专利名称：基于超材料的天线的制作方法
技术领域：
本发明涉及天线领域，尤其涉及一种基于超材料的天线。
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；而且球形透镜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，所以对加工精度的要求也比较高、成本较高。
发明内容
本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种基于超出料的天线，其体积较小、制造工艺简单、成本较低。为解决上述技术问题，提供了一种基于超材料的天线，包括具有电磁波汇聚功能的超材料面板和位于所述超材料面板的焦点上的信号源，所述超材料面板包括至少一个超材料片层，所述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，每一所述超材料片层的折射率分布均相同，所述超材料片层包括一个圆形区域和多个与圆形区域同心的环形区域，所述圆形区域和环形区域内折射率随着半径的增大连续减小且相同半径处的折射率相同，多个区域中至少存在两个相邻的第一区域及第二区域，第一区域内折射率随着半径的增大从nl连续减小到π2，第二区域内折射率随着半径的增大从n3连续减小到η4，且满足η3 > η2。上述技术方案至少具有如下有益效果本发明实施例的基于超材料的天线包括具有电磁波汇聚功能的超材料面板和位于超材料面板的焦点上的信号源。本发明的天线利用超材料内部的折射率分布实现从球面波形式发散的电磁波信号到能以平面波形式远距离传输的电磁波信号的转变，该天线体积较小、制造工艺简单、设计方便灵活且可大规模生产。
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是本发明所采用的超材料面板的结构示意图；图4是图3所示的超材料面板的折射率随半径变化的示意图5是图3所示的超材料面板在yz平面上的折射率分布图；图6是图3所示的人造微结构衍生的第二实施例的结构示意图；图7是由图6所示人造微结构衍生的第三实施例的结构示意图；图8是本发明的基于超材料的天线汇聚电磁波的另一实施例的示意图。
具体实施例方式超材料是一种以人造微结构2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2和供人造微结构附着的基板1。人造微结构2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2在基板1上阵列排布，每个人造微结构2以及其所附着的基板1所占部分即为一个超材料单元。基板1可为任何与人造微结构2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2的特征所决定，而人造微结构2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2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所示为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，该天线包括具有电磁波汇聚功能的超材料面板10和位于超材料面板10的焦点上的信号源20。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的折射率分布使从信号源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2所示的超材料面板10包括至少一个超材料片层3，每个超材料片层3包括片状的基板1和附着在基板1上的多个人造微结构2，每个人造微结构2以及其所附着的基板 1所占部分即为一个超材料单元。超材料面板10的具体结构如图3所示，本实施例中超材料面板10由多个超材料片层3堆叠形成，这各个超材料片层3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3的数目可依据需求来进行设计。每个超材料片层3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。本发明所采用的具有电磁波汇聚功能的超材料面板10中，每个超材料单元的边长为入射电磁波波长的1/5到1/10之间。 本实施例中每个超材料片层3的折射率分布均相同，这里为了描述清楚仅对一个超材料片层3的折射率分布规律进行详细说明，其余各超材料片层3的折射率分布规律均相同。通过对人造微结构2的拓扑图案、几何尺寸以及其在基板1上分布，使每个超材料片层3的折射率分布满足第一规律超材料片层3包括一个圆形区域和多个与圆形区域同心的环形区域且圆心处的折射率最大；圆形区域和环形区域内折射率随着半径的增大连续减小且相同半径处的折射率相同；多个区域中至少存在两个相邻的第一区域及第二区域，第一区域内超材料的折射率随着半径的增大从nl连续减小到π2，第二区域内超材料折射率随着半径的增大从η3连续减小到η4，且满足n3 > n2，即两区域相邻处存在折射率跳变。
如图3所示超材料面板10由多个折射率分布规律相同的超材料片层3堆叠形成， 所以本发明的超材料面板10的折射率分布满足第一规律，图4是图3所示的超材料面板10 的折射率随半径变化的示意图。如图所示超材料面板10包括3个区域，第一区域的半径长
度为Li，在该区域内沿半径增加的方向每个超材料单元的折射率依次为ai、a2、a3......an；
第二区域内半径从Ll变化为L2，沿半径增大方向每个超材料单元的折射率依次为bp b2、
b3......bn ；第三区域内半径从L2变化为L3，沿半径增大方向每个超材料单元的折射率依
次为Cl、C2, C3......cn ；且各个折射率满足B1 ^ a2 ^ a3 ^......彡 an (1)bi ^ b2 ^ b3 ^......^ bn (2)C1 ^ C2 ^ C3 ^......^ cn (3)其中Id1 > an, C1 > bn，η为不小于2的自然数，式(1) (2) (3)均不同时取等号。利用超材料面板10将从信号源20发出的球面波形式发散的电磁波转变成平面波形式的电磁波，越靠近超材料面板10的边缘处入射电磁波和出射电磁波之间所夹的偏折角越大。作为公知常识可知相邻超材料单元之间的折射率变化量越大，则电磁波的偏折角越大。因此，为了实现超材料面板10边缘处的电磁波的大角度偏折以及实现平面波形式的电磁波，各个区域内超材料单元的折射率变化满足如下关系(ara2) ^ (a2_a3) ^ ...... ‘ (^Vfan) ^ (bfb2) ^ (b2_b3) ^ ......
((Vfbn) ( (C1-C2) ( (C2-C3) (......( (Clri-Cn) (4)满足上述折射率变化量关系的超材料面板10，对于从信号源20发出的球面波形式发散的电磁波，以折射率为^的超材料单元为圆心，随着半径的增大超材料面板10在yz 平面上的折射率变化量逐渐增大，因此以％所在的超材料单元为圆心，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2，得到该单元的介电常数ε和磁导率μ， 进而对超材料面板10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量 Δη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3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超材料片层3的折射率分布如图5所示。实验证明，相同图案的人造微结构2，其几何尺寸与介电常数ε成正比，因此在入射电磁波确定的情况下，通过合理设计人造微结构2的拓扑图案和不同尺寸的人造微结构 2在超材料片层上的排布，就可以调整超材料面板10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。实现上述折射率和折射率变化量分布关系的人造微结构2有很多种可实现方式， 对于平面结构的人造微结构2，其几何形状可以是轴对称也可以非轴对称；对于三维结构， 其可以是非90度旋转对称的任意三维图形。
如图3所示平面的人造微结构2均附着在片状基材1的表面上。图中人造微结构 2呈“工”字形，包括竖直的第一金属丝201和分别连接在第一金属丝201两端且垂直于第一金属丝201的第二金属丝202。超材料面板10由多个相同的超材料片层3构成，每个超材料片层3的yz平面上包括一个圆形区域和多个与圆形区域同心的环形区域且圆心处的人造微结构2的尺寸最大，每个区域内“工”字形的人造微结构2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2的尺寸相同；多个区域中至少存在两个相邻的第一区域和第二区域，这两个相邻区域内人造微结构2的尺寸变化范围交集为非空，即以人造微结构2尺寸最大处为圆心，随着半径的增大至少依次存在两个相邻的第一区域和第二区域，第二区域内最大的人造微结构2的尺寸大于第一区域内最小的人造微结构2的尺寸。需要说明的是，由于实际上超材料单元是一个立方体而非一个点，因此上述圆形、 环形只是近似描述，实际上的折射率相同或基本相同的超材料单元是在一个锯齿形圆周上分布的。其具体设计类似于计算机用方形像素点绘制圆形、椭圆形等平滑曲线时进行描点的编程模式(例如OpenGL)，当像素点相对于曲线很小时曲线显示为光滑，而当像素点相对于曲线较大时曲线显示有锯齿。图6所示实施例是图3所示人造微结构2的衍生，图6中的衍生人造微结构2不仅包括构成“工”字形的第一金属丝201和第二金属丝202，还包括分别连接在第二金属丝 202两端且垂直于第二金属丝202的第三金属丝203。图7所示实施例则是图6的人造微结构2的进一步衍生，其人造微结构2在图6的基础上还包括分别连接在第三金属丝203两端且垂直于第三金属丝203的第四金属丝204。 依此类推，本发明的人造微结构2还有无穷多个。第二金属丝202的长度小于第一金属丝 201，第三金属丝203的长度小于第二金属丝202，第四金属丝204的长度小于第三金属丝 203，依此类推。其中，每个第一金属丝201只与第二金属丝202相连接，不与其他任何金属丝相交；任意第N金属丝只与第(N-I)金属丝和第(N+1)金属丝相交连接，不予其他任何金属丝相交，这里N大于等于2。应当理解，本发明实施例的基于超材料的天线可以采用“王”字形或“十”字形等对称结构的人造微结构2，也可采用其他非对称结构的人造微结构2，只要每个超材料片层 3在yz面上的折射率分布满足上述所有关系式，通过对人造微结构2的形状、尺寸和排布进行设置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。具体实施时，可通过计算和仿真得出其介电常数和磁导率，然后不断调整人造微结构2的形状和尺寸，直到其介电常数和磁导率的值满足上述折射率分布。上述实施例中人造微结构2由至少一根铜丝或者银丝等金属丝构成，具有特定图形。金属线通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻等方法附着在基板1上。其中蚀刻是较优的制造工艺，其步骤是在设计好合适的人造微结构2的平面图案后，先将一张金属箔片整体地附着在基板1上，然后通过蚀刻设备，利用溶剂与金属的化学反应去除掉人造微结构2预设图案以外的箔片部分，余下的即可得到阵列排布的人造微结构2。基板1由陶瓷、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料等制得。例如，聚四氟乙烯、环氧树脂、FR4、 F4b等高分子材料。本发明的基于超材料的天线所采用的超材料面板10的两侧表面还分别设置有阻抗匹配层(图中未示出)，阻抗匹配层的一侧的阻抗与空气阻抗相同，另一侧的阻抗与超材料面板10的阻抗相同，中间的阻抗连续变化形成一阻抗渐变层，消除了空气与超材料面板 10间的阻抗突变，进而减少了电磁波的反射。阻抗匹配层可采用普通材料制成也可采用超材料制成，只要在空气与超材料面板10间形成阻抗渐变层即可满足阻抗匹配的目的。图8是本发明的基于超材料的天线汇聚电磁波的另一实施例的示意图，本实施例中的天线在上述实施例所表述的天线的基础上，在超材料面板10和信号源20之间填充有介电常数大于空气的填充材料50，可以增加电磁波从信号源20传播到超材料面板10所经过的光程，相当于把空间“压扁”，在特定性质上等效于把信号源20放在较远的地方，进而实现更好的偏折效果。本发明的基于超材料的天线所采用的超材料面板10在yz平面的折射率分布呈 “环形”，且存在一个圆形区域和多个与圆形区域同心的环形区域，在每个圆形区域和环形区域内折射率随着半径的增大折射率连续减小，且相邻的两个区域的交界处存在折射率的跳变。本发明的超材料面板10的折射率梯度较大，具有较强的偏折能力。以上所述是本发明的具体实施方式
，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
权利要求
1.一种基于超材料的天线，其特征在于，包括具有电磁波汇聚功能的超材料面板和位于所述超材料面板的焦点上的信号源，所述超材料面板包括至少一个超材料片层，所述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，每一所述超材料片层的折射率分布均相同，所述超材料片层包括一个圆形区域和多个与圆形区域同心的环形区域，所述圆形区域和环形区域内折射率随着半径的增大连续减小且相同半径处的折射率相同，多个区域中至少存在两个相邻的第一区域及第二区域，第一区域内折射率随着半径的增大从nl连续减小到n2，第二区域内折射率随着半径的增大从η3连续减小到η4，且满足 η3 > η2。
2.如权利要求1所述的基于超材料的天线，其特征在于，所述超材料面板由多个超材料片层堆叠形成。
3.如权利要求1或2所述的基于超材料的天线，其特征在于，所述人造微结构具有相同的几何形状，每个所述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，多个区域中至少存在两个相邻的第一区域和第二区域，所述两个相邻区域内人造微结构的尺寸变化范围交集为非空。
4.如权利要求3所述的基于超材料的天线，其特征在于，每个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。
5.如权利要求4所述的基于超材料的天线，其特征在于，所述金属丝为铜丝或银丝。
6.如权利要求5所述的基于超材料的天线，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。
7.如权利要求1所述的基于超材料的天线，其特征在于，所述基板由陶瓷、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制得。
8.如权利要求1所述的基于超材料的天线，其特征在于，所述人造微结构为“工”字形、 “十”字形或“王”字形。
9.如权利要求1所述的基于超材料的天线，其特征在于，在所述超材料面板的两侧表面分别设置有阻抗匹配层。
10.如权利要求1或9所述的基于超材料的天线，其特征在于，在所述超材料面板与信号源之间填充有介电常数大于空气的材料。
全文摘要
本发明实施例的基于超材料的天线包括具有电磁波汇聚功能的超材料面板和位于超材料面板的焦点上的信号源。超材料面板包括一个圆形区域和多个与圆形区域同心的环形区域，圆形区域和环形区域内的折射率随着半径的增大连续减小且相同半径处的折射率相同，多个区域中至少存在两个相邻的第一区域及第二区域，第一区域内折射率随着半径的增大从n1连续减小到n2，第二区域内折射率随着半径的增大从n3连续减小到n4，且满足n3＞n2。本发明的天线利用超材料内部的折射率分布实现从球面波形式发散的电磁波信号到能以平面波形式远距离传输的电磁波信号的转变，该天线体积较小、制造工艺简单、设计方便灵活且可大规模生产。
文档编号H01Q15/00GK102480059SQ20111011198
公开日2012年5月30日 申请日期2011年4月30日 优先权日2011年4月30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