CN102904067B - 一种天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及天线，包括辐射源和具有电磁波汇聚功能并用于将辐射源发射的电磁波转换为平面波的汇聚元件；汇聚元件包括功能介质板和阻抗匹配元件，阻抗匹配元件设置于功能介质板第一侧表面上且与功能介质板的该第一侧表面紧密贴合；阻抗匹配元件包括第一多个阻抗匹配层，且每一阻抗匹配层的折射率分布表示为：功能介质板划分为多个侧表面为曲面且彼此紧密贴合的同心圆环体；每一圆环体的底面半径小于顶面半径。本发明通过设计阻抗匹配层的折射率分布来减少反射干扰和损耗；将功能介质层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，使其具有更加优异的性能。

Description

一种天线

技术领域

本发明涉及电磁领域，更具体地说，涉及一种天线。

背景技术

随着科学技术的不断发展，电磁波技术逐渐深入到我们生活的各个方面。电磁波的一个重要的特性是它可以在任何的介质或真空中传播。在电磁波从发射端传播至接收端过程中，能量的损耗直接影响电磁信号传播的距离以及传输信号的质量。

当电磁波经过同一介质时，基本没有能量的损失；而当电磁波经过不同介质的分界面时，会发生部分反射现象。通常两边介质的电磁参数(介电常数或者磁导率)差距越大反射就会越大。由于部分电磁波的反射，沿传播方向的电磁能量就会相应损耗，严重影响电磁信号传播的距离和传输信号的质量。

为了避免折射率的变化使得在电磁波传播时产生反射，减少反射干扰与损耗，通常会在功能介质板上添加阻抗匹配层来减小反射的损耗。目前解决电磁波传输过程中的阻抗匹配问题主要采用等差设计，阻抗匹配层的折射率分布满足如下规律：其中i为阻抗匹配层的编号，n_g(r)为功能介质板的折射率分布函数。n_min为功能介质板的最小折射率。满足上述规律的阻抗匹配层虽然能够减少一定的反射干扰，但是效果不是很明显，因此需要一种改进的阻抗匹配技术来减少反射干扰与损耗。

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。目前透镜天线的汇聚是依靠透镜的球面形状的折射来实现。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：球形透镜的体积大而且笨重，不利于小型化的使用；球形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；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，严重影响天线性能。因此需要设计一种新型的天线。

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的反射干扰与损耗较大、性能差的缺陷，提供一种高性能的天线。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种天线，包括辐射源和具有电磁波汇聚功能并用于将所述辐射源发射的电磁波转换为平面波的汇聚元件；所述汇聚元件包括功能介质板和阻抗匹配元件，所述阻抗匹配元件设置于所述功能介质板第一侧表面上且与所述功能介质板的该第一侧表面紧密贴合；所述阻抗匹配元件包括第一多个阻抗匹配层，且每一阻抗匹配层的折射率分布表示为：

$n_i\left(r\right)=n_{\min }\×{\left(\frac{n_g\left(r\right)}{n_{\min }}\right)}^{\frac{i}{c+1}};$

其中，i表示阻抗匹配层的编号且i为正整数，越靠近所述功能介质板则阻抗匹配层的编号越大；n_i(r)表示第i层阻抗匹配层的距离其中心为半径r处的折射率；n_g(r)表示所述功能介质板的距离其中心为半径r处的折射率；n_min表示所述功能介质板的最小折射率；c表示阻抗匹配层的层数；

所述功能介质板用于将所述辐射源发射的电磁波转换为平面波，所述功能介质板划分为多个侧表面为曲面且彼此紧密贴合的同心圆环体；每一圆环体的底面半径小于顶面半径；电磁波经过所述透镜后在每一圆环体的顶面平行射出；设辐射源与第i个圆环体底面上一点的连线与垂直于功能介质板的直线之间的夹角为θ，夹角θ唯一对应第i个圆环体内的一曲面，且夹角θ唯一对应的曲面上每一处的折射率均相同；每一圆环体的折射率随着夹角θ的增大逐渐减小。

在本发明所述的天线中，所述阻抗匹配元件还包括紧密贴合于所述功能介质板第二侧表面上且与所述第一多个阻抗匹配层对称分布的第二多个阻抗匹配层，所述第二多个阻抗匹配层中每一阻抗匹配层的折射率分布与其对称分布在所述第一多个阻抗匹配层中的对应的阻抗匹配层相同。

在本发明所述的天线中，每一阻抗匹配层包括片状的基板和设置在所述基板上的多个人造微结构。

在本发明所述的天线中，设辐射源与第i个圆环体底面外圆周上一点的连线与垂直于功能介质板的直线之间的夹角为θ_i，i为正整数且越靠近功能介质板中心的圆环体对应的i越小；其中，夹角θ_i满足如下公式：

$\sin c\left({\mathrm{\θ}}_i\right)=\frac{d}{\mathrm{\λ}}(n_{\max (i+1)}-n_{\min \left(i\right)});$

$s\×(\frac{1}{\cos {\mathrm{\θ}}_i}-\frac{1}{\cos {\mathrm{\θ}}_{i-1}})=\frac{d}{\sin c\left({\mathrm{\θ}}_{i-1}\right)}{n}_{\max \left(i\right)}-\frac{d}{\sin c\left({\mathrm{\θ}}_i\right)}{n}_{\min \left(i\right)});$

其中， $\sin c\left({\mathrm{\θ}}_i\right)=\frac{\sin \left({\mathrm{\θ}}_i\right)}{{\mathrm{\θ}}_i},$ $\sin c\left({\mathrm{\θ}}_{i-1}\right)=\frac{\sin \left({\mathrm{\θ}}_{i-1}\right)}{{\mathrm{\θ}}_{i-1}},$ θ₀＝0；s为所述辐射源到所述功能介质板的距离；d为所述功能介质板的厚度；λ为电磁波的波长，n_max(i)、n_min(i)分别为第i个圆环体的最大折射率和最小折射率，n_max(i+1)、n_min(i+1)分别为第i+1个圆环体的最大折射率和最小折射率。

在本发明所述的天线中，相邻两个圆环体的最大折射率和最小折射率满足：n_max(i)-n_min(i)＝n_max(i+1)-n_min(i+1)。

在本发明所述的汇聚元件中，相邻三个圆环体的最大折射率和最小折射率满足：n_max(i+1)-n_min(i)＞n_max(i+2)-n_min(i+1)。

在本发明所述的天线中，第i个圆环体的折射率满足：

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

其中，θ为辐射源与第i个圆环体底面上一点的连线与垂直于功能介质板的直线之间的夹角。

在本发明所述的天线中，每一圆环体的侧表面的母线为圆弧段。

在本发明所述的天线中，第i个圆环体的外表面的母线为圆弧段，其中辐射源与第i个圆环体底面外圆周上一点的连线的垂线与所述功能介质板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。

在本发明所述的天线中，第i个圆环体的内表面的母线为圆弧段，其中辐射源与第i个圆环体底面内圆周上一点的连线的垂线与所述功能介质板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，其中i≥2。

实施本发明的技术方案，具有以下有益效果：通过设计天线的每一阻抗匹配层的折射率分布，使其满足相应的规律，来进一步地减少反射干扰和损耗，从而使得电磁波进入功能介质层时能量消耗减少，有利于电磁波的进一步传输。将汇聚元件的功能介质层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是依据本发明一实施例的汇聚元件的立体图；

图2是依据本发明一实施例的阻抗匹配元件的结构示意图；

图3是依据本发明另一实施例的阻抗匹配元件的结构示意图；

图4是功能介质板100的结构示意图；

图5示出了图4中的的功能介质板100的侧视图；

图6是图5所示的圆环段的构造示意图；

图7是折射率变化的示意图；

图8是在yz平面上的折射率分布图；

图9是依据本发明一实施例的天线汇聚电磁波的示意图。

具体实施方式

图9是依据本发明一实施例的天线汇聚电磁波的示意图，该天线包括辐射源20和具有电磁波汇聚功能的汇聚元件10，汇聚元件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面板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1是依据本发明一实施例的汇聚元件10的立体图。汇聚元件10包括阻抗匹配元件1001与功能介质板100。阻抗匹配元件1001设置于功能介质板100第一侧表面上且与功能介质板100的该第一侧表面紧密贴合。

其中，阻抗匹配元件1001包括第一多个阻抗匹配层且每一阻抗匹配层的折射率分布表示为：

$n_i\left(r\right)=n_{\min }\×{\left(\frac{n_g\left(r\right)}{n_{\min }}\right)}^{\frac{i}{c+1}};$

其中，i表示阻抗匹配层的编号且i为正整数，越靠近功能介质板100则阻抗匹配层的编号越大；n_i(r)表示第i层阻抗匹配层的距离其中心为半径r处的折射率；n_g(r)表示功能介质板100的距离其中心为半径r处的折射率；n_min表示所述功能介质板的最小折射率；c表示阻抗匹配层的层数。

依据上述公式，第1、2、3层的折射率分布分别表示如下：

第1层： $n_1\left(r\right)=n_{\min }\×{\left(\frac{n_g\left(r\right)}{n_{\min }}\right)}^{\frac{1}{c+1}};$

第2层： $n_2\left(r\right)=n_{\min }\×{\left(\frac{n_g\left(r\right)}{n_{\min }}\right)}^{\frac{2}{c+1}};$

第3层： $n_3\left(r\right)=n_{\min }\×{\left(\frac{n_g\left(r\right)}{n_{\min }}\right)}^{\frac{3}{c+1}};$

依次类推。只要功能介质板的折射率分布已知，则所需的阻抗匹配元件的每一阻抗匹配层就可依据上述公式计算得知。

如图2所示，阻抗匹配元件1001包括3层阻抗匹配层(编号分别为1、2、3)，这里的阻抗匹配层的层数仅为示例，并不作为对本发明的限制。其中第3层阻抗匹配层(编号为3)紧贴功能介质层。

在本发明另一实施例中，还可以在功能介质板100的另一侧也设置多个阻抗匹配层。也就是说，阻抗匹配元件1001还包括紧密贴合于功能介质板100第二侧表面上且与第一多个阻抗匹配层对称分布的第二多个阻抗匹配层，第二多个阻抗匹配层中每一阻抗匹配层的折射率分布与其对称分布在第一多个阻抗匹配层中的对应的阻抗匹配层相同。如图3所示，在功能介质板100的另一侧也设置有3个阻抗匹配层，这里的阻抗匹配层的层数仅为示例，并不作为对本发明的限制。其中第3层阻抗匹配层(编号为3’)紧贴功能介质层。功能介质板100两侧的阻抗匹配层对称分布。以图3所示的3层阻抗匹配层为例，左侧编号为1的阻抗匹配层与右侧编号为1’的阻抗匹配层相同，其折射率分布均为左侧编号为2的阻抗匹配层与右侧编号为2’的阻抗匹配层相同，其折射率分布均为左侧编号为3的阻抗匹配层与右侧编号为3’的阻抗匹配层相同，其折射率分布均为 $n_3\left(r\right)=n_{\min }\×{\left(\frac{n_g\left(r\right)}{n_{\min }}\right)}^{\frac{3}{c+1}}.$

本发明的功能介质板的材质不加限制，例如可以是超材料制作而成。下面对其进行描述。图3是功能介质板100的结构示意图，功能介质板100划分为多个侧表面为曲面且彼此紧密贴合的同心圆环体；每一圆环体的底面半径小于顶面半径；电磁波经过所述透镜后在每一圆环体的顶面平行射出。设辐射源与第i个圆环体底面上一点的连线与垂直于功能介质板100的直线之间的夹角为θ，夹角θ唯一对应第i个圆环体内的一曲面，且夹角θ唯一对应的曲面上每一处的折射率均相同；每一圆环体的折射率随着夹角θ的增大逐渐减小。在实际应用时透镜本身还可以不是多个圆环体的结合，而是一个透镜整体，只是设计时要满足上文所述的折射率分布规律。上文为了便于描述，将透镜划分为多个圆环体，但并不作为对本发明的限制。

可以理解的是，第1个圆环体为实心圆环体，也即只有一个曲面状侧表面。除第一个圆环体外，其他均为包含两个侧表面(内表面和外表面)。如图4所示。图4示出的功能介质板包括3个圆环体(101、102、103)，为了清楚地表示功能介质板100中每一圆环体的结构，图4以爆炸图的形式来示意。在实际使用时，3个圆环体紧密贴合在一起构成一个完整的功能介质板。这里的圆环体的数量仅为示意，并不作为对本发明的限制。圆环体101为第1个圆环体，圆环体102为第2个圆环体，圆环体103为第3个圆环体。图5示出了包括3个圆环体(101、102、103)的功能介质板100的侧视图。功能介质板100的厚度如图d所示，L表示垂直于功能介质板100的直线。由图5可知，每一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。

设辐射源与第i个圆环体底面外圆周上一点的连线与垂直于功能介质板100的直线之间的夹角为θ_i，i为正整数且越靠近功能介质板100中心的圆环体对应的i越小；其中，夹角θ_i满足如下公式：

$\sin c\left({\mathrm{\θ}}_i\right)=\frac{d}{\mathrm{\λ}}(n_{\max (i+1)}-n_{\min \left(i\right)});$

$s\×(\frac{1}{\cos {\mathrm{\θ}}_i}-\frac{1}{\cos {\mathrm{\θ}}_{i-1}})=\frac{d}{\sin c\left({\mathrm{\θ}}_{i-1}\right)}{n}_{\max \left(i\right)}-\frac{d}{\sin c\left({\mathrm{\θ}}_i\right)}{n}_{\min \left(i\right)});$

其中， $\sin c\left({\mathrm{\θ}}_i\right)=\frac{\sin \left({\mathrm{\θ}}_i\right)}{{\mathrm{\θ}}_i},$ $\sin c\left({\mathrm{\θ}}_{i-1}\right)=\frac{\sin \left({\mathrm{\θ}}_{i-1}\right)}{{\mathrm{\θ}}_{i-1}},$ θ₀＝0；s为所述辐射源到所述功能介质板100的距离；d为所述功能介质板100的厚度；λ为电磁波的波长，n_max(i)、n_min(i)分别为第i个圆环体的最大折射率和最小折射率，n_max(i+1)、n_min(i+1)分别为第i+1个圆环体的最大折射率和最小折射率。相邻两个圆环体的最大折射率和最小折射率满足：n_max(i)-n_min(i)＝n_max(i+1)-n_min(i+1)。

如图6所示，设n_max(1)、n_min(1)已知，第1个圆环体的θ₁以及n_max(2)可用下式计算得出：

$\sin c\left({\mathrm{\θ}}_1\right)=\frac{d}{\mathrm{\λ}}(n_{\max \left(2\right)}-n_{\min \left(1\right)});$

$s\×(\frac{1}{\cos {\mathrm{\θ}}_1}-1)=\frac{d}{\sin c\left({\mathrm{\θ}}_0\right)}{n}_{\max \left(1\right)}-\frac{d}{\sin c\left({\mathrm{\θ}}_1\right)}{n}_{\min \left(1\right)}).$

第2个圆环体的θ₂和n_max(3)可用下式计算得出：

$\sin c\left({\mathrm{\θ}}_2\right)=\frac{d}{\mathrm{\λ}}(n_{\max \left(3\right)}-n_{\min \left(2\right)});$

$s\×(\frac{1}{\cos {\mathrm{\θ}}_2}-\frac{1}{\cos {\mathrm{\θ}}_1})=\frac{d}{\sin c\left({\mathrm{\θ}}_1\right)}{n}_{\max \left(2\right)}-\frac{d}{\sin c\left({\mathrm{\θ}}_2\right)}{n}_{\min \left(2\right)}).$

第3个圆环体的θ₃可用下式计算得出：

$\sin c\left({\mathrm{\θ}}_3\right)=\frac{d}{\mathrm{\λ}}(n_{\max \left(4\right)}-n_{\min \left(3\right)});$

$s\×(\frac{1}{\cos {\mathrm{\θ}}_3}-\frac{1}{\cos {\mathrm{\θ}}_2})=\frac{d}{\sin c\left({\mathrm{\θ}}_2\right)}{n}_{\max \left(3\right)}-\frac{d}{\sin c\left({\mathrm{\θ}}_3\right)}{n}_{\min \left(3\right)}).$

在本发明一实施例中，相邻三个圆环体的最大折射率和最小折射率满足：n_max(i+1)-n_min(i)＞n_max(i+2)-n_min(i+1)。

如图6所示，每一圆环体的侧表面(包括外表面和内表面)的母线为圆弧段。第i个圆环体的外表面的母线为圆弧段，图中侧视图的圆弧段即为每一圆环体外表面的母线。其中辐射源(图中以圆圈来示意)与第i个圆环体底面外圆周上一点的连线的垂线与所述功能介质板100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。

第i个圆环体的内表面的母线为圆弧段，其中辐射源与第i个圆环体底面内圆周上一点的连线的垂线与功能介质板100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，其中i≥2。第一个圆环体是实心的，没有内表面。第i+1个圆环体的内表面紧密贴合于第i个圆环体的外表面，也即第i+1个圆环体的内表面与第i个圆环体的外表面的各处曲率相同。每一圆环体的内表面的折射率最大，外表面的折射率最小。

辐射源与第1个圆环体底面外圆周上一点的连线与L之间的夹角为θ₁，辐射源与第1个圆环体底面外圆周上一点的连线的垂线V₁与功能介质板100的另一面的交点是O₁，第1个圆环体外表面的母线为m1；m1是以O₁为圆心、V₁为半径旋转而来的圆环段。同理，辐射源与第2个圆环体底面外圆周上一点的连线与L之间的夹角为θ₂，辐射源与第2个圆环体底面外圆周上一点的连线的垂线V₂与功能介质板100的另一面的交点是O₂，第2个圆环体外表面的母线为m2；m2是以O₂为圆心、V₂为半径旋转而来的圆环段；辐射源与第3个圆环体底面外圆周上一点的连线与L之间的夹角为θ₃，辐射源与第3个圆环体底面外圆周上一点的连线的垂线V₃与功能介质板100的另一面的交点是O₃，第3个圆环体外表面的母线为m3；m3是以O₃为圆心、V₃为半径旋转而来的圆环段。如图5所示，圆环段m1、m2、m3相对于L对称分布。

对于任一圆环体而言，设辐射源与第i个圆环体底面上一点的连线与垂直于功能介质板100的直线之间的夹角为θ，第i个圆环体的折射率n_i(θ)随着θ的变化规律满足：

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

其中，n_max(i)为第i个圆环体的最大折射率。夹角θ唯一对应第i个圆环体内的一曲面，且夹角θ唯一对应的曲面上每一处的折射率均相同。夹角θ取值范围为

如图6所示，以第1个圆环体为例，辐射源与第1个圆环体底面上某一点的连线与垂直于功能介质板100的直线之间的夹角为θ，辐射源与第1个圆环体底面上该点的连线的垂线V与功能介质板100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唯一对应第1个圆环体内的一曲面，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。

功能介质板100可用于将所述辐射源发射的电磁波转换为平面波。其每一圆环体的折射率随着夹角θ的增大从n_max(i)减小到n_min(i)，折射率随半径变化的示意图如图7所示。

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功能介质板的折射率分布如图8所示。

前文所述的功能介质板100可以是图4所示的形状，当然也可以是其他需要的形状，只要是能够满足前文所述的折射率变化规律即可。

这里的阻抗匹配层可以是任何能够满足上述折射率分布规律的材料制成，本发明不加以限制。在本发明一实施例中，每一阻抗匹配层包括片状的基板和设置在基板上的多个人造微结构。通过设计人造微结构在基板上的排布来达到上述折射率分布规律。

为了更清楚地体现本发明所设计的阻抗匹配元件改善反射损耗的效果，分别对采用传统等差设计的阻抗匹配元件、以及依据本发明设计的阻抗匹配元件进行远场分析以及能量分布分析。传统等差设计的阻抗匹配元件的阻抗匹配层的折射率公式为：本发明设计的阻抗匹配元件的阻抗匹配层的折射率公式为：n_g(r)为功能介质板的折射率分布函数，两种阻抗匹配元件所辅助的功能介质板相同，例如均采用图4所示的功能介质板，因此n_g(r)相同。

经过实验可得，传统等差设计的阻抗匹配元件的能量分布图与本发明设计的阻抗匹配元件的能量分布图相比，要模糊很多。而反射越大，能量分布图就会越模糊，因此传统设计的阻抗匹配元件反射较大，损耗较多。对于采用相同功能介质板且相同匹配层数的前提下，经过传统等差设计的阻抗匹配元件后的能量为4443mw，而经过本发明提供的阻抗匹配元件后的能量为5251mw。经过试验所得的远场分析结果可知，传统设计的阻抗匹配元件的反射比本发明提供的阻抗匹配元件较大。因此，采用本发明的改进的折射率分布设计起到了进一步减少反射干扰和损耗的作用。

通过设计天线的每一阻抗匹配层的折射率分布，使其满足相应的规律，来进一步地减少反射干扰和损耗，从而使得电磁波进入功能介质层时能量消耗减少，有利于电磁波的进一步传输。将汇聚元件的功能介质层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，使天线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 (10)

1.一种天线，其特征在于，包括辐射源和具有电磁波汇聚功能并用于将所述辐射源发射的电磁波转换为平面波的汇聚元件；所述汇聚元件包括功能介质板和阻抗匹配元件，所述阻抗匹配元件设置于所述功能介质板第一侧表面上且与所述功能介质板的该第一侧表面紧密贴合；所述阻抗匹配元件包括第一多个阻抗匹配层，且每一阻抗匹配层的折射率分布表示为：

$n_i\left(r\right)=n_{\min }\×{\left(\frac{n_g\left(r\right)}{n_{\min }}\right)}^{\frac{i}{c+1}};$

其中，i表示阻抗匹配层的编号且i为正整数，越靠近所述功能介质板则阻抗匹配层的编号越大；n_i(r)表示第i层阻抗匹配层的距离其中心为半径r处的折射率；n_g(r)表示所述功能介质板的距离其中心为半径r处的折射率；n_min表示所述功能介质板的最小折射率；c表示阻抗匹配层的层数；

所述功能介质板用于将所述辐射源发射的电磁波转换为平面波，所述功能介质板划分为多个侧表面为曲面且彼此紧密贴合的同心圆环体；每一圆环体的底面半径小于顶面半径；电磁波经过所述汇聚元件后在每一圆环体的顶面平行射出；设辐射源与第i个圆环体底面上一点的连线与垂直于功能介质板的直线之间的夹角为θ，夹角θ唯一对应第i个圆环体内的一曲面，且夹角θ唯一对应的曲面上每一处的折射率均相同；每一圆环体的折射率随着夹角θ的增大逐渐减小；

其中，所述曲面的母线为圆弧段。

2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述阻抗匹配元件还包括紧密贴合于所述功能介质板第二侧表面上且与所述第一多个阻抗匹配层对称分布的第二多个阻抗匹配层，所述第二多个阻抗匹配层中每一阻抗匹配层的折射率分布与其对称分布在所述第一多个阻抗匹配层中的对应的阻抗匹配层相同。

3.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，每一阻抗匹配层包括片状的基板和设置在所述基板上的多个人造微结构。

4.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，设辐射源与第i个圆环体底面外圆周上一点的连线与垂直于功能介质板的直线之间的夹角为θ_i，i为正整数且越靠近功能介质板中心的圆环体对应的i越小；其中，夹角θ_i满足如下公式：

$\sin c\left({\mathrm{\θ}}_i\right)=\frac{d}{\mathrm{\λ}}(n_{\max (i+1)}-n_{\min \left(i\right)});$

$s\×(\frac{1}{\cos {\mathrm{\θ}}_i}-\frac{1}{\cos {\mathrm{\θ}}_{i-1}})=\frac{d}{\sin c\left({\mathrm{\θ}}_{i-1}\right)}{n}_{\max \left(i\right)}-\frac{d}{\sin c\left({\mathrm{\θ}}_i\right)}{n}_{\min \left(i\right)};$

其中， $\sin c\left({\mathrm{\θ}}_i\right)=\frac{\sin \left({\mathrm{\θ}}_i\right)}{{\mathrm{\θ}}_i},\sin c\left({\mathrm{\θ}}_{i-1}\right)=\frac{\sin \left({\mathrm{\θ}}_{i-1}\right)}{{\mathrm{\θ}}_{i-1}},$ θ₀＝0；s为所述辐射源到所述功能介质板的距离；d为所述功能介质板的厚度；λ为电磁波的波长，n_max(i)、n_min(i)分别为第i个圆环体的最大折射率和最小折射率，n_max(i+1)、n_min(i+1)分别为第i+1个圆环体的最大折射率和最小折射率。

5.根据权利要求4所述的天线，其特征在于，相邻两个圆环体的最大折射率和最小折射率满足：n_max(i)-n_min(i)＝n_max(i+1)-n_min(i+1)。

6.根据权利要求5所述的天线，其特征在于，相邻三个圆环体的最大折射率和最小折射率满足：n_max(i+1)-n_min(i)＞n_max(i+2)-n_min(i+1)。

7.根据权利要求4所述的天线，其特征在于，第i个圆环体的折射率满足：

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

其中，θ为辐射源与第i个圆环体底面上一点的连线与垂直于功能介质板的直线之间的夹角。

8.根据权利要求7所述的天线，其特征在于，每一圆环体的侧表面的母线为圆弧段。

9.根据权利要求4所述的天线，其特征在于，第i个圆环体的外表面的母线为圆弧段，其中辐射源与第i个圆环体底面外圆周上一点的连线的垂线与所述功能介质板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。

10.根据权利要求4所述的天线，其特征在于，第i个圆环体的内表面的母线为圆弧段，其中辐射源与第i个圆环体底面内圆周上一点的连线的垂线与所述功能介质板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内圆周上一点之间的垂线段为所述圆弧段的半径，其中i≥2。