【技术领域】

本发明涉及天线领域， 更具体地说， 涉及一种后馈式微波天线。 【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。 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 1000发出的球面波经过球形的透镜 2000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 1000的体积 大而且笨重， 不利于小型化的使用； 球形透镜 1000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。 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。

【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反射损耗大、 电磁能 量减少的缺陷， 提供一种体积较小、 天线前后比好、 增益较高且传输距离远的 微波天线。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是： 提出一种后馈式微波天线， 包括： 辐射源、 用于将该辐射源发射的电磁波发散的第一超材 料面板、 将电磁 波转换为平面波的第二超材料面板； 该第一超材料面板包括第一基材及周期排 布于该第一基材上的多个第三人造金属微结构 或第三人造孔结构； 该第二超材 料面板包括核心层， 该核心层包括多个具有相同折射率分布的核心 超材料片层， 每一核心超材料片层的折射率均呈圆形分布， 以该核心超材料片层中心点为圆 心， 圆心处折射率最大， 随着半径的增大， 折射率从该核心超材料片层最大折 射率 n _p 连续减小到该核心超材料片层最小折射率 n _Q 且相同半径处折射率相同； 该核心超材料片层包括核心超材料片层基材及 周期排布于该核心超材料片层基 材上的多个第一人造金属微结构或第一人造孔 结构。

进一歩地， 该第二超材料面板还包括对称设置于该核心层 两侧的第一渐变 超材料片层至第 N渐变超材料片层， 其中对称设置的两层第 N渐变超材料片层 均靠近该核心层； 各渐变超材料片层折射率均呈圆形分布， 以各渐变超材料片 层中心点为圆心， 圆心处折射率最大， 随着半径的增大从各渐变超材料片层所 具有的最大折射率连续减小到各渐变超材料片 层和该核心超材料片层所具有的 相同的最小折射率 n _Q 且相同半径处折射率相同； 第一渐变超材料片层至第 N渐 变超材料片层的最大折射率分别为 、 n ₂ 、 n ₃ …！ ι _η ， 其中 η η^η η ··· <n _n <n _{p ;} 该每一渐变超材料片层包括渐变超材料片层基 材以及周期排布于该渐变超材料 片层基材表面的多个第二人造金属微结构或第 二人造孔结构； 全部的渐变超材 料片层和全部的核心超材料片层构成了该第二 超材料面板的功能层。

进一歩地， 该第二超材料面板还包括对称设置于该功能层 两侧的第一匹配 层至第 M匹配层，其中对称设置的两层第 M匹配层均靠近该第一渐变超材料片 层； 各匹配层折射率分布均匀， 靠近自由空间的该第一匹配层折射率大致等于 自由空间折射率， 靠近该第一渐变超材料片层的第 M匹配层折射率大致等于该 第一渐变超材料片层最小折射率 n _Q 。

进一歩地， 该核心超材料片层上以该核心超材料片层中心 点为圆心， 半径 为 r处的折射率为： ^ ² + / ² - ss

其中， n _p 表示该核心超材料片层所具有的最大折射 率值， n _Q 表示该核心超 材料片层所具有的最小折射率值， ss表示辐射源距第一渐变超材料片层的垂直 距离， /表示该核心超材料片层所具有的最大半径值� �

进一歩地， 该第一渐变超材料片层至第 N渐变超材料片层中第 1渐变超材 料片层上， 以第 i渐变超材料片层中心点为圆心， 半径为 r处的折射率为：

^ss + / - ss

其中， 表示该第一渐变超材料片层至第 N渐变超材料片层中第 1渐变超材 料片层所具有的最大折射率值， n _Q 表示各渐变超材料片层所具有的相同的最 小 折射率值， ss表示辐射源距第一渐变超材料片层的垂直距� ��， /表示各渐变超材 料片层所具有的相同的最大半径值。

进一歩地， 周期排布于该核心超材料片层基材上的多个该 第一人造金属微 结构的尺寸变化规律为： 多个该第一人造金属微结构的几何形状相同， 该第一 人造金属微结构在该核心超材料片层基材上呈 圆形分布， 以该核心超材料片层 基材中心点为圆心， 圆心处的第一人造金属微结构尺寸最大， 随着半径的增大， 对应半径的第一人造金属微结构尺寸减小且相 同半径处的第一人造金属微结构 尺寸相同。

进一歩地，周期排布于该第 1层渐变超材料片层基材上的该第二人造金属� � 结构的尺寸变化规律为： 多个该第二人造金属微结构的几何形状相同， 该第二 人造金属微结构在该第 1层渐变超材料片层基材上呈圆形分布， 以该第 1层渐变 超材料片层基材中心点为圆心， 圆心处的第二人造金属微结构尺寸最大， 随着 半径的增大， 对应半径的第二人造金属微结构尺寸减小且相 同半径处的第二人 造金属微结构尺寸相同。

进一歩地， 该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， 周期排布于该核心超材料片层的基材中的多个 该第一人造孔结构 的排布规律为： 多个该第一人造孔结构以该核心超材料片层基 材中心点为圆心 呈圆形分布， 圆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。

进一歩地： 该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， 周期排布于该核心超材料片层的基材中的多个 该第一人造孔结构 的排布规律为： 多个该第一人造孔结构以该核心超材料片层基 材中心点为圆心 呈圆形分布， 圆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减小。 进一歩地，该第二人造孔结构内填充有折射率 小于该第 1层渐变超材料片层 基材折射率的介质，周期排布于该第 1层渐变超材料片层基材中的该第二人造孔 结构的排布规律为：多个该第二人造孔结构以 该第 1层渐变超材料片层基材中心 点为圆心呈圆形分布， 圆心处的第二人造孔结构体积最小， 相同半径处的第二 人造孔结构体积相同， 随着半径增大， 第二人造孔结构体积增大。

进一歩地，该第二人造孔结构内填充有折射率 大于该第 1层渐变超材料片层 基材折射率的介质，周期排布于该第 1层渐变超材料片层基材中的该第二人造孔 结构的排布规律为：多个该第二人造孔结构以 该第 1层渐变超材料片层基材中心 点为圆心呈圆形分布， 圆心处的第二人造孔结构体积最大， 相同半径处的第二 人造孔结构体积相同， 随着半径增大， 第二人造孔结构体积减小。

进一歩地， 该多个第一人造金属微结构、 该多个第二人造金属微结构和该 多个第三人造金属微结构具有相同的几何形状 。

进一歩地， 该几何形状为 "工"字形， 包括竖直的第一金属分支以及位于 该第一金属分支两端且垂直于该第一金属分支 的第二金属分支。

进一歩地， 该几何形状还包括位于该第二金属分支两端且 垂直于该第二金 属分支的第三金属分支。

进一歩地， 该几何形状为平面雪花型， 包括相互垂直的两条第一金属分支 以及位于该第一金属分支两端且垂直于该第一 金属分支的第二金属分支。

进一歩地， 该第一超材料面板折射率呈圆形分布， 以该第一超材料面板中 心点为圆心， 圆心处的折射率最小且随着半径的增大， 对应半径的折射率增大 且相同半径处折射率相同。

进一歩地， 该第一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； 多个该第三人造金属微结构在该第一基材上呈 圆形分布， 以该第一基材中 心点为圆心， 圆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增大且相同半 径处的第三人造金属微结构尺寸 相同。

进一歩地， 该第一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； 该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， 周期排布 于该第一基材中的该第三人造孔结构的排布规 律为： 多个该第三人造孔结构在 该第一基材中呈圆形分布， 以该第一基材中心点为圆心， 圆心处的第三人造孔 结构体积最小， 相同半径处的第三人造孔结构体积相同， 随着半径增大， 第三 人造孔结构体积增大。

进一歩地， 该第一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； 该第三人造孔结构内填充有折射率大于第一基 材折射率的介质， 周期排布 于该第一基材中的该第三人造孔结构的排布规 律为： 多个该第三人造孔结构在 该第一基材中呈圆形分布， 以该第一基材中心点为圆心， 圆心处的第三人造孔 结构体积最大， 相同半径处的第三人造孔结构体积相同， 随着半径增大， 第三 人造孔结构体积减小。

进一歩地， 该后馈式微波天线还包括外壳， 该外壳与该第二超材料面板构 成封闭腔体， 与该第二超材料面板相接的外壳壁内侧还附着 有吸波材料。

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核心层 和渐变层上及各自之间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， 大大减少了反射损耗， 也就避免了电磁能量的减少， 增强了传输距离， 提高了天线性能。 进一歩地， 本发明还在辐射源前段设置具 有发散功能的超材料， 从而提高辐射源的近距离辐射范围， 使得微波天线整体 能够更小的尺寸。 更进一歩地， 本发明采用人造金属微结构或人造孔结构构成 超材料， 具有工艺简单、 成本低廉的有益效果。

【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天线汇聚电磁波的� �意图；

图 2是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； 图 3是本发明第一实施例的后馈式微波天线的结� �示意图；

图 4 是本发明第一实施例的后馈式微波天线中构成 第一超材料面板的第一 超材料片层的结构示意图；

图 5 是本发明第一实施例的后馈式微波天线中第二 超材料面板的立体结构 示意图；

图 6 是本发明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 几何形状拓扑图案；

图 7为图 6中人造金属微结构几何形状拓扑图案的衍生� �案；

图 8 是本发明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 几何形状拓扑图案；

图 9为图 8中人造金属微结构几何形状拓扑图案的衍生� �案；

图 10是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是本发明第二实施例的微波天线的结构示意� ��；

图 12是本发明第二实施例的后馈式微波天线中构� ��第一超材料面板的第一 超材料片层的结构示意图；

图 13是本发明第二实施例的第二超材料面板的立� ��结构示意图；

图 14 为本发明第二实施例的微波天线中第二超材料 面板的匹配层的剖视 图。

【具体实施方式】

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 2所示， 图 2是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。 本发明中， 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扑结构， 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 3所示， 图 3是本发明第一实施例的后馈式微波天线的结� �示意图。 图 3中， 本发明后馈式微波天线包括辐射源 20、 第一超材料面板 30、 第二超材 料面板 10以及外壳 40， 本发明中， 辐射源 20发射的电磁波频率为 12.4G赫兹 至 18G赫兹。 第二超材料面板 10与外壳 40构成密封腔体。 图 2中， 该密封腔 体为长方体形， 但实际应用中， 由于辐射源 20尺寸小于第二超材料面板 10的 尺寸， 因此密封腔体多为圆锥形。 与第二超材料面板 10相接的外壳壁内侧设置 有吸波材料 50， 吸波材料 50 可为常规的吸波涂层亦可为吸波海绵等， 辐射源 20部分辐射到吸波材料 50上的电磁波被吸波材料 50吸收以增强天线的前后比。 同时， 与第二超材料面板 10 相对的外壳由金属或高分子材料制成， 辐射源 20 部分辐射到金属或高分子材料外壳的电磁波被 反射到第二超材料面板 10或第一 超材料面板 30以进一歩增强天线的前后比。 优选地， 所述外壳 40的内侧表面 中， 除第二超材料面板 10外的其他三个内侧表面均设置有吸波材料 50。进一歩 地， 在距第二超材料面板 10 半波长处还设置有天线防护罩 （图中未示）， 天线 防护罩保护第二超材料面板不受外部环境影响 ， 此处的半波长是指辐射源 20发 出的电磁波的波长的一半。

第一超材料面板 30可直接贴附于辐射源 20的辐射端口上， 但是， 当第一 超材料面板 30直接贴附于辐射源 20的辐射端口上时辐射源 20辐射的电磁波部 分会被第一超材料面板 30反射造成能量损失， 因此本发明中， 第一超材料面板 30通过支架 60固定于辐射源 20前方。第一超材料面板 30由多片折射率分布相 同的第一超材料片层 300构成， 如图 4所示， 图 4是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 4采用 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。 本发明中， 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。从这个数值上可以看出， 本发明所有的超材料片层的 厚度相较常规凸镜天线有很大的优势。

构成第一超材料片层 300的基本单元仍如图 2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 率呈圆形分布， 圆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， 从而提高辐射源的近距离辐射范围， 使 得后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 _mm +KR， K为常数， R为圆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， n _mm 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 _mm +KR ² _; 或为立方率变化即 n( _R )=n _mm +KR ³ _; 或为冥函数变化， 即 n( _R )=n _mm *K ^R 等。 由上述第一超材料片层 300的变化公式可知， 只要第一超材 料片层 300满足发散辐射源发射的电磁波即可。

下面详细描述本发明后馈式微波天线第二超材 料面板。 第二超材料面板将 经由第一超材料面板发散的电磁波汇聚后使得 发散的球面电磁波以更适于远距 离传输的平面电磁波辐射出去。 如图 5所示， 图 5为本发明第一实施例的第二 超材料面板的立体结构示意图。 图 5中， 第二超材料面板 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 11构成； 对称设置于核心层两侧 的第一渐变超材料片层 101至第 N渐变超材料片层， 本实施例中渐变超材料片 层为第一渐变超材料片层 101、第二渐变超材料片层 102以及第三渐变超材料片 层 103 ;所有的渐变超材料片层与所有的核心超材料� �层构成第二超材料面板的 功能层； 对称设置于该功能层两侧的第一匹配层 111至第 M匹配层， 每一匹配 层折射率分布均匀且靠近自由空间的第一匹配 层 111 折射率大致等于自由空间 折射率， 靠近第一渐变超材料片层的最后一层匹配层折 射率大致等于该第一渐 变超材料片层 101最小的折射率； 本实施例中匹配层包括第一匹配层 111、第二 匹配层 112以及第三匹配层 113。渐变超材料片层与匹配层均具有减少电磁 波的 反射， 并起到阻抗匹配和相位补偿的作用， 因此设置渐变超材料片层和匹配层 是较优选的实施方式。

匹配层结构与第一超材料片层类似， 由覆盖层和基材构成， 与第一超材料 片层不同之处在于， 覆盖层和基材中间全部填充有空气， 通过改变覆盖层与基 材的间距以改变空气的占空比从而使得各匹配 层具有不同的折射率。

构成核心超材料片层和渐变超材料片层的基本 单元均如图 2所示， 且本发 明中， 为简化制作工艺， 核心超材料片层和渐变超材料片层的尺寸结构 与第一 超材料片层相同， 即均由 0.4毫米的覆盖层、 0.4毫米的基材以及 0.018毫米的 人造金属微结构构成各核心超材料片层与各渐 变超材料片层。 同时， 本发明中， 分别构成核心超材料片层、 渐变超材料片层与第一超材料片层的第一人造 金属 微结构、 第二人造金属微结构与第三人造金属微结构的 几何形状均相同。

核心超材料片层和渐变超材料片层上的折射率 均呈圆形分布， 以各超材料 片层的中心点为圆心， 圆心处的折射率最大， 随着半径的增大对应半径的折射 率减小且相同半径处的折射率相同。 其中核心超材料片层具有的最大折射率为 n _p ， 第一渐变超材料片层至第 N渐变超材料片层的最大折射率分别为 _ηι 、 、 n ₃ n _n ， 其中 n^n^n^n^ n^i 所述核心超材料片层上以所述核心超材料片 层中心点为圆心， 半径为 r处的折射率为： ^ ² + / ² - ss

其中， n _p 表示所述核心超材料片层所具有的最大折 射率值， n _Q 表示所述核 心超材料片层所具有的最小折射率值， ss表示辐射源距第一渐变超材料片层的 垂直距离， Z表示所述核心超材料片层所具有的最大半径� �。

所述第一渐变超材料片层至第 N渐变超材料片层中第 1渐变超材料片层上， 以第 1渐变超材料片层中心点为圆心， 半径为 r处的折射率为： ss + / - ss

其中， i¾表示所述第一渐变超材料片层至第 N渐变超材料片层中第 1渐变超 材料片层所具有的最大折射率值， 也即 、 、 ι^··η _η 中的 1¾值； n _Q 表示各渐变 超材料片层所具有的相同的最小折射率值， ss 表示辐射源距第一渐变超材料片 层的垂直距离， Z表示各渐变超材料片层所具有的相同的最大� �径值。

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。 本发明中， 为实施方便， 多个第一人造金属微结构、 多个第二人造金属微结构、 多个第三人造金属微结 构具有相同的几何形状， 因此构成第一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： 多个第三人造金属微结构几何形状相同， 所述第 三人造金属微结构在所述第一基材上呈圆形分 布， 以所述第一基材中心点为圆 心， 圆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， 所述第二人造金属微结构在所述渐变超材料片 层基材上呈 圆形分布， 以所述渐变超材料片层基材中心点为圆心， 圆心处的第二人造金属 微结构尺寸最大， 随着半径的增大， 对应半径的第二人造金属微结构尺寸减小 且相同半径处的第二人造金属微结构尺寸相同 。 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， 所述第一 人造金属微结构在所述核心超材料片层基材上 呈圆形分布， 以所述核心超材料 片层基材中心点为圆心， 圆心处的第一人造金属微结构尺寸最大， 随着半径的 增大， 对应半径的第一人造金属微结构尺寸减小且相 同半径处的第一人造金属 微结构尺寸相同。

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。 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是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扑图 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扑图案的衍生� �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。

图 8 是本发明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 几何形状拓扑图案。 图 8 中， 人 造金属微结构呈平面雪花型， 包括相互垂直的第一金属分支 102Γ 以及两条第 一金属分支 102Γ 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扑图案的衍生图案， 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 102Γ 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。 采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是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 Γ 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是本发明第二实施例的微波天线的结构示意� ��。 图 11 中，本发明微波天线包括辐射源 20、第一超材料面板 30' 、第二超材料面板 10' 以及外壳 40， 本发明中， 辐射源 20发射的电磁波频率为 12.4G赫兹至 18G赫 兹。第二超材料面板 10 ' 与外壳 40构成密封腔体。 图 2中， 该密封腔体为长方 体形， 但实际应用中， 由于辐射源 20尺寸小于第二超材料面板 10' 的尺寸， 因 此密封腔体多为圆锥形。 与第二超材料面板 10' 相接的外壳壁内侧设置有吸波 材料 50， 吸波材料 50可为常规的吸波涂层亦可为吸波海绵等， 辐射源 20部分 辐射到吸波材料 50上的电磁波被吸波材料 50吸收以增强天线的前后比。 同时， 与第二超材料面板 10 ' 相对的外壳由金属或高分子材料制成，辐射源 20部分辐 射到金属或高分子材料外壳的电磁波被反射到 第二超材料面板 10' 或第一超材 料面板 30' 以进一歩增强天线的前后比。 优选地， 所述外壳 40的内侧表面中， 除第二超材料面板 10 ' 外的其他三个内侧表面均设置有吸波材料 50。进一歩地， 在距第二超材料面板 10' 半波长处还设置有天线防护罩（图中未示）， 天线防护 罩保护第二超材料面板不受外部环境影响， 此处的半波长是指辐射源 20发出的 电磁波的波长的一半。

第一超材料面板 30' 可直接贴附于辐射源 20的辐射端口上， 但是， 当第一 超材料面板 30' 直接贴附于辐射源 20的辐射端口上时辐射源 20辐射的电磁波 部分会被第一超材料面板 30 ' 反射造成能量损失， 因此本发明中， 第一超材料 面板 30' 通过支架 60固定于辐射源 20前方。 第一超材料面板 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是本发明第二实 施例的第一超材料片层 300的立体结构示意图，第一超材料片层 300 ' 包括第一 基材 30Γ 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 射率呈圆形分布， 圆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， 从而提高辐射源的近距离辐射范围， 使得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 _mm +KR， K为常数， R为圆形分布的形成有第三人造孔结构的 超材料基本单元中心点与第一基材中心点的连 线距离， n _mm 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 _mm +KR ² _; 或为立方率变化即 n( _R )=n _mm +KR ³ _; 或为冥函数变化， 即 n( _R )=n _mm *K ^R 等。 由上述第一超材料片层 300' 的变化公式可知， 只要第一超 材料片层 300满足发散辐射源发射的电磁波即可。

下面详细描述本发明微波天线第二超材料面板 。 第二超材料面板将经由第 一超材料面板发散的电磁波汇聚后使得发散的 球面电磁波以更适于远距离传输 的平面电磁波辐射出去。 如图 13所示， 图 13是本发明第二实施例的第二超材 料面板的立体结构示意图。 图 13中， 第二超材料面板 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 1 构成； 对称设置于核心层两侧 的第一渐变超材料片层 10Γ 至第 N渐变超材料片层， 本实施例中渐变超材料 片层为第一渐变超材料片层 10Γ 、 第二渐变超材料片层 102' 以及第三渐变超 材料片层 103 ' ；所有的渐变超材料片层与所有的核心超材料 片层构成第二超材 料面板的功能层； 对称设置于该功能层两侧的第一匹配层 11Γ 至第 M匹配层， 每一匹配层折射率分布均匀且靠近自由空间的 第一匹配层 11Γ 折射率大致等 于自由空间折射率， 靠近第一渐变超材料片层的最后一层匹配层折 射率大致等 于该第一渐变超材料片层 10Γ 最小的折射率。渐变超材料片层与匹配层均具 有 减少电磁波的反射， 并起到阻抗匹配和相位补偿的作用， 因此设置渐变超材料 片层和匹配层是较优选的实施方式。

本实施例中， 匹配层由具有空腔 1111的片层构成， 空腔的体积越大使得片 层的折射率越小， 通过空腔的体积逐渐变化使得各匹配层的折射 率逐渐变化。 匹配层的剖视图如图 14所示。

构成核心超材料片层和渐变超材料片层的基本 单元均如图 2所示。

核心超材料片层和渐变超材料片层均呈圆形分 布， 以各超材料片层的中心 点为圆心， 圆心处的折射率最大， 随着半径的增大对应半径的折射率减小且相 同半径处的折射率相同。 其中核心超材料片层具有的最大折射率为 n _p ， 第一渐 变超材料片层至第 N渐变超材料片层的最大折射率分别为 、 η ₂ 、 η ₃ · · · η _η ， 其 中 n n n n · · · <¾<¾。 所述核心超材料片层上以所述核心超材料片层 中心 点为圆心， 半径为 r处的折射率为：

其中， n _p 表示所述核心超材料片层所具有的最大折 射率值， n _Q 表示所述核 心超材料片层所具有的最小折射率值， ss表示辐射源距第一渐变超材料片层的 垂直距离， Z表示所述核心超材料片层所具有的最大半径� �。

所述第一渐变超材料片层至第 N渐变超材料片层中第 1渐变超材料片层上， 以第 1渐变超 点为圆心， 半径为 r处的折射率为：

其中， 1¾表示所述第一渐变超材料片层至第 N渐变超材料片层中第 1渐变超 材料片层所具有的最大折射率值， 也即 、 、 ι^··η _η 中的 1¾值； n _Q 表示各渐变 超材料片层所具有的相同的最小折射率值， ss 表示辐射源距第一渐变超材料片 层的垂直距离， Z表示各渐变超材料片层所具有的相同的最大� �径值。

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， 所述每个第 三人造孔结构和其所占的部分第一基材构成了 所述第一超材料面板的基本单 元， 所述第一超材料片层的基本单元在所述第一基 材上呈圆形分布， 以所述第 一基材中心点为圆心， 圆心处的第一超材料片层的基本单元上的第三 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亦增大且相同 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， 所述每个第二人造孔结构和其所占的部分渐变 超材料片层基材构成了 所述渐变超材料片层的基本单元， 所述渐变超材料片层的基本单元在所述渐变 超材料片层基材上呈圆形分布， 以所述渐变超材料片层基材中心点为圆心， 圆 心处的渐变超材料片层的基本单元上的第二人 造孔结构体积最小， 随着半径的 增大， 对应半径的渐变超材料片层的基本单元上的第 二人造孔结构体积变大且 相同半径处的渐变超材料片层的基本单元上的 第二人造孔结构体积相同。 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， 所述每个第一人造孔结构和其所 占的部分核心超材料片层基材构成了所述核心 超材料片层的基本单元， 所述核 心超材料片层的基本单元在所述核心超材料片 层基材上呈圆形分布， 以所述核 心超材料片层基材中心点为圆心， 圆心处的核心超材料片层的基本单元上的第 一人造孔结构体积最小， 随着半径的增大， 对应半径的核心超材料片层的基本 单元上的第一人造孔结构体积变大且相同半径 处的核心超材料片层的基本单元 上的第一人造孔结构体积相同。 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。