CN103036061B - 一种超材料天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超材料天线，包括：波导、以及紧贴于所述波导并用于将所述波导发射的电磁波发散的第一超材料面板、具有电磁波汇聚功能并用于将所述第一超材料面板发散出来的电磁波转换为平面波的第二超材料面板。本发明提供的超材料天线的波导只需要波导，无需设置喇叭口，没有喇叭口的约束使得波导辐射出来的电磁波发散性更强。在波导上设置第一超材料面板使得电磁波更加发散，提高波导的近距离辐射范围，减小天线的整体尺寸，而且可以根据天线场分布的需求来调整天线近场能量。通过设计第二超材料面板核心层和渐变层上及各自之间的折射率变化将波导发射的电磁波转换为平面波，从而提高了天线的汇聚性能，减少了反射损耗，增强了传输距离。

Description

一种超材料天线

技术领域

本发明涉及天线领域，更具体地说，涉及一种无需喇叭口的超材料天线。

背景技术

喇叭天线是指波导终端张开成喇叭状的天线，其得名源于其形状。喇叭天线结构简单且方向图易于控制，可用作方向性天线也可用作馈源。喇叭天线的辐射角度由喇叭口的尺寸决定，当需要扩大其辐射角度时，相应的需要扩大其喇叭口的尺寸。现有技术在不增大喇叭口尺寸的情况下，扩大辐射角度的方法一般为在喇叭天线前端增设凹透镜，由于凹透镜的发散效果而使得辐射的电磁波被发散从而扩大辐射角度。由于凹透镜的曲面制造困难，现有技术中还提出一种利用凸透镜以扩大天线辐射角度的解决方案，如图1所示。图1中，天线辐射的电磁波经过凸透镜汇聚后再次发散辐射出去，再次发散辐射出去的电磁波的辐射角度大于未汇聚前的电磁波的辐射角度。然而，凸透镜仍然需要制造厚度不均匀的曲面以达到所需的效果，且凸透镜厚度较厚，不利于现有设备小型化的趋势。而且，目前的喇叭天线的喇叭口在一定程度上限制了电磁波的辐射范围，而且也影响了天线的尺寸。

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不足，提供一种辐射范围较宽且辐射角度可自由控制、尺寸较小且无需喇叭口的超材料天线。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种超材料天线，包括：波导、以及紧贴于所述波导并用于将所述波导发射的电磁波发散的第一超材料面板、具有电磁波汇聚功能并用于将所述第一超材料面板发散出来的电磁波转换为平面波的第二超材料面板；所述第一超材料面板包括第一基材及周期排布于所述第一基材上的多个第一人造金属微结构；所述第二超材料面板包括核心层，所述核心层包括多个具有相同折射率分布的核心超材料片层，每一核心超材料片层的折射率均呈圆形分布，圆心处折射率最大，随着半径的增大，折射率从n_p连续减小到n₀且相同半径处折射率相同；所述核心超材料片层包括核心超材料片层基材及周期排布于所述核心超材料片层基材表面的多个第三人造金属微结构。

在本发明所述的超材料天线中，所述第二超材料面板还包括对称设置于所述核心层两侧的第一渐变超材料片层至第N渐变超材料片层，其中对称设置的两层第N渐变超材料片层均靠近所述核心层；每一渐变超材料片层折射率均呈圆形分布，圆心处折射率最大，随着半径的增大从其最大折射率连续减小到n₀且相同半径处折射率相同，两个相邻的渐变超材料片层的最大折射率表示为n_i和n_i+1，其中n₀＜n_i＜n_i+1＜n_p，i为正整数，n_i对应于距离所述核心层较远的渐变超材料片层的最大折射率值；所述每一渐变超材料片层包括渐变超材料片层基材以及周期排布于所述渐变超材料片层基材表面的多个第二人造金属微结构；全部的渐变超材料片层和全部的核心超材料片层构成了所述第二超材料面板的功能层。

在本发明所述的超材料天线中，所述第二超材料面板还包括对称设置于所述功能层两侧的第一匹配层至第M匹配层，其中对称设置的两层第M匹配层均靠近所述第一渐变超材料片层；每一匹配层折射率分布均匀，靠近自由空间的所述第一匹配层折射率大致等于自由空间折射率，靠近所述第一渐变超材料片层的第M匹配层折射率大致等于所述第一渐变超材料片层最小折射率n₀。

在本发明所述的超材料天线中，每一渐变超材料片层和所有核心超材料片层随着半径r的变化，折射率分布关系式为：

$n\left(r\right)=n_{\max }-\frac{\sqrt{{\mathrm{ss}}^2+r^2}-\mathrm{ss}}{\sqrt{{\mathrm{ss}}^2+l^2}-\mathrm{ss}}*(n_{\max }-n_0);$

其中，n_max表示各超材料片层所具有的最大折射率值，n₀表示各超材料片层所具有的相同的最小折射率值，ss表示所述波导距第一渐变超材料片层的垂直距离，l表示各超材料片层所具有的相同的最大半径值。

在本发明所述的超材料天线中，每层核心超材料片层还包括覆盖于所述第三人造金属微结构上的覆盖层；周期排布于所述基材上的多个所述第三人造金属微结构的尺寸变化规律为：多个所述第三人造金属微结构的几何形状相同，所述第三人造金属微结构在所述核心超材料片层基材上呈圆形分布，圆心处的第三人造金属微结构尺寸最大，随着半径的增大，对应半径的第三人造金属微结构尺寸减小且相同半径处的第三人造金属微结构尺寸相同。

在本发明所述的超材料天线中，每层渐变超材料片层还包括覆盖于所述第二人造金属微结构上的覆盖层；周期排布于所述基材上的所述第二人造金属微结构的尺寸变化规律为：多个所述第二人造金属微结构的几何形状相同，所述第二人造金属微结构在所述渐变超材料片层基材上呈圆形分布，圆心处的第二人造金属微结构尺寸最大，随着半径的增大，对应半径的第二人造金属微结构尺寸减小且相同半径处的第二人造金属微结构尺寸相同。

在本发明所述的超材料天线中，所述第一超材料面板折射率呈圆形分布，圆心处的折射率最小且随着半径的增大，对应半径的折射率增大且相同半径处折射率相同。

在本发明所述的超材料天线中，所述第一超材料面板由多个折射率分布相同的第一超材料片层构成，所述第一超材料片层还包括覆盖于所述第三人造微结构上的覆盖层；多个第三人造微结构为第一人造金属微结构且几何形状相同，所述第一人造金属微结构在所述第一基材上呈圆形分布，且圆心处的第一人造金属微结构尺寸最小，随着半径的增大，对应半径的第一人造金属微结构尺寸增大且相同半径处的第一人造金属微结构尺寸相同。

在本发明所述的超材料天线中，所述多个第三人造金属微结构、所述多个第二人造金属微结构和所述多个第三人造金属结构具有相同的几何形状。

在本发明所述的超材料天线中，所述超材料天线还包括外壳，所述外壳与所述第二超材料面板构成封闭腔体，与所述第二超材料面板相接的外壳壁内侧还附着有吸波材料，与所述第二超材料面板相对的外壳壁由金属材质或高分子材料制成。

实施本发明的技术方案，具有以下有益效果：本发明提供的超材料天线的波导只需要波导，无需设置喇叭口，没有喇叭口的约束使得波导辐射出来的电磁波发散性更强。在波导上设置第一超材料面板使得电磁波更加发散，提高波导的近距离辐射范围，减小天线的整体尺寸。而且可以根据天线场分布的需求来调整天线近场能量。通过设计第二超材料面板核心层和渐变层上及各自之间的折射率变化将波导发射的电磁波转换为平面波，从而提高了天线的汇聚性能，大大减少了反射损耗，也就避免了电磁能量的减少，增强了传输距离，提高了天线性能。

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天线汇聚电磁波的示意图；

图2是构成超材料的基本单元的立体结构示意图；

图3本发明超材料天线的结构示意图；

图4是本发明超材料天线中构成第一超材料面板的第一超材料片层的结构示意图；

图5是本发明超材料天线中第二超材料面板的立体结构示意图；

图6是能对电磁波产生响应以改变超材料基本单元折射率的第一较佳实施方式的人造金属微结构的几何形状拓扑图案；

图6a为图6中人造金属微结构几何形状拓扑图案的衍生图案；

图7是能对电磁波产生响应以改变超材料基本单元折射率的第二较佳实施方式的人造金属微结构的几何形状拓扑图案；

图7a为图7中人造金属微结构几何形状拓扑图案的衍生图案。

具体实施方式

光，作为电磁波的一种，其在穿过玻璃的时候，因为光线的波长远大于原子的尺寸，因此我们可以用玻璃的整体参数，例如折射率，而不是组成玻璃的原子的细节参数来描述玻璃对光线的响应。相应的，在研究材料对其他电磁波响应的时候，材料中任何尺度远小于电磁波波长的结构对电磁波的响应也可以用材料的整体参数，例如介电常数ε和磁导率μ来描述。通过设计材料每点的结构使得材料各点的介电常数和磁导率都相同或者不同从而使得材料整体的介电常数和磁导率呈一定规律排布，规律排布的磁导率和介电常数即可使得材料对电磁波具有宏观上的响应，例如汇聚电磁波、发散电磁波等。该类具有规律排布的磁导率和介电常数的材料我们称之为超材料。

如图2所示，图2为构成超材料的基本单元的立体结构示意图。超材料的基本单元包括人造微结构1以及该人造微结构附着的基材2。本发明中，人造微结构为人造金属微结构，人造金属微结构具有能对入射电磁波电场和/或磁场产生响应的平面或立体拓扑结构，改变每个超材料基本单元上的人造金属微结构的图案和/或尺寸即可改变每个超材料基本单元对入射电磁波的响应。多个超材料基本单元按一定规律排列即可使得超材料对电磁波具有宏观的响应。由于超材料整体需对入射电磁波有宏观电磁响应因此各个超材料基本单元对入射电磁波的响应需形成连续响应，这要求每一超材料基本单元的尺寸为入射电磁波的十分之一至五分之一，优选为入射电磁波的十分之一。本段描述中，我们人为的将超材料整体划分为多个超材料基本单元，但应知此种划分方法仅为描述方便，不应看成超材料由多个超材料基本单元拼接或组装而成，实际应用中超材料是将人造金属微结构周期排布于基材上即可构成，工艺简单且成本低廉。周期排布即指上述我们人为划分的各个超材料基本单元上的人造金属微结构能对入射电磁波产生连续的电磁响应。

如图3所示，图3为本发明超材料天线的结构示意图。图3中，本发明超材料天线包括波导20、第一超材料面板30、第二超材料面板10以及外壳40，本发明中，波导20发射的电磁波频率为12.4G赫兹至18G赫兹。第二超材料面板10与外壳40构成密封腔体。图3中，该密封腔体为长方体形，但实际应用中，由于波导20尺寸小于第二超材料面板10的尺寸，因此密封腔体多为圆锥形。与第二超材料面板10相接的外壳壁内侧设置有吸波材料50，吸波材料50可为常规的吸波涂层亦可为吸波海绵等，波导20部分辐射到吸波材料50上的电磁波被吸波材料50吸收以增强天线的前后比。同时，与第二超材料面板10相对的外壳由金属或高分子材料制成，波导20部分辐射到金属或高分子材料外壳的电磁波被反射到第二超材料面板10或第一超材料面板30以进一步增强天线的前后比。进一步地，在距第二超材料面板10半波长处还设置有天线防护罩(图中未示)，天线防护罩保护第二超材料面板不受外部环境影响，此处的半波长是指波导20发出的电磁波的波长的一半。

第一超材料面板30直接贴附于波导20上。第一超材料面板30由多片折射率分布相同的第一超材料片层300构成，如图4所示，图4为第一超材料片层300的立体结构示意图，为清楚介绍第一超材料片层300，图4采用透视图画法，第一超材料片层300包括第一基材301以及周期排布于第一基材上的多个第一人造金属微结构302，优选地，在多个第一人造金属微结构302上还覆盖有覆盖层303使得第一人造金属微结构302被封装，覆盖层303与第一基材材质302相等且厚度相等。本发明中，覆盖层303与第一基材302的厚度均为0.4毫米，而人造金属微结构层的厚度为0.018毫米，因此整个第一超材料片层的厚度为0.818毫米。从这个数值上可以看出，本发明所有的超材料片层的厚度相较常规凸镜天线有很大的优势。

构成第一超材料片层300的基本单元仍如图2所示，但第一超材料片层300需具有发散电磁波的功能，根据电磁学原理，电磁波向折射率大的方向偏折。因此，第一超材料片层300上的折射率变化规律为：第一超材料片层300折射率呈圆形分布，圆心处的折射率最小且随着半径的增大，对应半径的折射率亦增大且相同半径处折射率相同。具有该类折射率分布的第一超材料片层300使得波导20辐射出来的电磁波被发散，从而提高波导的近距离辐射范围，使得超材料天线整体能够更小的尺寸。

更具体地，本发明中，第一超材料片层300上的折射率分布规律可以为线性变化，即n_(R)＝n_min+KR，K为常数，R为圆形分布的第一人造金属微结构附着的超材料基本单元中心点与第一基材中心点的连线距离，n_min为第一基材中心点所具有的折射率值。另外，第一超材料片层300上的折射率分布规律亦可为平方率变化，即n_(R)＝n_min+KR²；或为立方率变化即n_(R)＝n_min+KR³；或为幂函数变化，即n_(R)＝n_min*K^R等。由上述第一超材料片层300的变化公式可知，只要第一超材料片层300满足发散波导发射的电磁波即可。第一超材料面板使得电磁波更加发散，提高波导的近距离辐射范围，减小天线的整体尺寸。而且可以根据天线场分布的需求来调整天线近场能量。对于旁瓣要求小的应用场景，比如要求-40～-50dB，可以通过调整天线近场能量来设计第一超材料面板的折射率分布情况。对于要求半功率波束宽度(HPBW，Half-PowerBeamWidth)小的应用场景，也可以通过调整天线近场能量来设计第一超材料面板的折射率分布情况。不管是什么样的参数需求，只要调整近场能量分布就可实现应用需求，而且近场能量分布一旦确定就可以据此设计超材料的折射率分布。

下面详细描述本发明超材料天线第二超材料面板。第二超材料面板将经由第一超材料面板发散的电磁波汇聚后使得发散的球面电磁波以更适于远距离传输的平面电磁波辐射出去。如图5所示，图5为本发明第二超材料面板的立体结构示意图。图5中，第二超材料面板10包括核心层，该核心层由多个折射率分布相同的核心超材料片层11构成；对称设置于核心层两侧的第一渐变超材料片层101至第N渐变超材料片层，本实施例中渐变超材料片层为第一渐变超材料片层101、第二渐变超材料片层102以及第三渐变超材料片层103；所有的渐变超材料片层与所有的核心超材料片层构成第二超材料面板的功能层；对称设置于该功能层两侧的第一匹配层111至第M匹配层，每一匹配层折射率分布均匀且靠近自由空间的第一匹配层111折射率大致等于自由空间折射率，靠近第一渐变超材料片层的最后一层匹配层折射率大致等于该第一渐变超材料片层101最小的折射率；本实施例中匹配层包括第一匹配层111、第二匹配层112以及第三匹配层113。渐变超材料片层与匹配层均具有减少电磁波的反射，并起到阻抗匹配和相位补偿的作用，因此设置渐变超材料片层和匹配层是较优选的实施方式。

匹配层结构与第一超材料片层类似，由覆盖层和基材构成，与第一超材料片层不同之处在于，覆盖层和基材中间全部填充有空气，通过改变覆盖层与基材的间距以改变空气的占空比从而使得各匹配层具有不同的折射率。

构成核心超材料片层和渐变超材料片层的基本单元均如图2所示，且本发明中，为简化制作工艺，核心超材料片层和渐变超材料片层的尺寸结构与第一超材料片层相同，即均由0.4毫米的覆盖层、0.4毫米的基材以及0.018毫米的人造金属微结构构成各核心超材料片层与各渐变超材料片层。同时，本发明中，分别构成核心超材料片层、渐变超材料片层与第一超材料片层的第三人造金属微结构、第二人造金属微结构与第一人造金属微结构的几何形状均相同。

核心超材料片层和渐变超材料片层上的折射率均呈圆形分布，圆心处的折射率最大，随着半径的增大对应半径的折射率减小且相同半径处的折射率相同。其中核心超材料片层具有的最大折射率为n_p，两个相邻的渐变超材料片层的最大折射率为n_i和n_i+1，n_i对应于距离所述核心层较远的渐变超材料片层，n_p、n₀、n_i、n_i+1满足关系式n₀＜n_i＜n_i+1＜n_p。由核心超材料片层和渐变超材料片层构成的功能层的具体每一层上具有相同半径r的超材料基本单元的折射率分布满足：

$n\left(r\right)=n_{\max }-\frac{\sqrt{{\mathrm{ss}}^2+r^2}-\mathrm{ss}}{\sqrt{{\mathrm{ss}}^2+l^2}-\mathrm{ss}}*(n_{\max }-n_0)$

n_max表示各超材料片层所具有的最大折射率值，n₀表示各超材料片层所具有的相同的最小折射率值，ss表示波导距第一渐变超材料片层的垂直距离，l表示各超材料片层所具有的相同的最大半径值。

上面详细论述了第一超材料面板和第二超材料面板的整体折射率分布关系，由超材料原理可知，基材上附着的人造金属微结构的尺寸和图案直接决定超材料各点的折射率值。同时，根据实验可知，相同几何形状的人造金属微结构其尺寸越大时，对应的超材料基本单元折射率越大。本发明中，为实施方便，多个第三人造金属微结构、多个第二人造金属微结构、多个第一人造金属微结构具有相同的几何形状，因此构成第一超材料面板的第一超材料片层上的第一人造金属微结构排布规律为：多个第一人造微结构为第一人造金属微结构且几何形状相同，所述第一人造金属微结构在所述第一基材上呈圆形分布，且圆心处的第一人造金属微结构尺寸最小，随着半径的增大，对应半径的第一人造金属微结构尺寸亦增大且相同半径处的第一人造金属微结构尺寸相同。渐变超材料片层上的第二人造金属微结构排布规律为：多个第二人造金属微结构的几何形状相同，所述第二人造金属微结构在所述渐变超材料片层基材上呈圆形分布，且圆心处的第二人造金属微结构尺寸最大，随着半径的增大，对应半径的第二人造金属微结构尺寸减小且相同半径处的第二人造金属微结构尺寸相同。核心超材料片层上的第三人造金属微结构排布规律为：多个第三人造金属微结构的几何形状相同，所述第三人造金属微结构在所述核心超材料片层基材上呈圆形分布，且圆心处的第三人造金属微结构尺寸最大，随着半径的增大，对应半径的第三人造金属微结构尺寸减小且相同半径处的第三人造金属微结构尺寸相同。

满足上述第一超材料面板和第二超材料面板折射率分布要求的人造金属微结构的几何形状有多种，但基本都为能对入射电磁波产生响应的几何形状。由于改变入射电磁波磁场较为困难，因此目前多数人造金属微结构均为能对入射电磁波电场响应的几何形状，最典型的即为“工”字形人造金属微结构。下面详细描述几种人造金属微结构几何形状。第一超材料面板和第二超材料面板上可根据其需要的最大折射率和最小折射率调整人造金属微结构的尺寸以使其满足要求，调整的方式可通过计算机仿真亦可通过手工计算，由于其不是本发明重点，因此不作详细描述。

如图6所示，图6为能对电磁波产生响应以改变超材料基本单元折射率的第一较佳实施方式的人造金属微结构的几何形状拓扑图案。图6中，人造金属微结构呈“工”字形，包括竖直的第一金属分支1021以及分别垂直该第一金属分支1021且位于第一金属分支两端的第二金属分支1022，图6a为图6中人造金属微结构几何形状拓扑图案的衍生图案，其不仅包括第一金属分支1021、第二金属分支1022，每条第二金属分支两端还垂直设置有第三金属分支1023。

图7为能对电磁波产生响应以改变超材料基本单元折射率的第二较佳实施方式的人造金属微结构的几何形状拓扑图案。图7中，人造金属微结构呈平面雪花型，包括相互垂直的第一金属分支1021’以及两条第一金属分支1021’两端均垂直设置有第二金属分支1022’；图7a为图7所示人造金属微结构几何形状拓扑图案的衍生图案，其不仅包括两条第一金属分支1021’、四条第二金属分支1022’，四条第二金属分支两端还垂直设置有第三金属分支1023’。优选地，第一金属分支1021’长度相等且垂直于中点相交，第二金属分支1022’长度相等且中点位于第一金属分支端点，第三金属分支1023’长度相等且中点位于第二金属分支端点；上述金属分支的设置使得人造金属微结构呈各向同性，即在人造金属微结构所属平面内任意方向旋转人造金属微结构90°都能与原人造金属微结构重合。采用各向同性的人造金属微结构能简化设计、减少干扰。

本发明提供的超材料天线的波导只需要波导，无需设置喇叭口，没有喇叭口的约束使得波导辐射出来的电磁波发散性更强。在波导上设置第一超材料面板使得电磁波更加发散，提高波导的近距离辐射范围，减小天线的整体尺寸。而且可以根据天线场分布的需求来调整天线近场能量。通过设计第二超材料面板核心层和渐变层上及各自之间的折射率变化将波导发射的电磁波转换为平面波，从而提高了天线的汇聚性能，大大减少了反射损耗，也就避免了电磁能量的减少，增强了传输距离，提高了天线性能。

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 (8)

1.一种超材料天线，其特征在于，包括：波导、以及紧贴于所述波导并用于将所述波导发射的电磁波发散的第一超材料面板、具有电磁波汇聚功能并用于将所述第一超材料面板发散出来的电磁波转换为平面波的第二超材料面板；所述第一超材料面板包括第一基材及周期排布于所述第一基材上的多个第一人造金属微结构；所述第二超材料面板包括核心层，所述核心层包括多个具有相同折射率分布的核心超材料片层，每一核心超材料片层的折射率均呈圆形分布，圆心处折射率最大，随着半径的增大，折射率从n_p连续减小到n₀且相同半径处折射率相同；所述核心超材料片层包括核心超材料片层基材及周期排布于所述核心超材料片层基材表面的多个第三人造金属微结构；所述第二超材料面板还包括对称设置于所述核心层两侧的第一渐变超材料片层至第N渐变超材料片层，其中对称设置的两层第N渐变超材料片层均靠近所述核心层；全部的渐变超材料片层和全部的核心超材料片层构成了所述第二超材料面板的功能层；所述第二超材料面板还包括对称设置于所述功能层两侧的第一匹配层至第M匹配层，其中对称设置的两层第M匹配层均靠近所述第一渐变超材料片层；每一匹配层折射率分布均匀，靠近自由空间的所述第一匹配层折射率大致等于自由空间折射率，靠近所述第一渐变超材料片层的第M匹配层折射率大致等于所述第一渐变超材料片层最小折射率n₀；每一渐变超材料片层和所有核心超材料片层随着半径r的变化，折射率分布关系式为：

$n\left(r\right)=n_{\max }-\frac{\sqrt{{\mathrm{ss}}^2+r^2}-ss}{\sqrt{{\mathrm{ss}}^2+l^2}-ss}\×(n_{max}-n_0);$

其中，n_max表示各超材料片层所具有的最大折射率值，n₀表示各超材料片层所具有的相同的最小折射率值，ss表示所述波导距第一渐变超材料片层的垂直距离，l表示各超材料片层所具有的相同的最大半径值。

2.根据权利要求1所述的超材料天线，其特征在于，每一渐变超材料片层折射率均呈圆形分布，圆心处折射率最大，随着半径的增大从其最大折射率连续减小到n₀且相同半径处折射率相同，两个相邻的渐变超材料片层的最大折射率表示为n_i和n_i+1，其中n₀<n_i<n_i+1<n_p，i为正整数，n_i对应于距离所述核心层较远的渐变超材料片层的最大折射率值；所述每一渐变超材料片层包括渐变超材料片层基材以及周期排布于所述渐变超材料片层基材表面的多个第二人造金属微结构。

3.根据权利要求1所述的超材料天线，其特征在于，每层核心超材料片层还包括覆盖于所述第三人造金属微结构上的覆盖层；周期排布于所述基材上的多个所述第三人造金属微结构的尺寸变化规律为：多个所述第三人造金属微结构的几何形状相同，所述第三人造金属微结构在所述核心超材料片层基材上呈圆形分布，圆心处的第三人造金属微结构尺寸最大，随着半径的增大，对应半径的第三人造金属微结构尺寸减小且相同半径处的第三人造金属微结构尺寸相同。

4.根据权利要求2所述的超材料天线，其特征在于，每层渐变超材料片层还包括覆盖于所述第二人造金属微结构上的覆盖层；周期排布于所述基材上的所述第二人造金属微结构的尺寸变化规律为：多个所述第二人造金属微结构的几何形状相同，所述第二人造金属微结构在所述渐变超材料片层基材上呈圆形分布，圆心处的第二人造金属微结构尺寸最大，随着半径的增大，对应半径的第二人造金属微结构尺寸减小且相同半径处的第二人造金属微结构尺寸相同。

5.根据权利要求1所述的超材料天线，其特征在于，所述第一超材料面板折射率呈圆形分布，圆心处的折射率最小且随着半径的增大，对应半径的折射率增大且相同半径处折射率相同。

6.根据权利要求5所述的超材料天线，其特征在于，所述第一超材料面板由多个折射率分布相同的第一超材料片层构成，所述第一超材料片层还包括覆盖于所述第一人造金属微结构上的覆盖层；多个第一人造微结构的几何形状相同，所述第一人造金属微结构在所述第一基材上呈圆形分布，且圆心处的第一人造金属微结构尺寸最小，随着半径的增大，对应半径的第一人造金属微结构尺寸增大且相同半径处的第一人造金属微结构尺寸相同。

7.根据权利要求2所述的超材料天线，其特征在于，所述多个第三人造金属微结构、所述多个第二人造金属微结构和所述多个第一人造金属微结构具有相同的几何形状。

8.根据权利要求1所述的超材料天线，其特征在于，所述超材料天线还包括外壳，所述外壳与所述第二超材料面板构成封闭腔体，与所述第二超材料面板相接的外壳壁内侧还附着有吸波材料，与所述第二超材料面板相对的外壳壁由金属材质或高分子材料制成。