CN102891366B - 一种电磁透镜天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电磁透镜天线，包括具有汇聚功能的各向异性的超材料面板和位于超材料面板的焦点上的辐射单元，超材料面板沿电磁波的入射方向看过去包括具有相同中心轴的圆柱形区域和至少一个圆筒形区域，各区域内的折射率相对于所述中心轴径向对称且随着半径的增加逐渐变小同时变化率逐渐增大，各区域交界处的折射率非连续变化，不同区域的折射率变化范围相交非空，超材料面板由超材料片层堆叠而成，每个超材料片层包括基板和附着在基板上的多个人造微结构，人造微结构为非90度旋转对称结构，人造微结构的折射率椭球的非寻常光光轴不垂直且不平行于入射电磁波的方向。采用本发明所述的电磁透镜天线，可以实现定向接收或者发射电磁波。

Description

一种电磁透镜天线

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电磁透镜天线。

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，将辐射器发出的电磁波经过透镜汇聚后再发射出去，这种天线方向性比较强。

目前透镜的汇聚是依靠凸透镜的曲面形状的折射来实现，如图1所示，辐射器1发出的球面波经过凸透镜2汇聚后以平面波射出，凸透镜2的体积大而且笨重，不利于小型化的使用；而且凸透镜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，所以对加工精度的要求也比较高，此外凸透镜电磁损耗很大，容易老化，成本较高。

超材料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。通过对材料的物理结构进行有序设计，可突破某些天然材料的限制，从而获得超出自然界固有的普通材料的超常材料功能。

超材料包括由金属线构成的具有一定图案形状的的人造微结构和人造微结构所附着的基材，多个人造微结构在基材上阵列排布，基材对人造微结构起到支撑作用，可为任何与人造微结构不同的材料。这两种材料的叠加会在空间中产生一个等效介电常数与磁导率，这两个物理参数分别对应了材料整体的电场响应与磁场响应。超材料对电磁响应的特征是由人造微结构的特征所决定，而人造微结构的电磁响应很大程度上取决于其金属线的拓扑特征和超材料单元尺寸。超材料单元尺寸取决于人造微结构需要响应的电磁波，通常人造微结构的尺寸为所需响应的电磁波波长的十分之一，否则空间中由人造微结构所组成的排列在空间中不能被视为连续。

超材料单元的等效介电常数和等效磁导率(或等效介电常数和波阻抗)随着人造微结构的形状和尺寸的变化而变化，可人为设计和控制。由于人造微结构可以具有人为设计的电磁参数，从而超材料可以产生许多新奇的现象，为实现电磁波的汇聚提供了可能。

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，可以控制超材料的介电常数的大小呈连续的变化，当超材料的中间位置介电常数最大、以中间位置为圆心随着半径的增大介电常数连续地减小时，可以使该超材料具有对电磁波的汇聚作用，其原理图沿中心轴的剖面图参看附图2，A表示各向异性的超材料，当超材料A的介电常数呈中间高两边低的规律变化时，电磁波入射并经过超材料后可形成图2所示的汇聚电磁波。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，介电常数变化范围很大，因此要求人造微结构的尺寸也要变化很大，进行超材料的人造微结构设计时，由于人造微结构的尺寸受电磁波波长的限制，使得超材料的尺寸变化范围受限，所以很难制造大面积的超材料。

各向异性的超材料中的每个人造微结构为非90度旋转对称结构，即绕微结构上任一轴旋转90度后与微结构旋转之前不重合，如“I”形或者“I”形的衍生形如形，每个人造微结构的折射率椭球的非寻常光光轴不垂直且不平行于入射电磁波的传播方向。各向异性的超材料单元尺寸取决于人造微结构需要响应的电磁波，通常人造微结构的尺寸为所需响应的电磁波波长的十分之一，否则空间中由人造微结构所组成的排列在空间中不能被视为连续。

因此用各向异性的超材料替代凸透镜的电磁透镜天线实现汇聚时超材料的尺寸受限，只能制作出较小尺寸的超材料。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术中制造凸透镜天线工艺复杂、精度要求高以及加工普通各向异性的平面超材料透镜天线时为了制造大面积的平面超材料面板，人造微结构的尺寸跨度要求比较大，但是人造微结构本身的尺寸受其原理所限其尺寸跨度有限的缺陷，提出了一种新型的具有各向异性超材料面板的电磁透镜天线，其中具有各向异性的超材料面板的人造微结构的尺寸只需在较小范围内变化。该电磁透镜天线通过将超材料面板按照折射率的变化范围划分为折射率非连续的不同区域，不同区域中折射率变化范围相交非空、折射率的大小与人造微结构尺寸成正比，因此不同区域内人造微结构的尺寸变化范围相交非空，使得人造微结构的尺寸只需要在较小的范围内变化就可以实现汇聚的效果，且该各向异性超材料面板可以具有较大的面积。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种电磁透镜天线，包括具有汇聚功能的各向异性的超材料面板和位于所述超材料面板的焦点上的辐射单元，辐射单元发出的球面电磁波经过超材料面板后平行射出，所述超材料面板沿电磁波的入射方向看过去包括具有相同中心轴的圆柱形区域和至少一个圆筒形区域，所述各区域内的折射率相对于所述中心轴径向对称(即相同半径上的折射率相同)且随着半径的增加折射率逐渐变小同时折射率的变化率逐渐增大，所述各区域交界处的折射率非连续变化，不同区域的折射率变化范围相交非空，所述超材料面板由超材料片层堆叠而成，每个超材料片层包括片状的基板和附着在基板上的多个人造微结构，每个人造微结构为非90度旋转对称结构，每个人造微结构的折射率椭球的非寻常光光轴不垂直且不平行于入射电磁波的传播方向。

在本发明的优选实施方式中，所述超材料面板的人造微结构相对于所述中心轴径向对称排布(即相同半径上的人造微结构的形状和尺寸相同，垂直与所述中心轴的平面内的相同半径上的任意两个人造微结构可以通过旋转一定的角度彼此重合)，相对于中心轴径向对称排布的所述人造微结构的折射率椭球的非寻常光轴延长后相交于所述中心轴上的一点，且所述非寻常光轴延长线相交形成一个夹角，所述夹角的开口方向与入射电磁波的传播方向相反。

在本发明的优选实施方式中，所述各区域的折射率变化范围相同。

在本发明的优选实施方式中，所述人造微结构具有相同的几何形状。

在本发明的优选实施方式中，所述人造微结构相对于所述中心轴径向对称分布，所述人造微结构的尺寸随折射率的减小而减小，所述各区域内的人造微结构随着半径的增大所述人造微结构的尺寸逐渐减小，且不同区域内的人造微结构的尺寸变化范围相交非空。

在本发明的优选实施方式中，相同半径且沿所述中心轴的轴向平行的一行人造微结构其对应的各个折射率椭球的非寻常光轴相互平行。

在本发明的优选实施方式中，相同半径且沿轴向平行的一行人造微结构其尺寸相同。

在本发明的优选实施方式中，所述超材料面板的入射面和出射面设置有阻抗匹配层。

在本发明的优选实施方式中，所述人造微结构为“I”形

在本发明的优选实施方式中，所述人造微结构为“I”形的衍生形。

实施本发明的透镜天线，具有以下有益效果：该透镜天线通过将各向异性的超材料面板划分为折射率非连续的不同区域，使得超材料面板中的人造微结构的尺寸只需要在较小的范围内变化就可以实现汇聚的效果，可以实现电磁透镜天线定向接收或者发射电磁波。避免了现有技术中制造凸透镜天线工艺复杂、精度要求高以及加工普通平面各向异性超材料透镜天线时要求人造微结构的尺寸跨度比较大的缺陷，同时，由于人造微结构尺寸受电磁波波长限制，导致人造微结构尺寸受限，所以普通平面各向异性超材料透镜的尺寸受限，本发明进而克服了普通平面各向异性超材料透镜不能制造大面积超材料面板的缺陷。

附图说明

图1是现有的凸透镜天线汇聚电磁波的示意图；

图2是使用普通各向异性超材料面板的透镜天线的结构示意图。

图3是本发明提供的透镜天线的结构示意图；

图4是本发明使用的超材料面板中位于中间位置的超材料片层的结构示意图；

图5是辐射单元发出的电磁波经过位于中间位置的超材料片层汇聚后的示意图；

图6是位于中间位置的超材料片层折射率变化的示意图；

图7是带有阻抗匹配层的超材料片层的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细描述。

如图3所示，本实施例提供的具有各向异性超材料的电磁透镜天线包括具有汇聚功能的各向异性的超材料面板3和位于超材料面板3的焦点上的辐射单元1，辐射单元1位于中间位置的超材料面板的中心轴线的方向上，超材料面板3由多个超材料片层沿Z轴方向叠加在一起，超材料片层之间等间距排列组装或者相邻片层之间相贴合地堆叠为一体，每个超材料片层由片状的基板和附着在基板上的人造微结构组成，每片基板虚拟地划分为多个完全相同的相互紧挨着的立方体基材单元，这些基材单元以X轴方向为行、以与之垂直的Y轴方向为列依次阵列排布。基材单元的边长通常为入射电磁波波长的五分之一到十分之一之间。每个基材单元上附着有一个人造微结构，基材单元和附着在基材单元上的人造微结构共同构成一个超材料单元，如图3所示，本发明的超材料可看作是由多个超材料单元沿X、Y、Z三个方向阵列排布而成。

位于超材料面板中间位置的超材料片层如图4所示，人造微结构为“I”形，包括相对中心轴OO’对称的上下两个部分，每一部分分别包括三个区域A1～A2、B1～B2和C1～C2，在不同区域内，沿X轴方向的超材料单元中的人造微结构尺寸相同，沿Y轴方向的超材料单元中的人造微结构尺寸逐渐增大，每个“I”形人造微结构为非90度旋转对称结构，每个人造微结构的折射率椭球的非寻常光光轴不垂直且不平行于辐射单元发出的电磁波的传播方向。该超材料片层的折射率分布规律如图5和图6所示，其中n₁₁＞n₁₂＞n₁₃，n₂₁＞n₂₂＞n₂₃，n₃₁＞n₃₂＞n₃₃，(n₃₂-n₃₃)＞(n₃₁-n₃₂)＞(n₂₂-n₂₃)＞(n₂₁-n₂₂)＞(n₁₂-n₁₃)＞(n₁₁-n₁₂)，且(n₁₃，n₁₁)∩(n₂₃，n₂₁)≠φ，(n₁₃，n₁₁)∩(n₃₃，n₃₁)≠φ，(n₂₃，n₂₁)∩(n₃₃，n₃₁)≠φ，比如n₁₁＝n₂₁＝n₃₁时，各区域内的折射率相交就非空，在不同区域内折射率与微结构的尺寸成正比，超材料片层的人造微结构相对于中心轴OO’对称排布，“I”形人造微结构对应的折射率椭球的非寻常光轴与“I”形中间连接线的方向一致，相对于中心轴对称排布的人造微结构的折射率椭球的非寻常光轴延长后相交于中心轴上的一点，且所述非寻常光轴延长线相交形成一个夹角，所述夹角的开口方向与入射电磁波的传播方向相反。

多个超材料片层叠加而成的超材料面板上的金属微结构相对于中心轴OO’径向对称排布，超材料面板沿电磁波的入射方向看过去包括具有相同中心轴的圆柱形区域和两个圆筒形区域，圆柱形的半径为A1A2，一个圆筒的内径为A1A2*2外径为(A1A2+B1B2)*2，另一个圆筒的内径为(A1A2+B1B2)*2外径为(A1A2+B1B2+C1C2)*2，所述各区域内的折射率相对于中心轴OO’径向对称且随着半径的增加折射率逐渐变小同时折射率的变化率逐渐增大。需要说明的是，由于实际上超材料单元是一个立方体而非一个点，因此上述圆柱形和圆筒形只是近似描述，实际上折射率相同的超材料单元是分布在一个锯齿形圆周上的。另外，超材料面板由入射方向看过去可以包括更多的圆筒形区域，超材料面板根据需要可以截取入射面为正方形的方形柱体如图3也可以截取入射面为圆形的圆柱体。

为了减少电磁波在超材料面板上的反射，在超材料面板沿X轴方向的两个面(电磁波的入射面和出射面)上可以分别附着一个阻抗匹配层，如图7所示，在电磁波的入射面附着一个阻抗匹配层D1，在电磁波的出射面上附着阻抗匹配层D2。每个阻抗匹配层D1和D2分别包括4个阻抗匹配片层，附着在入射面上的阻抗匹配层D1的不同阻抗匹配片层的折射率由空气的折射率逐渐过渡到超材料面板沿X轴方向对应的的折射率，附着在出射面上的阻抗匹配层D2的不同阻抗匹配片层的折射率由超材料面板沿X轴方向的折射率逐渐过渡到空气的折射率，即沿X轴方向，折射率由空气到D1再到超材料面板逐渐过渡，同样，折射率由超材料面板到D2再到空气逐渐过渡。

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，比如人造微结构还可以是“I”形的衍生形如如形等。这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种电磁透镜天线，其特征在于，包括具有汇聚功能的各向异性的超材料面板和位于所述超材料面板的焦点上的辐射单元，所述辐射单元发出的球面电磁波经过所述超材料面板后平行射出，所述超材料面板沿电磁波的入射方向看过去包括具有相同中心轴的圆柱形区域和至少一个圆筒形区域，所述各区域内的折射率相对于所述中心轴径向对称且随着半径的增加折射率逐渐变小同时折射率的变化率逐渐增大，所述各区域交界处的折射率非连续变化，不同区域的折射率变化范围相交非空，所述超材料面板由超材料片层堆叠而成，每个超材料片层包括片状的基板和附着在基板上的多个人造微结构，每个人造微结构为非90度旋转对称结构，所述超材料片层平行于电磁波的入射方向，每个人造微结构的折射率椭球的非寻常光光轴不垂直且不平行于入射电磁波的传播方向。

2.如权利要求1所述的电磁透镜天线，其特征在于，所述超材料面板的人造微结构相对于所述中心轴径向对称排布，相对于中心轴径向对称排布的所述人造微结构的折射率椭球的非寻常光轴延长后相交于所述中心轴上的一点，且所述非寻常光轴的延长线相交形成一个夹角，所述夹角的开口方向与入射电磁波的传播方向相反。

3.根据权利要求2所述的电磁透镜天线，其特征在于，所述各区域的折射率变化范围相同。

4.根据权利要求2或3所述的电磁透镜天线，其特征在于，所述人造微结构具有相同的几何形状。

5.根据权利要求4所述的电磁透镜天线，其特征在于，所述人造微结构的尺寸随折射率的减小而减小，所述各区域内的人造微结构随着半径的增大所述人造微结构的尺寸逐渐减小，且不同区域内的人造微结构的尺寸变化范围相交非空。

6.根据权利要求5所述的电磁透镜天线，其特征在于，相同半径且沿所述中心轴的轴向平行的一行人造微结构其对应的各个折射率椭球的非寻常光轴相互平行。

7.根据权利要求6所述的电磁透镜天线，其特征在于，相同半径且沿轴向平行的一行人造微结构其尺寸相同。

8.根据权利要求7所述的电磁透镜天线，其特征在于，所述超材料面板的入射面和出射面设置有阻抗匹配层。

9.根据权利要求8所述的电磁透镜天线，其特征在于，所述人造微结构为“I”形。

10.根据权利要求8所述的电磁透镜天线，其特征在于，所述人造微结构为“I”形的衍生形。