CN102738594B - 一种超材料定向天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超材料定向天线，包括能够发送和接收电磁波的天线主体，所述超材料定向天线还包括设置在天线主体前方的第一超材料以及设置在第一超材料前方的第二超材料，所述第一超材料能够将天线主体发出的发散的电磁波汇聚成平面电磁波，所述第二超材料能够实现上述平面电磁波的极化转化。根据本发明的无线天线，通过在天线主体前方设置能够将天线主体发出的发散的电磁波汇聚成平面电磁波的第一超材料，以及在第一超材料前方设置能够实现上述平面电磁波的极化转化的第二超材料，能够很容易地实现天线的定向与极化转换功能，并且结构简单，所用器件少，整个系统不容易失真。

Description

一种超材料定向天线

技术领域

本发明涉及通信领域，更具体地说，涉及一种超材料定向天线。

背景技术

定向天线，是指在某一个或某几个特定方向上辐射，发射及接收电磁波特别强，而在其它的方向上发射及接收电磁波则为零或极小。定向天线可以增加辐射功率的有效利用率，增加保密性，采用定向接收天线的主要目的是增加抗干扰能力。

极化转换就是极化方式之间的转换。电磁波的极化方向指电场矢量E的偏振方向。如果在电磁波的一个周期范围内，E矢量处在某一固定方向上，这就称为线极化波；如果E矢量的端点轨迹是一个椭圆(或圆)，这就称为椭圆(或圆)极化波。而线极化通常有两种，为水平极化和垂直极化。极化转换可以使天线的极化方式根据需要变换。

将定向和极化转换两个功能组合，使天线的定向和极化转换同时实现，在极化转换的同时保证了天线的方向性。

传统定向天线，如喇叭天线、Vivaldi天线，体积较大，其余增加定向性的方法有在天线后增加背腔、反射板或者使用吸波材料等，但是这些方法往往增加天线的尺寸，同时增加天线的制作难度。

现有的无线天线其极化转换技术如下所述(以线极化波转换成其他极化方式的电磁波为例)：

1.将输入的线极化波进行功率分离，形成两路传输信号。

2.通过两个可控相移的支路，使其中一路电磁信号的相位与另一路电磁信号的相位相差90度，来实现极化的转换。

3.用功率合成器将两个具有不同幅相特性的电磁波进行合成，输出一个与输入不同极化方式的电磁波。

可见现有的无线天线极化转换技术实施很复杂，需要经过一系列器件，所以实施过程中就必须考虑各器件在不同频段的匹配问题。而且整个系统的失真很难消除，所得结果并不能很准确。

因此，现有的无线天线定向与极化转换都比较复杂，且器件较多，结构复杂。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有的无线天线定向与极化转换较复杂、器件较多的缺陷，提供一种结构简单的超材料定向天线。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种超材料定向天线，包括能够发送和接收电磁波的天线主体，所述超材料定向天线还包括设置在天线主体前方的第一超材料以及设置在第一超材料前方的第二超材料，所述第一超材料能够将天线主体发出的发散的电磁波汇聚成平面电磁波，所述第二超材料能够实现上述平面电磁波的极化转化。

进一步地，所述第一超材料包括至少一个超材料片层，所述每一超材料片层包括片状基板以及设置在片状基板上的呈矩形阵列排布的多个人造微结构，所述矩形阵列的行数等于列数，并且所述每一超材料片层的折射率分布均相同，且每一超材料片层的折射率平面分布满足第一规律，所述第一规律如下：即，矩形阵列的所有行与所有列的折射率的最大值均处于该行或该列的中心位置，而该行或该列的其它处，从该最大值处向该行或该列的两个端点依次减小，且最大值两边的折射率呈对称分布。

进一步地，所述第二超材料包括基材以及设置在基材上的电磁特性呈各向异性的多个人造微结构，所述多个人造微结构均匀分布在垂直于电磁波的入射方向的一个或多个平面上，所述第二超材料内部的折射率呈均匀分布，所述入射电磁波的电场矢量在所述一个或多个平面上内分解成两个不为零的正交分量，两个分量分别与人造微结构所处位置的光轴平行和垂直，在电磁波穿过第二超材料后，所述两个正交分量具有了一与入射前不同的相位差Δθ。

进一步地，所述基材由多个相互平行的片状基板堆叠形成，每个片状基板上均附着有多个人造微结构，所述片状基板垂直于电磁波的入射方向，所有的人造微结构在所述片状基板上周期排布。

进一步地，若Δθ＝Kπ，则可以实现任意夹角的两个线极化电磁波的相互转换，其中K为整数。

进一步地，若要实现水平极化与垂直极化电磁波之间的相互转换，则使人造微结构的光轴方向与入射电磁波的电场矢量的方向呈45度夹角。

进一步地，若要实现线极化和圆极化电磁波之间的相互转换，则Δθ＝(2K+1)(π/2)，且人造微结构的光轴方向与入射电磁波的电场矢量的方向呈45度夹角。

进一步地，若要实现线极化和椭圆极化电磁波的相互转换，则Δθ不等于Kπ并且不等于(2K+1)(π/2)，且人造微结构的光轴方向与入射电磁波的电场矢量的方向的夹角不等于45度。

进一步地，所述人造微结构为金属微结构，所述的每个金属微结构为一具有图案的附着在片状基板上的金属线，所述金属线的图案为一非90度旋转对称图形。

根据本发明的超材料定向天线，通过在天线主体前方设置能够将天线主体发出的发散的电磁波汇聚成平面电磁波的第一超材料，以及在第一超材料前方设置能够实现上述平面电磁波的极化转化的第二超材料极化，能够很容易地实现天线的定向与极化转换功能，并且结构简单，所用器件少，整个系统不容易失真。

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是为本发明提供的超材料定向天线的结构简图；

图2是本发明第一超材料的折射率分布示意图；

图3是采用I形的人造微结构实现图2所示的折射率分布的示意图；

图4是第一超材料的立体图；

图5是本发明第二超材料一个实施例中人造微结构的示意图；

图6是本发明第二超材料采用图5所示的人造微结构的示意图；

图7是图6的另一视角图；

图8为图5所示图案衍生得到的一个金属微结构的图案；

图9为图5所示图案变形得到的一个金属微结构的图案；

图10为图5所示图案变形得到的另一个金属微结构的图案；

图11为电磁波极化转换示意图。

具体实施方式

“超材料″是指一些具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。通过在材料的关键物理尺度上的结构有序设计，可以突破某些表观自然规律的限制，从而获得超出自然界固有的普通性质的超常材料功能。

“超材料″所具有的三个重要特征：

(1)“超材料″通常是具有新奇人工结构的复合材料；

(2)“超材料″具有超常的物理性质(往往是自然界的材料中所不具备的)；

(3)“超材料″性质由构成材料的本征性质及其中的人造微结构共同决定。

本发明利用超材料来构建一种超材料定向天线。具体如下：

如图1所示，根据本发明的超材料定向天线包括能够发送和接收电磁波的天线主体100、设置在天线主体100前方的第一超材料200以及设置在第一超材料200前方的第二超材料10，所述第一超材料200能够将天线主体100发出的发散的电磁波汇聚成平面电磁波，所述第二超材料10能够实现上述平面电磁波的极化转化。具体地，根据需要，第二超材料10能够将上述平面电磁波极化转换成任意的极化特性的电磁波(通常是指水平极化电磁波、垂直极化电磁波与圆极化电磁波)。所述的天线主体100为常规天线发射和接收电磁波的部分，其本身不具备定向和/或极化转换功能。图1所示的图中，第一超材料200将天线主体100发出的发散的电磁波汇聚成垂直极化形式的平面电磁波，再经过第二超材料10将垂直极化形式的平面电磁波转换成水平极化形式的平面电磁波。当然，这只是一个示例。

下面结合图2至图4，详细描述本发明的第一超材料200，要将天线主体100发出的发散的电磁波汇聚成平面电磁波，本发明的第一超材料200具有如下特性：

所述第一超材料200包括至少一个超材料片层201，所述每一超材料片层201包括片状基板202以及设置在片状基板202上的呈矩形阵列排布的多个人造微结构203，所述矩形阵列的行数等于列数，设计人造微结构203的结构与空间排布，使得每一超材料片层201的折射率平面分布满足第一规律，并且所述每一超材料片层201的折射率分布均相同，且每一超材料片层的折射率平面分布满足第一规律，所述第一规律如下：即，矩形阵列的所有行与所有列的折射率的最大值均处于该行或该列的中心位置，而该行或该列的其它处，从该最大值处向该行或该列的两个端点依次减小，且最大值两边的折射率呈对称分布。实验证明，电磁波通过超材料的偏折角的正弦值与超材料的厚度以及折射率变化幅度有关，即与超材料的厚度以及相邻两点的折射率变化幅度的乘积成正比，即上述乘积越大，则偏折角的正弦值越大，相应的偏折角越大，因此，在入射电磁波确定的情况下，通过合理设计第一超材料的每一超材料片层的折射率分布以及超材料片层的数量，可以实现我们想要的汇聚效果，例如将发散的电磁波汇聚成平行的电磁波(平面电磁波)，以实现本发明的天线定向。

假设上述的矩形阵列具有m行、m列(m为奇数)，则我们可以用行与列的序号来表示矩形阵列中每一点折射率，即，第一行的折射率分布可以表示为{n₁₁，n₁₂......n_1p......n_1(m-1)，n_1m}，其中n_1p表示第一行的最大值，其它处的折射率以n_1p为中心对称分布，即n₁₁等于n_1m，n₁₂等于n_1(m-1)，依此类推；第二行折射率分布可以表示为{n₂₁，n₂₂......n_2p......n_2(m-1)，n_2m}，其中n_2p表示第二行的最大值，其它处的折射率以n_2p为中心对称分布，即n₂₁等于n_2m，即n₂₂等于n_2(m-1)，依此类推；依次类推，第m行的折射率分布可以表示为{n_m1，n_m2......n_mp......n_m(m-1)，n_mm}，其中n_mp表示第m行的最大值，其它处的折射率以n_mp为中心对称分布，即n_m1等于n_mm，即n_m2等于n_m(m-1)，依此类推；在行确定的情况下，第一列可表示为{n₁₁，n₂₁......n_p1......n_(m-1)1，n_m1}，第二列可表示为{n₁₂，n₂₂......n_p2......n_(m-1)2，n_m2}，依此类推第m列可表示为{n_1m，n_2m......n_pm......n_(m-1)m，n_mm}。因此，在入射电磁波确定的情况下，通过合理设计第一超材料的每一超材料片层的矩形阵列上每一点的折射率以及超材料片层的数量(控制超材料厚度)，可以实现我们想要的汇聚效果，例如将发散的电磁波汇聚成平行的电磁波(平面电磁波)，以实现本发明的天线定向。

图2所示为第一超材料一种形式的折射率分布示意图，在本实施例中，m＝5，并且此图中，我们利用对称特性将其简化。通过第一规律，我们可以推断出n₃₃为所有折射率的最大值。另外，为了实现将发散的电磁波汇聚成平行的电磁波，还要求折射率从片层的四周向中间点n₃₃趋近，并且越靠近四周的电磁波偏折角度越大，偏折角度与超材料的厚度以及折射率变化幅度有关，即与超材料的厚度以及相邻两点的折射率变化幅度的乘积有关，即上述乘积越大，则偏折角的正弦值越大，相应的偏折角越大，因此图2中，还有如下关系，即矩形阵列中任一点相对于其相邻的并且折射率大于自己的点，具有恒定的折射率差值，例如，与n₁₁相邻的并且折射率大于自己的点为n₁₂与n₂₁，即此时有，n₁₂-n₁₁＝n₂₁-n₁₁，即n₁₂＝n₂₁，依此类推；因此通过合理设计每一超材料片层上矩形阵列每一行与每一列的折射率分布，以及超材料的片层数量(控制超材料厚度)，可以得到任意我们想要的汇聚效果。图2只是示意性的，实际上由于超材料人造微结构的尺寸是在电磁波的亚波长级的，因此，这么小的超材料是不实用的，事实上，通常有成千上万的人造微结构排布在同一片状基板上。

图3是采用I形的人造微结构实现图2所示的折射率分布的示意图，与折射率分布相对应的是人造微结构的尺寸按第一规律的变化。图中所示的人造微结构的尺寸变化规律，事实上是介电常数的变化规律，采用介电常数的变化来实现折射率的相应变化相对于采用磁导率的变化来实现折射率的相应变化来说更为简单。I形只是一个示例，还可采用其它公知形式的人造微结构。例如图5所示的平面雪花状的人造微结构。另外，作为优选地，上述的人造微结构为金属微结构。

要实现从第一超材料200出射的平面电磁波的极化转化，第二超材料10具有如下特性：

如图5至图7所示，根据本发明的第二超材料10，其包括基材1以及设置在基材1上的电磁特性呈各向异性的多个人造微结构2，所述多个人造微结构2均匀分布在垂直于电磁波的入射方向的一个或多个平面上。所述第二超材料10内部的折射率呈均匀分布，此处的折射率均匀分布是指每个人造微结构的所在位置的折射率分布相同，又由于电磁波是垂直入射的，因此出射时电磁波的传播方向不会发生改变。所述入射电磁波的电场矢量在上述一个或多个平面上分解成两个不为零的正交分量，两个分量分别与人造微结构所处位置的光轴平行和垂直，此处的光轴是指人造微结构的折射率椭球的长轴，此处的折射率椭球指的是每一人造微结构的折射率的空间分布；光轴与电磁波的电场矢量方向的夹角不为0，则电场矢量在垂直于电磁波的入射方向的平面内分解成两个正交分量都不为零。在电磁波穿过第二超材料10后，所述的两个正交分量具有了一与入射前不同的相位差Δθ，则出射后两个正交分量合成后得到的电场矢量(出射电磁波的电场矢量)与入射前的电磁波的电场矢量必然不相同，从而实现了入射电磁波与出射电磁波的极化转换。上述的人造微结构通常是指金属微结构，当然也可是其它已知的其它人造微结构。只要能满足对入射电磁波的电场矢量的两个正交分量都有电响应即可。

作为本发明的一个实施例，所述基材1由多个相互平行的片状基板11堆叠形成，每个片状基板11上均附着有多个人造微结构2，所述片状基板11垂直于电磁波的入射方向，所有的人造微结构在片状基板11上周期排布。图6所示为第二超材料一个实施例中片状基板11及多个人造微结构2的结构示意图，所述基材1实际上是由多个片状基板11沿与纸面垂直的方向堆叠，电磁波也是沿垂直纸面的方向垂直射入的。图6中只能看到其一侧。图7为图6的另一视角图，我们可以清楚的看到基材1是由多个片状基板11堆叠形成有一定厚度的方形物体。图中上方的多个箭头表示的是入射的电磁波，下方的箭头表示出射的电磁波，电磁波沿人造微结构所在平面垂直射入。实际做产品的时候，还可以对其进行封装，使得从外部看不到人造微结构，封装的材料与基材相同。当然，为了避免人造微结构直接与片状基板接触产生的损害，还可以在相邻的两片片状基板之间填充空气或介电常数和磁导率与空气接近的其它介质。

我们可以将整个第二超材料(事实上就是一种超材料)分为多个相同的单元格，每个单元格都包括一个人造微结构及该人造微结构所附着的基板，整个第二超材料可以看成是由这多个单元格组成，每一个单元格都会对通过其的电磁波产生电场和/或磁场响应，即电磁波通过每一个单元格时，所述两个正交分量都会受到影响，即两个正交分量的相位发生变化，只是由于人造微结构具有各向异性的电磁特性，两个正交分量受到的影响不一样，即两个正交分量的振动会有快有慢，两个正交分量的相位变化的大小不相同，因此两个正交分量的相位差不断变化，而在电磁波离开超材料转换器时，其经过了多个单元格，相位差的变化得到累加，因此，若出射后的相位差Δθ与入射前的相位差不同，则两个正交分量的合成后的电场矢量(出射电磁波的电场矢量)将相对于入射前发生了极化特性的改变。人造微结构电磁参数的各向异性是指人造微结构所在的单元格的电磁参数并不是每一点都相同。

若我们定义电磁波的传播方向为三维直角坐标系中的z轴，则由电磁波的基本原理可知，电场矢量E在x与y轴所构成的平面内，我们假定入射的电磁波的电场矢量为E_r，其两个正交分量为E_1r与E_2r；刚好离开第二超材料时电磁波的电场矢量为E_c，其两个正交分量为E_1c与E_2c；其中E_1r表示沿光轴方向的分量，E_2r则表示另一个分量，E_1c与E_2c分别为E_1r与E_2r出射时的两个分量；此处，E_c假定为电磁波刚好离开第二超材料的电场矢量只是为了方便描述，因为电磁波离开超材料后，其不再受到人造微结构的影响，其极化特性已经稳定。如图11所示，其表示电磁波极化转换的示意图(在x轴与y轴构成的平面内)，我们假设电磁波在未入射之前E_r与E_1r的夹角为a，且刚好穿过极化转换器后，电磁波的电场矢量E_c的分量E_1c与E_1r完全重合，E_c与E_1c的夹角为b，以下分两种情况来描述本发明中电磁波的极化转换：

(1)任意夹角的两个线极化电磁波的相互转换，此时Δθ＝Kπ(K为整数)，此时两个正交分量E_1c与E_2c合成后得到的电场矢量E_c的相位为一常数，则实现了任意极化状态的电磁波到线极化电磁波的转换；如图11所示，假设其表示的任意夹角的两个线极化电磁波的转换，则由于E_1c与E_2c相位差为Kπ，E_2c在如图11所示的位置上，根据几何原理，合成后的E_c与E_r的模相等，只是E_c相对于E_r在x与y轴所构成的平面内旋转了(a+b)的角度，由几何原理同样可得，a＝b，即E_c相对于E_r在x与y轴所构成的平面内旋转了2a的角度，若人造微结构的光轴方向与电场矢量的方向呈45度夹角(即a＝45度)，即E_r与E_1r的夹角为45度，则经过此种第二超材料后，E_c相对于E_r在x与y轴所构成的平面内旋转了90的角度，则此种结构的第二超材料可以实现了水平极化与垂直极化的相互转换(即入射电磁波的电场矢量方向在y轴或x轴的方向上)。若人造微结构的光轴方向与电场矢量的方向不是呈45度夹角(即a不等于45度)，则经过此种第二超材料后，E_c相对于E_r在x与y轴所构成的平面内旋转了的角度2a不等于90度，此时可以实现水平极化与另一种水平极化的转换，或者是垂直极化与另一种垂直极化的转换。

(2)线极化状态的电磁波到非线极化的转换，此时Δθ不等于Kπ，其中K为整数。分两种情况：

第一种情况，若要实现线极化和圆极化电磁波之间的相互转换，则Δθ＝(2K+1)(π/2)，且人造微结构的光轴方向与入射电磁波的电场矢量的方向呈45度夹角。即入射的电磁波的电场矢量E_r与E_1r的夹角为45度，假设图11为线极化和圆极化电磁波之间的相互转换，则有，若a等于45度，则根据几何原理，此时E_1r与E_2r幅度相等，因此出射电磁波的电场矢量E_c的两个正交分量E_1c与E_2c幅度也相等；两个正交分量E_1c与E_2c幅度相等，且其相位差Δθ＝(2K+1)(π/2)，因此出射的电磁波的矢量端点从传播方向看上去会在一个圆上，出射的电磁波为圆极化波，从而实现了实现线极化和圆极化电磁波之间的相互转换。至于圆极化的左旋或者右旋和E_1c与E_2c谁超前有关，即若E_1c超前E_2c(π/2)，则为右旋圆极化，若E_1c落后E_2c(π/2)，则为左旋圆极化。

第二种情况，若要实现线极化和椭圆极化电磁波的相互转换，则Δθ不等于Kπ并且不等于(2K+1)(π/2)，且人造微结构的光轴方向与入射电磁波的电场矢量的方向的夹角不等于45度。即入射的电磁波的电场矢量E_r与E_1r的夹角为不为45度，假设图11为线极化和椭圆极化电磁波的相互转换的示意图，则有，若a不等于45度，则根据几何原理，此时E_1r与E_2r幅度不相等，因此出射电磁波的电场矢量E_c的两个正交分量E_1c与E_2c幅度也不相等；两个正交分量E_1c与E_2c幅度不相等，且其相位差Δθ不等于(2K+1)(π/2)也不等于Kπ，因此出射的电磁波的矢量端点从传播方向看上去会在一个椭圆上，出射的电磁波为椭圆极化波，从而实现了线极化和椭圆极化电磁波的相互转换。至于圆极化的左旋或者右旋和E_1c与E_2c谁超前有关，即若E_1c超前E_2c，则为右旋椭圆极化，若E_1c落后E_2c，则为左旋椭圆极化。

应当指出，上述的每一相位差对应一类(不是一个)第二超材料，特定的第二超材料功能是单一的，只能实现特定的极化转换，这是因为根据入射电磁波的极化特性不同，虽然出射电磁波的电场矢量的两个正交分量具有相同的相位差，但是不同入射的电磁波，第二超材料对其影响是不相同的，因此可以认为它们是通过了不同的极化转换器。

人造微结构通常采用金属微结构，在入射电磁波的极化特性确定的情况下，根据需要的出射电磁波的极化特性来设计第二超材料。例如，可以先选定基材与金属微结构的材料，再通过改变金属微结构的图案、设计尺寸和/或金属微结构在空间中的排布可以获得想要的相位差Δθ。这是因为，通过改变金属微结构的图案、设计尺寸和/或金属微结构在空间中的排布，即可改变第二超材料空间中每一单元格的电磁参数ε和μ，从而改变相应单元格的折射率n，第二超材料可以看成是由多个这样的单元格组成的，因此通过合理计算可以得到想要的Δθ，从而实现想要的极化转换。至于怎么得到金属微结构的图案、设计尺寸和/或金属微结构在空间中的排布，这个方法是多种的，举个例子，可以通过逆向的计算机仿真模拟得到，先确定Δθ的数值，根据此数值去设计第二超材料整体的电磁参数分布，再从整体出发计算出空间中每一单元格的电磁参数分布，根据这每一单元格的电磁参数来选择相应的人造微结构的图案、设计尺寸和/或金属微结构在空间中的排布(计算机中事先存放有多种金属微结构数据)。对每个单元格的设计可以用穷举法，例如先选定一个具有特定图案的金属微结构，计算电磁参数，将得到的结果和我们想要的对比，对比再循环多次，一直到找到我们想要的电磁参数为止，若找到了，则完成了金属微结构的设计参数选择；若没找到，则换一种图案的金属微结构，重复上面的循环，一直到找到我们想要的电磁参数为止。如果还是未找到，则上述过程也不会停止。也就是说只有找到了我们需要的电磁参数的金属微结构后，程序才会停止。由于这个过程都是由计算机完成的，因此，看似复杂，其实很快就能完成。

作为一个实施例，所述人造微结构为金属微结构，所述的每个金属微结构为一具有图案的附着在片状基板11上的金属线。所述金属线的图案为一非90度旋转对称图形，非90度旋转对称图形是90度旋转对称的相对概念，所谓90度旋转对称是指，一图形沿其对称中心向任意方向旋转90度后都与原图形重合，具有此图形的金属微结构构成的单元格表现出各向同性(即单元格空间内的电磁参数每点都相同)。反之，具有非90度旋转对称的图形的金属微结构构成的单元格则表现为各向异性(即单元格空间内并不是每点的电磁参数张量均相同)。金属微结构构成的单元格若表现为各向异性，则会影响通过其中的电磁波的电场矢量，使得电磁波通过每一个单元格时，所述两个正交分量都会受到影响，只是由于人造微结构具有各向异性的电磁特性，两个正交分量受到的影响不一样，即两个正交分量的振动会有快有慢，因此两个正交分量产生了相位差的变化，而在电磁波离开超材料转换器时，其经过了多个单元格，相位差得到累加，若最终相位差Δθ不等于入射前的相位差，则两个正交分量的合成后的电场矢量(出射电磁波的电场矢量)将相对于入射前发生了极化特性的改变，实现极化转换。

作为一个实施例，所述金属线通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法附着在片状基板11上。

如图5所示，作为一个具体的实施例，所述金属线呈二维雪花状，其具有相互垂直呈“十”字的第一主线21及第二主线22，所述第一主线21的两端垂直设置有两个第一支线23，所述第一主线的两端垂直设置有两个第二支线24。所述第一主线21及第二主线22相互平分，所述两个第一支线23的中心连接在第一主线21上，所述两个第二支线24的中心连接在第二主线22上。图中只是示意，实际上第一主线、第二主线、第一支线及第二支线都是有宽度的。在这个实施例中，各向同性的情况为，在具备前特征外，金属线同时还应当满足以下两个条件：

1)第一主线与第二主线长度与宽度相同；

2)第一分支与第二分支长度与宽度也相同；因此，只要不同时满足上面的条件，则由上述图案的金属微结构构成的单元结构表现为各向异性。

在本实施例中，所述入射电磁波的电场矢量的两个正交分量分解在第一主线21与第二主线22所在的直线上，即第一主线21与第二主线22中的一条的方向为光轴的方向。这样一来，电磁波的电场矢量的两个正交分量一个是在第一主线21的直线方向，另外一个则在第二主线22的直线方向，使得金属微结构2对电磁波的两个正交分量都有影响(电场响应)，这种影响经过一定时间叠加后，则会使电磁波的电场矢量的两个正交分量产生相位差的变化，从而使得两个正交分量的合成矢量(出射电磁波的电场适量)发生改变，实现了电磁波的极化转换。在由任意极化状态的电磁波转换为线极化波时，出射的电磁波的电场矢量的两个分量的幅度可以相等也可以不等，若相等则可实现水平极化与垂直极化的相互转换，此时，第一主线21与入射的电磁波的电场矢量呈45度夹角。并且在由任意极化状态的电磁波转换为圆极化波时，出射的电磁波的电场矢量的两个分量的幅度也要相等，此时，第一主线21与入射的电磁波的电场矢量也要呈45度夹角。

如图6及图7所示，同一平面内金属微结构呈4×6的矩阵排列，并且在电磁波的入射方向上排布有6层(6块片状基板)，这只是个示意性表示，根据不同需要可以有不同的平面排列，并且在电磁波入射方向上金属微结构的排布也可以有其它层数。例如，在每一平面中的金属微结构的排布确定的情况下，可以通过平面的个数(片状基板的个数)来控制第二超材料在电磁波垂直入射方向上的厚度，从而获得所需要的相位差，实现不同的极化转换。

当然，这里只是举了一个简单的例子，金属线还可以有其它的图案(或拓扑结构)，如图8-图10所示。其中图8为上述图案的衍生，即在两个第一支线和两个第二支线的两端均再加两个支线，依此类推，还可以有很多其它的衍生图案；其中图9至图10为上述图案的变形；另外还有很多变形图案，本发明并不能对此一一列举。

本发明的所述片状基板11可以由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制得。上述的高分子材料可以是聚四氟乙烯。聚四氟乙烯的电绝缘性非常好，因此不会对电磁波的电场产生干扰，并且具有优良的化学稳定性、耐腐蚀性，使用寿命长，作为金属微结构附着的基材是很好的选择。当然，上述的高分子材料也可是FR-4、F4b等复合材料。

作为一个实施例，所述金属线为铜线或银线，铜与银的导电性能好，对电场的响应更加灵敏。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (7)

1.一种超材料定向天线，包括能够发送和接收电磁波的天线主体，其特征在于，所述超材料定向天线还包括设置在天线主体前方的第一超材料以及设置在第一超材料前方的第二超材料，所述第一超材料能够将天线主体发出的发散的电磁波汇聚成平面电磁波，所述第二超材料能够实现上述平面电磁波的极化转化，其中，

所述第一超材料包括至少一个超材料片层，所述每一超材料片层包括片状基板以及设置在片状基板上的呈矩形阵列排布的多个人造微结构，所述矩形阵列的行数等于列数，并且所述每一超材料片层的折射率分布均相同，且每一超材料片层的折射率平面分布满足第一规律，所述第一规律如下：即，矩形阵列的所有行与所有列的折射率的最大值均处于该行或该列的中心位置，而该行或该列的其它处，从该最大值处向该行或该列的两个端点依次减小，且最大值两边的折射率呈对称分布；

所述第二超材料包括基材以及设置在基材上的电磁特性呈各向异性的多个人造微结构，所述多个人造微结构均匀分布在垂直于电磁波的入射方向的一个或多个平面上，所述第二超材料内部的折射率呈均匀分布，所述入射电磁波的电场矢量在所述一个或多个平面上内分解成两个不为零的正交分量，两个分量分别与人造微结构所处位置的光轴平行和垂直，在电磁波穿过第二超材料后，所述两个正交分量具有了一与入射前不同的相位差△θ。

2.根据权利要求1所述的超材料定向天线，其特征在于，所述基材由多个相互平行的片状基板堆叠形成，每个片状基板上均附着有多个人造微结构，所述片状基板垂直于电磁波的入射方向，所有的人造微结构在所述片状基板上周期排布。

3.根据权利要求1所述的超材料定向天线，其特征在于，若△θ＝Kπ，则可以实现任意夹角的两个线极化电磁波的相互转换，其中K为整数。

4.根据权利要求3所述的超材料定向天线，其特征在于，若要实现水平极化与垂直极化电磁波之间的相互转换，则使人造微结构的光轴方向与入射电磁波的电场矢量的方向呈45度夹角。

5.根据权利要求1所述的超材料定向天线，其特征在于，若要实现线极化和圆极化电磁波之间的相互转换，则△θ＝(2K+1)(π/2)，且人造微结构的光轴方向与入射电磁波的电场矢量的方向呈45度夹角，其中K为整数。

6.根据权利要求1所述的超材料定向天线，其特征在于，若要实现线极化和椭圆极化电磁波的相互转换，则△θ不等于Kπ并且不等于(2K+1)(π/2)，且人造微结构的光轴方向与入射电磁波的电场矢量的方向的夹角不等于45度，其中K为整数。

7.根据权利要求1或2所述的超材料定向天线，其特征在于，所述人造微结构为金属微结构，所述的每个金属微结构为一具有图案的附着在片状基板上的金属线，所述金属线的图案为一非90度旋转对称图形。