專利名稱：基于超材料的天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及天線領(lǐng)域，更具體地說，涉及基于超材料的天線。
背景技術(shù)：
在常規(guī)的光學器件中，利用透鏡能使位于透鏡焦點上的點光源輻射出的球面波經(jīng)過透鏡折射后變?yōu)槠矫娌āＭ哥R天線是由透鏡和放在透鏡焦點上的輻射器組成，利用透鏡匯聚的特性，將輻射器輻射出的電磁波經(jīng)過透鏡匯聚后再發(fā)射出去的天線，這種天線方向性比較強。目前透鏡的匯聚是依靠透鏡的球面形狀的折射來實現(xiàn)，如圖1所示，輻射器30發(fā)出的球面波經(jīng)過球形的透鏡40匯聚后以平面波射出。實用新型人在實施本實用新型過程中，發(fā)現(xiàn)透鏡天線至少存在如下技術(shù)問題球形透鏡40的體積大而且笨重，不利于小型化的使用；球形透鏡40對于形狀有很大的依賴性，需要比較精準才能實現(xiàn)天線的定向傳播； 電磁波反射干擾和損耗比較嚴重，電磁能量減少。當電磁波經(jīng)過不同介質(zhì)的分界面時，會發(fā)生部分反射現(xiàn)象。通常兩邊介質(zhì)的電磁參數(shù)(介電常數(shù)或者磁導率)差距越大反射就會越大。由于部分電磁波的反射，沿傳播方向的電磁能量就會相應(yīng)損耗，嚴重影響電磁信號傳播的距離和傳輸信號的質(zhì)量。

實用新型內(nèi)容本實用新型要解決的技術(shù)問題在于，針對現(xiàn)有技術(shù)的上述反射損耗大、電磁能量減少的缺陷，提供一種基于超材料的天線。本實用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是構(gòu)造一種基于超材料的天線， 包括輻射源和具有電磁波匯聚功能并用于將所述輻射源發(fā)射的電磁波轉(zhuǎn)換為平面波的超材料面板；所述超材料面板包括多個核心層以及對稱分布在所述核心層兩側(cè)的多個漸變層，每一核心層和每一漸變層均包括片狀的基板和設(shè)置在所述基板上的多個人造微結(jié)構(gòu)。在本實用新型所述的天線中，每一核心層的折射率分布均相同，每一核心層包括一個圓形區(qū)域和與所述圓形區(qū)域同心的多個環(huán)形區(qū)域，所述圓形區(qū)域和所述環(huán)形區(qū)域內(nèi)折射率隨著半徑的增大從np連續(xù)減小到Iitl且相同半徑處的折射率相同。在本實用新型所述的天線中，分布在所述核心層同一側(cè)的每一漸變層均包括一個圓形區(qū)域和與所述圓形區(qū)域同心的多個環(huán)形區(qū)域，每一漸變層對應(yīng)的所述圓形區(qū)域和所述環(huán)形區(qū)域內(nèi)的折射率變化范圍相同且隨著半徑的增大從其最大折射率連續(xù)減小到IV相同半徑處的折射率相同，兩個相鄰的漸變層的最大折射率表示為Iii和ni+1，其中Iitl < Hi < ni+1 < np，i為正整數(shù)，η,對應(yīng)于距離所述核心層較遠的漸變層。在本實用新型所述的天線中，每一核心層的所述多個人造微結(jié)構(gòu)具有相同的幾何形狀，每一區(qū)域內(nèi)人造微結(jié)構(gòu)的尺寸隨著半徑的增大連續(xù)減小且相同半徑處的人造微結(jié)構(gòu)的尺寸相同。在本實用新型所述的天線中，每一漸變層的所述多個人造微結(jié)構(gòu)具有相同的幾何形狀，每一區(qū)域內(nèi)人造微結(jié)構(gòu)的尺寸隨著半徑的增大連續(xù)減小且相同半徑處的人造微結(jié)構(gòu)的尺寸相同，且兩個相鄰的漸變層中距離所述核心層較遠的漸變層對應(yīng)的同一區(qū)域內(nèi)相同半徑處的人造微結(jié)構(gòu)的尺寸較小。在本實用新型所述的天線中，所述人造微結(jié)構(gòu)為由至少一根金屬絲組成的平面結(jié)構(gòu)或立體結(jié)構(gòu)。在本實用新型所述的天線中，所述金屬絲為銅絲或銀絲。在本實用新型所述的天線中，所述金屬絲通過蝕刻、電鍍、鉆刻、光刻、電子刻或離子刻的方法附著在基板上。在本實用新型所述的天線中，所述人造微結(jié)構(gòu)為“工”字形、“十”字形或“H”形。在本實用新型所述的天線中，所述基板由陶瓷材料、環(huán)氧樹脂、聚四氟乙烯、FR-4 復合材料或F4B復合材料制得。實施本實用新型的技術(shù)方案，具有以下有益效果通過設(shè)計超材料面板核心層和漸變層上及各自之間的折射率變化將輻射源發(fā)射的電磁波轉(zhuǎn)換為平面波，從而提高了天線的匯聚性能，大大減少了反射損耗，也就避免了電磁能量的減少，增強了傳輸距離，提高了天線性能。

下面將結(jié)合附圖及實施例對本實用新型作進一步說明，附圖中圖1是現(xiàn)有的球面形狀的透鏡天線匯聚電磁波的示意圖；圖2是本實用新型一實施例的基于超材料的天線匯聚電磁波的示意圖；圖3是圖2所示的超材料面板10的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是核心層的折射率隨半徑變化的示意圖；圖5是漸變層的折射率隨半徑變化的示意圖；圖6是超材料面板的核心層在yz平面上的折射率分布圖；圖7是超材料面板的第i層漸變層在yz平面上的折射率分布圖。
具體實施方式
超材料是一種以人造微結(jié)構(gòu)302為基本單元并以特定方式進行空間排布、具有特殊電磁響應(yīng)的新型材料，包括人造微結(jié)構(gòu)302和供人造微結(jié)構(gòu)附著的基板301。人造微結(jié)構(gòu) 302為由至少一根金屬絲組成的平面結(jié)構(gòu)或立體結(jié)構(gòu)，多個人造微結(jié)構(gòu)302在基板301上陣列排布，每個人造微結(jié)構(gòu)302以及其所附著的基板301所占部分即為一個超材料單元?；?01可為任何與人造微結(jié)構(gòu)302不同的材料，這兩種材料的疊加使每個超材料單元產(chǎn)生一個等效介電常數(shù)與磁導率，這兩個物理參數(shù)分別對應(yīng)了超材料單元的電場響應(yīng)與磁場響應(yīng)。超材料對電磁響應(yīng)的特征是由人造微結(jié)構(gòu)302的特征所決定，而人造微結(jié)構(gòu)302的電磁響應(yīng)很大程度上取決于其金屬絲的圖案所具有的拓撲特征和其幾何尺寸。根據(jù)上述原理設(shè)計超材料空間中排列的每個人造微結(jié)構(gòu)302的拓撲圖形和幾何尺寸，就可對超材料中每一點的電磁參數(shù)進行設(shè)置。圖2示出了一種基于超材料的天線，包括輻射源20和具有電磁波匯聚功能的超材料面板10，超材料面板10用于將輻射源20發(fā)射的電磁波轉(zhuǎn)換為平面波。天線對電磁波的匯聚效果見圖2所示。作為公知常識我們可知，電磁波的折射率與成正比關(guān)系，當一束電磁波由一種介質(zhì)傳播到另外一種介質(zhì)時，電磁波會發(fā)生折射，當物質(zhì)內(nèi)部的折射率分布非均勻時， 電磁波就會向折射率比較大的位置偏折，通過設(shè)計超材料中每一點的電磁參數(shù)，就可對超材料的折射率分布進行調(diào)整，進而達到改變電磁波的傳播路徑的目的。根據(jù)上述原理可以通過設(shè)計超材料面板10的折射率分布使從輻射源20發(fā)出的球面波形式發(fā)散的電磁波轉(zhuǎn)變成適于遠距離傳輸?shù)钠矫娌ㄐ问降碾姶挪?。圖3是圖2所示的超材料面板10的結(jié)構(gòu)示意圖，超材料面板10包括多個核心層以及對稱分布在核心層兩側(cè)的多個漸變層，每一核心層和每一漸變層均包括片狀的基板301 和設(shè)置在基板301上的多個人造微結(jié)構(gòu)302。每個人造微結(jié)構(gòu)302以及其所附著的基板301 所占部分即為一個超材料單元。超材料面板10由多個超材料片層堆疊形成，這各個超材料片層之間等間距排列地組裝，或兩兩片層之間直接前、后表面相粘合地連接成一體。具體實施時，超材料片層的數(shù)目可依據(jù)需求來進行設(shè)計。每個超材料片層由多個超材料單元陣列形成，整個超材料面板10可看作是由多個超材料單元沿X、Y、Z三個方向陣列排布而成。通過對人造微結(jié)構(gòu)302的拓撲圖案、幾何尺寸以及其在基板301上分布的設(shè)計，使中間的核心層的折射率分布滿足如下規(guī)律每一層的折射率分布均相同，每一核心層包括一個圓形區(qū)域和與所述圓形區(qū)域同心的多個環(huán)形區(qū)域，所述圓形區(qū)域和所述環(huán)形區(qū)域內(nèi)折射率隨著半徑的增大從ηρ連續(xù)減小到Iitl且相同半徑處的折射率相同。如圖3所示，僅示出了 7層，其中中間三層為核心層3，核心層兩側(cè)的兩層均為漸變層1、2，且兩側(cè)的漸變層對稱分布，即距離核心層相同距離處的漸變層特性相同。圖3中的超材料面板的核心層和漸變層的數(shù)量僅為示例，可依據(jù)需要進行設(shè)置。假設(shè)最終制成的超材料面板的厚度為D，每一層的厚度為t，核心層一側(cè)的漸變層的層數(shù)為c，超材料面板10 工作的波長為λ ρ核心層的折射率變化區(qū)間為 nmin，Δη = Iimax-Iimin，核心層的層數(shù)為 b，則核心層b與漸變層的層數(shù)c具有如下關(guān)系(b+c)t = X1/An;D = b+2c。其中，漸變層主要是為了實現(xiàn)折射率的緩沖作用，避免電磁波入射時折射率較大的變化，減少電磁波的反射，并起到阻抗匹配和相位補償?shù)淖饔谩Ｒ匀龑雍诵膶?，核心層兩?cè)各兩層漸變層為例，對于中間的三層核心層來說，每一層的折射率分布均相同，每一核心層包括一個圓形區(qū)域和與所述圓形區(qū)域同心的多個環(huán)形區(qū)域，所述圓形區(qū)域和所述環(huán)形區(qū)域內(nèi)折射率隨著半徑的增大從 連續(xù)減小到no且相同半徑處的折射率相同。核心層的折射率隨半徑變化的示意圖如圖4所示。作為示例，每一核心層包括三個區(qū)域，第一區(qū)域為圓形區(qū)域，其半徑長度為Ll ；第二區(qū)域為環(huán)形區(qū)域，環(huán)形寬度從Ll變化為L2 ；第三區(qū)域為環(huán)形區(qū)域，環(huán)形寬度從L2變化為L3，三個區(qū)域沿半徑增大方向折射率依次從\(即nmax)減小為η。(即nmin)，np>n。。核心層的每一層的折射率分布均相同。漸變層的折射率隨半徑變化的示意圖如圖5所示。與核心層的分布類似，區(qū)別僅在于每一區(qū)域的最大折射率不同，核心層的最大折射率為np，漸變層的最大折射率為Iii，且不同的漸變層Iii不同。分布在核心層同一側(cè)的每一漸變層均包括一個圓形區(qū)域和與所述圓形區(qū)域同心的多個環(huán)形區(qū)域，兩個相鄰的漸變層對應(yīng)的圓形區(qū)域和環(huán)形區(qū)域內(nèi)的最大折射率表示為Iii和ni+1，其中nQ < Hi < ni+1 < np，i為正整數(shù)，Iii對應(yīng)于距離所述核心層較遠的
5漸變層；每一漸變層對應(yīng)的所述圓形區(qū)域和所述環(huán)形區(qū)域內(nèi)的折射率隨著半徑的增大從其最大折射率連續(xù)減小到％且相同半徑處的折射率相同。也就是說，對于圖3來說，核心層左側(cè)的兩層漸變層，其中最左邊的漸變層最大折射率為H1，另一漸變層最大折射率為n2，而％ < H1 < n2 < np。同理，由于核心層兩側(cè)的漸變層是對稱分布的，因此，最右邊的漸變層與最左邊的漸變層折射率排布相同，次右邊的漸變層與次左邊的漸變層折射率排布相同。對于超材料面板的具體每一層的折射率分布隨著半徑r的變化可用下式進行表示
n1(r)=i*nmax/N-(i/(N*d))*(Vr2 + ,2 -^L(jf+s2 ) *(nmax-(N/i)*nmm)/(nmax-nmm)其中i表示第幾層，且i彡1，自遠至近(距離核心層的距離)i = 1、2 · · · ；N =c+1，c表示一側(cè)漸變層的層數(shù)；η.表示核心層的最大折射率，nmin表示核心層的最小折射率；r為半徑；s表示輻射源與超材料面板的距離；d= (b+c)t，b表示核心層的層數(shù)，t表示每一層的厚度，c表示一側(cè)漸變層的層數(shù)；L(j)表示每一區(qū)域的起始半徑，j表示第幾區(qū)域，j > 1，其中L(I)表示第一區(qū)域(即圓形區(qū)域)的起始半徑，因此L(I) =0,L(2)表示第二區(qū)域(環(huán)形區(qū)域)的起始半徑，L (3)表示第三區(qū)域(環(huán)形區(qū)域)的起始半徑，依次類推，對于圖4或圖5所示，U2) =L1，L(3) =L1+L2、L(4) = L1+L2+L3。其中，不管是漸變層還是核心層，每一層的每一區(qū)域的L(j)的取值都相同，若要計算第一區(qū)域的n(r)，則上述公式L (j)取值為L(I)= 0，若要計算第二區(qū)域的η (r)，則上述公式L (j)取值為U2)，以此類推。對于如圖3所示的超材料面板，標號為1的漸變層，在上式中i取值為1，標號為2 的漸變層下式中i取值為2，對于標號為3的核心層，i取值為3，一側(cè)漸變層的層數(shù)c = 2， 核心層的層數(shù)b = 3，N = c+1 = 3。下面以一組實驗數(shù)據(jù)為例，詳細解釋上述公式的含義入射電磁波的頻率f = 15GHz，波長X1 = 2cm，天線能夠同時工作的波長為λ2 = 0. 67cm, λ3 = Icm(當然X1也是天線的工作波長，也就是說至少可以同時工作在三個波長)，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 ；每一層的厚度t = 0. 818mm ；根據(jù)核心層的層數(shù)b與漸變層的層數(shù)c的關(guān)系(b+c) t = λ i/Δη，可得b = 3 ;d = (b+c) t = 5*0. 818。超材料面板每一層的折射率分布如下對于漸變層來說，自遠至近(距離核心層的距離)i = 1、2。第一層漸變層
ni(r)=i*nmax/N-(i/(N*d))* (λ/γ2+,2 -^L(jf+s2 )*(nmax-(N/i)*nmm)/(nmax-nmm)
=1*6/3.(1/(3*5*0.818mm))* (λ/γ2 +202cm2 -^L(jf + 202cm2 ) *(6-(3/l)*l)/5第一漸變層中的每一區(qū)域L(j)的值不同，其中，第一區(qū)域j = 1，L(j) = L(I)= 0 ；第二區(qū)域 j = 2，L(j) = L (2) = 9. 17cm ；第三區(qū)域 j = 3，L(j) = L (3) = 13. 27cm。第二層漸變層
權(quán)利要求1.一種基于超材料的天線，其特征在于，包括輻射源和具有電磁波匯聚功能并用于將所述輻射源發(fā)射的電磁波轉(zhuǎn)換為平面波的超材料面板；所述超材料面板包括多個核心層以及對稱分布在所述核心層兩側(cè)的多個漸變層，每一核心層和每一漸變層均包括片狀的基板和設(shè)置在所述基板上的多個人造微結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的天線，其特征在于，每一核心層的折射率分布均相同，每一核心層包括一個圓形區(qū)域和與所述圓形區(qū)域同心的多個環(huán)形區(qū)域，所述圓形區(qū)域和所述環(huán)形區(qū)域內(nèi)折射率隨著半徑的增大從np連續(xù)減小到no且相同半徑處的折射率相同， 為核心層的最大折射率，n0為核心層的最小折射率。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的天線，其特征在于，分布在所述核心層同一側(cè)的每一漸變層均包括一個圓形區(qū)域和與所述圓形區(qū)域同心的多個環(huán)形區(qū)域，每一漸變層對應(yīng)的所述圓形區(qū)域和所述環(huán)形區(qū)域內(nèi)的折射率變化范圍相同且隨著半徑的增大從其最大折射率連續(xù)減小到IV相同半徑處的折射率相同，兩個相鄰的漸變層的最大折射率表示為Iii和ni+1，其中 n0 < n, < ni+1 < np，i為正整數(shù)，η,對應(yīng)于距離所述核心層較遠的漸變層。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的天線，其特征在于，每一核心層的所述多個人造微結(jié)構(gòu)具有相同的幾何形狀，每一區(qū)域內(nèi)人造微結(jié)構(gòu)的尺寸隨著半徑的增大連續(xù)減小且相同半徑處的人造微結(jié)構(gòu)的尺寸相同。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的天線，其特征在于，每一漸變層的所述多個人造微結(jié)構(gòu)具有相同的幾何形狀，每一區(qū)域內(nèi)人造微結(jié)構(gòu)的尺寸隨著半徑的增大連續(xù)減小且相同半徑處的人造微結(jié)構(gòu)的尺寸相同，且兩個相鄰的漸變層中距離所述核心層較遠的漸變層對應(yīng)的同一區(qū)域內(nèi)相同半徑處的人造微結(jié)構(gòu)的尺寸較小。
6.根據(jù)權(quán)利要求2 5任一項所述的天線，其特征在于，所述人造微結(jié)構(gòu)為由至少一根金屬絲組成的平面結(jié)構(gòu)或立體結(jié)構(gòu)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的天線，其特征在于，所述金屬絲為銅絲或銀絲。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的天線，其特征在于，所述金屬絲通過蝕刻、電鍍、鉆刻、光刻、 電子刻或離子刻的方法附著在基板上。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的天線，其特征在于，所述人造微結(jié)構(gòu)為“工”字形、“十”字形或“H”形。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的天線，其特征在于，所述基板由陶瓷材料、環(huán)氧樹脂、聚四氟乙烯、FR-4復合材料或F4B復合材料制得。
專利摘要本實用新型涉及基于超材料的天線，包括輻射源和具有電磁波匯聚功能并用于將所述輻射源發(fā)射的電磁波轉(zhuǎn)換為平面波的超材料面板；所述超材料面板包括多個核心層以及對稱分布在所述核心層兩側(cè)的多個漸變層，每一核心層和每一漸變層均包括片狀的基板和設(shè)置在所述基板上的多個人造微結(jié)構(gòu)。本實用新型通過設(shè)計超材料面板核心層和漸變層上及各自之間的折射率變化將輻射源發(fā)射的電磁波轉(zhuǎn)換為平面波，從而提高了天線的匯聚性能，大大減少了反射損耗，也就避免了電磁能量的減少，增強了傳輸距離，提高了天線性能。
文檔編號H01Q19/06GK202231160SQ201120163968
公開日2012年5月23日 申請日期2011年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月20日
發(fā)明者劉若鵬, 季春霖, 岳玉濤 申請人: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