專利名稱：定向天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及天線領(lǐng)域，更具體地說(shuō)，涉及一種定向天線。
背景技術(shù)：
目前，對(duì)于電磁波的定向，利用定向天線來(lái)完成，常用透鏡天線來(lái)達(dá)成。在光學(xué)中，利用透鏡能使放在透鏡焦點(diǎn)上的點(diǎn)光源輻射出的球面波，經(jīng)過(guò)透鏡折射后變?yōu)槠矫娌?。透鏡天線就是利用這一原理制作而成的，它由透鏡和放在透鏡焦點(diǎn)上的輻射器組成。天線是在無(wú)線電設(shè)備中用來(lái)發(fā)射或接收電磁波的部件。天線是一種變換器，它把傳輸線上傳播的導(dǎo)行波，變換成在無(wú)界媒介(通常是自由空間)中傳播的電磁波，或者進(jìn)行相反的變換。 衡量天線性能的參數(shù)有很多，如波瓣圖、有效口徑、增益、方向性、阻抗等等，其中方向性是天線很重要的性能指標(biāo)，方向性越強(qiáng)，越有利于接收機(jī)的接收。定向天線，是指在某一個(gè)或某幾個(gè)特定方向上輻射，發(fā)射及接收電磁波特別強(qiáng)，而在其它的方向上發(fā)射及接收電磁波則為零或極小。定向天線可以增加輻射功率的有效利用率，增加保密性，采用定向接收天線的主要目的是增加抗干擾能力。傳統(tǒng)定向如喇機(jī)天線,Vivaldi天線體積較大,其余增加定向性的方法有在天線后增加背腔、反射板或者使用吸波材料等，但是這些方法往往增加天線的尺寸，同時(shí)增加天線的制作難度?，F(xiàn)有技術(shù)制作天線的拋物面反射，一般采用鑄造或者數(shù)控機(jī)床加工，加工工藝復(fù)雜；其次要獲得好的定向天線，要求拋物面的精度比較高。因此反射拋物面不符合要求的時(shí)容易導(dǎo)致定向天線性能不穩(wěn)定。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題在于，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的實(shí)現(xiàn)定向天線的體積大、設(shè)計(jì)不靈活以及成本高等缺陷，提供一種體積小且性能穩(wěn)定的高定天線。一種定向天線包括一饋源，所述定向天線還包括超材料單元和第一反射板，所述超材料單元包括至少一片超材料層，所述超材料層包括多個(gè)子單元，所述子單元包括第一材質(zhì)和嵌入在第一材質(zhì)中的第二材質(zhì)；所述饋源產(chǎn)生的電磁波經(jīng)超材料單元折射后而散射于第一反射板上，所述第一反射板將電磁波反射使電磁波再次經(jīng)超材料單元折射而平行射出。進(jìn)一步地，所述第一材質(zhì)選用陶瓷材料、高分子材料、鐵電材料、鐵氧材料及鐵磁材料中的任意一種。進(jìn)一步地，所述第二材質(zhì)選用空氣、金屬材料、橡膠、塑料及樹脂材料中的任意一種。進(jìn)一步地，所述定向天線還包括饋源支架和設(shè)置于饋源支架上第二反射板，所述第二反射板用于將饋源產(chǎn)生的向后輻射電磁波反射至所述超材料單元。
進(jìn)一步地，所述第一反射板和第二反射板均采用光滑金屬鏡面。進(jìn)一步地,所述超材料單元包括沿X方向堆疊成一體的多個(gè)超材料片層，所述子單兀以垂直于X方向的y方向?yàn)榱小⒁酝瑫r(shí)垂直于X、y方向的z方向?yàn)樾信懦傻谝魂嚵?，每行的子單元的折射率相同，每列所述子單元的折射率依次為a1; a2，a3，……，as，b1； b2，b3，......，IvCpCyC3, ......，cp,各個(gè)折射率滿足ai < a2 < a3......( as, C1 ^ C2 ^ C3......彡 cp ;其中 b1 < as, bm < C1,且 s、p 均為
不小于2的自然數(shù)，m為不小于I的自然數(shù)。進(jìn)一步地，所述b1;b2，b3，……，bm之間存在以下關(guān)系Id1彡b2彡b3......( bq, bq彡bq+1彡bq+2彡bq+3......彡bm,且q為小于m的自然數(shù)。
·
進(jìn)一步地，每列所述子單元的折射率還具有如下關(guān)系{a2~al)彡(a3_a2)......彡(a^a^)彡 db)彡(b3_b2)......彡 Uq),(bq-bq+1) ( (bq+1-bq+2) ( (bq+2-bq+3)......( Ovfbm) ( (c「c2) ( (c2_c3) ( (cp_rcp)。進(jìn)一步地，上述折射率還具有如下關(guān)系B1 = bi = bm = cp, as = bq = C1, s = p, q > s q > p, q = [(m+1)/2]。進(jìn)一步地，所述多個(gè)超材料片層完全相同且具有相同的折射率分布。進(jìn)一步地，所述多個(gè)超材料片層具有不同的折射率分布，在每個(gè)由子單元以X方向?yàn)槎询B行、y方向?yàn)榱袠?gòu)成第二陣列中，以一中心超材料單元為圓心，經(jīng)過(guò)所述中心子單兀的一堆疊行和一列子單兀其折射率均依次為a1; a2, a3, ......, as, Id1, b2, b3, ......
C2, C3j ......j Cp o進(jìn)一步地，所述第二陣列的折射率呈環(huán)形分布，經(jīng)過(guò)所述圓心的任意一條直線上的多個(gè)子單元至少部分子單元的折射率依次為a1; a2, a3, ......,Bs^bplvb3, ......，bm, C1,
C3j ......j Cp ο進(jìn)一步地，所述每一子單元的第一材質(zhì)上設(shè)有至少一個(gè)孔，第二材質(zhì)填充在所述孔內(nèi)。進(jìn)一步地，所述人造孔微結(jié)構(gòu)為圓柱孔、球形孔、方形孔、多面體孔或不規(guī)則形孔。進(jìn)一步地，所述第一反射板呈板狀。實(shí)施本發(fā)明的超材料定向天線，具有以下有益效果I.不需要復(fù)雜形狀、結(jié)構(gòu)笨重的拋物面反射面，而只需要平板反射面就可以實(shí)現(xiàn)高定向性天線；2.反射面和超材料可放置在地面上，用簡(jiǎn)單支架將饋點(diǎn)置于合適位置即可，無(wú)需設(shè)計(jì)支架去支撐反射面；3.由于超材料的良好性能，可以穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)天線的高定向性。4.基于折疊式電磁波折射匯聚透鏡的原理，可以進(jìn)一步使定向小型化。


圖I本發(fā)明中第一實(shí)施例中定向天線示意圖。圖2為圖I所示超材料單元中一超材料片層的立體結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為圖2所示的超材料片層對(duì)電磁波的折射率分布示意圖。
圖4為圖2所示超材料片層中一子單元的立體結(jié)構(gòu)示意圖。圖5是電磁波匯聚透鏡對(duì)電磁波匯聚的示意圖。圖6是圖5所示電磁波匯聚透鏡折射匯聚原理示意圖。圖7是由多個(gè)超材料片層堆疊成電磁波匯聚透鏡結(jié)構(gòu)示意圖。圖8是電磁波匯聚透鏡一實(shí)施例沿X方向和y方向構(gòu)成的平面上的折射率分布圖。圖9是基于電磁波匯聚透鏡的設(shè)計(jì)出的第一實(shí)施例中定向天線中超材料單元，其對(duì)位于超材料單元焦點(diǎn)處散射電磁波的折射原理示意圖。圖10本發(fā)明中第二實(shí)施例定向天線示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合相關(guān)附圖及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的描述請(qǐng)參閱圖1，定向天線包括饋源10、超材料單元20、板狀的第一反射板30、饋源支架40及設(shè)置于饋源支架40上第二反射板50。饋源10輻射出的電磁波經(jīng)超材料單元20折射后而散射于第一反射板30上,而散射于第一反射板30上的電磁波經(jīng)由第一反射板30反射再次經(jīng)超材料單元20折射而平行射出。在本實(shí)施方式中，所述饋源10設(shè)置于饋源支架40上，第二反射板50設(shè)置于饋源10的一側(cè)，用于將饋源10產(chǎn)生的向后輻射電磁波反射至超材料單元20以提高饋源10電磁波的利用率，即增強(qiáng)電磁波的信號(hào)強(qiáng)度。第二反射板50和第一反射板30均采用一光滑鏡面，如金屬鏡面等。在其他實(shí)施方式中，饋源10置于超材料單元20和第一反射板30的等效焦點(diǎn)處，從而可以高效率地將超材料單元20折射的電磁波以平面波的形式全部反射回空間，以增加了定向天線的方向性。
本發(fā)明的超材料單元20包括多片超材料片層1，每個(gè)超材料片層I如圖2所示，具有前、后平行的兩個(gè)表面，因而為等厚片層。定義超材料片層I的厚度方向?yàn)閄方向，超材料片層I的長(zhǎng)度方向?yàn)閥方向，寬度方向?yàn)閦方向X、y、z方向兩兩垂直。圖2所示的超材料片層I對(duì)電磁波的折射率分布示意圖。超材料片層I沿y方向的折射率依次設(shè)為
，&2，￡1β ······，￡ts，bi，bg，bg，······，t)m，Cl，。2，Cgj ······，CpO 中&3* ***** ￡ls ;
C1 ^ C2 ^ C3......彡Cp < as, bm < C1,且s、p均為不小于2的自然數(shù),m為不小于I的自然數(shù)。超材料片層I可虛擬地劃分多個(gè)大小相同方體狀的子單元80 (如圖4所示)，每一個(gè)子單兀80上包括第一材質(zhì)81和第二材質(zhì)82,所述第二材質(zhì)82嵌入在第一材質(zhì)81之中。其中第一材質(zhì)81選用介電絕緣材料制成，包括但不限于陶瓷材料、高分子材料、鐵電材料、鐵氧材料或鐵磁材料等。例如高分子材料可選用環(huán)氧樹脂、聚四氟乙烯等相同性能的高分子材料。第二材質(zhì)82選用材料不同于第一材質(zhì)81,包括但不限于空氣、金屬材料、橡膠、塑料及樹脂材料等。在設(shè)計(jì)和制造本發(fā)明的一實(shí)施方式中的超材料片層I時(shí)，首先選取第一材質(zhì)81制成的片狀基板；然后采用沖壓打孔方式在所述片狀基板上形成多個(gè)孔，即在子單元80上形成至少一個(gè)孔；其次在孔內(nèi)填充第二材質(zhì)82即可得到本發(fā)明所述超材料片層I。所述超材料片層I可以看作是由多個(gè)子單元以第z方向?yàn)樾小⒁詙方向?yàn)榱薪M成的第一陣列。這里的方體形網(wǎng)格，可以具有任意自由劃分的尺寸，本發(fā)明中優(yōu)選為y、z方向的長(zhǎng)度均為將要匯聚的電磁波的波長(zhǎng)的十分之一、X方向的長(zhǎng)度與片狀基材的X方向的厚度相等。當(dāng)然，本發(fā)明的超材料單元其x、y、z方向的長(zhǎng)度在電磁波波長(zhǎng)小于五分之一均可，優(yōu)選小于波長(zhǎng)的十分之一。在本實(shí)施方式中，孔的形狀包括但不限于圓柱孔、球形孔、方形孔、多面體孔或不規(guī)則形孔等。
當(dāng)然，使每一個(gè)子單元80上的第二材質(zhì)82嵌入設(shè)置于或者混合嵌入第一材質(zhì)81之中有多種實(shí)現(xiàn)方式，只要每一個(gè)子單元80能夠?qū)﹄姶艌?chǎng)產(chǎn)生響應(yīng)即改變電磁場(chǎng)特性的結(jié)構(gòu)，均可作為本發(fā)明的形成本發(fā)明的超材料片層I。由于第一材質(zhì)81與第二材質(zhì)82體積比重不同；或第一材質(zhì)81中混合嵌入的第二材質(zhì)82所選用的材質(zhì)不同，均會(huì)使得對(duì)應(yīng)的超材料片層I呈現(xiàn)出不同的介電常數(shù)特性和磁導(dǎo)率特性，因而對(duì)電磁波產(chǎn)生不同的電磁響應(yīng)。其中，一個(gè)重要的響應(yīng)效果就是改變電磁波的傳播方向。請(qǐng)參閱圖5，本發(fā)明超材料單元20基于電磁波匯聚透鏡原理來(lái)設(shè)計(jì)的，因?yàn)殡姶挪▍R聚透鏡能將平行入射的電磁波向一個(gè)方向匯聚。由上述子單元80的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出有匯聚特性的超材料片層1，然后將數(shù)量一定的具有匯聚特性的超材料片層I堆疊即可得到電磁波匯聚透鏡。因此就需要精確設(shè)計(jì)各個(gè)子單元80的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率，從而可以設(shè)定經(jīng)過(guò)每個(gè)子單元80的電磁波其傳播方向的改變量。因此首先介紹匯聚特性的超材料片層的設(shè)計(jì)原理匯聚特性的超材料片層的折射率可以表示電磁波傳播方向的改變，已知折射率11=1，其中μ為磁導(dǎo)率，ε為介電常數(shù)，由此可知，在磁導(dǎo)率μ不改變的條件下，已知折射率η的變化規(guī)律，即可推知介電常數(shù)ε的變化規(guī)律。因此，下文中的所有涉及折射率η的變化規(guī)律的描述，均可以理解為根據(jù)上述公式可同理類推出介電常數(shù)的變化規(guī)律。在本實(shí)施方式中，每一個(gè)子單元80上第一材質(zhì)81形成至少一個(gè)開孔；第二材質(zhì)82采用空氣并填充在上述開孔中。每個(gè)超材料片層I的折射率分布如圖5所示。沿y方向的一列超材料片層，其折射率依次為 a1; a2, a3, ......, as, b1； b2, b3, ......, bm, C1, c2, c3, ......，cp,各個(gè)折射率滿足B1 ^ a2 ^ a3......as(I)C1 ^ C2 ^ C3......^ cp(2)其中Id1 < as，bm< C1，且s、p均為不小于2的自然數(shù)，m為不小于I的自然數(shù)。沿z方向的每一行超材料片層，其折射率均相同。定義折射率B1至\所在的超材料部分為第一段超材料100，折射率從^至匕所在的超材料部分為中間段超材料，折射率從C1至Cp所在的超材料部分為第四段超材料400。當(dāng)關(guān)系式⑴、⑵均不同時(shí)取等號(hào)時(shí)，即第一、第三段超材料100、300的折射率分布不均勻時(shí)，電磁波的相位傳播方向會(huì)向折射率大的方向偏折，因此，從第一段超材料100入射的電磁波，在離開超材料出射時(shí)會(huì)向\所在的超材料片層偏折，而經(jīng)過(guò)第四段超材料400的電磁波出射時(shí)會(huì)向C1所在的超材料片層偏折，也就是說(shuō)從中間段超材料兩側(cè)入射的電磁波，在出射時(shí)會(huì)向中間段超材料的方向匯攏，實(shí)現(xiàn)匯聚特性。進(jìn)一步地，為了使經(jīng)過(guò)中間段超材料的電磁波也會(huì)產(chǎn)生匯攏的效果，中間段超材料的每列超材料片層的折射率bp b2, b3, ......，bm之間存在以下關(guān)系
bi ^ b2 ^ b3......^ bq(3)bq 彡 bq+1 彡 bq+2 彡 bq+3......彡 bm (4)其中，q為小于m的自然數(shù)。
定義折射率Id1至bq所在的超材料部分為第二段超材料200，折射率bq至bn所在的超材料部分為第三段超材料300。當(dāng)關(guān)系式(3)、(4)也不同時(shí)取等號(hào)時(shí)，與第一段超材料100和第四段超材料類似，第二段、第三段超材料200、300也可實(shí)現(xiàn)向折射率為b,的子單元行偏折匯攏。一 )各段超材料折射率分布非均勻關(guān)系式(I)、(2)、(3)、(4)均不同時(shí)取等號(hào)，可以確保入射的電磁波均向b,所處的子單元行偏折，但這種匯聚并不一定會(huì)匯聚到一點(diǎn)上，只是電磁波相互靠近。要實(shí)現(xiàn)匯聚到一點(diǎn)，必須使得從靠近折射率為al所在的超材料片層的位置入射的電磁波，出射時(shí)相對(duì)于入射方向的偏折角較大，從靠近折射率為bq的超材料單元的位置入射的電磁波，其出射時(shí)的偏折角較小。已知相鄰超材料片層之間的折射率變化量越大，則電磁波的偏折角越大。因此，為了實(shí)現(xiàn)所有電磁波向一點(diǎn)匯聚，沿y方向的每列子單元的折射率還有如下關(guān)系{a2-a^> 彡(a3_a2)......彡彡 O^2-Id1)彡(b3_b2)......彡
(5)(bq-bq+1) ( (bq+1-bq+2) ( (bq+2-bq+3)......( (bm-「bm) ( (c「c2) ( (c2_c3) ( (cp_「c
p)
(6)滿足上述折射率變化量關(guān)系的超材料，對(duì)于一束平行入射的電磁波，折射率為b,的超材料片層兩側(cè)的折射率變化量向兩側(cè)逐漸增大，因此以b,所在的超材料片層為界，越靠近兩側(cè)端部入射的電磁波出射時(shí)偏折角度大，越靠近bq所在的超材料片層入射的電磁波其出射偏折角越小。通過(guò)一定的設(shè)計(jì)和計(jì)算，使得這些偏折角依次滿足一定的規(guī)律，即可實(shí)現(xiàn)匯聚到一點(diǎn)。類似于凸透鏡，只要知道各個(gè)表面點(diǎn)對(duì)光的偏折角度和材料的折射率，即可設(shè)計(jì)出相應(yīng)的表面曲率特征來(lái)實(shí)現(xiàn)匯聚功能。本發(fā)明也一樣，通過(guò)設(shè)計(jì)各個(gè)超材料片層I中的第一材質(zhì)81與第二材質(zhì)82體積比重不同，或第一材質(zhì)81中混合嵌入的第二材質(zhì)82所選用的材質(zhì)不同，得到該單元的對(duì)應(yīng)的介電常數(shù)ε和磁導(dǎo)率μ，進(jìn)而得知折射率η，通過(guò)設(shè)計(jì)使得各個(gè)相鄰超材料片層的折射率η的變化量能實(shí)現(xiàn)電磁波向特定一點(diǎn)上偏折，即可實(shí)現(xiàn)匯聚特性。平行入射電磁波到超材料片層I的第一、第二、第三和第四段超材料上，入射電磁波均平行于ζ方向。要使它們經(jīng)過(guò)超材料片層I后發(fā)生偏折并匯聚到一點(diǎn)，可以測(cè)出各個(gè)電磁波出射時(shí)相對(duì)于ζ方向的偏折角β I, β 2, β 3, β 4ο根據(jù)參考資料Metamaterials :Theory,Design,and Applications,Publisher Springer,ISBN 1441905723,75 頁(yè)-76頁(yè)，得出折射率變化量Λη與偏折角β (例如為β 1，β 2，β 3或β 4)之間有如下關(guān)系式d · Δη = sin β(7)其中，d為沿ζ方向的超材料片層I的長(zhǎng)度，Λη為相鄰兩行子單元的折射率的差。已知d和sini3，因此Λη是可以解出來(lái)的，設(shè)定一個(gè)折射率基數(shù)，即可反推相鄰兩行子單元的折射率。將所有位置的偏折角計(jì)算出來(lái)，即可最終推出y方向上的超材料片層I的折射率分布。設(shè)計(jì)每一子單元80中第二材質(zhì)的形狀大小，及填充介質(zhì)的介電常數(shù)并通過(guò)計(jì)算和仿真得出其介電常數(shù)和磁導(dǎo)率，然后不斷調(diào)整二材質(zhì)的形狀大小的形狀和尺寸，直到其介電常數(shù)和磁導(dǎo)率的值滿足得到的折射率符合上述折射率分布即可。在本實(shí)施方式，通過(guò)不斷調(diào)整子單元80上孔的形狀、尺寸及第二材質(zhì)選材來(lái)達(dá)到本發(fā)明的目的。進(jìn)一步地，為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和制造，本發(fā)明的第三、第四段超材料300、400可分別于第二、第一段超材料200、100在結(jié)構(gòu)上完全對(duì)稱，則折射率分布也將完全對(duì)稱，也即a,1 = cp, Sl2 = cp_j, ......，sls-i = c2 as = C1, s = p (8)且在滿足關(guān)系式(8)的條件下，I)當(dāng)m為奇數(shù)時(shí)，第二、第三段超材料200、300的折射率滿足q = (m+l)/2, b1 = bm, b2 = b^, ......, = bq+1 (9) 2)當(dāng)m為偶數(shù)時(shí)，第二、第三段超材料200、300的折射率滿足q = m/2, b1 = bm, b2 = b^, ......, bq = bq+1 (10)上述q與m的關(guān)系式也可用q = [ (m+1)/2]來(lái)表示，[(m+1)/2]表示對(duì)m除以2的結(jié)果取其整數(shù)位所得的值。更進(jìn)一步地，為了便于比較大小，在以上基礎(chǔ)上，各折射率還滿足a1 = h1 = hm = Cp, as = bq = C1, s = p, q > s(11)由此可知，第一段超材料100和第二段超材料200沿y方向的一列折射率，其起始值和最終值都相等，即兩段超材料總的折射率變換量相等。由于q > S，因而第一段超材料100的折射率的平均變化率要大于第二段超材料200。如圖3所示，用線的疏密來(lái)表示折射率的大小，線越疏表示折射率越大，疏密的變化程度越快則折射率的變化率越大。由于優(yōu)選第三、第四段超材料300、400與第二、第一段超材料200、100對(duì)稱，經(jīng)過(guò)折射率為a,的一行子單元的中心連線、且垂直于超材料表面的平面，為對(duì)稱面。因此，下文為了描述上的簡(jiǎn)潔，只對(duì)第一、第二段超材料100、200進(jìn)行描述和圖示，因此第三、第四段超材料300、400同理可得。二)各段超材料折射率分布均勻且各向異性當(dāng)上述關(guān)系式(I)、(2)、(3)、(4)均分別同時(shí)取等號(hào)，則關(guān)系式(5)、(6)也均同時(shí)取等號(hào)且等于零，也就是說(shuō)，這時(shí)的第一、第二段超材料200均為折射率分布均勻的材料。此時(shí)，對(duì)于沿平行于z方向入射的電磁波，有三種情況I)當(dāng)各段超材料對(duì)電磁波呈各向同性時(shí)，則電磁波不發(fā)生偏折；2)若各段超材料對(duì)電磁波呈各向異性,且其光軸是垂直于入射電磁波時(shí),則電磁波出射時(shí)也不發(fā)生偏折；3)若各段材料對(duì)電磁波呈各向異性且其光軸不垂直于入射電磁波時(shí)，電磁波出射時(shí)會(huì)偏折。三)各段超材料折射率分布非均勻且各向異性各向異性材料改變電磁波能量傳播方向、不改變相位傳播方向的前提是材料為折射率分布均勻的材料。對(duì)于折射率分布不均勻、且對(duì)電磁波呈各向異性的超材料，電磁波穿過(guò)這樣的超材料后其能量傳播方向和相位傳播方向都會(huì)改變。下面將通過(guò)三個(gè)實(shí)施例來(lái)顯示折射率分布非均勻和各向異性對(duì)電磁波傳播的影響。
圖6所示的實(shí)施例的超材料片層1，其折射率分布均滿足前文所述的特征，即沿y
方向的每列子單元其折射率依次為a1; a2, a3, ......,Bs^bnIvb3, ......，bm,且滿足關(guān)系式
(I)至(11)，且關(guān)系式(I)至(6)均不同時(shí)取等號(hào)。以同一方向同一入射位置經(jīng)過(guò)第一段超材料的電磁波，其出射的偏折角均為P I ;另一經(jīng)過(guò)第二段超材料200的電磁波，出射的偏折角均為P 2，由于超材料片層I各段的折射率分布非均勻且各向異性，使入射電磁即發(fā)生偏移，又時(shí)期發(fā)生偏折，因此使電磁波折射匯聚的焦點(diǎn)更短，即f2的距離相對(duì)較短。如圖7所示，所述電磁波匯聚透鏡是由多個(gè)超材料片層I沿X方向堆疊并組裝成一體的，各片超材料片層I之間隔有空氣或者填充有介電常數(shù)接近I、對(duì)電磁波沒(méi)有響應(yīng)的材料。當(dāng)超材料片層I的數(shù)量較多使得X方向的長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于z方向的長(zhǎng)度時(shí)，整個(gè)超材料 可以看做是一個(gè)薄片，則z方向的長(zhǎng)度為該薄片的厚度。因此，根據(jù)上述結(jié)論可知，采用各向異性且可以實(shí)現(xiàn)電磁波能量傳播方向改變的子單元80，可以減小整個(gè)匯聚電磁波的超材料的厚度，從而減少材料的消耗，實(shí)現(xiàn)輕薄、小型化。構(gòu)成超材料的各個(gè)超材料片層I可以完全相同，則此時(shí)對(duì)于平面電磁波，由于每個(gè)超材料片層I均可將經(jīng)過(guò)該片層的一列電磁波匯聚到一點(diǎn)，故而沿X方向疊加而成的多個(gè)超材料片層I可以將電磁波匯聚成平行于X方向的一條線。要實(shí)現(xiàn)匯聚成一點(diǎn)，各個(gè)超材料片層的折射率分布將不完全相同。在xy平面上，由子單元以X方向?yàn)槎询B行、y方向?yàn)榱袠?gòu)成第二陣列中，折射率呈環(huán)形分布，至少包括共圓心的一個(gè)圓形分布區(qū)和一個(gè)環(huán)形分布區(qū)，且環(huán)形分布區(qū)的內(nèi)徑與圓形分布區(qū)的外徑基本相同，相同半徑的圓周上的各個(gè)超材料單元的折射率相同，且自圓形分布區(qū)外徑所在的超材料單元到圓心所在的子單元80沿徑向的折射率依次為bi，b2，b3，……，bq，自圓環(huán)分布區(qū)的外徑所在的子單元80到圓環(huán)分布區(qū)的內(nèi)徑所在的子單元80沿徑向的折射率依次為&1，a2，a3，......，as，圓心所在的子單元80為中心電磁波匯聚透鏡。由以上可知，經(jīng)過(guò)中心子單元的一堆疊行和一列子單元、經(jīng)過(guò)中心子單元中心的任意一條直線上的多個(gè)子單元的中間部分子單元，它們的折射率均依次為ai，a2，a3，……，as, b1； b2, b3, ......,IvCpC2ilC3, ......，cp,且折射率為對(duì)稱分布，即滿足公式(8)至(10)。由此得出的折射率分布，為了更直觀的表示，在第二陣列上，將折射率相同的子單元連成一條線，并用線的疏密來(lái)表示折射率的大小，線越密折射率越大，則符合以上所有關(guān)系式的折射率分布如圖3所示。需要說(shuō)明的是，由于實(shí)際上子單元80是一個(gè)立方體而非一個(gè)點(diǎn)，因此上述圓形、環(huán)形只是近似描述，實(shí)際上的折射率相同或基本相同的超材料單元是在一個(gè)鋸齒形圓周上的。例如，假設(shè)超材料單元為邊長(zhǎng)為1_的立方體，坐標(biāo)原點(diǎn)為中心超材料單元的中心點(diǎn)，原理上設(shè)計(jì)認(rèn)為坐標(biāo)(x，y)為(3.2，5.7)上的折射率為Ii1，則該折射率Ii1實(shí)際上是坐標(biāo)為(3，5)、(3,6), (4,5), (4,6)四個(gè)點(diǎn)所圍成的一個(gè)方形超材料單元的折射率。其具體設(shè)計(jì)類似于計(jì)算機(jī)用方形像素點(diǎn)繪制圓形、橢圓形等平滑曲線時(shí)進(jìn)行描點(diǎn)的編程模式(例如OpenGL)，其在像素點(diǎn)相對(duì)于曲線很小時(shí)曲線顯示為光滑，而在像素點(diǎn)相對(duì)于曲線較大時(shí)曲線顯示有鋸齒。綜上所述，本發(fā)明的超材料具有以下特征I)折射率在xy平面上的分布如圖10，沿z方向的折射率不變，可以實(shí)現(xiàn)匯聚。z方向的厚度可以做得非常薄，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的是在2 3mm左右。
2)每個(gè)超材料片層I上的子單元80設(shè)計(jì)成各向異性，且其折射率不垂直且不平行于z方向，可以實(shí)現(xiàn)電磁波的能量傳播方向在超材料內(nèi)部向中間偏折，從而使出射時(shí)的電磁波匯聚的焦距減小，傳播范圍變窄；換言之，實(shí)現(xiàn)相同的匯聚效果，采用各向異性的子單元80可以使超材料做得更薄。3) y方向的子單元80依次旋轉(zhuǎn)，可以進(jìn)一步增大電磁波在超材料內(nèi)部的平移量，從而減小焦距，或者同理減薄超材料的厚度d。在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于一個(gè)確定的應(yīng)用環(huán)境，在超材料大小、位置、焦距確定、入射電磁波的傳播特征也確定的情況下，可以先計(jì)算經(jīng)過(guò)超材料上的子單元80的電磁波的偏折角度，再利用公式(7)計(jì)算相鄰兩個(gè)超材料單元的折射率差值A(chǔ)n，可以用微分和積分來(lái)反求x、y方向上各個(gè)超材料單元的折射率n的分布。由于折射率是由介電常數(shù)和磁導(dǎo)率共同決定的，因此可以通過(guò)改變介電常數(shù)來(lái)調(diào)整折射率，實(shí)現(xiàn)電磁波在xy平面上的不同折射率分布。改變超材料片層I中的第一材質(zhì)81 與第二材質(zhì)82體積比重不同，或第一材質(zhì)81中混合嵌入的第二材質(zhì)82所選用的材質(zhì)不同，即可改變子單元80的介電常數(shù)，進(jìn)而改變一片超材料的折射率。傳統(tǒng)的超材料，其電磁波的匯聚是通過(guò)沿y方向和/或X方向的折射率的逐漸增大到一個(gè)最大值后逐漸減小而實(shí)現(xiàn)的。但是，由于子單元80的尺寸受到限制，而子單元80尺寸必須在入射電磁波波長(zhǎng)的五分之一以內(nèi)才能使得超材料片狀對(duì)電磁波的響應(yīng)視為連續(xù)，因此子單元80的最大尺寸只能為入射電磁波波長(zhǎng)的五分之一，此時(shí)其折射率值也是有限的，當(dāng)上述折射率逐漸增大到的最大值大于此時(shí)的折射率值，則無(wú)法實(shí)現(xiàn)匯聚目的。由于電磁波的偏折角與超材料沿y方向的折射率變化量而有關(guān)，而不與折射率本身的值有關(guān)，因此，本發(fā)明的創(chuàng)新點(diǎn)在于，采用折射率值分段的第一至第四段超材料來(lái)實(shí)現(xiàn)匯聚，而各段超材料沿y方向的折射率變化量使得電磁波的偏折角滿足匯聚功能，而折射率本身的值是始終保持在一個(gè)范圍內(nèi)的，例如第一段超材料沿y方向的折射率&1，a2，
a3, ......，as和第二段超材料沿y方向的折射率Id1, b2, b3, ......，bq, 二者的最大值as, bq和
最小值^b1是分別相等的，這就避免了因要滿足的折射率值過(guò)大而無(wú)法制造的問(wèn)題。同時(shí)，在超材料尺寸一定、折射率的最大值和最小值相等的條件下，本發(fā)明的超材料采用了四段式超材料、且每段超材料均可達(dá)到最大值和最小值的方式，而傳統(tǒng)超材料的折射率只有兩個(gè)變化區(qū)段分別依次達(dá)到最大值和最小值，因此本發(fā)明的折射率的平均變化率是傳統(tǒng)超材料的平均變化率的兩倍，則電磁波的偏折角要遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)超材料，因此焦距變短。換言之，要實(shí)現(xiàn)相同的焦距，則本發(fā)明的超材料厚度將減薄，有利于實(shí)現(xiàn)小型化和輕便化。綜上所述，由于上述電磁波匯聚透鏡中超材料片層I各段的折射率分布非均勻且各向異性，使入射電磁即發(fā)生偏移，又時(shí)期發(fā)生偏折，因此使電磁波折射匯聚的焦點(diǎn)更短。從而可以減少定向天線中超材料單元20的厚度。請(qǐng)一并參閱圖9，電磁波在電磁波匯聚透鏡的折射路徑是可逆的，因此位于電磁波匯聚透鏡焦點(diǎn)處的饋源10發(fā)出電磁波經(jīng)電磁波匯聚透鏡折射平行射出。從而使定向天線的饋源10設(shè)置于超材料單元20的焦點(diǎn)處。進(jìn)一步地說(shuō)明，超材料單元20實(shí)物厚度為上述電磁波匯聚透鏡的二分之一。因此當(dāng)饋源10產(chǎn)生的電磁波經(jīng)超材料單元20折射后，其在超材料單元20內(nèi)折射偏折路徑為m，折射偏折的電磁波散射于第一反射板30上并經(jīng)第一反射板30反射再次經(jīng)超材料單元20折射，其在超材料單元20內(nèi)折射路徑為K。根據(jù)電磁波在電磁波匯聚透鏡中的折射匯聚原理因?yàn)檎凵渎窂終等同電磁波在電磁波折射匯聚透鏡內(nèi)折射路經(jīng)L，因此電磁波經(jīng)由第一反射板30反射再次經(jīng)超材料單元20折射而平行射出。請(qǐng)參考圖10，為本發(fā)明的另一實(shí)施例定向天線結(jié)構(gòu)示意圖。將饋源30置于超材料的邊緣處，故不會(huì)如第一實(shí)施例一中的饋源10、饋源支架40及第二反射板50的阻擋來(lái)反射平行射出的平面波，使定向天線產(chǎn)生的平面波的信號(hào)更強(qiáng)。上面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實(shí)施方式
，上述的具體實(shí)施方式
僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨和權(quán)利要求所保護(hù)的范圍情況下，還可做出很多形式，這些均屬于本發(fā)明的保護(hù)之內(nèi)?！?br> 權(quán)利要求
1.一種定向天線，包括一饋源，其特征在于，所述定向天線還包括超材料單元和第一反射板，所述超材料單元包括 至少一片超材料層，所述超材料層包括多個(gè)子單元，所述子單元包括第一材質(zhì)和嵌入在第一材質(zhì)中的第二材質(zhì)；所述饋源產(chǎn)生的電磁波經(jīng)超材料單元折射后而散射于第一反射板上，所述第一反射板將電磁波反射使電磁波再次經(jīng)超材料單元折射而平行射出。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的定向天線，其特征在于，所述第一材質(zhì)選用陶瓷材料、高分子材料、鐵電材料、鐵氧材料及鐵磁材料中的任意一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的定向天線，其特征在于，所述第二材質(zhì)選用空氣、金屬材料、橡膠、塑料及樹脂材料中的任意一種。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的定向天線，其特征在于，所述定向天線還包括饋源支架和設(shè)置于饋源支架上第二反射板，所述第二反射板用于將饋源產(chǎn)生的向后輻射電磁波反射至所述超材料單元。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的定向天線，其特征在于，所述第一反射板和第二反射板均采用光滑金屬鏡面。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的定向天線，其特征在于，所述超材料單元包括沿X方向堆疊成一體的多個(gè)超材料片層，所述子單元以垂直于X方向的y方向?yàn)榱?、以同時(shí)垂直于x、y方向的z方向?yàn)樾信懦傻谝魂嚵?，每行的子單元的折射率相同，每列所述子單元的折射率依次?，3-2 ，......，&s，bi，bg，bg ......，bm，Cl，。2，Cg，......，Cp，各個(gè)折射率倆足 B1 ^ a2 ^ a3......( as, C1 ^ C2 ^ C3......彡 cp ;其中 Id1 < as, bm < C1,且 s、p 均為不小于2的自然數(shù)，m為不小于I的自然數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的定向天線，其特征在于，所述b1;b2，b3，……，bm之間存在以下關(guān)系 Id1彡b2彡b3......( bq, bq彡bq+1彡bq+2彡bq+3......彡bm,且q為小于m的自然數(shù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的定向天線，其特征在于，每列所述子單元的折射率還具有如下關(guān)系 (B2-B1) ^ (a3-a2)......^ (a^a^i) ^ O^2-Id1) ^ (b3_b2)......^ Uq),(bq-bq+1) ( (bq+1-bq+2) ( (bq+2-bq+3)......( Ovfbm) ( (c「c2) ( (c2_c3) ( (Cjrf-Cp)0
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的定向天線，其特征在于，上述折射率還具有如下關(guān)系已丄=Id1 = bm = cp, as = bq = C1, s = P, q > s 且 q > P, q = [ (m+1) /2]。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的定向天線，其特征在于，所述多個(gè)超材料片層完全相同且具有相同的折射率分布。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的匯聚電磁波的超材料，其特征在于，所述多個(gè)超材料片層具有不同的折射率分布，在每個(gè)由子單元以X方向?yàn)槎询B行、y方向?yàn)榱袠?gòu)成第二陣列中，以一中心超材料單元為圓心，經(jīng)過(guò)所述中心子單元的一堆疊行和一列子單元其折射率均依次J\j ，&2，￡ β ······，&s，bi，b。，bg，······，bm，Cl，c。，C3，······，Cp。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的匯聚電磁波的超材料，其特征在于，所述第二陣列的折射率呈環(huán)形分布，經(jīng)過(guò)所述圓心的任意一條直線上的多個(gè)子單元至少部分子單元的折射率依 J'·-} ，&2，￡13 ······，&s，bi，b。，bg，······，bm，Cl，c。，C3，······，Cp。
13.根據(jù)權(quán)利要求3所述的定向天線，其特征在于，所述每一子單元的第一材質(zhì)上設(shè)有至少一個(gè)孔，第二材質(zhì)填充在所述孔內(nèi)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的定向天線，其特征在于，所述人造孔微結(jié)構(gòu)為圓柱孔、球形孔、方形孔、多面體孔或不規(guī)則形孔。
15.根據(jù)權(quán)利要求I所述的定向天線，其特征在于，所述第一反射板呈板狀。
全文摘要
一種定向天線包括一饋源，所述定向天線還包括超材料單元和第一反射板。所述超材料單元包括至少一片超材料層，所述超材料層包括多個(gè)子單元，所述子單元包括第一材質(zhì)和嵌入在第一材質(zhì)中的第二材質(zhì)。所述饋源產(chǎn)生的電磁波經(jīng)超材料單元折射后而散射于第一反射板上，所述第一反射板將電磁波反射使電磁波再次經(jīng)超材料單元折射而平行射出。從而使定向天線拋棄了形狀和結(jié)構(gòu)笨重的拋物面反射板。
文檔編號(hào)H01Q19/10GK102790276SQ201110127309
公開日2012年11月21日 申請(qǐng)日期2011年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月17日
發(fā)明者劉若鵬, 徐冠雄, 楊松濤, 石小紅 申請(qǐng)人:深圳光啟創(chuàng)新技術(shù)有限公司, 深圳光啟高等理工研究院