专利名称：人工复合材料和人工复合材料天线的制作方法
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。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是构造一种人工复合材料，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i区域与所述第一表面的交集部分为第i区域的底面，第i区域与所述第二表面的交集部分为第i区域的顶面；设虚焦点与所述第i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Θ，夹角Θ唯一对应第i区域内的一曲面，第i区域顶面上具有相同夹角Θ的点的集合构成夹角Θ唯一对应的曲面的边界；且夹角Θ唯一对应的曲面上每一处的折射率均相同，所述曲面的母线为抛物线弧；每一区域的折射率随着夹角Θ的增大逐渐减小。在本发明所述的人工复合材料中，设虚焦点与第i区域顶面外圆周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Θ i，i为正整数且越靠近人工复合材料中心的区域对应的i越小；其中，夹角Θ i对应的曲面的母线的弧长为c( Θ D，弧长c( Θ J和夹角Θi满足如下公式)=;
^max(z') ^min(/+l){s + d)x(—^-—-- —) = Ciejniaam-Ciei^nmm0 ).
COSUi COSUi^其中，θ 0 = 0,c( θ 0) = d ；s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；λ为电磁波的波长，nmax(i)、nmiJi)分别为第i区域的最大折射率和最小折射率，nmax(i+1)为第i+l区域的最大折射率。在本发明所述的人工复合材料中，相邻两个区域的最大折射率和最小折射率满
:nmax(i) ^min(i) ^max(i+l) ^min(i+l) °在本发明所述的人工复合材料中，第i区域的折射率分布满足
I 「(5 + /) , λ TIi(O) =- ----{s + d) + nmd .
1c(0)l cos6>7」，其中c( Θ )为夹角Θ对应的曲面的母线的弧长，s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；nmin为所述人工复合材料的最小折射率。在本发明所述的人工复合材料中，弧长c( Θ )满足
d log(|tan θ\ + Vl+ tan2 θ) + ^ /-5—c(6>) =--^——- + Vl + tan26> .
2|tan6>| + ^，其中，δ为预设小数。在本发明所述的人工复合材料中，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
I 7= tan 6^(--x +x + s + t/)。
2d本发明还提供一种人工复合材料天线，包括虚焦点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的虚焦点上；第i区域与所述第一表面的交集部分为第i区域的底面，第i区域与所述第二表面的交集部分为第i区域的顶面；设虚焦点与所述第i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Θ，夹角Θ唯一对应第i区域内的一曲面，第i区域顶面上具有相同夹角Θ的点的集合构成夹角Θ唯一对应的曲面的边界；且夹角Θ唯一对应的曲面上每一处的折射率均相同，所述曲面的母线为抛物线弧；每一区域的折射率随着夹角Θ的增大逐渐减小。在本发明所述的人工复合材料天线中，设虚焦点与第i区域顶面外圆周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Θ i，i为正整数且越靠近人工复合材料中心的区域对应的i越小；其中，夹角Θ i对应的曲面的母线的弧长为c( Θ D，弧长c( Θ J和夹角Θ i满足如下公式J-;
^max(z') ^min(/+l){s + d)x(—^-—-- —) = Ciejniaam-Ciei^nmm0 ).
COSUi COSUi^其中，θ(1 = 0，(3(θ(1) =d;s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；λ为电磁波的波长，nmax(i)、nmin(i)分别为第i区域的最大折射率和最小折射率，nmax(i+1)为第i+l区域的最大折射率。在本发明所述的人工复合材料天线中，相邻两个区域的最大折射率和最小折射率
两足nmax(i)_nmin(i) — nmax (i+l) _nmin(i+l) °在本发明所述的人工复合材料天线中，第i区域的折射率分布满足
I 「(5 + /) , λ Tii(O) =- ----{s + d) + nmd .
1 c(0)l cos6>7」，其中c( Θ )为夹角Θ对应的曲面的母线的弧长，s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；nmin为所述人工复合材料的最小折射率。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抛物线弧的曲面状，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。
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I是依据本发明一实施例的人工复合材料对电磁波的发散作用示意图；图2是图I所示的人工复合材料10的结构示意图；图3示出了图2中的的人工复合材料10的侧视图；图4是图3所示的抛物线弧m与Θ的关系示意图；图5是人工复合材料10在yx平面上的折射率分布图。
具体实施例方式图I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。作为公知常识我们可知，电磁波的折射率与X//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I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i区域与第一表面A的交集部分为第i区域的底面，第i区域与所述第二表面B的交集部分为第i区域的顶面。设虚焦点J与第i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Θ，夹角Θ唯一对应第i区域内的一曲面，第i区域顶面上具有相同夹角Θ的点的集合构成夹角Θ唯一对应的曲面的边界；且夹角Θ唯一对应的曲面上每一处的折射率均相同，所述曲面的母线为抛物线弧；每一区域的折射率随着夹角Θ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Θ i，第二区域(图3中的102)最外边界曲面对应的夹角为Θ 2。第一区域的顶面上具有夹角Θ !的点的集合构成夹角Θ !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Θ 2的点的集合构成夹角Θ 2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抛物线弧，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抛物线弧段，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复合材料的直线L之间的夹角为Θ i，i为正整数且越靠近人工复合材料10中心O的区域对应的i越小；其中，夹角Θ i对应的曲面的母线的弧长为C(Qi)，弧长C(Qi)和夹角Qi满足如下公式
)=;
^max(z') ^min(/+l){s + d)x(—^—-- —) = Ciejniaam-Ciei^nmm0 ).
COSUi COSUi^其中，θ ^ = 0，c( θ J = 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；λ为电磁波的波长，nmax(i)、nmin(i)分别为第i区域的最大折射率和最小折射率，nmax(i+1)、nmin(i+1)为第i+l区域的最大折射率和最小折射率。夹角Θ或Θ i取值范围
为[O, 相邻两个区域的最大折射率和最小折射率满足nmax(i)-nmin(i) = nmax(i+1)-nmin(i+1)。如图2和3所示，示出了两个区域101和102，Θ i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，Θ 2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，Snmax(1)、nmin(1)已知,第I区域的Θ i以及nmin(2)可用下式计算得出c (沒 )=;
” max( I) ” min( 2 )(5 + ^)Χ(^^-1) = ^lKax(I)-cC^0Km(I))。第2区域的Θ 2和nmin(3)可用下式计算得出d)=；
^max(2) ^min(3){s + d)x(—^—--- -) = c(02)nmax(2 -cie^n^ )。
COS^2 COS^1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
nmax(i+l)_nmin(i+2)〉nmax(i) _nmin(i+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I区域101顶面Al外圆周上一点01的连线与L之间的夹角为Θ i，第I区域101最边界曲面Dml的母线为ml，弧线ml的弧长为c( Θ J，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Θ 2，第2区域102最边界曲面Dm2的母线为m2，弧线m2的弧长为(3(02)，!!12绕1^旋转而成的曲面即为01112。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i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Θ，第i区域的折射率Iii ( Θ )随着Θ的变化规律满足
权利要求
1.一种人工复合材料，其特征在于，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i区域与所述第一表面的交集部分为第i区域的底面，第i区域与所述第二表面的交集部分为第i区域的顶面；设虚焦点与所述第i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Θ，夹角Θ唯一对应第i区域内的一曲面，第i区域顶面上具有相同夹角Θ的点的集合构成夹角Θ唯一对应的曲面的边界；且夹角Θ唯一对应的曲面上每一处的折射率均相同，所述曲面的母线为抛物线弧；每一区域的折射率随着夹角Θ的增大逐渐减小。
2.根据权利要求I所述的人工复合材料，其特征在于，设虚焦点与第i区域顶面外圆周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Θ y i为正整数且越靠近人工复合材料中心的区域对应的i越小；其中，夹角Θ i对应的曲面的母线的弧长为c( Θ J，弧长C(Qi)和夹角Qi满足如下公式
3.根据权利要求2所述的人工复合材料，其特征在于，相邻两个区域的最大折射率和最小折射率满足nm
4.根据权利要求2所述的人工复合材料，其特征在于，第i区域的折射率分布满足
5.根据权利要求4所述的人工复合材料，其特征在于，弧长c(0)满足如下公式
6.根据权利要求4所述的人工复合材料，其特征在于，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
7.—种人工复合材料天线，其特征在于，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的虚焦点上； 第i区域与所述第一表面的交集部分为第i区域的底面，第i区域与所述第二表面的交集部分为第i区域的顶面；设虚焦点与所述第i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Θ，夹角Θ唯一对应第i区域内的一曲面，第i区域顶面上具有相同夹角Θ的点的集合构成夹角Θ唯一对应的曲面的边界；且夹角Θ唯一对应的曲面上每一处的折射率均相同，所述曲面的母线为抛物线弧；每一区域的折射率随着夹角Θ的增大逐渐减小。
8.根据权利要求7所述的人工复合材料天线，其特征在于，设虚焦点与第i区域顶面外圆周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Θ 为正整数且越靠近人工复合材料中心的区域对应的i越小；其中，夹角Θ i对应的曲面的母线的弧长为c( Θ j),弧长c ( Θ J和夹角Θ i满足如下公式
9.根据权利要求8所述的人工复合材料天线，其特征在于，相邻两个区域的最大折射率和取小折射率 两足nmaxCi)_nmin⑴一nmax(i+l)_nmin(i+l) °
10.根据权利要求8所述的人工复合材料天线，其特征在于， 第i区域的折射率分布满足
全文摘要
本发明涉及人工复合材料和人工复合材料天线，人工复合材料划分为多个区域；平面电磁波入射到人工复合材料的第一表面并在与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人工复合材料的虚焦点上；第i区域与第一表面的交集部分为底面，与第二表面的交集部分为顶面；设虚焦点与第i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θ，θ唯一对应第i区域内的一曲面，第i区域顶面上具有相同θ的点的集合构成θ唯一对应的曲面的边界；且θ唯一对应的曲面上每一处的折射率均相同，所述曲面的母线为抛物线弧；每一区域的折射率随着夹角θ的增大逐渐减小。本发明将折射率的跳变设计为曲面状，减少了跳变处的折射、衍射和反射效应。
文档编号H01Q19/06GK102904059SQ20111021670
公开日2013年1月30日 申请日期2011年7月29日 优先权日2011年7月29日
发明者刘若鹏, 季春霖, 岳玉涛 申请人:深圳光启高等理工研究院, 深圳光启创新技术有限公司