CN102810750B - 超材料和超材料天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及超材料和超材料天线，包括侧表面为曲面的圆环体，且所述圆环体的底面半径小于顶面半径；设辐射源与所述圆环体底面上一点的连线与垂直于超材料的直线之间的夹角为θ，夹角θ唯一对应所述圆环体内的一曲面，且夹角θ唯一对应的曲面上每一处的折射率均相同；所述圆环体的折射率随着夹角θ的增大逐渐减小。本发明将超材料的折射率的跳变设计为曲面状，从而大大减少跳变处的折射、衍射和反射效应，减轻了互相干涉带来的问题，使得超材料和超材料天线具有更加优异的性能。

Description

超材料和超材料天线

技术领域

本发明涉及电磁领域，更具体地说，涉及超材料和超材料天线。

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。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。而且，多数透镜天线的折射率的跳变是沿一条简单的且垂直于透镜表面的直线，导致电磁波经过透镜时的折射、衍射和反射较大，严重影响透镜性能。

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折射、衍射和反射较大、透镜性能差的缺陷，提供一种高性能的超材料和超材料天线。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种超材料，包括侧表面为曲面的圆环体，且所述圆环体的底面半径小于顶面半径；电磁波经过所述超材料后在每一圆环体的顶面平行射出

设辐射源与所述圆环体底面上一点的连线与垂直于超材料的直线之间的夹角为θ，夹角θ唯一对应所述圆环体内的一曲面，且夹角θ唯一对应的曲面上每一处的折射率均相同；所述圆环体的折射率随着夹角θ的增大逐渐减小。

在本发明所述的超材料中，所述圆环体的折射率满足：

$n\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{\sin \mathrm{\θ}}{d\×\mathrm{\θ}}(n_{\max }\×d+s-\frac{s}{\cos \mathrm{\θ}})$

其中，s为所述辐射源到所述超材料的距离；d为所述超材料的厚度；n_max为所述圆环体的最大折射率。

在本发明所述的超材料中，所述圆环体的侧表面的母线为圆弧段。

在本发明所述的超材料中，其中所述辐射源与所述圆环体底面外圆周上一点的连线的垂线与所述超材料远离所述辐射源的一面的交点为所述圆弧段的圆心，所述交点与圆环体底面外圆周上一点之间的垂线段为所述圆弧段的半径。

在本发明所述的超材料中，所述超材料用于将所述辐射源发射的电磁波转换为平面波。

在本发明所述的超材料中，所述超材料两侧设置有阻抗匹配层。

本发明还提供一种超材料天线，包括超材料和设置在所述超材料焦点上的辐射源，所述超材料包括侧表面为曲面的圆环体，且所述圆环体的底面半径小于顶面半径；

设辐射源与所述圆环体底面上一点的连线与垂直于超材料的直线之间的夹角为θ，夹角θ唯一对应所述圆环体内的一曲面，且夹角θ唯一对应的曲面上每一处的折射率均相同；所述圆环体的折射率随着夹角θ的增大逐渐减小。

在本发明所述的超材料天线中，所述圆环体的折射率满足：

$n\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{\sin \mathrm{\θ}}{d\×\mathrm{\θ}}(n_{\max }\×d+s-\frac{s}{\cos \mathrm{\θ}})$

其中，s为所述辐射源到所述超材料的距离；d为所述超材料的厚度；n_max为所述圆环体的最大折射率。

在本发明所述的超材料天线中，所述圆环体的侧表面的母线为圆弧段。

在本发明所述的超材料天线中，其中所述辐射源与所述圆环体底面外圆周上一点的连线的垂线与所述超材料远离所述辐射源的一面的交点为所述圆弧段的圆心，所述交点与圆环体底面外圆周上一点之间的垂线段为所述圆弧段的半径。

实施本发明的技术方案，具有以下有益效果：将超材料的折射率的跳变设计为曲面状，从而大大减少跳变处的折射、衍射和反射效应，减轻了互相干涉带来的问题，使得超材料和超材料天线具有更加优异的性能。

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汇聚电磁波的示意图；

图2是依据本发明一实施例的超材料汇聚电磁波的示意图；

图3是图2所示的超材料10的结构示意图；

图4示出了图3中的的超材料10的侧视图；

图5是图4所示的圆环段的构造示意图；

图6是折射率变化的示意图；

图7是在yz平面上的折射率分布图。

具体实施方式

图2是依据本发明一实施例的超材料汇聚电磁波的示意图，具有电磁波汇聚功能的超材料10用于将辐射源20发射的电磁波转换为平面波。

作为公知常识我们可知，电磁波的折射率与成正比关系，当一束电磁波由一种介质传播到另外一种介质时，电磁波会发生折射，当物质内部的折射率分布非均匀时，电磁波就会向折射率比较大的位置偏折，通过设计超材料中每一点的电磁参数，就可对超材料的折射率分布进行调整，进而达到改变电磁波的传播路径的目的。根据上述原理可以通过设计超材料10的折射率分布使从辐射源20发出的球面波形式发散的电磁波转变成适于远距离传输的平面波形式的电磁波。

图3是图2所示的超材料10的结构示意图，超材料10包括侧表面为曲面的圆环体，且所述圆环体的底面半径小于顶面半径；电磁波经过所述超材料后在每一圆环体的顶面平行射出。设辐射源与所述圆环体底面上一点的连线与垂直于超材料的直线之间的夹角为θ，夹角θ唯一对应所述圆环体内的一曲面，且夹角θ唯一对应的曲面上每一处的折射率均相同；所述圆环体的折射率随着夹角θ的增大逐渐减小。

如图3所示，圆环体为实心圆环体，有一个曲面状侧表面。图4示出了包括圆环体的超材料10的侧视图。超材料10的厚度如图d所示，L表示垂直于超材料的直线。由图4可知，圆环体的侧视图为圆弧段，相同圆弧段上的折射率相同，也即该圆弧段所形成的圆环体的曲面上的折射率相同。虚线所示的圆弧段为圆环体内一虚拟曲面的母线。

如图5所示，圆环体的侧表面的母线为圆弧段。图中侧视图的圆弧段(实线)即为圆环体外表面的母线。虚线所示的圆弧段为圆环体内一曲面的母线，为了更清楚地描述相同曲面上的折射率相同，对圆环体内部的虚拟曲面(实际不存在，只是为了描述方便，虚拟出的一个曲面)也进行阐述。其中辐射源与圆环体底面外圆周上一点的连线的垂线与超材料10远离所述辐射源的一面的交点为所述圆弧段的圆心，所述交点与圆环体底面外圆周上一点之间的垂线段为所述圆弧段的半径。圆环体的中心处折射率最大，外表面的折射率最小。

辐射源与圆环体底面外圆周上一点C的连线与L之间的夹角为θ₃，辐射源与点C的连线的垂线V₃与超材料的另一面的交点是O₃，圆环体侧表面的母线为m3；m3是以O₃为圆心、V₃为半径旋转而来的圆环段。为了更清楚地描述相同曲面上的折射率相同，对圆环体内部的虚拟曲面也进行阐述。图5示出了圆环体内2个虚拟曲面对应的母线圆环段m1、m2。圆环段m1对应的夹角为θ₁，对应圆环体底面上点A，辐射源与点A的连线的垂线V₁与超材料10的另一面的交点是O₁，该虚拟曲面外表面的母线为m1；m1是以O₁为圆心、V₁为半径旋转而来的圆环段。同理，圆环段m2对应的夹角为θ₂，对应圆环体底面上点B，辐射源与点B的连线的垂线V₂与超材料10的另一面的交点是O₂，该虚拟曲面外表面的母线为m2；m2是以O₂为圆心、V₂为半径旋转而来的圆环段。如图5所示，圆环段m1、m2、m3相对于L对称分布。

对于圆环体底面上任一点D而言，设辐射源与圆环体底面上点D的连线与垂直于超材料10的直线之间的夹角为θ，夹角θ取值范围为圆环体的折射率n(θ)随着θ的变化规律满足：

$n\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{\sin \mathrm{\θ}}{d\×\mathrm{\θ}}(n_{\max }\×d+s-\frac{s}{\cos \mathrm{\θ}}).$

其中，s为辐射源到超材料10的距离；d为超材料10的厚度；n_max为所述圆环体的最大折射率。夹角θ唯一对应圆环体内的一曲面，且夹角θ唯一对应的曲面上每一处的折射率均相同。

如图5所示，辐射源与底面上某一点的连线与垂直于超材料10的直线之间的夹角为θ，辐射源与圆环体底面上该点的连线的垂线V与超材料的另一面的交点是O，母线m是以O为圆心、V为半径旋转而来的圆环段。夹角θ唯一对应圆环体内的一曲面，该曲面就是由母线m绕L旋转而来的，夹角θ唯一对应的该曲面上每一处的折射率均相同。

超材料可用于将所述辐射源发射的电磁波转换为平面波。其圆环体的折射率随着夹角的增大从n_max减小到n_min，折射率变化的示意图如图6所示。虚线所示的圆弧段为圆环体内一虚拟曲面的母线，相同曲面上的折射率相同。

超材料在实际的结构设计时，可以设计为多个超材料片层，每个片层包括片状的基板和附着在所述基板上的多个人造微结构或人造孔结构。多个超材料片层结合在一起后整体的折射率分布需要满足或近似满足上述公式，使得在同一曲面上的折射率分布相同，曲面的母线设计为圆弧。当然，在实际设计时，可能设计成精确的圆弧比较困难，可以根据需要设计为近似的圆弧或者阶梯状，具体的精确程度可依据需要来选择。随着技术的不断进步，设计的方式也会不断更新，可能会有更好的超材料设计工艺来实现本发明提供的折射率排布。

对于人造微结构来说，每个所述人造微结构为由金属丝组成的具有几何图案的平面或立体结构，例如但不限于“十”字形、平面雪花状、立体雪花状。金属丝可以为铜丝或银丝，可通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法附着在基板上。超材料内多个人造微结构使得超材料的折射率随着夹角θ的增大而减小。在入射电磁波确定的情况下，通过合理设计人造微结构的拓扑图案和不同尺寸的人造微结构在电磁波汇聚元件内的排布，就可以调整超材料的折射率分布，进而实现球面波形式发散的电磁波转变为平面形式的电磁波。

为了更直观的表示超材料片层在yz面上折射率折射率分布规律，将折射率相同的单元连成一条线，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超材料的折射率分布如图7所示。

本发明还提供一种超材料天线，如图2所示，超材料天线包括超材料10和设置在超材料10焦点上的辐射源20，超材料10的具体结构和折射率变化如上文所述，此处不再赘述。

前文所述的超材料可以是图3所示的形状，当然也可以制作成是其他需要的形状例如片状等，只要是能够满足前文所述的折射率变化规律即可。

在实际应用时，为了使得超材料的性能更好，减少反射，可以再超材料两侧均设置阻抗匹配层。关于阻抗匹配层的内容可参见现有技术资料，此处不再赘述。

本发明在超材料的折射率的跳变设计为曲面状，从而大大减少跳变处的折射、衍射和反射效应，减轻了互相干涉带来的问题，使得超材料具有更加优异的性能。

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 (9)

1.一种超材料，其特征在于，包括侧表面为曲面的圆环体，且所述圆环体的底面半径小于顶面半径；电磁波经过所述超材料后在每一圆环体的顶面平行射出；

设辐射源与所述圆环体底面上一点的连线与垂直于超材料的直线之间的夹角为θ，夹角θ唯一对应所述圆环体内的一曲面，且夹角θ唯一对应的曲面上每一处的折射率均相同；所述圆环体的折射率随着夹角θ的增大逐渐减小；

其中，所述圆环体的折射率满足：

$n\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{\sin \mathrm{\θ}}{d\×\mathrm{\θ}}(n_{\max }\×d+s-\frac{s}{\cos \mathrm{\θ}});$

其中，s为所述辐射源到所述超材料的距离；d为所述超材料的厚度；n_max为所述圆环体的最大折射率。

2.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，所述圆环体的侧表面的母线为圆弧段。

3.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，其中所述辐射源与所述圆环体底面外圆周上一点的连线的垂线与所述超材料远离所述辐射源的一面的交点为圆弧段的圆心，所述交点与圆环体底面外圆周上一点之间的垂线段为所述圆弧段的半径。

4.根据权利要求1～3任一项所述的超材料，其特征在于，所述超材料用于将所述辐射源发射的电磁波转换为平面波。

5.根据权利要求1～3任一项所述的超材料，其特征在于，所述超材料两侧设置有阻抗匹配层。

6.根据权利要求4所述的超材料，其特征在于，所述超材料两侧设置有阻抗匹配层。

7.一种超材料天线，其特征在于，包括超材料和设置在所述超材料焦点上的辐射源，所述超材料包括侧表面为曲面的圆环体，且所述圆环体的底面半径小于顶面半径；

设辐射源与所述圆环体底面上一点的连线与垂直于超材料的直线之间的夹角为θ，夹角θ唯一对应所述圆环体内的一曲面，且夹角θ唯一对应的曲面上每一处的折射率均相同；所述圆环体的折射率随着夹角θ的增大逐渐减小；

其中，所述圆环体的折射率满足：

$n\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{\sin \mathrm{\θ}}{d\×\mathrm{\θ}}(n_{\max }\×d+s-\frac{s}{\cos \mathrm{\θ}})$

其中，s为所述辐射源到所述超材料的距离；d为所述超材料的厚度；n_max为所述圆环体的最大折射率。

8.根据权利要求7所述的超材料天线，其特征在于，所述圆环体的侧表面的母线为圆弧段。

9.根据权利要求7所述的超材料天线，其特征在于，其中所述辐射源与所述圆环体底面外圆周上一点的连线的垂线与所述超材料远离所述辐射源的一面的交点为所述圆弧段的圆心，所述交点与圆环体底面外圆周上一点之间的垂线段为所述圆弧段的半径。