好像是从透镜虚焦点上的点光源辐射 出似的。 目前透镜的发散是依靠 透镜的球面形状的折射来实现。

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： 透镜 的体积大而且笨重， 不利于小型化的使用； 透镜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、 透镜性能差的缺陷， 提供一种高性能的人工复合材料和人工复合材 料天线。

为解决上述问题， 本发明提供一种人工复合材料， 所述人工复合材料划分 为多个区域； 平面电磁波入射到所述人工复合材料的第一表 面并在与所述第一 表面相对的第二表面以球面波的形式射出； 射出的电磁波反向延伸相交于所述 人工复合材料的虚焦点上； 第 Z区域与所述第一表面的交集部分为第 Z区域的底 面， 第 z区域与所述第二表面的交集部分为第 z区域的顶面； 设虚焦点与所述第 z 区域顶面上一点的连线与垂直于人工复合材料 的直线之间的夹角为 夹角 0唯 一对应第 Z区域内的一曲面， 第 Z区域顶面上具有相同夹角 0的点的集合构成夹 角 0唯一对应的曲面的边界； 且夹角 ^唯一对应的曲面上每一处的折射率均相 同； 每一区域的折射率随着夹角 ^的增大逐渐减小。

其中， 设虚焦点与第 Z区域顶面外圆周上一点的连线与垂直于人工� �合材料 的直线之间的夹角为 ， Z为正整数且越靠近人工复合材料中心的区域� �应的 Z 越小； 其中， 夹角 对应的曲面的母线的弧长为 弧长 和夹角 满足 如下公式：

-c{e _i _ _l )n _mm in ₍ ( _i) )

其中， θ ₀ =0 c(0 _o ) = d. 为所述虚焦点到所述人工复合材料的距离； d 为所述人工复合材料的厚度； 为电磁波的波长， M _min(; )分别为第 z区域 的最大折射率和最小折射率， M _max(;+1 )为第 _{z +} i区域的最大折射率。

其中 ， 相邻两个区域的最大折射率和最小折射率满足 ：

^Ai max( ) ^Ai min( ) ^Ai max( +1) ^Ai min( +1) °

其中 ， 相邻三个区域的最大折射率和最小折射率满足 ： ^_ ^min( +l)。 其中， 第 z区域的折射率分布满足:

1 (s + d)

(s + d) + n _mm d

cose 其中 c( 为夹角 0对应的曲面的母线的弧长， 为所述虚焦点到所述人工复 合材料的距离， ^为所述人工复合材料的厚度； w _min 为所述人工复合材料的最小 折射率。

其中， 所述曲面的母线为抛物线弧。

其中， 以经过所述人工复合材料第二表面的中心且垂 直于所述人工复合材 料的直线为横坐标轴， 以经过所述人工复合材料第二表面的中心且平 行于所述 ：表面的直线为纵坐标轴， 所述抛物线弧所在的抛物线方程为：

y(x) = ax ² + bx + c ·

且上式中的 a、 b、 c满足如下关系： c = (s + d) tan Θ；

lad + = 0。

其中， 所述抛物线弧的弧长 满足如下公式：

Θ

2 Itan^l + ^ 其中， 为预设小数。

其中， 所述曲面的母线为椭圆弧。

其中， 以经过所述人工复合材料第二表面的中心且垂 直于所述人工复合材 料的直线为横坐标轴， 以经过所述人工复合材料第二表面的中心且平 行于所述 第二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:

为解决上述问题， 本发明还提供一种人工复合材料天线， 包括辐射源和设 置在电磁波传播方向上的人工复合材料； 所述人工复合材料划分为多个区域； 平面电磁波入射到所述人工复合材料的第一表 面并在与所述第一表面相对的第 二表面以球面波的形式射出； 射出的电磁波反向延伸相交于所述人工复合材 料 所述第二表面的交集部分为第 Z区域的顶面； 设虚焦点与所述第 Z区域顶面上一 点的连线与垂直于人工复合材料的直线之间的 夹角为 夹角 ^唯一对应第 Z区 域内的一曲面， 第 Z区域顶面上具有相同夹角 ^的点的集合构成夹角 ^唯一对应 的曲面的边界； 且夹角 ^唯一对应的曲面上每一处的折射率均相同； 每一区域的 折射率随着夹角 ^的增大逐渐减小。

其中， 设虚焦点与第 Z区域顶面外圆周上一点的连线与垂直于人工� �合材料 的直线之间的夹角为 ， Z为正整数且越靠近人工复合材料中心的区域� �应的 Z 越小； 其中， 夹角 对应的曲面的母线的弧长为 弧长 和夹角 满足 如下公式：

其中， θ ₀ =0 c(0 _o ) = d. 为所述虚焦点到所述人工复合材料的距离； d 为所述人工复合材料的厚度； 为电磁波的波长， M _min(; )分别为第 z区域 的最大折射率和最小折射率， M _max(;+1 )为第 _{z +} i区域的最大折射率。

其中 ， 相邻两个区域的最大折射率和最小折射率满足 ：

V) — V) ― V) — V)

^Ai max( ) ^Ai min( ) ^Ai max( +1) ^Ai min( +1) °

其中 ， 相邻三个区域的最大折射率和最小折射率满足 ： ^_ ^min( +l)。

其中， 第 z区域的折射率分布满足:

1 (s + d)

(s + d) + n _mm d

cose 其中 c( 为夹角 0对应的曲面的母线的弧长， 为所述虚焦点到所述人工复 合材料的距离， ^为所述人工复合材料的厚度； w _min 为所述人工复合材料的最小 折射率。 其中， 所述曲面的母线为抛物线弧。

其中， 以经过所述人工复合材料第二表面的中心且垂 直于所述人工复合材 料的直线为横坐标轴， 以经过所述人工复合材料第二表面的中心且平 行于所述 第二表面的直线为纵坐标轴， 所述抛物线弧所在的抛物线方程为：

y(x) = ax ² + bx + c ·

且上式中的 a、 b、 c满足如下关系：

c = (s + d) tan Θ；

lad + = 0。

其中， 所述抛物线弧的弧长 满足如下公式：

Θ

2 Itan^l + ^ 其中， 为预设小数。

其中， 所述曲面的母线为椭圆弧。

其中， 以经过所述人工复合材料第二表面的中心且垂 直于所述人工复合材 料的直线为横坐标轴， 以经过所述人工复合材料第二表面的中心且平 行于所述 第二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:

实施本发明的技术方案， 具有以下有益效果： 将人工复合材料的折射率的 跳变设计为母线为弧线的曲面状， 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， 使得人工复合材料和人工复合材料天线具有 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是依据本发明一实施例的人工复合材料对电� �波的发散作用示意图； 图 2是图 1所示的人工复合材料的结构示意图；

图 3示出了图 2中的的人工复合材料的侧视图；

图 4是图 3所示的弧线 m为抛物线弧时， 弧线 m与 0的关系示意图； 图 5是图 3所示的弧线 m为椭圆弧时， 弧线 m与 0的关系示意图； 图 6是人工复合材料在 yx平面上的折射率分布图。

【具体实施方式】

图 1 是依据本发明一实施例的人工复合材料 10对电磁波的发散作用示意 图， 人工复合材料 10相对设置于辐射源的电磁波传播方向上。 平面电磁波入射 到所述人工复合材料的第一表面 A并在与第一表面 A相对的第二表面 B以球面 波的形式射出。 射出的电磁波反向延伸相交于所述人工复合材 料的虚焦点 J上。

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， 作 为公知常识我们可知， 电磁波的折射率与^成正比关系， 通过设计人工复合 材料中每一点的电磁参数， 就可对人工复合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。

图 2是图 1所示的人工复合材料 10的结构示意图。 人工复合材料 10划分 为多个区域。 其中第 z区域与第一表面 A 的交集部分为第 z区域的底面， 第 z区 域与所述第二表面 B的交集部分为第 z区域的顶面。 设虚焦点 J与第 z区域顶面 上一点的连线与垂直于人工复合材料的直线 L之间的夹角为^夹角 0唯一对应 第 Z区域内的一曲面，第 Z区域顶面上具有相同夹角 Θ的点的集合构成夹角 ^唯一 对应的曲面的边界； 且夹角 ^唯一对应的曲面上每一处的折射率均相同； 每一区 域的折射率随着夹角 ^的增大逐渐减小。 图 2示出了两个区域（这里的区域是立 体的概念， 在图 3中， 就是两个圆环体）。 这里引入区域的概念只是为了更好地 描述人工复合材料的折射率分布而进行的划分 ， 实际上并不是实体的概念。 第 一区域 （图 3 中的 101 ) 最外边界曲面对应的夹角为 ， 第二区域 （图 3 中的 102 )最外边界曲面对应的夹角为 。 第一区域的顶面上具有夹角 的点的集合 构成夹角 唯一对应的曲面 Dml的边界（图示为圆周 11 )。第二区域的顶面上具 有夹角 的点的集合构成夹角 唯一对应的曲面 Dm2的边界 （图示为圆周 22)， 详见下文所述。

图 3示出了人工复合材料 10的侧视图， 图中示出了两个区域的侧视图， 仅 用于示意， 并不作为对本发明的限制。 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。 人工复合材料 10的厚度如图 d所示， L表示垂直于 人工复合材料的直线。 由图 4可知， 每一区域的侧视图为弧线， 相同弧线上的 折射率相同， 也即该弧线绕 L旋转所形成的曲面上的折射率相同。 为了更清楚 地描述相同曲面上的折射率相同， 对人工复合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。 设虚焦点 J与第 I区域顶面外圆周上一点的连线与垂直于人工� �合材料的直 线 L之间的夹角为 ， ,为正整数且越靠近人工复合材料 10中心 0的区域对应 的 z越小；其中，夹角 对应的曲面的母线的弧长为 c( ），弧长 c( ）和夹角 满 足如下公式：

其中， = 0， c(0 _o ) = d . s为虚焦点 J到人工复合材料 10的距离； d为 人工复合材料 10 的厚度； 为电磁波的波长， n M _min ( )分别为第 z区域的 最大折射率和最小折射率， M _max(;+1 M _min(;+1 )为第 _{z +} l 区域的最大折射率和最小 折射率。 夹角 或 取值范围为 [0， ) ₀ 相邻两个区域的最大折射率和最小折 射率两足： ^max(i) ^_ ^min(i) = ^max(i+l) ^_ ^min(i+l)。 如图 2和 3所示， 示出了两个区域 101和 102， 是第一区域 101顶面外圆 周上一点的连线与垂直于人工复合材料 10的直线 L之间的夹角， 是第二区域 102底面外圆周上一点的连线与垂直于人工复合 材料 10的直线 L之间的夹角， 设^ 、 ^ _m i„(i)已知， 第 1区域的 以及 M _min(2 )可用下式计算得出：

2区域的 和 M _min 可用下式计算得出:

cos ^2 cos 在本发明一实施例中， 相邻三个区域的最大折射率和最小折射率满足 ： ^_ ^min( +l)。 如图 3 所示， 每一区域的最边界曲面的母线为弧线。 图中侧视图的弧线即 为每一区域最边界曲面的母线。 每一区域的内边界曲面的折射率最小， 外边界 曲面的折射率最大。 如图 2和图 3所示， 虚焦点 J与第 1区域 101顶面 A1外圆周上一点 01的 连线与 L之间的夹角为 ， 第 1区域 101最边界曲面 Dml的母线为 ml , 弧线 ml的弧长为 c( ），ml绕 L旋转而成的曲面即为 Dml。虚焦点 J与第 2区域 102 顶面 A2外圆周上一点 02的连线与 L之间的夹角为 ，第 2区域 102最边界曲 面 Dm2的母线为 m2， 弧线 m2的弧长为 c( ）， m2绕 L旋转而成的曲面即为 Dm2。 如图 3所示， 弧线 ml、 m2相对于 L对称分布。 曲面 Dml、 Dm2上的折 射率分布相同。

对于任一区域而言， 设虚焦点 J与第 z区域顶面上一点的连线与垂直于人工 复合材料的直线 L之间的夹角为 ， 第 z区域的折射率 随着 的变化规律 两足：

c{9) L cos6> 其中 c( 为夹角 0对应的曲面的母线的弧长， 为虚焦点 J到人工复合材料 10 的距离， 为所述人工复合材料的厚度； w _min 为所述人工复合材料的最小折 射率。 夹角 0取值范围为 [0， )。 图 3中， 作为示例， 夹角 0唯一对应第一区 域 101内的曲面， 该曲面的母线为 m。

下面分别以弧线 m为抛物线弧和椭圆弧为例进行阐述。

假设弧线 m为抛物线弧， 弧长 满足如下公式：

其中， 为预设小数。 其中， 为预设小数， 比如 0. 0001， 可以保证在 角 0接近 0 的时候比值 ：角 0取值范围为 [ο， 如图 4所示， 以经过人工复合材料 10第二表面 B的中心 0且垂直于人工复 合材料 10的直线为横坐标轴， 以经过人工复合材料 10第二表面 B的中心 0且 平行于第二表面 B的直线为纵坐标轴， 虚焦点 J与 B面上某一点 0'的连线与 X 轴的夹角为 0 。 假设抛物线上实线所示的抛物线弧 m 所在的抛物线方程为： y(x) = ax ² + bx + c 。 该 抛 物 线 经 过 点 （ 0， （s + i ) tan ( ) ， 即 y(0) = c = (s + d) tm9 _o 为了使得电磁波沿着所设计的抛物线的方 向传播， 则需 使电磁波经过人工复合材料第一表面 A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 电磁波到达人工复合材料第二表面 B时， 电磁波沿着夹角 对应的切线方向传 播， 因此 (O) = tan 。 B面上任意一点 0' 的电磁波的出射方向是圆心为 J的 圆球 E中圆心 J与该点 0' 所在的半径 J 0' 的方向， 也即垂直于圆球 E表面的 方向。 由以上几个条件可得到抛物线的方程为 = tan^-^ ² + s + 。

θ(χ, y) = tan ：角 0唯一对应人工复合材料内的一曲面，

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。

假设弧线 m为椭圆弧， 如图 5所示， 以经过人工复合材料 10第二表面 B的 中心 0且垂直于人工复合材料 10的直线为横坐标轴， 以经过人工复合材料 10 第二表面 B的中心 0且平行于第二表面 B的直线为纵坐标轴，虚焦点 J与 B面 上某一点 0'的连线与 X轴的夹角为 0 。 椭圆上实线所示的椭圆弧 m所在的椭圆方程为： ― +¾^~ ^{= 1} ， 椭 a b

圆的中心位于第一表面 A上， 坐标为 （d， c)o 该椭圆经过点 （0， {8 + ά)ΐΆηθ ), 即 O) = (s + i)tan ， 代入椭圆公式可得 + ~~ ^J — ₂ - = 1 ₀ 平面波入 a D

射到人工复合材料时， 需使电磁波在人工复合材料第一表面 A 的椭圆弧的切线 是与 X轴平行的， 即保证 (^) = 0。 由于椭圆上任一点 （X, y) 处的切线方程 为 ue ， 由此可得满足 (^ = 0。 B面上任意一点 0'的电磁波的出

射方向是圆心为 J的圆球 E中圆心 j与该点 ο'所在的半径 j o'的方向， 也即垂 直于圆球 E表面的方向。 夹角 Θ所对应的第二表面 B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： " 二^； 。 电磁波从外界到达人工复合材料 10的第 二表面 B时， 电磁波沿着折射角 对应的切线方向传播 （如图 6所示）， 也就是 说在椭圆弧 m无限接近 0' 的位置处满足 j (0+) = tan^， 由此可得如下关系式： (0 ⁺ ) .

， 夹角 ^唯一对应人工复合材料内的一曲面，该曲面� �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� � 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。 人工复合材料可用于将辐射源发射的平面波波 转换为球面波。 其折射率随 着夹角 的增大从^„ _η( )增大到 M _max( )， 如图 5所示。 椭圆上实线所示的椭圆弧 段为一虚拟曲面的母线， 相同曲面上的折射率相同。 可以理解的是， 本发明提 供的人工复合材料还可应用在球面波转换为平 面波的情况， 也即图 1 中的可逆 情景， 人工复合材料本身的构造无需改变。 因此， 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 。

人工复合材料在实际的结构设计时， 可以设计为多个人工复合材料片层， 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。 多个人工复合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， 曲面的母线设计为抛物线 弧、 椭圆弧。 当然， 在实际设计时， 可能设计成精确的抛物线弧、 椭圆弧比较 困难， 可以根据需要设计为近似的抛物线弧、 椭圆弧或者阶梯状， 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 能会有更好的人工复合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。 人工复合材料内多个人造微结构使得超材料的 折射率随 着夹角 的增大而增大。 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 整人工复合材料的折射率分布， 进而实现平面形式的电磁波球面波形式转变为 发散的电磁波。 为了更直观的表示人工复合材料片层在 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 6所示。

本发明还提供一种人工复合材料天线， 除了包括如图 1或图 2所示的人工 复合材料 10外， 还包括设置在人工复合材料 10—侧的辐射源， 人工复合材料 10的具体结构和折射率变化如上文所述， 此处不再赘述。 前文所述的人工复合材料可以是图 2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， 为了使得人工复合材料的性能更好， 减少反射， 可以在人 工复合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。 本发明在人工复合材料的折射率的跳变设计为 母线为曲面状， 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， 使得人工复 合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。