[发明专利]基于超材料的天线

说明书

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。

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；电磁波反射干扰和损耗比较严重，电磁能量减少。当电磁波经过不同介质的分界面时，会发生部分反射现象。通常两边介质的电磁参数(介电常数或者磁导率)差距越大反射就会越大。由于部分电磁波的反射，沿传播方向的电磁能量就会相应损耗，严重影响电磁信号传播的距离和传输信号的质量。

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反射损耗大、电磁能量减少的缺陷，提供一种基于超材料的天线。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种基于超材料的天线，包括：辐射源和具有电磁波汇聚功能并用于将所述辐射源发射的电磁波转换为平面波的超材料面板；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。

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n_p连续减小到n₀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n₀，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n_i和n_i+1，其中n₀＜n_i＜n_i+1＜n_p，i为正整数，n_i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“H”形。

在本发明所述的天线中，所述基板由陶瓷材料、环氧树脂、聚四氟乙烯、FR-4复合材料或F4B复合材料制得。

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核心层和渐变层上及各自之间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，大大减少了反射损耗，也就避免了电磁能量的减少，增强了传输距离，提高了天线性能。

附图说明

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所示的超材料面板10的结构示意图；

图4是核心层的折射率随半径变化的示意图；

图5是渐变层的折射率随半径变化的示意图；

图6是超材料面板的核心层在yz平面上的折射率分布图；

图7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。