【技术领域】

本发明涉及阻抗匹配技术， 更具体地说， 涉及一种阻抗匹配元件、 超材料 面板、 汇聚元件及天线。

【背景技术】

随着科学技术的不断发展， 电磁波技术逐渐深入到我们生活的各个方面。 电磁波的一个重要的特性是它可以在任何的介 质或真空中传播。 在电磁波从发 射端传播至接收端过程中， 能量的损耗直接影响电磁信号传播的距离以及 传输 信号的质量。

当电磁波经过同一介质时， 基本没有能量的损失； 而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。

为了避免折射率的变化使得在电磁波传播时产 生反射， 减少反射干扰与损 耗， 通常会在功能介质板上添加阻抗匹配层来减小 反射的损耗。 目前解决电磁 波传输过程中的阻抗匹配问题主要采用等差设 计， 阻抗匹配层的折射率分布满 足如下规律： n(i) = n _{mm +} ^{l X (n} ^ ~ ⁿ - ^} , 其中 1为阻抗匹配层的编号， " )为功 能介质板的折射率分布函数。 《 _mm 为功能介质板的最小折射率。 满足上述规律的 阻抗匹配层虽然能够减少一定的反射干扰， 但是效果不是很明显， 因此需要一 种改进的阻抗匹配技术来减少反射干扰与损耗 。 进一歩的， 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。 发明人在实施本发明过程中， 发现透镜至少存在如下技 术问题： 球形透镜的体积大而且笨重， 不利于小型化的使用； 球形透镜对于形 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】

本发明实施例所要解决的技术问题在于， 针对现有技术的上述的反射干扰 与损耗较大的缺陷， 提供一种阻抗匹配元件、 超材料面板、 汇聚元件及天线。

为解决上述技术问题， 本发明采用的一个技术方案是： 提供一种阻抗匹配 元件， 其设置于功能介质板第一侧表面上且与功能介 质板的该第一侧表面紧密 贴合； 阻抗匹配元件包括第一多个阻抗匹配层， 且每一阻抗匹配层的折射率分 布表不为：

n (r)丄

其中， 1表示阻抗匹配层的编号且 1为正整数， 越靠近功能介质板则阻抗匹 配层的编号越大； ^r)表示第 1层阻抗匹配层的距离其中心为半径 r处的折射率; (r)表示功能介质板的距离其中心为半径 r处的折射率； 《 _mm 表示功能介质板的 最小折射率； _C 表示阻抗匹配层的层数。

根据本发明的一优选实施例， 阻抗匹配元件还包括紧密贴合于功能介质板 第二侧表面上且与第一多个阻抗匹配层对称分 布的第二多个阻抗匹配层， 第二 多个阻抗匹配层中每一阻抗匹配层的折射率分 布与其对称分布在第一多个阻抗 匹配层中的对应的阻抗匹配层相同。

根据本发明的一优选实施例， 功能介质板包括多个超材料片层， 每一超材 料片层包括片状的基板和设置在基板上的多个 人造微结构。

根据本发明的一优选实施例， 每一阻抗匹配层包括片状的基板和设置在基 板上的多个人造微结构。

根据本发明的一优选实施例， 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。

根据本发明的一优选实施例， 功能介质板用于汇聚电磁波； 每一超材料片 层的折射率分布均相同， 每一超材料片层包括一个圆形区域和与圆形区 域同心 的多个环形区域， 圆形区域和环形区域内折射率随着半径的增大 从 n _p 连续减小 到 n _Q 且相同半径处的折射率相同。

为解决上述技术问题， 本发明采用的另一个技术方案是： 提供一种超材料 面板， 其包括功能介质板和阻抗匹配元件， 阻抗匹配元件设置于功能介质板第 一侧表面上且与功能介质板的该第一侧表面紧 密贴合； 阻抗匹配元件包括第一 多个阻抗匹配层， 且每一阻抗匹配层的折射率分布表示为：

n (r) 丄

其中， 1表示阻抗匹配层的编号且 1为正整数， 越靠近功能介质板则阻抗匹 配层的编号越大； ^r)表示第 1层阻抗匹配层的距离其中心为半径 r处的折射率; (r)表示功能介质板的距离其中心为半径 r处的折射率； 《 _mm 表示功能介质板的 最小折射率； _C 表示阻抗匹配层的层数。

根据本发明的一优选实施例， 阻抗匹配元件还包括紧密贴合于功能介质板 第二侧表面上且与第一多个阻抗匹配层对称分 布的第二多个阻抗匹配层， 第二 多个阻抗匹配层中每一阻抗匹配层的折射率分 布与其对称分布在第一多个阻抗 匹配层中的对应的阻抗匹配层相同。

根据本发明的一优选实施例， 功能介质板包括多个超材料片层， 每一超材 料片层包括片状的基板和设置在基板上的多个 人造微结构； 和 /或， 每一阻抗匹 配层包括片状的基板和设置在基板上的多个人 造微结构。

为解决上述技术问题， 本发明采用的另一个技术方案是： 提供一种天线， 其包括辐射源和具有电磁波汇聚功能并用于将 辐射源发射的电磁波转换为平面 波的超材料面板； 超材料面板包括功能介质板和阻抗匹配元件， 阻抗匹配元件 设置于功能介质板第一侧表面上且与功能介质 板的该第一侧表面紧密贴合； 阻 抗匹配元件包括第一多个阻抗匹配层， 且每一阻抗匹配层的折射率分布表示为： n (r) 丄

其中， 1表示阻抗匹配层的编号且 1为正整数， 越靠近功能介质板则阻抗匹 配层的编号越大； ^r)表示第 1层阻抗匹配层的距离其中心为半径 r处的折射率; (r)表示功能介质板的距离其中心为半径 r处的折射率； 《 _mm 表示功能介质板的 最小折射率； _c 表示阻抗匹配层的层数。

为解决上述技术问题， 本发明采用的另一个技术方案是： 提供一种汇聚元 件， 其包括功能介质板和阻抗匹配元件， 阻抗匹配元件设置于功能介质板第一 侧表面上且与功能介质板的该第一侧表面紧密 贴合； 阻抗匹配元件包括第一多 个阻抗匹配层， 且每一阻抗匹配层的折射率分布表示为：

n (r) 丄

其中， 1表示阻抗匹配层的编号且 1为正整数， 越靠近功能介质板则阻抗匹 配层的编号越大； ^r)表示第 1层阻抗匹配层的距离其中心为半径 r处的折射率; (r)表示功能介质板的距离其中心为半径 r处的折射率； 《 _mm 表示功能介质板的 最小折射率； _C 表示阻抗匹配层的层数； 功能介质板用于将辐射源发射的电磁波 转换为平面波， 功能介质板划分为多个侧表面为曲面且彼此紧 密贴合的同心圆 环体； 每一圆环体的底面半径小于顶面半径； 电磁波经过透镜后在每一圆环体 的顶面平行射出； 设辐射源与第 z个圆环体底面上一点的连线与垂直于功能介� � 板的直线之间的夹角为 0，夹角 0唯一对应第 z个圆环体内的一曲面， 且夹角 0 唯一对应的曲面上每一处的折射率均相同； 每一圆环体的折射率随着夹角 0的 增大逐渐减小。

根据本发明的一优选实施例， 阻抗匹配元件还包括紧密贴合于功能介质板 第二侧表面上且与第一多个阻抗匹配层对称分 布的第二多个阻抗匹配层， 第二 多个阻抗匹配层中每一阻抗匹配层的折射率分 布与其对称分布在第一多个阻抗 匹配层中的对应的阻抗匹配层相同。

根据本发明的一优选实施例， 每一阻抗匹配层包括片状的基板和设置在基 板上的多个人造微结构。

根据本发明的一优选实施例， 设辐射源与第 z个圆环体底面外圆周上一点的 连线与垂直于功能介质板的直线之间的夹角为 ， z为正整数且越靠近功能介质 板中心的圆环体对应的 z越小； 其中， 夹角 满足如下公式：

sinc(^.) = -^(w _max(/+1) - " ■))； 、 = 0 , s为辐射源到功 能介质板的距离； 为功能介质板的厚度； 为电磁波的波长， i M _min ( _; )分 别为第 z个圆环体的最大折射率和最小折射率， M _max(;+1 M _min(;+1 )分别为第 _{z +} l个 圆环体的最大折射率和最小折射率。

根据本发明的一优选实施例， 相邻两个圆环体的最大折射率和最小折射率 两足： ⁿ max(i) ~ ⁿ min(i ) = 根据本发明的一优选实施例， 相邻三个圆环体的最大折射率和最小折射率 两足：

根据本发明的一优选实施例， 第 z个圆环体的折射率满足：

、 sin <9 , , s

'、 ^} άχθ (' cos 其中， Θ为辐射源与第 z个圆环体底面上一点的连线与垂直于功能介� �板的 直线之间的夹角。

根据本发明的一优选实施例， 第 z个圆环体的外表面的母线为圆弧段， 其中 辐射源与第 z个圆环体底面外圆周上一点的连线的垂线与� �能介质板远离辐射 源的一面的交点为圆弧段的圆心， 交点与圆环体底面外圆周上一点之间的垂线 段为圆弧段的半径。

根据本发明的一优选实施例， 第 z个圆环体的内表面的母线为圆弧段， 其中 辐射源与第 z个圆环体底面内圆周上一点的连线的垂线与� �能介质板远离辐射 源的一面的交点为圆弧段的圆心， 交点与圆环体底面外圆周上一点之间的垂线 段为圆弧段的半径， 其中 z≥2

为解决上述技术问题， 本发明采用的另一个技术方案是： 提供一种天线， 其包括辐射源和具有电磁波汇聚功能并用于将 辐射源发射的电磁波转换为平面 波的汇聚元件； 汇聚元件包括功能介质板和阻抗匹配元件， 阻抗匹配元件设置 于功能介质板第一侧表面上且与功能介质板的 该第一侧表面紧密贴合； 阻抗匹 配元件包括第一多个阻抗匹配层， 且每一阻抗匹配层的折射率分布表示为： n (r) 丄

其中， 1表示阻抗匹配层的编号且 1为正整数， 越靠近功能介质板则阻抗匹 配层的编号越大； ^r)表示第 1层阻抗匹配层的距离其中心为半径 r处的折射率; (r)表示功能介质板的距离其中心为半径 r处的折射率； 《 _mm 表示功能介质板的 最小折射率； _C 表示阻抗匹配层的层数；

功能介质板用于将辐射源发射的电磁波转换为 平面波， 功能介质板划分为 多个侧表面为曲面且彼此紧密贴合的同心圆环 体； 每一圆环体的底面半径小于 顶面半径； 电磁波经过透镜后在每一圆环体的顶面平行射 出； 设辐射源与第 z个 圆环体底面上一点的连线与垂直于功能介质板 的直线之间的夹角为 ， 夹角 0 唯一对应第 z个圆环体内的一曲面，且夹角 0唯一对应的曲面上每一处的折射率 均相同； 每一圆环体的折射率随着夹角 的增大逐渐减小。

实施本发明的技术方案， 具有以下有益效果： 通过设计每一阻抗匹配层的 折射率分布， 使其满足相应的规律， 来进一歩地减少反射干扰和损耗， 从而使 得电磁波进入功能介质层时能量消耗减少， 有利于电磁波的进一歩传输， 并提 高了天线的性能。 此外， 将汇聚元件的功能介质层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， 使其具有更加优异的性能， 并进一歩地提高了天线的性能。

【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阻抗匹配元件与功� �介质板的立体图； 图 2是依据本发明一实施例的阻抗匹配元件的结� �示意图；

图 3是依据本发明另一实施例的阻抗匹配元件的� �构示意图；

图 4是依据本发明一实施例的功能介质板的结构� �意图；

图 5是图 4所示的功能介质板的超材料片层的折射率随� �径变化的示意图； 图 6是图 4所示的功能介质板的超材料片层在 yz平面上的折射率分布图； 图 7是依据本发明一实施例的超材料天线汇聚电� �波的示意图； 图 8是依据本发明一实施例的汇聚元件的立体图� �

图 9是依据本发明一实施例的阻抗匹配元件的结� �示意图；

图 10是依据本发明另一实施例的阻抗匹配元件的� ��构示意图；

图 11是功能介质板 200的结构示意图；

图 12示出了图 11中的的功能介质板 200的侧视图；

图 13是图 12所示的圆环段的构造示意图；

图 14是功能介质板 200的折射率变化的示意图；

图 15是功能介质板 200的在 yz平面上的折射率分布图；

图 16是依据本发明一实施例的天线汇聚电磁波的� ��意图。

【具体实施方式】

图 1 是依据本发明一实施例的阻抗匹配元件与功能 介质板的立体图。 阻抗 匹配元件 101设置于功能介质板 100第一侧表面上且与功能介质板 100的该第 一侧表面紧密贴合。 功能介质板可以是任何功能的介质板， 例如汇聚、 发散、 偏折等等。 只要是为了减少或避免电磁波在两种不同介质 之间传播时的反射干 扰和损耗， 均可采用本发明的阻抗匹配元件来实现。

其中， 阻抗匹配元件 101 包括第一多个阻抗匹配层且每一阻抗匹配层的 折 射率分布表示为：

n (r) 丄

其中， 1表示阻抗匹配层的编号且 1为正整数， 越靠近功能介质板 100则阻 抗匹配层的编号越大； 《 )表示第 1层阻抗匹配层的距离其中心为半径 r处的折 射率； W表示功能介质板 100的距离其中心为半径 r处的折射率； 《 _mm 表示所 述功能介质板的最小折射率； c表示阻抗匹配层的层数。

依据上述公式， 第 1 2 3层的折射率分布分别表示如下： 2层： ri ₂ (r) = n _mm x (

3层： ri ₃ (r) = n _mm x (

依次类推。 只要功能介质板的折射率分布已知， 则所需的阻抗匹配元件的 每一阻抗匹配层就可依据上述公式计算得知。

如图 2所示，阻抗匹配元件 101包括 3层阻抗匹配层（编号分别为 1、 2、 3 )， 这里的阻抗匹配层的层数仅为示例， 并不作为对本发明的限制。 其中第 3 层阻 抗匹配层 （编号为 3 ) 紧贴功能介质层。

在本发明另一实施例中， 还可以在功能介质板 100 的另一侧也设置多个阻 抗匹配层。 也就是说， 阻抗匹配元件 101还包括紧密贴合于功能介质板 100第 二侧表面上且与第一多个阻抗匹配层对称分布 的第二多个阻抗匹配层， 第二多 个阻抗匹配层中每一阻抗匹配层的折射率分布 与其对称分布在第一多个阻抗匹 配层中的对应的阻抗匹配层相同。 如图 3所示， 在功能介质板 100的另一侧也 设置有 3 个阻抗匹配层， 这里的阻抗匹配层的层数仅为示例， 并不作为对本发 明的限制。 其中第 3层阻抗匹配层 （编号为 3' ) 紧贴功能介质层。 功能介质板 100两侧的阻抗匹配层对称分布。 以图 3所示的 3层阻抗匹配层为例， 左侧编号 为 1 的阻抗匹配层与右侧编号为 Γ的阻抗匹配层相同， 其折射率分布均为 . 左侧编号为 2的阻抗匹配层与右侧编号为 2'的阻抗匹

"min 配层相同， 其折射率分布均为 M ₂ ( = 左侧编号为 3 的阻抗匹

配层与右侧编号为 3'的阻抗匹配层相同， 其折射率分布均为 n (r) 丄

本发明的功能介质板的材质不加限制， 例如可以是超材料制作而成。 下面 以能够汇聚电磁波的介质板为例进行描述。 如图 4所示， 功能介质板 100包括 多个超材料片层， 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。 每一超材料片层包括片状的基板和设置 在所述基板上的多个人造微结构。 人造微结构为由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。 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。 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， 整个功能介质板 100 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的拓扑图案、几何尺寸以及其在基板 401上分布的设计， 使折射率分布满足 如下规律： 每一层的折射率分布均相同， 每一层包括一个圆形区域和与所述圆 形区域同心的多个环形区域， 所述圆形区域和所述环形区域内折射率随着半 径 的增大从 η _ρ 连续减小到 1¾且相同半径处的折射率相同。

功能介质板的超材料片层的折射率随半径变化 的示意图如图 5所示。 作为 示例， 每一层包括三个区域， 第一区域为圆形区域， 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 η _ρ (即 n _max ) 减小为 1¾ (即 n _mm )， n _p 〉 _nQ 。 每一超材料片层的折射率分布均相同。 在实际应用中， 最大 折射率、 最小折射率、 超材料片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功能介质板， 以折射率为 n _p 的超材料单元为圆 心， 随着半径的增大在 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， 越靠近圆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， 进而对功能介质板的折 射率分布进行设计使得各个相邻超材料单元的 折射率的变化能实现电磁波特定 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每一超材料片层的折 射率分布如图 6所示， 最大折射率为 n _p ， 最小折射率为 1¾。

在入射电磁波确定的情况下， 通过合理设计人造微结构 402 的拓扑图案和 不同尺寸的人造微结构 402在超材料片层上的排布， 就可以调整功能介质板的 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。

这里的阻抗匹配层可以是任何能够满足上述折 射率分布规律的材料制成， 本发明不加以限制。 在本发明一实施例中， 每一阻抗匹配层包括片状的基板和 设置在基板上的多个人造微结构。 通过设计人造微结构在基板上的排布来达到 上述折射率分布规律。

为了更清楚地体现本发明所设计的阻抗匹配元 件改善反射损耗的效果， 分 别对采用传统等差设计的阻抗匹配元件、 以及依据本发明设计的阻抗匹配元件 进行远场分析以及能量分布分析。 传统等差设计的阻抗匹配元件的阻抗匹配层 的折射率公式为： n(i) = n _{mm +} ^{1 X (ng (r)} ~ ⁿ - ； 本发明设计的阻抗匹配元件的阻抗

/' + 1

n (r) 丄

匹配层的折射率公式为： ( = ^„„><(^ ) ^£+1 。 《 _g (r)为功能介质板的折射率

mm

分布函数， 两种阻抗匹配元件所辅助的功能介质板相同， 例如均采用图 4所示 的功能介质板， 因此 (r)相同。 经过实验可得， 传统等差设计的阻抗匹配元件的能量分布图与 本发明设计 的阻抗匹配元件的能量分布图相比， 要模糊很多。 而反射越大， 能量分布图就 会越模糊， 因此传统设计的阻抗匹配元件反射较大， 损耗较多。 对于采用相同 功能介质板且相同匹配层数的前提下， 经过传统等差设计的阻抗匹配元件后的 能量为 4443mw， 而经过本发明提供的阻抗匹配元件后的能量为 5251mw。 经过 试验所得的远场分析结果可知， 传统设计的阻抗匹配元件的反射比本发明提供 的阻抗匹配元件较大。 因此， 采用本发明的改进的折射率分布设计起到了进 一 歩减少反射干扰和损耗的作用。 图 7 是依据本发明一实施例的超材料天线汇聚电磁 波的示意图， 该天线包 括辐射源 20和具有电磁波汇聚功能的超材料面板 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。 天线对电磁波的汇聚效果见图 1所示。

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。

超材料面板 10包括图 1实施例所示的阻抗匹配元件 101和功能介质板 100 阻抗匹配元件 101设置于功能介质板 100第一侧表面上且与功能介质板 100的 该第一侧表面紧密贴合。 功能介质板 100可以是任何功能的介质板， 例如汇聚、 发散、 偏折等等。 只要是为了减少或避免电磁波在两种不同介质 之间传播时的 反射干扰和损耗， 均可采用本发明的阻抗匹配元件来实现。 其中， 阻抗匹配元 件 101和功能介质板 100的具体技术特征请参考图 1至图 6所示实施例的描述， 此处不再赘述。

图 8 是依据本发明一实施例的汇聚元件的立体图。 汇聚元件包括阻抗匹配 元件 1001与功能介质板 200。阻抗匹配元件 1001设置于功能介质板 200第一侧 表面上且与功能介质板 200的该第一侧表面紧密贴合。

其中， 阻抗匹配元件 1001包括第一多个阻抗匹配层且每一阻抗匹配� �的折 射率分布表示为：

n (r) 丄

其中， 1表示阻抗匹配层的编号且 1为正整数， 越靠近功能介质板 200则阻 抗匹配层的编号越大； 《 )表示第 1层阻抗匹配层的距离其中心为半径 r处的折 射率； W表示功能介质板 200的距离其中心为半径 r处的折射率； 《 _mm 表示所 述功能介质板的最小折射率； c表示阻抗匹配层的层数。 依据上述公式， 第 1、 2、 3层的折射率分布分别表示如下: 第 1层：

2层：

3层： " ₃ ( )="匪 ( "

n

依次类推。 只要功能介质板的折射率分布已知， 则所需的阻抗匹配元件的 每一阻抗匹配层就可依据上述公式计算得知。

如图 9所示，阻抗匹配元件 1001包括 3层阻抗匹配层（编号分别为 11、 12、 13) ， 这里的阻抗匹配层的层数仅为示例， 并不作为对本发明的限制。 其中第 3 层阻抗匹配层 （编号为 13) 紧贴功能介质层。

在本发明另一实施例中， 还可以在功能介质板 200 的另一侧也设置多个阻 抗匹配层。 也就是说， 阻抗匹配元件 1001还包括紧密贴合于功能介质板 200第 二侧表面上且与第一多个阻抗匹配层对称分布 的第二多个阻抗匹配层， 第二多 个阻抗匹配层中每一阻抗匹配层的折射率分布 与其对称分布在第一多个阻抗匹 配层中的对应的阻抗匹配层相同。 如图 10所示， 在功能介质板 200的另一侧也 设置有 3 个阻抗匹配层， 这里的阻抗匹配层的层数仅为示例， 并不作为对本发 明的限制。 其中第 3层阻抗匹配层 （编号为 13' ) 紧贴功能介质层。 功能介质板 200两侧的阻抗匹配层对称分布。 以图 10所示的 3层阻抗匹配层为例， 左侧编 号为 11 的阻抗匹配层与右侧编号为 1Γ的阻抗匹配层相同， 其折射率分布均为 ) = 左侧编号为 12的阻抗匹配层与右侧编号为 12'的阻抗

"min 匹配层相同， 其折射率分布均为 ; 左侧编号为 13的阻抗

匹配层与右侧编号为 13'的阻抗匹配层相同， 其折射率分布均为 本发明的功能介质板的材质不加限制， 例如可以是超材料制作而成。 下面 对其进行描述。 图 11是功能介质板 200的结构示意图， 功能介质板 200划分为 多个侧表面为曲面且彼此紧密贴合的同心圆环 体； 每一圆环体的底面半径小于 顶面半径； 电磁波经过所述透镜后在每一圆环体的顶面平 行射出。 设辐射源与 第 z个圆环体底面上一点的连线与垂直于功能介� �板 200 的直线之间的夹角为 Θ，夹角 唯一对应第 z个圆环体内的一曲面， 且夹角 唯一对应的曲面上每一 处的折射率均相同； 每一圆环体的折射率随着夹角 的增大逐渐减小。 在实际 应用时透镜本身还可以不是多个圆环体的结合 ， 而是一个透镜整体， 只是设计 时要满足上文所述的折射率分布规律。 上文为了便于描述， 将透镜划分为多个 圆环体， 但并不作为对本发明的限制。

可以理解的是， 第 1个圆环体为实心圆环体， 也即只有一个曲面状侧表面。 除第一个圆环体外， 其他均为包含两个侧表面 （内表面和外表面） 。 如图 11所 示。 图 11示出的功能介质板包括 3个圆环体 （104、 102、 103 ) ， 为了清楚地 表示功能介质板 200中每一圆环体的结构， 图 11以爆炸图的形式来示意。 在实 际使用时， 3个圆环体紧密贴合在一起构成一个完整的功� �介质板。这里的圆环 体的数量仅为示意， 并不作为对本发明的限制。 圆环体 104为第 1个圆环体， 圆环体 102为第 2个圆环体， 圆环体 103为第 3个圆环体。 图 12示出了包括 3 个圆环体 （104、 102、 103 ) 的功能介质板 200的侧视图。 功能介质板 200的厚 度如图 d所示， L表示垂直于功能介质板 200的直线。 由图 12可知， 每一圆环 体的侧视图为圆弧段， 相同圆弧段上的折射率相同， 也即该圆弧段所形成的圆 环体的曲面上的折射率相同。

设辐射源与第 z个圆环体底面外圆周上一点的连线与垂直于� �能介质板 200 的直线之间的夹角为 ， z为正整数且越靠近功能介质板 200中心的圆环体对应 的 z越小； 其中， 夹角 满足如下公式：

sinc(^.) = -^(w _max(/+1) -" ■))； 1

cosS COS

. _/ 、

其中， smc( ) = =0; 为辐射源到功

； 为功能介质板 200的厚度； A为电磁波的波长， n χ( w _minW 分别为 z个圆环体的最： ：折射率和最小折射率， M _max(;+1 ) η min( +l) z'+l个圆环体的最大折时率和最小折 ^: 射 ^ή ·率^。相邻两个圆环体的

折射率满足： ⁿ max(i) ~ ⁿ mm(i) = ^maxii+l) ^{_ n} mm(i+l) - 如图 13所示， 设 M _max(1 )、 " _min(1 )已知， 第 1个圆环体的 以及 可用下 计算得出：

sinc(e _i ) = (n _max(2) -n _mHl)

2个圆环体的 和 I n _M 可用下式计算得出:

d

sinc(<9 ₂ ) = ^(w _max(3) n. min(2).

3个圆环体的 θ ₃ 可用下式计算得出: sinc( ） = O _max(4) — w _min(3) ); sinc(<9 ₃ ) 在本发明一实施例中， 相邻三个圆环体的最大折射率和最小折射率满 足： 如图 13所示， 每一圆环体的侧表面 （包括外表面和内表面） 的母线为圆弧 段。 第 Z个圆环体的外表面的母线为圆弧段， 图中侧视图的圆弧段即为每一圆环 体外表面的母线。其中辐射源与第 Z个圆环体底面外圆周上一点的连线的垂线与 功能介质板 200远离所述辐射源的一面的交点为所述圆弧段 的圆心， 所述交点 与圆环体底面外圆周上一点之间的垂线段为所 述圆弧段的半径。

第 z个圆环体的内表面的母线为圆弧段， 其中辐射源与第 z个圆环体底面内 圆周上一点的连线的垂线与功能介质板 200远离所述辐射源的一面的交点为所 述圆弧段的圆心， 所述交点与圆环体底面外圆周上一点之间的垂 线段为所述圆 弧段的半径， 其中 z≥2。 第一个圆环体是实心的， 没有内表面。 第 z +1 个圆环 体的内表面紧密贴合于第 z个圆环体的外表面， 也即第 z +1个圆环体的内表面与 第 z个圆环体的外表面的各处曲率相同。 每一圆环体的内表面的折射率最大， 外 表面的折射率最小。

辐射源与第 1个圆环体底面外圆周上一点的连线与 L之间的夹角为 ， 辐 射源与第 1个圆环体底面外圆周上一点的连线的垂线 与功能介质板 200的另 一面的交点是 G， 第 1个圆环体外表面的母线为 ml ; ml是以 ^为圆心、 ^为 半径旋转而来的圆环段。 同理， 辐射源与第 2个圆环体底面外圆周上一点的连 线与 L之间的夹角为 ， 辐射源与第 2个圆环体底面外圆周上一点的连线的垂 线 与功能介质板 200的另一面的交点是 0 ₂ ，第 2个圆环体外表面的母线为 m2 ; m2是以 <¾为圆心、 为半径旋转而来的圆环段；辐射源与第 3个圆环体底面外 圆周上一点的连线与 L之间的夹角为 ， 辐射源与第 3个圆环体底面外圆周上 一点的连线的垂线 与功能介质板 200的另一面的交点是 0 ₃ ， 第 3个圆环体外 表面的母线为 m3 ; m3 是以 <¾为圆心、 ^为半径旋转而来的圆环段。 如图 12 所示， 圆环段 ml m2 m3相对于 L对称分布。

对于任一圆环体而言， 设辐射源与第 z个圆环体底面上一点的连线与垂直于 功能介质板 200的直线之间的夹角为 ， 第 z个圆环体的折射率 随着 0的 变化规律满足：

其中， w _ma ^为第 z个圆环体的最大折射率。夹角 0唯一对应第 z个圆环体内 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。 夹角 取值范 围为 [0, 如图 13所示， 以第 1个圆环体为例， 辐射源与第 1个圆环体底面上某一点 的连线与垂直于功能介质板 200的直线之间的夹角为 0， 辐射源与第 1个圆环 体底面上该点的连线的垂线 与功能介质板 200的另一面的交点是 0 ， 母线 _m 是以 0为圆心、 为半径旋转而来的圆环段。 夹角 0唯一对应第 1个圆环体内 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。

功能介质板 200可用于将所述辐射源发射的电磁波转换为平 面波。 其每一 圆环体的折射率随着夹角 0的增大从 w _ma ^减小到 M _min(; )， 折射率随半径变化的 示意图如图 14所示。

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， 曲面的母线设计为圆弧。 当然， 在实际设计时， 可能设计成精确的圆弧比较困难， 可以根据需要设计为近似的圆弧或者阶梯状， 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 yz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功能介质板的折射率 分布如图 15所示。

前文所述的功能介质板 200可以是图 11所示的形状， 当然也可以是其他需 要的形状， 只要是能够满足前文所述的折射率变化规律即 可。 本发明的超材料 可以用作透镜使用， 也可以用于通信领域的天线中， 用途广泛。

这里的阻抗匹配层可以是任何能够满足上述折 射率分布规律的材料制成， 本发明不加以限制。 在本发明一实施例中， 每一阻抗匹配层包括片状的基板和 设置在基板上的多个人造微结构。 通过设计人造微结构在基板上的排布来达到 上述折射率分布规律。

为了更清楚地体现本发明所设计的阻抗匹配元 件改善反射损耗的效果， 分 别对采用传统等差设计的阻抗匹配元件、 以及依据本发明设计的阻抗匹配元件 进行远场分析以及能量分布分析。 传统等差设计的阻抗匹配元件的阻抗匹配层 的折射率公式为： n(i) = n _{mm +} ^{l X (ng (r)} ~ ⁿ - ； 本发明设计的阻抗匹配元件的阻抗

/' + 1

n (r) 丄

匹配层的折射率公式为： ( = ^„„><(^ ) ^£+1 。 《 _g (r)为功能介质板的折射率

mm

分布函数， 两种阻抗匹配元件所辅助的功能介质板相同， 例如均采用图 11所示 的功能介质板， 因此 (r)相同。 经过实验可得， 传统等差设计的阻抗匹配元件的能量分布图与 本发明设计 的阻抗匹配元件的能量分布图相比， 要模糊很多。 而反射越大， 能量分布图就 会越模糊， 因此传统设计的阻抗匹配元件反射较大， 损耗较多。 对于采用相同 功能介质板且相同匹配层数的前提下， 经过传统等差设计的阻抗匹配元件后的 能量为 4443mw， 而经过本发明提供的阻抗匹配元件后的能量为 5251mw。 经过 试验所得的远场分析结果可知， 传统设计的阻抗匹配元件的反射比本发明提供 的阻抗匹配元件较大。 因此， 采用本发明的改进的折射率分布设计起到了进 一 歩减少反射干扰和损耗的作用。

通过设计每一阻抗匹配层的折射率分布， 使其满足相应的规律， 来进一歩 地减少反射干扰和损耗， 从而使得电磁波进入功能介质层时能量消耗减 少， 有 利于电磁波的进一歩传输。 将汇聚元件的功能介质层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， 使其具有更加优异的性能。 图 16是依据本发明一实施例的天线汇聚电磁波的� ��意图， 该天线包括辐射 源 20和具有电磁波汇聚功能的汇聚元件 30，汇聚元件 30用于将辐射源 20发射 的电磁波转换为平面波。

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面板的折射 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。

汇聚元件 30包括图 8实施例所示的阻抗匹配元件 1001与功能介质板 200。 阻抗匹配元件 1001设置于功能介质板 200第一侧表面上且与功能介质板 200的 该第一侧表面紧密贴合。 其中， 阻抗匹配元件 1001与功能介质板 200的具体技 术特征请参考图 8至图 15所示实施例的描述， 此处不再赘述。

实施本发明的技术方案， 具有以下有益效果： 通过设计每一阻抗匹配层的 折射率分布， 使其满足相应的规律， 来进一歩地减少反射干扰和损耗， 从而使 得电磁波进入功能介质层时能量消耗减少， 有利于电磁波的进一歩传输， 并提 高了天线的性能。 此外， 将汇聚元件的功能介质层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， 使其具有更加优异的性能， 并进一歩地提高了天线的性能。

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。