CN102790276A

CN102790276A - 定向天线

Info

Publication number: CN102790276A
Application number: CN2011101273093A
Authority: CN
Inventors: 刘若鹏; 徐冠雄; 杨松涛; 石小红
Original assignee: Kuang Chi Institute of Advanced Technology; Kuang Chi Innovative Technology Ltd
Current assignee: Kuang Chi Institute of Advanced Technology
Priority date: 2011-05-17
Filing date: 2011-05-17
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2031-05-17
Also published as: CN102790276B

Abstract

一种定向天线包括一馈源，所述定向天线还包括超材料单元和第一反射板。所述超材料单元包括至少一片超材料层，所述超材料层包括多个子单元，所述子单元包括第一材质和嵌入在第一材质中的第二材质。所述馈源产生的电磁波经超材料单元折射后而散射于第一反射板上，所述第一反射板将电磁波反射使电磁波再次经超材料单元折射而平行射出。从而使定向天线抛弃了形状和结构笨重的抛物面反射板。

Description

定向天线

技术领域

本发明涉及天线领域，更具体地说，涉及一种定向天线。

背景技术

目前，对于电磁波的定向，利用定向天线来完成，常用透镜天线来达成。在光学中，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。

天线是在无线电设备中用来发射或接收电磁波的部件。天线是一种变换器，它把传输线上传播的导行波，变换成在无界媒介(通常是自由空间)中传播的电磁波，或者进行相反的变换。

衡量天线性能的参数有很多，如波瓣图、有效口径、增益、方向性、阻抗等等，其中方向性是天线很重要的性能指标，方向性越强，越有利于接收机的接收。

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。

传统定向如喇叭天线，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。

现有技术制作天线的抛物面反射，一般采用铸造或者数控机床加工，加工工艺复杂；其次要获得好的定向天线，要求抛物面的精度比较高。因此反射抛物面不符合要求的时容易导致定向天线性能不稳定。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的实现定向天线的体积大、设计不灵活以及成本高等缺陷，提供一种体积小且性能稳定的高定天线。

一种定向天线包括一馈源，所述定向天线还包括超材料单元和第一反射板，所述超材料单元包括至少一片超材料层，所述超材料层包括多个子单元，所述子单元包括第一材质和嵌入在第一材质中的第二材质；所述馈源产生的电磁波经超材料单元折射后而散射于第一反射板上，所述第一反射板将电磁波反射使电磁波再次经超材料单元折射而平行射出。

进一步地，所述第一材质选用陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料及铁磁材料中的任意一种。

进一步地，所述第二材质选用空气、金属材料、橡胶、塑料及树脂材料中的任意一种。

进一步地，所述定向天线还包括馈源支架和设置于馈源支架上第二反射板，所述第二反射板用于将馈源产生的向后辐射电磁波反射至所述超材料单元。

进一步地，所述第一反射板和第二反射板均采用光滑金属镜面。

进一步地，所述超材料单元包括沿x方向堆叠成一体的多个超材料片层，所述子单元以垂直于x方向的y方向为列、以同时垂直于x、y方向的z方向为行排成第一阵列，每行的子单元的折射率相同，每列所述子单元的折射率依次为a₁，a₂，a₃，……，a_s，b₁，b₂，b₃，……，b_m，c₁，c₂，c₃，……，c_p，各个折射率满足：

a₁≤a₂≤a₃……≤a_s，c₁≥c₂≥c₃……≥c_p；其中b₁＜a_s，b_m＜c₁，且s、p均为不小于2的自然数，m为不小于1的自然数。

进一步地，所述b₁，b₂，b₃，……，b_m之间存在以下关系：

b₁≤b₂≤b₃……≤b_q，b_q≥b_q+1≥b_q+2≥b_q+3……≥b_m，且q为小于m的自然数。

进一步地，每列所述子单元的折射率还具有如下关系：

(a₂-a₁)≥(a₃-a₂)……≥(a_s-a_s-1)≥(b₂-b₁)≥(b₃-b₂)……≥(b_q-1-b_q)，

(b_q-b_q+1)≤(b_q+1-b_q+2)≤(b_q+2-b_q+3)……≤(b_m-1-b_m)≤(c₁-c₂)≤(c₂-c₃)≤(c_p-1-c_p)。

进一步地，上述折射率还具有如下关系：

a₁＝b₁＝b_m＝c_p，a_s＝b_q＝c₁，s＝p，q＞s且q＞p，q＝[(m+1)/2]。

进一步地，所述多个超材料片层完全相同且具有相同的折射率分布。

进一步地，所述多个超材料片层具有不同的折射率分布，在每个由子单元以x方向为堆叠行、y方向为列构成第二阵列中，以一中心超材料单元为圆心，经过所述中心子单元的一堆叠行和一列子单元其折射率均依次为a₁，a₂，a₃，……，a_s，b₁，b₂，b₃，……，b_m，c₁，c₂，c₃，……，c_p。

进一步地，所述第二阵列的折射率呈环形分布，经过所述圆心的任意一条直线上的多个子单元至少部分子单元的折射率依次为a₁，a₂，a₃，……，a_s，b₁，b₂，b₃，……，b_m，c₁，c₂，c₃，……，c_p。

进一步地，所述每一子单元的第一材质上设有至少一个孔，第二材质填充在所述孔内。

进一步地，所述人造孔微结构为圆柱孔、球形孔、方形孔、多面体孔或不规则形孔。

进一步地，所述第一反射板呈板状。

实施本发明的超材料定向天线，具有以下有益效果：

1.不需要复杂形状、结构笨重的抛物面反射面，而只需要平板反射面就可以实现高定向性天线；

2.反射面和超材料可放置在地面上，用简单支架将馈点置于合适位置即可，无需设计支架去支撑反射面；

3.由于超材料的良好性能，可以稳定地实现天线的高定向性。

4.基于折叠式电磁波折射汇聚透镜的原理，可以进一步使定向小型化。

附图说明

图1本发明中第一实施例中定向天线示意图。

图2为图1所示超材料单元中一超材料片层的立体结构示意图。

图3为图2所示的超材料片层对电磁波的折射率分布示意图。

图4为图2所示超材料片层中一子单元的立体结构示意图。

图5是电磁波汇聚透镜对电磁波汇聚的示意图。

图6是图5所示电磁波汇聚透镜折射汇聚原理示意图。

图7是由多个超材料片层堆叠成电磁波汇聚透镜结构示意图。

图8是电磁波汇聚透镜一实施例沿x方向和y方向构成的平面上的折射率分布图。

图9是基于电磁波汇聚透镜的设计出的第一实施例中定向天线中超材料单元，其对位于超材料单元焦点处散射电磁波的折射原理示意图。

图10本发明中第二实施例定向天线示意图。

具体实施方式

下面结合相关附图及具体实施例对本发明做进一步的描述：

请参阅图1，定向天线包括馈源10、超材料单元20、板状的第一反射板30、馈源支架40及设置于馈源支架40上第二反射板50。馈源10辐射出的电磁波经超材料单元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上的电磁波经由第一反射板30反射再次经超材料单元20折射而平行射出。

在本实施方式中，所述馈源10设置于馈源支架40上，第二反射板50设置于馈源10的一侧，用于将馈源10产生的向后辐射电磁波反射至超材料单元20以提高馈源10电磁波的利用率，即增强电磁波的信号强度。第二反射板50和第一反射板30均采用一光滑镜面，如金属镜面等。在其他实施方式中，馈源10置于超材料单元20和第一反射板30的等效焦点处，从而可以高效率地将超材料单元20折射的电磁波以平面波的形式全部反射回空间，以增加了定向天线的方向性。

本发明的超材料单元20包括多片超材料片层1，每个超材料片层1如图2所示，具有前、后平行的两个表面，因而为等厚片层。定义超材料片层1的厚度方向为x方向，超材料片层1的长度方向为y方向，宽度方向为z方向x、y、z方向两两垂直。图2所示的超材料片层1对电磁波的折射率分布示意图。超材料片层1沿y方向的折射率依次设为a₁，a₂，a₃，……，a_s，b₁，b₂，b₃，……，b_m，c₁，c₂，c₃，……，c_p。其中a₁≤a₂≤a₃……≤a_s；c₁≥c₂≥c₃……≥c_p；a₁＜a_s，b_m＜c₁，且s、p均为不小于2的自然数，m为不小于1的自然数。

超材料片层1可虚拟地划分多个大小相同方体状的子单元80(如图4所示)，每一个子单元80上包括第一材质81和第二材质82，所述第二材质82嵌入在第一材质81之中。其中第一材质81选用介电绝缘材料制成，包括但不限于陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料等。例如高分子材料可选用环氧树脂、聚四氟乙烯等相同性能的高分子材料。第二材质82选用材料不同于第一材质81，包括但不限于空气、金属材料、橡胶、塑料及树脂材料等。

在设计和制造本发明的一实施方式中的超材料片层1时，首先选取第一材质81制成的片状基板；然后采用冲压打孔方式在所述片状基板上形成多个孔，即在子单元80上形成至少一个孔；其次在孔内填充第二材质82即可得到本发明所述超材料片层1。所述超材料片层1可以看作是由多个子单元以第z方向为行、以y方向为列组成的第一阵列。这里的方体形网格，可以具有任意自由划分的尺寸，本发明中优选为y、z方向的长度均为将要汇聚的电磁波的波长的十分之一、x方向的长度与片状基材的x方向的厚度相等。当然，本发明的超材料单元其x、y、z方向的长度在电磁波波长小于五分之一均可，优选小于波长的十分之一。在本实施方式中，孔的形状包括但不限于圆柱孔、球形孔、方形孔、多面体孔或不规则形孔等。

当然，使每一个子单元80上的第二材质82嵌入设置于或者混合嵌入第一材质81之中有多种实现方式，只要每一个子单元80能够对电磁场产生响应即改变电磁场特性的结构，均可作为本发明的形成本发明的超材料片层1。

由于第一材质81与第二材质82体积比重不同；或第一材质81中混合嵌入的第二材质82所选用的材质不同，均会使得对应的超材料片层1呈现出不同的介电常数特性和磁导率特性，因而对电磁波产生不同的电磁响应。其中，一个重要的响应效果就是改变电磁波的传播方向。

请参阅图5，本发明超材料单元20基于电磁波汇聚透镜原理来设计的，因为电磁波汇聚透镜能将平行入射的电磁波向一个方向汇聚。由上述子单元80的结构设计出有汇聚特性的超材料片层1，然后将数量一定的具有汇聚特性的超材料片层1堆叠即可得到电磁波汇聚透镜。因此就需要精确设计各个子单元80的介电常数和磁导率，从而可以设定经过每个子单元80的电磁波其传播方向的改变量。

因此首先介绍汇聚特性的超材料片层的设计原理：

汇聚特性的超材料片层的折射率可以表示电磁波传播方向的改变，已知折射率

其中μ为磁导率，ε为介电常数，由此可知，在磁导率μ不改变的条件下，已知折射率n的变化规律，即可推知介电常数ε的变化规律。因此，下文中的所有涉及折射率n的变化规律的描述，均可以理解为根据上述公式可同理类推出介电常数的变化规律。在本实施方式中，每一个子单元80上第一材质81形成至少一个开孔；第二材质82采用空气并填充在上述开孔中。

每个超材料片层1的折射率分布如图5所示。沿y方向的一列超材料片层，其折射率依次为a₁，a₂，a₃，……，a_s，b₁，b₂，b₃，……，b_m，c₁，c₂，c₃，……，c_p，各个折射率满足：

a₁≤a₂≤a₃……≤a_s (1)

c₁≥c₂≥c₃……≥c_p (2)

其中b₁＜a_s，b_m＜c₁，且s、p均为不小于2的自然数，m为不小于1的自然数。沿z方向的每一行超材料片层，其折射率均相同。

定义折射率a₁至a_s所在的超材料部分为第一段超材料100，折射率从b₁至b_m所在的超材料部分为中间段超材料，折射率从c₁至c_p所在的超材料部分为第四段超材料400。

当关系式(1)、(2)均不同时取等号时，即第一、第三段超材料100、300的折射率分布不均匀时，电磁波的相位传播方向会向折射率大的方向偏折，因此，从第一段超材料100入射的电磁波，在离开超材料出射时会向a_s所在的超材料片层偏折，而经过第四段超材料400的电磁波出射时会向c₁所在的超材料片层偏折，也就是说从中间段超材料两侧入射的电磁波，在出射时会向中间段超材料的方向汇拢，实现汇聚特性。

进一步地，为了使经过中间段超材料的电磁波也会产生汇拢的效果，中间段超材料的每列超材料片层的折射率b₁，b₂，b₃，……，b_m之间存在以下关系：

b₁≤b₂≤b₃……≤b_q (3)

b_q≥b_q+1≥b_q+2≥b_q+3……≥b_m (4)

其中，q为小于m的自然数。

定义折射率b₁至b_q所在的超材料部分为第二段超材料200，折射率b_q至b_m所在的超材料部分为第三段超材料300。

当关系式(3)、(4)也不同时取等号时，与第一段超材料100和第四段超材料类似，第二段、第三段超材料200、300也可实现向折射率为b_q的子单元行偏折汇拢。

一)各段超材料折射率分布非均匀

关系式(1)、(2)、(3)、(4)均不同时取等号，可以确保入射的电磁波均向b_q所处的子单元行偏折，但这种汇聚并不一定会汇聚到一点上，只是电磁波相互靠近。要实现汇聚到一点，必须使得从靠近折射率为a1所在的超材料片层的位置入射的电磁波，出射时相对于入射方向的偏折角较大，从靠近折射率为b_q的超材料单元的位置入射的电磁波，其出射时的偏折角较小。

已知相邻超材料片层之间的折射率变化量越大，则电磁波的偏折角越大。因此，为了实现所有电磁波向一点汇聚，沿y方向的每列子单元的折射率还有如下关系：

(a₂-a₁)≥(a₃-a₂)……≥(a_s-a_s-1)≥(b₂-b₁)≥(b₃-b₂)……≥(b_q-1-b_q) (5)

(b_q-b_q+1)≤(b_q+1-b_q+2)≤(b_q+2-b_q+3)……≤(b_m-1-b_m)≤(c₁-c₂)≤(c₂-c₃)≤(c_p-1-c_p)

(6)

满足上述折射率变化量关系的超材料，对于一束平行入射的电磁波，折射率为b_q的超材料片层两侧的折射率变化量向两侧逐渐增大，因此以b_q所在的超材料片层为界，越靠近两侧端部入射的电磁波出射时偏折角度大，越靠近b_q所在的超材料片层入射的电磁波其出射偏折角越小。通过一定的设计和计算，使得这些偏折角依次满足一定的规律，即可实现汇聚到一点。类似于凸透镜，只要知道各个表面点对光的偏折角度和材料的折射率，即可设计出相应的表面曲率特征来实现汇聚功能。本发明也一样，通过设计各个超材料片层1中的第一材质81与第二材质82体积比重不同，或第一材质81中混合嵌入的第二材质82所选用的材质不同，得到该单元的对应的介电常数ε和磁导率μ，进而得知折射率n，通过设计使得各个相邻超材料片层的折射率n的变化量能实现电磁波向特定一点上偏折，即可实现汇聚特性。

平行入射电磁波到超材料片层1的第一、第二、第三和第四段超材料上，入射电磁波均平行于z方向。要使它们经过超材料片层1后发生偏折并汇聚到一点，可以测出各个电磁波出射时相对于z方向的偏折角β1，β2，β3，β4。根据参考资料Metamaterials：Theory，Design，and Applications，Publisher：Springer，ISBN 1441905723，75页-76页，得出折射率变化量Δn与偏折角β(例如为β1，β2，β3或β4)之间有如下关系式：

d·Δn＝sinβ (7)

其中，d为沿z方向的超材料片层1的长度，Δn为相邻两行子单元的折射率的差。已知d和sinβ，因此Δn是可以解出来的，设定一个折射率基数，即可反推相邻两行子单元的折射率。将所有位置的偏折角计算出来，即可最终推出y方向上的超材料片层1的折射率分布。设计每一子单元80中第二材质的形状大小，及填充介质的介电常数并通过计算和仿真得出其介电常数和磁导率，然后不断调整二材质的形状大小的形状和尺寸，直到其介电常数和磁导率的值满足得到的折射率符合上述折射率分布即可。在本实施方式，通过不断调整子单元80上孔的形状、尺寸及第二材质选材来达到本发明的目的。

进一步地，为了简化设计和制造，本发明的第三、第四段超材料300、400可分别于第二、第一段超材料200、100在结构上完全对称，则折射率分布也将完全对称，也即：

a₁＝c_p，a₂＝c_p-1，……，a_s-1＝c₂，a_s＝c₁，s＝p (8)

且在满足关系式(8)的条件下，

1)当m为奇数时，第二、第三段超材料200、300的折射率满足：

q＝(m+1)/2，b₁＝b_m，b₂＝b_m-1，……，b_q-1＝b_q+1 (9)

2)当m为偶数时，第二、第三段超材料200、300的折射率满足：

q＝m/2，b₁＝b_m，b₂＝b_m-1，……，b_q＝b_q+1 (10)

上述q与m的关系式也可用q＝[(m+1)/2]来表示，[(m+1)/2]表示对m除以2的结果取其整数位所得的值。

更进一步地，为了便于比较大小，在以上基础上，各折射率还满足：

a₁＝b₁＝b_m＝c_p，a_s＝b_q＝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，其起始值和最终值都相等，即两段超材料总的折射率变换量相等。由于q＞s，因而第一段超材料100的折射率的平均变化率要大于第二段超材料200。如图3所示，用线的疏密来表示折射率的大小，线越疏表示折射率越大，疏密的变化程度越快则折射率的变化率越大。

由于优选第三、第四段超材料300、400与第二、第一段超材料200、100对称，经过折射率为a_q的一行子单元的中心连线、且垂直于超材料表面的平面，为对称面。因此，下文为了描述上的简洁，只对第一、第二段超材料100、200进行描述和图示，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匀且各向异性

当上述关系式(1)、(2)、(3)、(4)均分别同时取等号，则关系式(5)、(6)也均同时取等号且等于零，也就是说，这时的第一、第二段超材料200均为折射率分布均匀的材料。此时，对于沿平行于z方向入射的电磁波，有三种情况：

1)当各段超材料对电磁波呈各向同性时，则电磁波不发生偏折；

2)若各段超材料对电磁波呈各向异性，且其光轴是垂直于入射电磁波时，则电磁波出射时也不发生偏折；

3)若各段材料对电磁波呈各向异性且其光轴不垂直于入射电磁波时，电磁波出射时会偏折。

三)各段超材料折射率分布非均匀且各向异性

各向异性材料改变电磁波能量传播方向、不改变相位传播方向的前提是材料为折射率分布均匀的材料。对于折射率分布不均匀、且对电磁波呈各向异性的超材料，电磁波穿过这样的超材料后其能量传播方向和相位传播方向都会改变。下面将通过三个实施例来显示折射率分布非均匀和各向异性对电磁波传播的影响。

图6所示的实施例的超材料片层1，其折射率分布均满足前文所述的特征，即沿y方向的每列子单元其折射率依次为a₁，a₂，a₃，……，a_s，b₁，b₂，b₃，……，b_m，且满足关系式(1)至(11)，且关系式(1)至(6)均不同时取等号。以同一方向同一入射位置经过第一段超材料的电磁波，其出射的偏折角均为β1；另一经过第二段超材料200的电磁波，出射的偏折角均为β2，由于超材料片层1各段的折射率分布非均匀且各向异性，使入射电磁即发生偏移，又时期发生偏折，因此使电磁波折射汇聚的焦点更短，即f₂的距离相对较短。

如图7所示，所述电磁波汇聚透镜是由多个超材料片层1沿x方向堆叠并组装成一体的，各片超材料片层1之间隔有空气或者填充有介电常数接近1、对电磁波没有响应的材料。当超材料片层1的数量较多使得x方向的长度远大于z方向的长度时，整个超材料可以看做是一个薄片，则z方向的长度为该薄片的厚度。因此，根据上述结论可知，采用各向异性且可以实现电磁波能量传播方向改变的子单元80，可以减小整个汇聚电磁波的超材料的厚度，从而减少材料的消耗，实现轻薄、小型化。

构成超材料的各个超材料片层1可以完全相同，则此时对于平面电磁波，由于每个超材料片层1均可将经过该片层的一列电磁波汇聚到一点，故而沿x方向叠加而成的多个超材料片层1可以将电磁波汇聚成平行于x方向的一条线。

要实现汇聚成一点，各个超材料片层的折射率分布将不完全相同。在xy平面上，由子单元以x方向为堆叠行、y方向为列构成第二阵列中，折射率呈环形分布，至少包括共圆心的一个圆形分布区和一个环形分布区，且环形分布区的内径与圆形分布区的外径基本相同，相同半径的圆周上的各个超材料单元的折射率相同，且自圆形分布区外径所在的超材料单元到圆心所在的子单元80沿径向的折射率依次为b₁，b₂，b₃，……，b_q，自圆环分布区的外径所在的子单元80到圆环分布区的内径所在的子单元80沿径向的折射率依次为a₁，a₂，a₃，……，a_s，圆心所在的子单元80为中心电磁波汇聚透镜。

由以上可知，经过中心子单元的一堆叠行和一列子单元、经过中心子单元中心的任意一条直线上的多个子单元的中间部分子单元，它们的折射率均依次为a₁，a₂，a₃，……，a_s，b₁，b₂，b₃，……，b_m，c₁，c₂，c₃，……，c_p，且折射率为对称分布，即满足公式(8)至(10)。

由此得出的折射率分布，为了更直观的表示，在第二阵列上，将折射率相同的子单元连成一条线，并用线的疏密来表示折射率的大小，线越密折射率越大，则符合以上所有关系式的折射率分布如图3所示。

需要说明的是，由于实际上子单元80是一个立方体而非一个点，因此上述圆形、环形只是近似描述，实际上的折射率相同或基本相同的超材料单元是在一个锯齿形圆周上的。例如，假设超材料单元为边长为1mm的立方体，坐标原点为中心超材料单元的中心点，原理上设计认为坐标(x，y)为(3.2，5.7)上的折射率为n₁，则该折射率n₁实际上是坐标为(3，5)、(3，6)、(4，5)、(4，6)四个点所围成的一个方形超材料单元的折射率。其具体设计类似于计算机用方形像素点绘制圆形、椭圆形等平滑曲线时进行描点的编程模式(例如OpenGL)，其在像素点相对于曲线很小时曲线显示为光滑，而在像素点相对于曲线较大时曲线显示有锯齿。

综上所述，本发明的超材料具有以下特征：

1)折射率在xy平面上的分布如图10，沿z方向的折射率不变，可以实现汇聚。z方向的厚度可以做得非常薄，已经实现的是在2～3mm左右。

2)每个超材料片层1上的子单元80设计成各向异性，且其折射率不垂直且不平行于z方向，可以实现电磁波的能量传播方向在超材料内部向中间偏折，从而使出射时的电磁波汇聚的焦距减小，传播范围变窄；换言之，实现相同的汇聚效果，采用各向异性的子单元80可以使超材料做得更薄。

3)y方向的子单元80依次旋转，可以进一步增大电磁波在超材料内部的平移量，从而减小焦距，或者同理减薄超材料的厚度d。

在实际应用中，对于一个确定的应用环境，在超材料大小、位置、焦距确定、入射电磁波的传播特征也确定的情况下，可以先计算经过超材料上的子单元80的电磁波的偏折角度，再利用公式(7)计算相邻两个超材料单元的折射率差值Δn，可以用微分和积分来反求x、y方向上各个超材料单元的折射率n的分布。

由于折射率是由介电常数和磁导率共同决定的，因此可以通过改变介电常数来调整折射率，实现电磁波在xy平面上的不同折射率分布。改变超材料片层1中的第一材质81与第二材质82体积比重不同，或第一材质81中混合嵌入的第二材质82所选用的材质不同，即可改变子单元80的介电常数，进而改变一片超材料的折射率。

传统的超材料，其电磁波的汇聚是通过沿y方向和/或x方向的折射率的逐渐增大到一个最大值后逐渐减小而实现的。但是，由于子单元80的尺寸受到限制，而子单元80尺寸必须在入射电磁波波长的五分之一以内才能使得超材料片状对电磁波的响应视为连续，因此子单元80的最大尺寸只能为入射电磁波波长的五分之一，此时其折射率值也是有限的，当上述折射率逐渐增大到的最大值大于此时的折射率值，则无法实现汇聚目的。

由于电磁波的偏折角与超材料沿y方向的折射率变化量而有关，而不与折射率本身的值有关，因此，本发明的创新点在于，采用折射率值分段的第一至第四段超材料来实现汇聚，而各段超材料沿y方向的折射率变化量使得电磁波的偏折角满足汇聚功能，而折射率本身的值是始终保持在一个范围内的，例如第一段超材料沿y方向的折射率a₁，a₂，a₃，……，a_s和第二段超材料沿y方向的折射率b₁，b₂，b₃，……，b_q，二者的最大值a_s，b_q和最小值a₁，b₁是分别相等的，这就避免了因要满足的折射率值过大而无法制造的问题。

同时，在超材料尺寸一定、折射率的最大值和最小值相等的条件下，本发明的超材料采用了四段式超材料、且每段超材料均可达到最大值和最小值的方式，而传统超材料的折射率只有两个变化区段分别依次达到最大值和最小值，因此本发明的折射率的平均变化率是传统超材料的平均变化率的两倍，则电磁波的偏折角要远大于传统超材料，因此焦距变短。换言之，要实现相同的焦距，则本发明的超材料厚度将减薄，有利于实现小型化和轻便化。

综上所述，由于上述电磁波汇聚透镜中超材料片层1各段的折射率分布非均匀且各向异性，使入射电磁即发生偏移，又时期发生偏折，因此使电磁波折射汇聚的焦点更短。从而可以减少定向天线中超材料单元20的厚度。请一并参阅图9，电磁波在电磁波汇聚透镜的折射路径是可逆的，因此位于电磁波汇聚透镜焦点处的馈源10发出电磁波经电磁波汇聚透镜折射平行射出。从而使定向天线的馈源10设置于超材料单元20的焦点处。

进一步地说明，超材料单元20实物厚度为上述电磁波汇聚透镜的二分之一。因此当馈源10产生的电磁波经超材料单元20折射后，其在超材料单元20内折射偏折路径为m，折射偏折的电磁波散射于第一反射板30上并经第一反射板30反射再次经超材料单元20折射，其在超材料单元20内折射路径为K。根据电磁波在电磁波汇聚透镜中的折射汇聚原理：因为折射路径K等同电磁波在电磁波折射汇聚透镜内折射路经L，因此电磁波经由第一反射板30反射再次经超材料单元20折射而平行射出。

请参考图10，为本发明的另一实施例定向天线结构示意图。将馈源30置于超材料的边缘处，故不会如第一实施例一中的馈源10、馈源支架40及第二反射板50的阻挡来反射平行射出的平面波，使定向天线产生的平面波的信号更强。

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

1.一种定向天线，包括一馈源，其特征在于，所述定向天线还包括超材料单元和第一反射板，所述超材料单元包括至少一片超材料层，所述超材料层包括多个子单元，所述子单元包括第一材质和嵌入在第一材质中的第二材质；所述馈源产生的电磁波经超材料单元折射后而散射于第一反射板上，所述第一反射板将电磁波反射使电磁波再次经超材料单元折射而平行射出。

2.根据权利要求1所述的定向天线，其特征在于，所述第一材质选用陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料及铁磁材料中的任意一种。

3.根据权利要求1所述的定向天线，其特征在于，所述第二材质选用空气、金属材料、橡胶、塑料及树脂材料中的任意一种。

4.根据权利要求1所述的定向天线，其特征在于，所述定向天线还包括馈源支架和设置于馈源支架上第二反射板，所述第二反射板用于将馈源产生的向后辐射电磁波反射至所述超材料单元。

5.根据权利要求4所述的定向天线，其特征在于，所述第一反射板和第二反射板均采用光滑金属镜面。

6.根据权利要求1所述的定向天线，其特征在于，所述超材料单元包括沿x方向堆叠成一体的多个超材料片层，所述子单元以垂直于x方向的y方向为列、以同时垂直于x、y方向的z方向为行排成第一阵列，每行的子单元的折射率相同，每列所述子单元的折射率依次为a₁，a₂，a₃，……，a_s，b₁，b₂，b₃，……，b_m，c₁，c₂，c₃，……，c_p，各个折射率满足：

7.根据权利要求6所述的定向天线，其特征在于，所述b₁，b₂，b₃，……，b_m之间存在以下关系：

8.根据权利要求7所述的定向天线，其特征在于，每列所述子单元的折射率还具有如下关系：

9.根据权利要求8所述的定向天线，其特征在于，上述折射率还具有如下关系：

10.根据权利要求9所述的定向天线，其特征在于，所述多个超材料片层完全相同且具有相同的折射率分布。

11.根据权利要求9所述的汇聚电磁波的超材料，其特征在于，所述多个超材料片层具有不同的折射率分布，在每个由子单元以x方向为堆叠行、y方向为列构成第二阵列中，以一中心超材料单元为圆心，经过所述中心子单元的一堆叠行和一列子单元其折射率均依次为a₁，a₂，a₃，……，a_s，b₁，b₂，b₃，……，b_m，c₁，c₂，c₃，……，c_p。

12.根据权利要求11所述的汇聚电磁波的超材料，其特征在于，所述第二阵列的折射率呈环形分布，经过所述圆心的任意一条直线上的多个子单元至少部分子单元的折射率依次为a₁，a₂，a₃，……，a_s，b₁，b₂，b₃，……，b_m，c₁，c₂，c₃，……，c_p。

13.根据权利要求3所述的定向天线，其特征在于，所述每一子单元的第一材质上设有至少一个孔，第二材质填充在所述孔内。

14.根据权利要求13所述的定向天线，其特征在于，所述人造孔微结构为圆柱孔、球形孔、方形孔、多面体孔或不规则形孔。

15.根据权利要求1所述的定向天线，其特征在于，所述第一反射板呈板状。