专利名称：基于超材料的天线和超材料面板的工作波长的生成方法
技术领域：
本发明涉及天线领域，更具体地说，涉及基于超材料的天线和超材料面板的工作波长的生成方法。
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30发出的球面波经过球形的透镜40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40的体积大而且笨重，不利于小型化的使用；球形透镜40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；一个天线只能工作在一个工作频点上，在不同于其工作频点的其他频点无法响应。
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体积大、工作频点单一的缺陷，提供一种基于超材料的天线和超材料面板的工作波长的生成方法。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是构造一种基于超材料的天线，包括 辐射源和具有电磁波汇聚功能且工作在第一波长的超材料面板，所述超材料面板用于将所述辐射源发射的电磁波转换为平面波并使得所述天线同时工作在小于所述第一波长且与所述第一波长成不同倍数关系的第二波长和第三波长上。在本发明所述的天线中，所述超材料面板包括多个核心层以及对称分布在所述核心层两侧的多个渐变层，每一核心层和每一渐变层均包括片状基板和设置在所述基板上的多个人造微结构。在本发明所述的天线中，每一核心层的折射率分布均相同，每一核心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np连续减小到Iitl且相同半径处的折射率相同。在本发明所述的天线中，分布在所述核心层同一侧的每一渐变层均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，每一渐变层对应的所述圆形区域和所述环形区域内的折射率变化范围相同且随着半径的增大从其最大折射率连续减小到IV相同半径处的折射率相同，两个相邻的渐变层的最大折射率表示为Iii和ni+1，其中Iitl < Iii < ni+1 < np， i为正整数，η,对应于距离所述核心层较远的渐变层。在本发明所述的天线中，每一核心层的所述多个人造微结构具有相同的几何形状，每一区域内人造微结构的尺寸随着半径的增大连续减小且相同半径处的人造微结构的尺寸相同。
在本发明所述的天线中，每一渐变层的所述多个人造微结构具有相同的几何形状，每一区域内人造微结构的尺寸随着半径的增大连续减小且相同半径处的人造微结构的尺寸相同，且两个相邻的渐变层中距离所述核心层较远的渐变层对应的同一区域内相同半径处的人造微结构的尺寸较小。在本发明所述的天线中，所述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。在本发明所述的天线中，所述金属丝为铜丝或银丝。在本发明所述的天线中，所述金属丝通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法附着在基板上。在本发明所述的天线中，所述人造微结构为“工”字形、“十”字形或“王”字形。本发明还提供一种应用于上述天线的超材料面板的工作波长的生成方法，其特征在于，所述天线可同时工作在第二波长λ 2和第三波长λ 3，所述方法包括获取与第三波长λ3和第二波长λ2的比值λ 3/λ 2在预设误差范围内的数值m3/ m2 ；计算m2与m3的最小公倍数Hi1 ；生成所述超材料面板的工作波长X1，可表示为X1= X2(mi/m2)或X1= λ 3(Hi1/
m3) ο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的工作波长，使得天线能够同时工作在两个不同的波长上，通过调整超材料面板上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，增强了传输距离，而且减少了天线的体积和尺寸，还能保证天线工作在不同频点(也即不同的波长)，使得在有不同的频点需求时，无需更换天线即可实现，降低了使用成本。
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是现有的球面形状的透镜天线汇聚电磁波的示意图；图2是本发明一实施例的基于超材料的天线汇聚电磁波的示意图；图3是图2所述的超材料面板10的工作波长的生成方法流程图；图4是图2所示的超材料面板10的结构示意图；图5是核心层的折射率随半径变化的示意图；图6是渐变层的折射率随半径变化的示意图；图7是超材料面板的核心层在yz平面上的折射率分布图；图8是超材料面板的第i层渐变层在yz平面上的折射率分布图。
具体实施例方式超材料是一种以人造微结构402为基本单元并以特定方式进行空间排布、具有特殊电磁响应的新型材料，包括人造微结构402和供人造微结构附着的基板401。人造微结构 402为由至少一根金属丝组成的平面结构或立体结构，多个人造微结构402在基板401上阵列排布，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。基板401可为任何与人造微结构402不同的材料，这两种材料的叠加使每个超材料单元产生一个等效介电常数与磁导率，这两个物理参数分别对应了超材料单元的电场响应与磁场响应。超材料对电磁响应的特征是由人造微结构402的特征所决定，而人造微结构402的电磁响应很大程度上取决于其金属丝的图案所具有的拓扑特征和其几何尺寸。根据上述原理设计超材料空间中排列的每个人造微结构402的拓扑图形和几何尺寸，就可对超材料中每一点的电磁参数进行设置。图2示出了一种基于超材料的天线，包括辐射源20和具有电磁波汇聚功能且工作在第一波长λ i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并使得所述天线同时工作在小于所述第一波长X1且与第一波长X1成不同倍数关系的第二波长λ 2和第三波长λ3上。天线对电磁波的汇聚效果见图2所示。若希望天线工作在两个不同频点上，该两个频点对应的波长分别为第二波长λ 2、 第三波长上λ 3，那么需要计算超材料面板10所工作的第一波长A1，其中X1的生成过程如图3所示，详述如下步骤301、获取与第三波长λ 3和第二波长λ2的比值λ 3/λ 2在预设误差范围内的数值m3/m2(m3和m2为正整数)；预设误差范围可依据计算精度进行设置，比如0. 01等。步骤302、计算m2与m3的最小公倍数Hi1 ；步骤303、生成超材料面板10的工作波长λ i，可表示为λ i = λ 2 (mi/m2)或λ i =λ 3 (Iii1Zm3)。以λ 2 = 2cm, λ 3 = 3cm为例，可以通过上述计算过程得到λ = 6cm。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勻时，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远距离传输的平面波形式的电磁波。图4是图2所示的超材料面板10的结构示意图，超材料面板10包括多个核心层以及对称分布在所述核心层两侧的多个渐变层，每一核心层和每一渐变层均包括片状基板 401和设置在基板401上的多个人造微结构402。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。超材料面板10由多个超材料片层堆叠形成，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。 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，整个超材料面板10可看作是由多个超材料单元沿X、Y、Z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，使中间的核心层的折射率分布满足如下规律每一层的折射率分布均相同，每一核心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ηρ连续减小到Iitl且相同半径处的折射率相同。如图4所示，仅示出了 7层，其中中间三层为核心层3，核心层两侧的两层均为渐变层1、2，且两侧的渐变层对称分布，即距离核心层相同距离处的渐变层特性相同。图4中的超材料面板的核心层和渐变层的数量仅为示例，可依据需要进行设置。假设最终制成的超材料面板的厚度为D，每一层的厚度为t，核心层一侧的渐变层的层数为c，超材料面板10 工作的波长为λ ρ核心层的折射率变化区间为 nmin，Δη = Iimax-Iimin，核心层的层数为 b，则核心层b与渐变层的层数c具有如下关系(b+c)t = X1/An;D = b+2c。其中，渐变层主要是为了实现折射率的缓冲作用，避免电磁波入射时折射率较大的变化，减少电磁波的反射，并起到阻抗匹配和相位补偿的作用。以三层核心层，核心层两侧各两层渐变层为例，对于中间的三层核心层来说，每一层的折射率分布均相同，每一核心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 连续减小到no且相同半径处的折射率相同。核心层的折射率随半径变化的示意图如图5所示。作为示例，每一核心层包括三个区域，第一区域为圆形区域，其半径长度为Ll ；第二区域为环形区域，环形宽度从Ll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\(即nmax)减小为η。(即nmin)，np>n。。核心层的每一层的折射率分布均相同。渐变层的折射率随半径变化的示意图如图6所示。与核心层的分布类似，区别仅在于每一区域的最大折射率不同，核心层的最大折射率为np，渐变层的最大折射率为Iii，且不同的渐变层Iii不同。分布在核心层同一侧的每一渐变层均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，两个相邻的渐变层对应的圆形区域和环形区域内的最大折射率表示为Iii和ni+1，其中nQ < Hi < ni+1 < np，i为正整数，Iii对应于距离所述核心层较远的渐变层；每一渐变层对应的所述圆形区域和所述环形区域内的折射率随着半径的增大从其最大折射率连续减小到％且相同半径处的折射率相同。也就是说，对于图4来说，核心层左侧的两层渐变层，其中最左边的渐变层最大折射率为H1，另一渐变层最大折射率为n2，而％ < H1 < n2 < np。同理，由于核心层两侧的渐变层是对称分布的，因此，最右边的渐变层与最左边的渐变层折射率排布相同，次右边的渐变层与次左边的渐变层折射率排布相同。对于超材料面板的具体每一层的折射率分布随着半径r的变化可用下式进行表示
n1(r)=i*nmax/N-(i/(N*d))*(Vr2 + ,2 -^L(jf+s2 ) *(nmax-(N/i)*nmm)/(nmax-nmm)其中i表示第几层，且i彡1，自远至近(距离核心层的距离)i = 1、2···;Ν = c+1， c表示一侧渐变层的层数；nmax表示核心层的最大折射率，nmin表示核心层的最小折射率； r为半径；s表示辐射源与超材料面板的距离；d = (b+c)t, b表示核心层的层数，t表示每一层的厚度，c表示一侧渐变层的层数；L(j)表示每一区域的起始半径，j表示第几区域， j > 1，其中L(I)表示第一区域(即圆形区域)的起始半径，因此L(I) =0，L(2)表示第二区域(环形区域)的起始半径，L C3)表示第三区域(环形区域)的起始半径，依次类推，对于图5所示，L(2) = Li，L(3) = L1+L2、L(4) = L1+L2+L3。其中，不管是渐变层还是核心层，每一层的每一区域的L(j)的取值都相同，若要计算第一区域的n(r)，则上述公式L(j) 取值为L(I) = 0，若要计算第二区域的η (r)，则上述公式L (j)取值为U2)，以此类推。对于如图4所示的超材料面板，标号为1的渐变层，在上式中i取值为1，标号为2 的渐变层下式中i取值为2，对于标号为3的核心层，i取值为3，一侧渐变层的层数c = 2， 核心层的层数b = 3，N = c+1 = 3。
下面以一组实验数据为例，详细解释上述公式的含义入射电磁波的频率f = 15GHz，波长X1 = 2cm，天线能够同时工作的波长为λ2 = 0. 67cm, λ3 = Icm(当然X1也是天线的工作波长，也就是说至少可以同时工作在三个波长)，11_ = 6，11_=1，Δη = 5, s = 20cm, L(I) = 0cm, L(2) = 9. 17cm, L(3) = 13. 27cm, L(4) = 16. 61cm, c = 2，N = c+1 =3 ；每一层的厚度t = 0. 818mm ；根据核心层的层数b与渐变层的层数c的关系(b+c) t = λ i/Δη，可得b = 3 ;d = (b+c) t = 5*0. 818。超材料面板每一层的折射率分布如下对于渐变层来说，自远至近(距离核心层的距离)i = 1、2。第一层渐变层
权利要求
1.一种基于超材料的天线，其特征在于，包括辐射源和具有电磁波汇聚功能且工作在第一波长的超材料面板，所述超材料面板用于将所述辐射源发射的电磁波转换为平面波并使得所述天线同时工作在小于所述第一波长且与所述第一波长成不同倍数关系的第二波长和第三波长上。
2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述超材料面板包括多个核心层以及对称分布在所述核心层两侧的多个渐变层，每一核心层和每一渐变层均包括片状的基板和设置在所述基板上的多个人造微结构。
3.根据权利要求2所述的天线，其特征在于，每一核心层的折射率分布均相同，每一核心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np连续减小到％且相同半径处的折射率相同。
4.根据权利要求3所述的天线，其特征在于，分布在所述核心层同一侧的每一渐变层均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，每一渐变层对应的所述圆形区域和所述环形区域内的折射率变化范围相同且随着半径的增大从其最大折射率连续减小到IV相同半径处的折射率相同，两个相邻的渐变层的最大折射率表示为Iii和ni+1，其中 n0 < n, < ni+1 < np，i为正整数，η,对应于距离所述核心层较远的渐变层。
5.根据权利要求4所述的天线，其特征在于，每一核心层的所述多个人造微结构具有相同的几何形状，每一区域内人造微结构的尺寸随着半径的增大连续减小且相同半径处的人造微结构的尺寸相同。
6.根据权利要求5所述的天线，其特征在于，每一渐变层的所述多个人造微结构具有相同的几何形状，每一区域内人造微结构的尺寸随着半径的增大连续减小且相同半径处的人造微结构的尺寸相同，且两个相邻的渐变层中距离所述核心层较远的渐变层对应的同一区域内相同半径处的人造微结构的尺寸较小。
7.根据权利要求2 6任一项所述的天线，其特征在于，所述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。
8.根据权利要求7所述的天线，其特征在于，所述金属丝为铜丝或银丝。
9.根据权利要求7所述的天线，其特征在于，所述金属丝通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、 电子刻或离子刻的方法附着在基板上。
10.一种应用于权利要求1 9任一项所述的天线的超材料面板的工作波长的生成方法，其特征在于，所述天线可同时工作在第二波长λ2和第三波长λ3，所述方法包括获取与第三波长λ 3和第二波长λ2的比值人3/入2在预设误差范围内的数值1%/1112;计算叫与叫的最小公倍数m1;生成所述超材料面板的工作波长λ工，可表示为=X1= λ Jm1Ai2)或λ工=λ 3 (Hi1Ai3)。
全文摘要
本发明涉及基于超材料的天线和超材料面板的工作波长的生成方法。天线包括辐射源和具有电磁波汇聚功能且工作在第一波长的超材料面板，超材料面板用于将辐射源发射的电磁波转换为平面波并使得天线同时工作在小于第一波长且与第一波长成不同倍数关系的第二波长和第三波长上。本发明还提供一种应用于上述天线的超材料面板的工作波长的生成方法，包括获取与第三波长λ3和第二波长λ2的比值λ3/λ2在预设误差范围内的数值m3/m2；计算m2与m3的最小公倍数m1；生成超材料面板的工作波长λ1，可表示为λ1＝λ2(m1/m2)或λ1＝λ3(m1/m3)。通过设计超材料面板的工作波长，使得天线能同时工作在不同波长，并将辐射源的电磁波转换为平面波，提高了汇聚性能，减少了天线的体积和尺寸。
文档编号H01Q19/06GK102480061SQ201110130308
公开日2012年5月30日 申请日期2011年5月18日 优先权日2011年5月18日
发明者刘若鹏, 季春霖, 岳玉涛 申请人:深圳光启创新技术有限公司, 深圳光启高等理工研究院