【技术领域】

本发明涉及天线领域， 更具体地说， 涉及一种超材料天线。 【背景技术】

"超材料"是指一些具有天然材料所不具备的超� ��物理性质的人工复合结 构或复合材料。通过在材料的关键物理尺度上 的结构有序设计， 可以突破某些 表观自然规律的限制， 从而获得超出自然界固有的普通性质的超常材 料功能。

超材料内部的折射率分布是超材料表现出超常 功能的关键部分，不同的折 射率分布对应不同的功能。折射率分布越精确 ， 所实现的功能越好。对于常规 天线特别是喇叭天线， 其口径效率对天线方向性及增益的提高有较大 影响， 无 法得到良好的远场辐射响应。 而且现有天线尺寸较大， 实现小型化较困难。

【发明内容】

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术 的上述远场辐射响应和小型 化较困难的缺陷， 提供一种超材料。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是： 构造一种超材料天线，包括 外壳、馈源、紧贴所述馈源的口径边缘的第一 超材料、 与所述第一超材料间隔 预设距离且相对设置的第二超材料、以及紧贴 所述第二超材料的边缘的第三超 材料； 所述外壳与馈源、 第一超材料、 第二超材料、 第三超材料构成封闭的腔 体；

其中所述馈源的中心轴线穿过所述第一超材料 和第二超材料的中心点；所 述第一超材料和第二超材料的位于腔体外的表 面上还设置有用于反射电磁波 的反射层。

在本发明所述的超材料天线中， 所述第二超材料的中心区域为通孔。 在本发明所述的超材料天线中，辐射到所述第 二超材料的电磁波经过反射 层后绕开所述馈源并被反射到所述第一超材料 上；辐射到所述第一超材料的电 磁波经过反射层后绕开所述第二超材料并被反 射到所述第三超材料上。

在本发明所述的超材料天线中， 所述第一超材料包括多个第一超材料片 层，每一第一超材料片层包括第一基材以及周 期排布于第一基材上的多个第一 人造金属微结构，第一超材料片层各处的折射 率呈圆形分布， 圆心处的折射率 最小， 以其中心点为圆心随着半径的增大折射率逐渐 增大，相同半径处的折射 率相同。

在本发明所述的超材料天线中，所述第二超材 料用于将辐射到其上的电磁 波经过反射后转换为平面波，然后再辐射到所 述第一超材料上， 以所述第二超 材料的中心点为圆心， 半径 y处的折射率/ ¾ ( 满足如下公式： n ₂ (y) = n _Mn2 + -^- ^ (ss + \y\ * sin θ ₂ - jss ² + y ² ) ；

d ₂ sin θ ₂ > ；

其中， _n2 为所述第二超材料的最小折射率， 为所述第二超材料的厚度， SS为馈源到所述第二超材料的距离， ^为所述馈源的口径面的半径。

在本发明所述的超材料天线中， 所述第二超材料包括多个第二超材料片 层，每一第二超材料片层包括第二基材以及周 期排布于第二基材上的多个第二 人造金属微结构，第二超材料片层各处的折射 率呈圆形分布， 圆心处的折射率 最小， 以其中心点为圆心随着半径的增大折射率逐渐 增大，相同半径处的折射 率相同。

在本发明所述的超材料天线中，所述第一超材 料用于将辐射到其上的电磁 波经过反射后转换为平面波，然后再辐射到所 述第三超材料上， 以所述第一超 材料的中心点为圆心， 半径 y处的折射率 满足如下公式： (y) +― * (H— 4 ) * (sin Θ, - sin θ ₂ ) ； sin ^≥ . ；

^{r ₂ - r _k ) ² + ss ² 其中， _Wimnl 为所述第一超材料的最小折射率， A为所述第一超材料的厚度， SS为馈源到所述第二超材料的距离， ^为所述馈源的口径面的半径。

在本发明所述的超材料天线中，所述第三超材 料包括由多个厚度相同、折 射率分布相同的功能超材料片层叠加而成的功 能层，每一功能超材料片层包括 第三基材以及周期排布于第三基材上的多个第 三人造金属微结构，所述功能超 材料片层的折射率以其中心点为圆心呈同心圆 形分布， 圆心处的折射率最大， 相同半径处的折射率相同；所述功能超材料片 层上的折射率分布通过如下步骤 得到：

S1 : 确定第三超材料所处区域以及功能超材料片层 各层的边界， 此时第 三超材料区域内填充空气，将馈源固定于第三 超材料区域前方并使得馈源的中 心轴线与第三超材料区域中心轴线重合；馈源 辐射电磁波后测试并记录第三超 材料功能层上第 i层功能超材料片层的前表面的初始相位， 第 i层功能超材料 片层的前表面各点的初始相位记为^ ( ， 其中中心轴线处的初始相位记为

S2: 根据公式 Ψ = 。(0) - ^Σ '· * 2π， 得到第三超材料后表面的相位 Ψ ,

A 其中， M为构成第三超材料功能层的功能超材料片层� �总层数， d为每层 功能超材料片层的厚度， 为馈源辐射的电磁波波长， M _max3 为功能超材料片层 所具有的最大折射率值；

S3： 依据步骤 S1中测试得到的初始相位^ 、 步骤 S2中得到的基准相 位 Ψ以及公式 Ψ = ^ () - ^Σ '' ^{n y)d} ^， 得到功能超材料片层的折射率分布

A n ₃ (y)； 其中， y为功能超材料片层上任一点距功能超材料片� �中心轴线的距离。 在本发明所述的超材料天线中，所述第三超材 料还包括对称设置于功能层 两侧的第一至第 N层阻抗匹配层， 其中， 两层第 N阻抗匹配层紧贴所述功能 层。

在本发明所述的超材料天线中， 所述第一至第 N层阻抗匹配层为第一至 第 N匹配超材料片层， 每层匹配超材料片层包括第四基材以及周期排 布于第 四基材的多个第四人造金属微结构；每层匹配 超材料片层的折射率以其中心点 为圆心呈同心圆形分布， 圆心处的折射率最大， 相同半径处的折射率相同； 第 一至第 N匹配超材料片层上相同半径处的折射率不相� �。

在本发明所述的超材料天线中， 所述第一至第 N匹配超材料片层与所述 功能超材料片层 分布 0 的关系为：

其中， j代表第一至第 N匹配超材料片层的序号数， 。 ₃ 为所述功能超材 料片层所具有的最小折射率值。

在本发明所述的超材料天线中， 所述第三基材与所述第四基材材质相同， 所述第三基材与所述第四基材由高分子材料、 陶瓷材料、铁电材料、铁氧材料 或者铁磁材料制成。

在本发明所述的超材料天线中，所述第三人造 微结构与所述第四人造微结 构材质和几何形状相同。

在本发明所述的超材料天线中，所述第三人造 微结构与所述第四人造微结 构为具有 "工"字形几何形状的金属微结构， 所述金属微结构包括竖直的第一 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两个 第二金属分支。

在本发明所述的超材料天线中，所述金属微结 构还包括位于每一第二金属 分支两端且垂直于所述第二金属分支的第三金 属分支。

在本发明所述的超材料天线中，所述第三人造 微结构与所述第四人造微结 构为具有平面雪花型的几何形状的金属微结构 ，所述金属微结构包括相互垂直 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。

实施本发明的技术方案， 具有以下有益效果： 本发明利用超材料独特的 电磁性质， 通过电磁波的多次反射， 提高了天线的口径效率， 得到良好的 远场辐射场响应。 同时， 多次反射的设计， 极大地削减了天线厚度， 使天 线系统更加小型化。 【附图说明】

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说 明， 附图中：

图 1为构成超材料的基本单元的立体结构示意图� �

图 2是依据本发明一实施例的超材料天线的侧视� �；

图 3是依据本发明另一实施例的超材料天线的侧� �图；

图 4是电磁波在图 2所示超材料天线中的传播路径示意图；

图 5是电磁波在图 3所示超材料天线中的传播路径示意图；

图 6是图 2所示超材料天线设计中所需参数的示意图；

图 7是图 3所示超材料天线设计中所需参数的示意图；

图 8为本发明第三超材料折射率分布的计算示意� �；

图 9 为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 10为图 9中人造金属微结构几何形状拓扑图案的衍生� �案； 图 11为能对电磁波产生响应以改变超材料基本单� ��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 12为图 11中人造金属微结构几何形状拓扑图案的衍生� ��案。

【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 1所示， 图 1为构成超材料的基本单元的立体结构示意图� �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 1， 人造金属微结构 1 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 。本发明中， 基材 2可选用高分 子材料、 陶瓷材料、 铁电材料、 铁氧材料或者铁磁材料等， 其中高分子材料优 选为 FR-4或 F4B。 人造金属微结构 1可通过蚀刻、 电镀、 钻刻、 光刻、 电子 刻或离子刻周期排布于所述基材 2上， 其中蚀刻为较优工艺， 其步骤为将金属 片覆盖于基材上， 而后利用化学溶剂去掉除预设人造金属图案以 外的金属。

本发明中， 利用上述超材料原理， 设计好超材料整体的折射率分布， 而后 根据该折射率分布在基材上周期排布人造金属 微结构以改变入射电磁波的电 磁响应从而实现所需要的功能。

图 2示出了一种超材料天线的侧视图， 包括外壳 50、 馈源 40、 紧贴所述 馈源 40的口径边缘的第一超材料 10 (图中用斜线填充）、 与所述第一超材料 10间隔预设距离且相对设置的第二超材料 20 (图中用横线填充）、 以及紧贴所 述第二超材料 20的边缘的第三超材料 30 (图中用方格填充）； 所述外壳 50与 馈源 40、第一超材料 10、第二超材料 20、第三超材料 30构成封闭的腔体 60。 外壳 50可以采用例如但不限于 PEC ( Perfect Electric Conductor) 来设计。

其中所述馈源 40的中心轴线 L穿过第一超材料 10和第二超材料 20的中 心点 01、 02； 第一超材料 10和第二超材料 20的位于腔体外的表面上还设置 有用于反射电磁波的反射层 70。 馈源 40发射电磁波， 在腔体 60内经过多次 反射后通过第三超材料 30辐射出去。

在其它实施例中，如图 3所示， 图 3是依据本发明另一实施例的超材料天 线的侧视图， 在该实施例中， 第二超材料 80的中心区域为通孔 0 (虚线框所 示位置）。 通孔 0使得馈源 40发出的能量最强部分的电磁波直接辐射出去� �� 有效地防止了电磁波被发射到馈源 40口径面造成的损失， 增强了主瓣峰值， 减少了副瓣电平。 在图 3中， 除了第二超材料 80的中心区域为通孔 0外， 其 它结构均与图 2所示的结构相同。

辐射到第二超材料 20或第二超材料 80的电磁波经过反射层 70后绕开馈 源 40并被反射到第一超材料 10上； 辐射到第一超材料 10的电磁波经过反射 层后绕开第二超材料 20并被反射到第三超材料 30上，经过第三超材料后转换 为平面波辐射出去， 如图 4或图 5所示。 图 4或图 5示出的电磁波路径仅为示 意， 说明每一超材料的功用， 并不作为对本发明的限制。 反射层 70可以采用 例如但不限于 PEC板来设计， 只要能够实现反射功能即可。

第二超材料 20包括多个第二超材料片层， 每一第二超材料片层包括第二 基材以及周期排布于第二基材上的多个第二人 造金属微结构，第二超材料片层 各处的折射率呈圆形分布， 圆心处的折射率最小， 以其中心点为圆心随着半径 的增大折射率逐渐增大， 相同半径处的折射率相同。

第二超材料 20用于将辐射到其上的电磁波经过反射后转换� ��平面波， 然 后再辐射到第一超材料 10上。在本发明一实施例中， 以第二超材料 20的中心 点 02为圆心， 半径 y处的折射率 /¾(> 满足如下公式： n ₂ {y) = n _Mn2 + -^- ^ (ss + \y\ * sin θ ₂ - jss ² + y ² ) ；

d ₂ sin θ ₂ > ；

其中， _η2 为第二超材料 20的最小折射率， 为第二超材料 20的厚度， ss为馈源 40到第二超材料 20的距离， ^为馈源 40的口径面的半径， 如图 6 或图 7所示。

第一超材料 10包括多个第一超材料片层， 每一第一超材料片层包括第一 基材以及周期排布于第一基材上的多个第一人 造金属微结构，第一超材料片层 各处的折射率呈圆形分布， 圆心处的折射率最小， 以其中心点为圆心随着半径 的增大折射率逐渐增大， 相同半径处的折射率相同。

第一超材料 10用于将辐射到其上的电磁波经过反射后转换� ��平面波， 然 后再辐射到第三超材料 30上， 以第一超材料 10的中心点 01为圆心， 半径 y 处的折射率 满足如下公式：

(y) 丁 * (Η 1 ) * (sin θ _ι - sin θ ₂ ) ； ；

sin < ₉ ≥ . ；

^j r k -\- ss 其中， _nl 为第一超材料 10的最小折射率， ^为第一超材料 10的厚度， ss为馈源 40到第二超材料 20的距离， ^为馈源 40的口径面的半径。

对于超材料上的折射率设计，常规的设计方法 为公式法， 即利用光程近似 相等的原理得到超材料各点上对应的折射率值 。公式法得到的超材料折射率分 布能应用于较简单的系统仿真设计， 但由于实际情况中， 电磁波的分布并不是 完美的符合软件仿真中电磁波的分布， 因此对于复杂的系统， 利用公式法得到 的超材料折射率分布会存在较大的误差。

本发明利用初始相位法设计第三超材料 30折射率分布， 且本发明第三超 材料 30所要实现的功能为将电磁波转化为平面电磁� ��辐射出去以提高各电子 元件的方向性。 第三超材料 30包括功能层， 功能层由多片厚度相等、 折射率 分布相同的功能超材料片层叠加构成，功能超 材料片层包括第三基材以及在第 三基材上周期排布的多个第三人造金属微结构 ，功能超材料片层的折射率分布 在其横截面上呈同心圆形分布，即功能超材料 片层上折射率相同的点构成同心 圆， 圆心处的折射率最大， 为^， 该最大折射率 _Wmax3 为确定值， 同样， 功能 超材料片层的折射率分布在其纵截面上即以中 心轴线 L 为对称轴上下对称分 布， 中心轴线 L上的折射率为最大折射率值;^ _x3 。

下面详细论述利用初始相位法设计上述超材料 折射率分布的具体步骤： S1 : 确定第三超材料 30所处区域以及功能超材料片层各层的边界， 此时 第三超材料 30区域内填充空气，将馈源固定于第三超材料 30区域前方并使得 馈源的中心轴线与第三超材料 30区域中心轴线重合， 如图 8所示， 包括第三 超材料 30功能层的第一层前表面 31、 第二层前表面 32以及馈源 40。 馈源辐 射电磁波后测试并记录第三超材料 30功能层上第 i层功能超材料片层的前表 面的初始相位， 第 i层功能超材料片层的前表面各点的初始相位� �为^ ^(} ；)， 其中中心轴线处的初始相位记为^ ( ^Q )。

本发明中， 前表面是指靠近馈源 40的一侧表面， 后表面是指远离馈源 40 的一侧表面。

S2: 根据公式 ^{T =} , 得到第三超材料 30后表面的相位 Ψ , 其中， Μ为构成第三超材料 30功能层的功能超材料片层的总层数， d为 每层功能超材料片层的厚度， 为馈源辐射的电磁波波长， " 3为功能超材料 片层所具有的最大折射率值； 上式中， 由于本发明目的是使得馈源辐射的电磁波经过 第三超材料 30后 转化为平面电磁波辐射， 同时第三超材料 30呈平板状， 因此要求第三超材料 30后表面形成一个等相面。 本发明中， 第三超材料 30中心轴线 L处的折射率 为定值， 因此以第三超材料 30后表面中心轴线处的相位为基准值。

S3： 依据步骤 S1中测试得到的初始相位^ ^)、 步骤 S2中得到的基准相 位 ψ以及公式 ^{Ψ =} ， 得到功能超材料片层的折射率分布 其中， y为功能超材料片层上任一点距功能超材料片� �中心轴线 L的距 超材料中心轴线处的初始相位 φ _ί0 (0)为 φ _ί0 (y)中最大值的步骤。

本发明还可通过选取不同的 i值， 即选取不同的功能超材料片层前表面测 试， 得到多组超材料功能层的折射率分布^ ( ， 比较得到的多组折射率分布 " ₃ ( 选取最优结果。

本发明上述步骤易于实现程序化、代码化， 在程序化和代码化后， 使用者 仅需要对程序定义初始相位的取值边界即可由 计算机自动得出超材料折射率 分布《 ₃ () ， 便于大规模推广。

同时， 由于技术限制， 超材料功能层上的折射率最小值^ _n3 很难达到接近 于空气的值， 因此超材料功能层与空气存在折射率突变，会 将辐射到超材料功 能层表面的电磁波部分反射， 造成电子元件增益下降。 为解决上述问题， 本发 明中， 优选地， 还在功能层两侧还对称设置有两层阻抗匹配层 ， 每层阻抗匹配 层由多层匹配超材料片层构成。每层匹配超材 料片层包括第四基材以及在第四 基材上周期排布的第四人造金属微结构， 每层匹配超材料片层厚度相等， 均等 于功能超材料片层厚度，各匹配层超材料片层 上同一轴线对应的点的折射率渐 变。

第一至第 N匹配超材料片层与功能超材料片层的折射率� �布 "3( 的关系 为： 其中， j代表第一至第 N匹配超材料片层的序号数，第 N匹配超材料片层 紧贴超材料功能层， " 3为所述功能超材料片层所具有的最小折射率� �。

满足上述功能超材料片层和匹配超材料片层折 射率分布要求的人造金属 微结构的几何形状有多种，但都为能对入射电 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� ��造金属微结构几何 形状。功能超材料片层和匹配超材料片层上各 点折射率对应的人造金属微结构 的尺寸可通过计算机仿真得出， 也可通过人工计算得出。本发明中， 为便于大 规模生产， 功能超材料片层和匹配超材料片层的第三基材 和第四基材材质相 同， 第三金属微结构和第四金属微结构几何形状相 同。 如图 9所示，图 9为能对电磁波产生响应以改变超材料基本单� �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 9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 10为图 9中 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 1023ο

图 11为能对电磁波产生响应以改变超材料基本单� ��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 11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 1021 ' 两端均垂直设置有第二金属分支 1022' ； 图 12为图 11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 102Γ 、 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。 采用各向同性的人造金属微结 构能简化设计、 减少干扰。

本发明利用超材料独特的电磁性质，通过电磁 波的多次反射，提高了天线 的口径效率，得到良好的远场辐射场响应。在 第二超材料的中心点处设计一通 孔， 使得馈源发出的能量最强部分的电磁波直接辐 射出去， 有效地防止了电磁 波被发射到馈源口径面造成的损失，增强了主 瓣峰值，减少了副瓣电平。同时， 多次反射的设计， 极大地削减了天线厚度， 使天线系统更加小型化。

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。