CN102738595B - 一种具有电磁波汇聚功能的透镜天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有电磁波汇聚功能的透镜天线，包括辐射器和电磁透镜，所述电磁透镜为超材料，所述超材料由超材料功能板组合阵列而成，所述超材料功能板包括一中间位置，所述中间位置的一侧包括多个折射率呈带状分布的超材料带，所述各个超材料带内的折射率朝相同方向连续变化，所述各个超材料带内折射率大的一侧朝向所述中间位置，所述各个超材料带折射率小的一侧朝向所述超材料功能板的侧边位置，所述超材料带的交界位置处的折射率为非连续变化。其有益效果是，利用超材料代替透镜天线中各种形状的透镜，进而做成透镜天线，从而降低对透镜加工工艺的要求，提高透镜精度，使透镜天线的整体体积减小，使用更为方便。

Description

一种具有电磁波汇聚功能的透镜天线

【技术领域】

本发明涉及一种电磁透镜天线，具体地涉及一种具有电磁波汇聚功能的透镜天线。

【背景技术】

在常规的光学器件中，利用透镜能使放在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。透镜天线就是利用这一原理制作而成的。它由透镜和放在透镜焦点上的辐射器组成。

透镜天线，就是利用透镜汇聚的特性，将辐射器辐射出的电磁波经过透镜，能量汇聚后再发射出去的天线，这种天线方向性比较强。

透镜的汇聚是靠透镜的球面形状的折射来实现汇聚的，制造透镜的工艺复杂，精度不高。因此，透镜天线效率低，结构复杂，价格昂贵，体积笨重。

目前，超材料(metamaterial)作为一种材料设计理念以及研究前沿，越来越引起人们的关注，所谓超材料，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的超常材料功能。如，超材料可以由介质基材和设置上基材上的多个金属微结构组成，单个金属微结构大小一般小于1/10个波长，其对外加电场或磁场具有电响应或磁响应，从而具有表现出等效介电常数或等效磁导率，或者等效介电常数和波阻抗，从而可以提供各种普通材料具有和不具有的材料特性。金属微结构的等效介电常数和等效磁导率(或等效介电常数和波阻抗)由超材料基本单元的几何尺寸参数决定，可人为设计和控制。并且，金属微结构可以具有人为设计的电磁参数，从而产生许多新奇的现象，为实现电磁波的汇聚提供了可能。

在超材料领域，通过设计人造微结构如金属微结构等，可以使超材料对电场或磁场或者两者同时进行响应，对电场的响应取决于超材料的介电常数，而对磁场的响应取决于超材料的磁导率。通过对超材料中每一个人造微结构的介电常数与磁导率进行精确控制，通过控制超材料的介电常数的大小呈连续的变化规律，如超材料的中间位置介电常数大，由中间向两侧位置的介电常数连续地减小，可以使该超材料具有对电磁波的汇聚作用，其原理图可参看附图1，图中，A表示超材料，当超材料的介电常数呈中间高两边低的规律变化时，平行的电磁波入射并经过超材料后可形成图示的汇聚电磁波。但是，现有技术存在的问题是：要使电磁波得到汇聚，介电常数需要在超材料的尺度范围内连续变化，而连续变化则使得介电常数的变化范围很大，而在进行超材料的人造微结构设计时，又很难将其大小做到很大，故在实际工艺上很难实施，是亟待解决的一个技术难题。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题是提供一种体积较小且易于工艺制造的具有电磁波汇聚功能的透镜天线。

本发明实现发明目的采用的技术方案是：一种具有电磁波汇聚功能的透镜天线，包括辐射器和电磁透镜，其特征在于：所述电磁透镜为超材料，所述超材料由超材料功能板组合阵列而成，所述超材料功能板由介质基板以及阵列在介质基板上的多个人造微结构组成，所述超材料功能板包括一中间位置，所述中间位置的一侧包括多个折射率呈带状分布的超材料带，所述各个超材料带内的折射率朝相同方向连续变化，所述各个超材料带内折射率大的一侧朝向所述中间位置，所述各个超材料带折射率小的一侧朝向所述超材料功能板的侧边位置，所述超材料带的交界位置处的折射率为非连续变化。

该技术方案中，所谓超材料带内折射率的连续变化系指在超材料内，由单个人造微结构及其所在介质基板组成的超材料单元的等效折射率按线性规律或连续曲线规律逐渐增大或逐渐减小，其中间不会发生折射率变化方向的改变，也不会发生折射率的突然增大或突然减小。而一旦发生折射率变化方向的改变，或发生折射率的突然增大或突然减小，即为所述的非连续变化。即，在同样的折射率变化范围内，如折射率由2变化到4，在超材料带内折射率由2逐渐变化到4，而在两个超材料带的交界位置处，折射率会由2突变到4或突变到1，则该超材料带内的变化即为连续变化，而在两个超材料带的交界位置处的变化即为非连续变化。

作为实施方式之一，所述中间位置的另一侧也包括多个折射率呈带状分布的超材料带，所述另一侧的超材料带内的折射率朝相同方向连续变化，所述另一侧的超材料带内折射率大的一侧朝向所述中间位置，所述另一侧的超材料带折射率小的一侧朝向所述超材料功能板的另一侧边位置，所述另一侧的超材料带的交界位置处的折射率为非连续变化。

具体实施时，所述超材料带的带宽相等，所述超材料带内的折射率变化范围相等，所述超材料带内的折射率变化率相等。

作为实施方式之一，所述各个超材料带内的折射率以所述中间位置为对称轴呈对称分布。

更好地，所述超材料的电磁波入射面和出射面均设置有阻抗匹配层。

具体实施时，所述超材料带内折射率的连续变化是通过设计所述人造微结构的大小呈连续变化实现。

具体实施时，所述人造微结构的形状为工字型或工字衍生型。

本发明的有益效果是，利用超材料代替透镜天线中各种形状的透镜，进而做成透镜天线，从而降低对透镜加工工艺的要求，提高透镜精度，使透镜天线的整体体积减小，使用更为方便。

【附图说明】

图1，现有透镜天线汇聚电磁波的原理图。

图2，透镜天线汇聚电磁波的原理图。

图3，实施例1超材料功能板的结构图。

图4，实施例1电磁透镜汇聚电磁波的原理图。

图5，实施例2超材料功能板的结构图。

图6，实施例2电磁透镜汇聚电磁波的原理图。

图中，A超材料、I-I中间位置、100辐射器、200电磁透镜、300超材料功能板、301介质基板、302人造微结构、400超材料带、500阻抗匹配层。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明的具体实施过程进行详细说明。

跟常规的电磁透镜天线一样，本发明透镜天线汇聚电磁波的原理图参看附图2，包括辐射器100和电磁透镜200，辐射器100发出的发散型电磁波经过电磁透镜200后成为平行电磁波，从而起到增强天线方向性的作用。本发明采用超材料来制作电磁透镜，为降低利用超材料制作电磁透镜的工艺难度，本发明的超材料采用以下技术方案实现。

实施例1

本实施例的电磁透镜200由多层超材料功能板300依次层叠而成，超材料功能板300的结构图参看附图3，超材料功能板300由介质基板301以及阵列在介质基板上的多个人造微结构302组成，人造微结构302与其所占据的介质基板301共同组成为一个超材料单元，超材料单元具有特定的结构和电磁特性，一般当单个人造微结构302的大小小于1/10个波长时，其对外加电场或磁场具有电响应或磁响应，从而具有表现出等效介电常数或等效磁导率，本实施例通过将各人造微结构302的形状设计为工字型，并使各工字型人造微结构302沿一定方向连续增大，可以使人造微结构302的等效介电常数也形成连续增大的变化规律，进而使超材料功能板300的折射率也呈连续增大的变化规律。由于工字型的结构连续增大到一定程度后在工艺上很难继续增大(反应在超材料的折射率上即为折射率的变化范围较小)，本实施例将超材料功能板300设计为由多个超材料带400组成，每个超材料带400内的各人造微结构302的大小沿一定的方向连续增大，其结构图参看附图3。

本实施例电磁透镜汇聚电磁波的原理图参看附图4：电磁透镜200由多层超材料功能板300依次层叠而成，各个超材料功能板300均具有相同的折射率变化规律，每个超材料功能板300包括一中间位置I-I，中间位置I-I的一侧设置有3个折射率呈带状分布的超材料带400，每个超材料带400内的折射率都从1连续变化3且折射率的连续变化方向相同，折射率大的一侧均朝向中间位置I-I，折射率小的一侧朝向超材料功能板300的侧边位置，超材料带400的交界位置处的折射率为由1突变到3的非连续变化，超材料功能板300的中间位置I-I的另一侧为折射率相同的均一材质，当电磁波沿图示方向入射到超材料时，入射电磁波会向折射率大的方向发生偏折，从而形成一种部分汇聚的电磁波。

其有益效果是，在超材料功能板300的中间位置I-I到侧边位置的范围内实现电磁波的有效汇聚，原本需要使折射率从9连续变化到1，这在具体设计上难度较大，采用本实施例后，只需要将每个超材料带400内的折射率设计为从3连续变化到1，然后通过三个超材料带400依次相接排列即可，设计难度大大降低。

实施例2

本实施例的电磁透镜200由多层超材料功能板300依次层叠而成，超材料功能板300的结构图参看附图5，超材料功能板300由介质基板301以及阵列在介质基板上的多个人造微结构302组成，人造微结构302与其所占据的介质基板301共同组成为一个超材料单元，超材料单元具有特定的结构和电磁特性，一般当单个人造微结构302的大小小于1/10个波长时，其对外加电场或磁场具有电响应或磁响应，从而具有表现出等效介电常数或等效磁导率，本实施例通过将各人造微结构302的形状设计为工字衍生型，并使各工字衍生型人造微结构302沿一定方向连续增大，可以使人造微结构302的等效介电常数也形成连续增大的变化规律，进而使超材料功能板300的折射率也呈连续增大的变化规律。由于工字衍生型的结构连续增大到一定程度后在工艺上很难继续增大(反应在超材料的折射率上即为折射率的变化范围较小)，本实施例将超材料功能板300设计为由多个超材料带400组成，每个超材料带400内的各人造微结构302的大小沿一定的方向连续增大，其结构图参看附图5。

电磁透镜200汇聚电磁波的原理图参看附图6：电磁透镜200由多层超材料功能板300依次层叠而成，各个超材料功能板300均具有相同的折射率变化规律，每个超材料功能板300均包括一中间位置I-I，中间位置I-I的一侧设置有6个折射率呈带状分布的超材料带400，每个超材料带400内的折射率都从1连续变化3且折射率的连续变化方向相同，折射率大的一侧均朝向中间位置I-I，折射率小的一侧朝向超材料功能板300的侧边位置，超材料带400的交界位置处的折射率为由1突变到3的非连续变化，各超材料带400的带宽相等且各超材料带400内各处的折射率变化率相同，各超材料带400的折射率以中间位置I-I为对称轴呈对称分布，当电磁波以图示方向入射到超材料时，入射电磁波会向折射率大的方向发生偏折，从而向中间位置I-I汇聚最后形成平行出射的电磁波；同时，为防止入射电磁波在入射和出射时部分能量在界面发生反射，在电磁透镜200的入射面和出射面均设置一层阻抗匹配层500，使电磁波以微小的反射进入和出射电磁透镜200。

其有益效果是，在超材料功能板300的中间位置I-I到侧边位置的范围内实现电磁波的有效汇聚，原本需要使折射率从18连续变化到1，这在具体设计上难度较大，采用本实施例后，只需要将每个超材料带400内的折射率设计为从3连续变化到1即可，设计难度大大降低；同时，阻抗匹配层500的设置避免了电磁波在界面的能量损耗。

应当理解，本发明中各个超材料带400内的介电常数既可以为线性均匀连续变化，也可以为非线性连续变化，通过控制变化的方向为由两侧向中间增大可以实现电磁波的汇聚，为获得预期的汇聚效果，还需要对超材料的介电常数变化规律进行进一步设定。由于折射率与介电常数和磁导率有关，所以改变超材料的磁导率并使本发明中各个超材料带内磁导率形成由两侧向中间增大的变化规律同样可以使电磁波汇聚。

应当理解，本发明中超材料带400的具体排布时，可以根据需要以超材料的中心线为中间位置，使各个超材料以该中心线为中间位置，按照介电常数大的一侧朝向中间位置，介电常数小的一侧分别朝向两侧的规律排布；也可以根据需要以超材料的其他任意位置为中间位置，使各个超材料以任一位置为中间位置，按照介电常数大的一侧朝向中间位置，介电常数小的一侧分别朝向两侧的规律排布。

在上述实施例中，仅对本发明进行了示范性描述，但是本领域技术人员在阅读本专利申请后可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本发明进行各种修改。

Claims (9)

1.一种具有电磁波汇聚功能的透镜天线，包括辐射器和电磁透镜，其特征在于：所述电磁透镜为超材料，所述超材料由多层超材料功能板依次层叠而成，所述超材料功能板由介质基板以及阵列在介质基板上的多个人造微结构组成，所述超材料功能板包括一中间位置，所述中间位置的一侧包括多个折射率呈带状分布的沿着折射率变化的方向相接排列的超材料带，所述各个超材料带内的折射率朝相同方向连续变化，所述各个超材料带内折射率大的一侧朝向所述中间位置，所述各个超材料带折射率小的一侧朝向所述超材料功能板的侧边位置，所述超材料带的交界位置处的折射率为非连续变化。

2.根据权利要求1所述的具有电磁波汇聚功能的透镜天线，其特征在于：所述中间位置的另一侧也包括多个折射率呈带状分布的超材料带，所述另一侧的超材料带内的折射率朝相同方向连续变化，所述另一侧的超材料带内折射率大的一侧朝向所述中间位置，所述另一侧的超材料带折射率小的一侧朝向所述超材料功能板的另一侧边位置，所述另一侧的超材料带的交界位置处的折射率为非连续变化。

3.根据权利要求2所述的具有电磁波汇聚功能的透镜天线，其特征在于：所述超材料带的带宽相等。

4.根据权利要求2所述的具有电磁波汇聚功能的透镜天线，其特征在于：所述超材料带内的折射率变化范围相等。

5.根据权利要求2所述的具有电磁波汇聚功能的透镜天线，其特征在于：所述超材料带内的折射率变化率相等。

6.根据权利要求2所述的具有电磁波汇聚功能的透镜天线，其特征在于：所述各个超材料带内的折射率以所述中间位置为对称轴呈对称分布。

7.根据权利要求1至6任一项所述的具有电磁波汇聚功能的透镜天线，其特征在于：所述超材料的电磁波入射面和出射面均设置有阻抗匹配层。

8.根据权利要求7所述的具有电磁波汇聚功能的透镜天线，其特征在于：所述超材料带内折射率的连续变化是通过设计所述人造微结构的大小呈连续变化实现。

9.根据权利要求7所述的具有电磁波汇聚功能的透镜天线，其特征在于：所述人造微结构的形状为工字型或工字衍生型。