CN103367906B - 定向传播天线罩和定向天线系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及定向传播天线罩和定向天线系统，所述定向传播天线罩罩设于天线上，所述定向传播天线罩包括与所述天线对立设置的超材料面板，所述超材料面板包括至少一个超材料片层，以每个超材料片层上的其中一点为圆心形成多个折射率圆，若干同心的折射率圆形成一个圆环形折射率分布区；以折射率圆的圆心为极点O、平行于所述超材料片层的任一条以所述极点O为端点的射线Oy为极轴建立极坐标系，则所述超材料片层上任一半径为y的折射率圆的折射率n(y)满足如下公式：通过设计折射率分布，使得天线馈源发出的电磁波经超材料面板后能够形成平面波，制造加工容易，使得本不具备定向功能的天线能够实现定向传播，满足定向需求，提高了信号强度和天线增益。

Description

定向传播天线罩和定向天线系统

技术领域

本发明涉及通信领域，更具体地说，涉及定向传播天线罩和定向天线系统。

背景技术

超材料，俗称超材料，是一种新型人工合成材料，是由非金属材料制成的基板和附着在基板表面上或嵌入在基板内部的多个人工微结构构成的。基板可以虚拟地划分为矩形阵列排布的多个基板单元，每个基板单元上附着有人工微结构，从而形成一个超材料单元，整个超材料是由很多这样的超材料单元组成的，就像晶体是由无数的晶格按照一定的排布构成的。每个超材料单元上的人工微结构可以相同或者不完全相同。人工微结构是由金属丝组成的具有一定几何图形的平面或立体结构，例如组成圆环形、工字形的金属丝等。

由于人工微结构的存在，每个超材料单元具有不同于基板本身的电磁特性，因此所有的超材料单元构成的超材料对电场和磁场呈现出特殊的响应特性；通过对人工微结构设计不同的具体结构和形状，可以改变整个超材料的响应特性。

一般情况下，天线系统都会设置有天线罩。天线罩的目的是保护天线系统免受风雨、冰雪、沙尘和太阳辐射等的影响，使天线系统工作性能比较稳定、可靠。同时减轻天线系统的磨损、腐蚀和老化，延长使用寿命。但是天线罩除了保护天线功能之外，不能够兼具其他功能，功能很单一。例如在电磁波定向辐射的需求下，现有的天线罩不能满足此要求，需要更换天线才能实现，这样就会造成既有天线的浪费。而且现有的天线罩不能尽可能多地将天线辐射的电磁波调整到特定方向上，使得接收天线能够接收的信号有限。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有的天线罩功能单一，不具备电磁波定向辐射的缺陷，提供一种能够将定向传播电磁波的定向传播天线罩和定向天线系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种定向传播天线罩，所述定向传播天线罩罩设于天线上，所述定向传播天线罩包括与所述天线对立设置的超材料面板，所述超材料面板包括至少一个超材料片层，以每个超材料片层上的其中一点为圆心形成多个折射率圆，若干同心的折射率圆形成一个圆环形折射率分布区；以折射率圆的圆心为极点O、平行于所述超材料片层的任一条以所述极点O为端点的射线Oy为极轴建立极坐标系，则所述超材料片层上任一半径为y的折射率圆的折射率n(y)满足如下公式：

式中，l为振子到所述超材料片层的距离；λ为电磁波的波长；d为所述超材料片层的厚度， n_max和n_min分别表示所述超材料片层上的最大折射率和最小折射率； k表示折射率圆上任一点所在的圆环形折射率分布区的序号，floor是向下取整函数。

优选地，每个超材料片层由多个超材料单元排列而成，以所述极点O所在的超材料单元为圆心形成多个同心圆，让所述超材料片层的各个超材料单元分别位于这些同心圆上，由位于若干同心圆的超材料单元形成一个所述圆环形折射率分布区；每个超材料片层的各个超材料单元上附着有拓扑形状相同的人工微结构，位于每个圆环形折射率分布区内的同一同心圆的各个超材料单元上排布的所述人工微结构的几何尺寸均相同，随着同心圆的直径的增大，位于各个同心圆的超材料单元上排布的所述人工微结构的几何尺寸减小，而各个圆环形折射率分布区内位于最小直径同心圆的各个超材料单元上排布的所述人工微结构的几何尺寸均相等、位于最大直径同心圆的各个超材料单元上排布的所述人工微结构的几何尺寸均相等。

优选地，每个超材料片层由多个超材料单元排列而成，以所述极点O所 在的超材料单元为圆心形成多个同心圆，让所述超材料片层的各个超材料单元分别位于这些同心圆上，由位于若干同心圆的超材料单元形成一个所述圆环形折射率分布区；每个超材料片层的各个超材料单元上均形成有深度相同的圆形小孔，位于每个圆环形折射率分布区内的同一同心圆的各个超材料单元上形成的所述小孔的直径均相同，随着同心圆的直径的增大，位于各个同心圆的超材料单元上形成的所述小孔的直径增大，而各个圆环形折射率分布区内位于最小直径同心圆的各个超材料单元上形成的所述小孔的直径均相等、位于最大直径同心圆的各个超材料单元上形成的所述小孔的直径均相等。

优选地，每个超材料片层由多个超材料单元排列而成，以所述极点O所在的超材料单元为圆心形成多个同心圆，让所述超材料片层的各个超材料单元分别位于这些同心圆上，由位于若干同心圆的超材料单元形成一个所述圆环形折射率分布区；每个超材料片层的各个超材料单元上均形成有直径相同的圆形小孔，位于每个圆环形折射率分布区内的同一同心圆的各个超材料单元上形成的所述小孔的深度均相同，随着同心圆的直径的增大，位于各个同心圆的超材料单元上形成的所述小孔的深度增大，而各个圆环形折射率分布区内位于最小直径同心圆的各个超材料单元上形成的所述小孔的直径均相等、位于最大直径同心圆的各个超材料单元上形成的所述小孔的直径均相等。

优选地，每个超材料片层由多个超材料单元排列而成，以所述极点O所在的超材料单元为圆心形成多个同心圆，让所述超材料片层的各个超材料单元分别位于这些同心圆上，由位于若干同心圆的超材料单元形成一个所述圆环形折射率分布区；每个超材料片层的各个超材料单元上均形成有数量不等的直径和深度均相同的圆形小孔，位于每个圆环形折射率分布区内的同一同心圆的各个超材料单元上形成的所述小孔的数量均相同，随着同心圆的直径的增大，位于各个同心圆的超材料单元上形成的所述小孔的数量增多，而各个圆环形折射率分布区内位于最小直径同心圆的各个超材料单元上形成的所述小孔的数量均相等、位于最大直径同心圆的各个超材料单元上形成的所述小孔的数量均相等。

优选地，每个超材料片层的各个圆环形折射率分布区内的最小直径折射率 圆的折射率均相等、最大直径折射率圆的折射率均相等。

优选地，所述超材料面板包括多个沿片层表面叠加在一起的超材料片层，各个超材料片层上形成相同的圆环形折射率分布区。

优选地，各个超材料片层的相应圆环形折射率分布区内的直径相同的折射率圆的折射率均相同。

优选地，所述超材料面板的至少一侧设有阻抗匹配薄膜，每一阻抗匹配薄膜包括多个阻抗匹配层，每一阻抗匹配层是具有单一折射率的均匀介质，各个阻抗匹配层的折射率随着越靠近所述超材料面板由接近于或等于空气的折射率逐渐变化至接近于或等于所述超材料面板上最靠近所述阻抗匹配薄膜的超材料片层的折射率。

本发明还提供一种定向天线系统，包括天线，以及如上所述的定向传播天线罩，所述定向传播天线罩罩设于所述天线上。

本发明的定向传播天线罩和定向天线系统具有如下有益效果：通过精确设计超材料片层的折射率分布，使得天线馈源发出的电磁波经超材料面板后能够形成平面波，制造加工更加容易，成本更加低廉。本发明提供的天线罩使得本不具备定向功能的天线能够实现定向传播，满足定向需求。而且本发明的天线罩使得天线辐射出的不在接收天线接收方向上的辐射能量也能调整到合适的辐射方向上，尽可能多地将天线辐射的电磁波调整到接收天线的接收方向上，使得接收天线能够接收尽量多的信号，提高了信号强度和天线增益。

附图说明

下面将结合附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。

图1是本发明定向传播天线罩与天线的相对位置示意图；

图2是本发明的超材料片层其中一个超材料单元的透视示意图；

图3是图1中的超材料面板的一个超材料片层的截面放大图，其中建立了一极坐标系；

图4是图3中的超材料片层在所建立的极坐标系下被分隔为多个圆环形折射率分布区的正面放大图；

图5是对应图4所示的多个圆环形折射率分布区的折射率圆分布示意图；

图6是对应图5的折射率圆分布所形成的部分超材料片层的人工微结构的排布示意图；

图7是对应图5的折射率圆分布所形成的部分超材料片层的小孔的排布示意图；

图8是对应图5的折射率圆分布所形成的部分超材料片层的小孔的另一排布示意图；

图9是本发明的超材料面板的两侧分别覆盖一阻抗匹配薄膜时的结构示意图；

图10是本发明另一种实施例的定向传播天线罩的结构示意图。

具体实施方式

我们知道，电磁波由一种均匀介质传播进入另外一种均匀介质时会发生折射，这是由于两种介质的折射率不同而导致的。而对于非均匀介质来说，电磁波在介质内部也会发生折射且向折射率比较大的位置偏折。而折射率等于 也即介质的折射率取决于其介电常数和磁导率。

超材料是一种以人工微结构为基本单元并以特定方式进行空间排布、具有特殊电磁响应的人工复合材料。一般超材料包括多个超材料片层，每一超材料片层由人工微结构和用于附着人工微结构的基板构成(每个人工微结构及其所附着的基板部分人为定义为一个超材料单元)，通过调节人工微结构的拓扑形状和几何尺寸可改变基板上各点(也即各个超材料单元，由于每个超材料单元的尺寸应小于入射电磁波的波长的五分之一，优选为十分之一，一般非常微小，故每个超材料单元可看作一点，下同)的介电常数和磁导率。因此，我们可以利用人工微结构的拓扑形状和/或几何尺寸来调制基板上各点的介电常数和磁导率，从而使基板上各点的折射率以某种规律变化，得以控制电磁波的传播，并应用于具有特殊电磁响应需求的场合。实验证明，在人工微结构的拓扑形状相同的情况下，在单位面积上人工微结构的几何尺寸越大，基板上各点的介电常数越大；反之，介电常数越小。也即，在人工微结构的拓扑形状确定的情况 下，可以通过让基板上各点的人工微结构的几何尺寸的大小满足一定的规律来调制其介电常数，当用多个这种人工微结构呈一定规律排布的超材料片层叠加在一起形成超材料时，超材料空间各点的折射率也呈这种规律分布，即可达到改变电磁波的传播路径的目的。另外，我们也可在基板上开设小孔来形成这种折射率分布规律。

如图1至图2所示，定向传播天线罩罩设于天线(为了更好地说明天线与天线罩的位置关系，天线仅以馈源来示意)上，定向传播天线罩包括与所述天线对立设置的超材料面板20，K为天线的馈源等效点。馈源可以是传统的波纹喇叭，也可以是其他馈源类别，本发明不做限制。超材料面板20包括至少一个超材料片层22。超材料片层22的纵截面形状根据不同需要可以是方形、圆形或椭圆形。超材料片层22为多个时，超材料片层22沿垂直于片层表面的方向(也即天线的电磁波发射或接收方向)叠加而成，图中所示为3个超材料片层22两两相互之间直接前、后表面相粘接在一起的情形。具体实施时，所述超材料片层22的数目可依据需求来增减，各个超材料片层22也可等间距地排列组装在一起。由于每个超材料片层22的折射率分布规律均相同，故在下面仅选取一个超材料片层22作为示例进行说明。

根据以上电磁波在介质中传播的原理，可在所述超材料片层22上形成多个同心的圆环形折射率分布区24，让每一圆环形折射率分布区24内空间各点的折射率满足如下规律：以所述圆环形折射率分布区24的圆心为圆心形成多个同心的折射率圆，同一折射率圆上各点的折射率均相同，而随着折射率圆的直径的增大，各个折射率圆的折射率减小且减小量增大。对于各个圆环形折射率分布区24，直径较大的圆环形折射率分布区24内的最小直径折射率圆的折射率大于直径较小的相邻圆环形折射率分布区24内的最大直径折射率圆的折射率。以下介绍一种所述超材料片层22上的各个圆环形折射率分布区24内的最小直径折射率圆和最大直径折射率圆的折射率均分别相等(也即折射率变化范围相同)的折射率分段分布规律。

我们可以所述超材料片层22上的其中一点为极点O、平行于所述超材料片层22的任一条以所述极点O为端点的射线Oy为极轴建立极坐标系(如图

3所示)，则对于所述极轴Oy上的任一点(y，0)，其折射率应满足如下关系式：

(1)

其中，l为馈源到超材料片层22表面的距离；λ为电磁波的波长；d为所即直接去掉小数部分所剩的最大整数。

我们以所述极坐标系的极点O为圆心、以y为半径作一个圆即在所述超材料片层22上形成各点的折射率均相同的折射率圆，而以不同的y为半径作圆时形成多个同心的折射率圆。由若干折射率圆形成一个所述圆环形折射率分布区24，且各个圆环形折射率分布区24内的最小直径折射率圆的折射率均相等、最大直径折射率圆的折射率均相等，从而在所述超材料片层22上形成满足前述折射率分布规律的多个折射率圆。此时，k即为折射率圆上任一点所在的圆环形折射率分布区24的序号。

作为示例，我们以所述超材料片层22上大致正对所述天线的中心的位置作为所述极坐标系的极点O，则所述极坐标系在所述超材料片层22上的位置如图3所示；另外，我们以所述极坐标系的极点O为圆心形成多个相隔一定距离的同心圆，用以表示折射率圆，则两两相邻同心圆之间便分隔形成一个所述圆环形折射率分布区24，这样，所述超材料片层22上的圆环形折射率分布区24的分布即可用图4表示(图中同心圆用虚线表示)，图4中仅为四个相隔一定距离的同心圆所分隔形成的三个所述圆环形折射率分布区24，且由于最小直径的同心圆的直径为零，图中用一个点表示。假如我们将直径变大的三个所述圆环形折射率分布区24分别称为第一、第二和第三圆环形折射率分布区24，且第一圆环形折射率分布区24内随着折射率圆的直径的增大其折射率分别为n_max，n₁₁，…，n_1p，n_min，第二圆环形折射率分布区24内随着折射率圆的直径的增大其折射率分别为n_max，n₂₁，…，n_2m，n_min，第三圆环形折射率分布区24内随着折射率圆的直径的增大其折射率分别为n_max，n₃₁，…，n_3n，n_min， 则有如下关系式：

n_max≥n₁₁≥…≥n_1p≥n_min (2)

n_max≥n₂₁≥…≥n_2m≥n_min (3)

n_max≥n₃₁≥…≥n_3n≥n_min (4)

式(2)、(3)、(4)均不能同时取等号，且p、m、n均为大于0的自然数。优选，p＝m＝n。

为了直观地表示图4中所示的三个所示圆环形折射率分布区24内的折射率圆的折射率分布规律，我们用多个同心圆来表示折射率圆，用线的疏密表示折射率的大小，线越密折射率越大，线越疏折射率越小，则所述超材料片层22上的各个折射率圆的折射率变化规律如图5所示。

对于多个所述超材料片层22，我们让其沿垂直于片层表面的方向叠加在一起，且各个超材料片层22上形成相同的圆环形折射率分布区24，而各个超材料片层22上的相应圆环形折射率分布区24内的直径相同的折射率圆的折射率均相同，从而形成所述超材料面板20。

下面我们举例说明如何通过人工微结构的排布来让每个超材料片层22上的折射率分布满足式(1)。请参考图6所示，每个超材料片层22包括基板222和附着在所述基板222上的多个人工微结构224。所述基板222可由聚四氟乙烯等高分子聚合物或陶瓷材料制成。所述人工微结构224通常为金属线如铜线或者银线构成的具有一定拓扑形状的平面或立体结构，并通过一定的加工工艺附着在所述基板222上，例如蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻、离子刻等。一般，我们将每个人工微结构224及其所附着的基板222部分人为定义为一个超材料单元223，且每个超材料单元223的尺寸应小于所要响应的电磁波的波长的五分之一，优选为十分之一，以使所述超材料片层22对电磁波产生连续响应。可见，每个超材料片层22可看作是由多个超材料单元223阵列排布而成的。由于所述超材料单元223非常微小，可以近似看作一个点，因此，圆便可看作是由无数个所述超材料单元223沿圆周排制而成的。这样，我们可以所述超材料片层22的任一超材料单元223为圆心形成多个同心圆26，如图中虚线所示，从而使所述超材料片层22的各个超材料单元223分别位于这些同心圆26上，由位于若干同心圆26的超材料单元223形成一个所述圆环形折射率 分布区24；让具有相同拓扑形状的所述人工微结构224附着在所述超材料片层22的各个超材料单元223上，并让大致位于每个圆环形折射率分布区24内的同一同心圆26的各个超材料单元223上排布的所述人工微结构224的几何尺寸均相同，随着同心圆26的直径的增大，位于各个同心圆26的超材料单元223上排布的所述人工微结构224的几何尺寸减小，而各个圆环形折射率分布区24内位于最小直径同心圆26的各个超材料单元223上排布的所述人工微结构224的几何尺寸均相等、位于最大直径同心圆26的各个超材料单元223上排布的所述人工微结构224的几何尺寸均相等。由于大致位于不同直径同心圆26的各个超材料单元223上的所述人工微结构224与基板222的相应部分一起表征了不同的介电常数和磁导率，且随着所述超材料单元223所在的同心圆26的直径增大，所述超材料单元223的介电常数减小。如此，即在所述超材料片层22上形成多个同心的折射率圆，且在每个圆环形折射率分布区24内，这些同心的折射率圆的折射率不断减小，各个圆环形折射率分布区24内的最小直径折射率圆的折射率均相等、最大直径折射率圆的折射率均相等，形成随着折射率圆的直径的增大，其折射率呈分段式或不连续分布的规律。图6所示仅为所述人工微结构224在部分所述超材料片层22的各个超材料单元223上的一个排布示意图，其中，同心圆26的圆心为位于图中所示超材料片层22的中心的超材料单元223，所述人工微结构224是呈雪花状的平面金属微结构且在每个圆环形折射率分布区24内随着同心圆26的直径的增大是等比例缩小的。事实上，所述人工微结构224的排布方式还有多种，且可让构成所述人工微结构224的线条的宽度相等，这样可简化制造工艺。

如图2所示，超材料片层22可以划分为阵列排布的多个如图2所示的超材料单元223，每个超材料单元223包括前基板单元U、后基板单元V及设置在基板单元U、后基板单元V之间的人工微结构224，通常超材料单元223的长宽高均不大于五分之一波长，优选为十分之一波长，因此，根据天线的工作频率可以确定超材料单元223的尺寸。图2为透视的画法，以表示人工微结构的超材料单元223中的位置，如图2所示，人工微结构224夹于基板单元U、后基板单元V之间，其所在表面用SR表示。图2的基板与人工微结构的位置 仅为示例，当然也可以仅适用一个基板，在其上附着人工微结构，本发明对此不做限制。前基板与后基板的压合的方法可以是直接热压，也可以是利用热熔胶连接，当然也可是其它机械式的连接，例如螺栓连接。

另外，我们也可在所述超材料片层22的基板222上通过开设小孔来形成满足式(1)的折射率分布规律。如图7所示，所述超材料片层32包括基板322和形成在所述基板322上的多个小孔324。所述小孔324可根据所述基板322的材质不同对应采用合适的工艺形成于所述基板322上。例如当所述基板322由高分子聚合物制成时，可通过钻床钻孔、冲压成型或者注塑成型等工艺在所述基板322上形成所述小孔324，而当所述基板322由陶瓷材料制成时则可通过钻床钻孔、冲压成型或者高温烧结等工艺在所述基板322上形成所述小孔324。我们亦将每个小孔324及其所在的基板322部分人为定义为一个超材料单元323，且每个超材料单元323的尺寸应小于入射电磁波的波长的五分之一。这样，所述超材料片层32亦可看作是由多个超材料单元323阵列排布而成的。

由实验可知，当所述小孔324内填充的介质是空气时，所述小孔324占整个超材料单元323的体积越大，所述超材料单元323的折射率越小。这样，同上，由于圆可看作是由无数个所述超材料单元323沿圆周排制而成的，我们可以所述超材料片层32的任一超材料单元323为圆心形成多个同心圆36，如图中虚线所示，从而使所述超材料片层32的各个超材料单元323分别位于这些同心圆36上，由位于若干同心圆36的超材料单元323形成一个所述圆环形折射率分布区34；在每个超材料单元323上形成一个所述小孔324，让大致位于每个圆环形折射率分布区34内的同一同心圆36的各个超材料单元323上形成的所述小孔324的深度和直径均相同(即体积相同)，随着同心圆36的直径的增大，位于各个同心圆36的超材料单元323上形成的所述小孔324的深度不变而直径增大。以便在所述超材料片层32上形成多个同心的折射率圆，且在每个圆环形折射率分布区34内，这些同心的折射率圆的折射率不断减小，各个圆环形折射率分布区34内的最小直径折射率圆的折射率均相等、最大直径折射率圆的折射率均相等，形成随着折射率圆的直径的增大，其折射率呈分段 式或不连续分布的规律。图7所示仅为所述小孔324在部分所述超材料片层32的各个超材料单元323上的一个排布示意图，其中，同心圆36的圆心为位于图中所示超材料片层32的中心的超材料单元323。

同理，我们也可让具有相同直径的所述小孔324排布于这些同心圆36上，在每个圆环形折射率分布区34内随着同心圆的直径的增大，通过调整所述小孔324的深度来形成满足式(1)的折射率分布规律，从而形成多个折射率变化范围相同的圆环形折射率分布区34。而且，所述小孔324占整个超材料单元323的体积不仅可通过在所述超材料单元323上形成一个几何尺寸不同的所述小孔324来实现，还可通过在所述超材料单元323上形成数量不等而几何尺寸相同或不相同的所述小孔324来实现，如图8所示。

形成所述超材料面板20时，让各个所述超材料片层22沿片层表面叠加在一起，并让位于相同直径的同心圆的超材料单元223上排布几何尺寸相同的所述人工微结构244，或者让各个所述超材料片层32沿片层表面叠加在一起，并让位于相同直径的同心圆的超材料单元323上形成占整个超材料单元323的体积相同的一个或多个所述小孔324，使各个所述超材料片层22上的直径相同的折射率圆的折射率均相同。

由上可知，通过在所述超材料面板20的各个超材料片层22或32上设置具有一定拓扑形状及/或几何尺寸的人工微结构224或小孔324并让其按照一定的规律排布，即可得以调制各个超材料单元22或32的介电常数和磁导率，从而在各个超材料片层22或32上形成满足式(1)的折射率分布规律，也即形成多个折射率随折射率圆的直径的增大而减小且折射率变化范围相同的圆环形折射率分布区24或34，使电磁波向特定的方向传播，即可提高其方向性和增益，让电磁波传播的更远，定向性更强。

此外，由于空气与所述超材料面板20的折射率不同，电磁波入射和出射所述超材料面板20时还会发生发射，这时，我们通常在所述超材料面板20两侧设置阻抗匹配薄膜来减少电磁波反射。如图9所示，所述超材料面板20两侧分别形成一阻抗匹配薄膜40，每一阻抗匹配薄膜40包括多个压制在一起的阻抗匹配层42，每一阻抗匹配层42是均匀介质，具有单一的折射率，各个 阻抗匹配层42具有不同的折射率，且随着越靠近所述超材料面板20其折射率由接近于或等于空气的折射率逐渐变化至接近于或等于所述超材料面板20的最靠近所述阻抗匹配薄膜40的超材料片层22或32的折射率。各个阻抗匹配层42的折射率均满足以下公式：

式中，m表示所述超材料面板20一侧的阻抗匹配薄膜40的总层数，i表示阻抗匹配层42的序号，最靠近所述超材料面板20的阻抗匹配层42的序号为m。从式(5)可知，每一阻抗匹配层42的总层数m与所述超材料面板20的超材料片层22或32的最大折射率n_max与最小折射率n_min有直接关系；当i＝1时，式(5)表示与空气接触的阻抗匹配层42的折射率，其应接近于或等于空气的折射率，可见，只要n_max与n_min确定，就可以确定每一阻抗匹配层42的总层数m。

各个所述阻抗匹配层42的结构类似于所述超材料片层22或32，分别包括基板和附着在所述基板上的人工微结构或者是形成于所述基板上的小孔，通过调制人工微结构或小孔的几何尺寸和/拓扑形状来使各个阻抗匹配层42的折射率达到所需的要求，从而实现从空气到所述超材料片层22或32的匹配。当然，所述阻抗匹配薄膜40可以是由自然界中存在的多个具有单一折射率的材料制成的。

所述超材料面板20的两侧分别设置所述阻抗匹配薄膜40时，式(1)中的l为馈源到与其最靠近的阻抗匹配薄膜40表面的距离。

以上所述仅是本发明的多个具体实施方式和/或实施例，不应当构成对本发明的限制。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明基本思想的前提下，还可以做出多个改进和润饰，而这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。比如，式(1)的折射率分布规律还可通过所述人工微结构224或小孔324的拓扑形状或拓扑形状结合几何尺寸来实现，且所述小孔324内也可填充折射率各不相同的介质来改变各个超材料单元323的折射率。

图10是本发明另一种实施例的结构示意图。在本实施例中，不同的是超材料面板20被分成四个单元板200，四个单元板200之间通过铰接的方式， 可以折叠在一起。这样有利于天线罩的加工制造以及安装维护，多个单元板可拆卸的连接，或者多个单元板通过可转动的连接方式可以折叠，只占据很小的面积。单元板200的形成可以有以下两种方式：

(1)整体加工后割裂成片，这种方式适合较小的面积的超材料平板。

(2)设计好超材料面板的整体结构参数，在制造前即将其分成多个单元板200，对这些单元板单独加工制造。这种方式非常适合超大型的超材料面板加工。

单元板，优选地采用同样的尺寸，这样方便叠在一起，单元板的数量可以根据需要设定。

多个单元板200可拆卸的连接，例如可以是螺栓连接、粘接、卡扣连接等。本实施例中，优选地，多个单元板200通过可转动的连接方式可以折叠。在不同的应用场景，可对天线罩的形状进行共形设计。图中示意的天线罩的形状为平板状，在实际设计时也可以根据依据天线的具体需求来设计天线罩的形状，比如可以设计成圆球状或者与天线形状匹配的形状(共形的天线罩)等，本发明对此不作限制。

本发明还提供一种定向天线系统，包括天线及如上所述的定向传播天线罩，所述定向传播天线罩罩设于所述天线上。定向传播天线罩的具体内容如上所述，此处不再赘述。

本发明的定向传播天线罩和定向天线系统具有如下有益效果：通过精确设计超材料片层的折射率分布，使得天线馈源发出的电磁波经超材料面板后能够形成平面波，制造加工更加容易，成本更加低廉。本发明提供的天线罩使得本不具备定向功能的天线能够实现定向传播，满足定向需求。而且本发明的天线罩使得天线辐射出的不在接收天线接收方向上的辐射能量也能调整到合适的辐射方向上，尽可能多地将天线辐射的电磁波调整到接收天线的接收方向上，使得接收天线能够接收尽量多的信号，提高了信号强度和天线增益。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未违背本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种定向传播天线罩，其特征在于，所述定向传播天线罩罩设于天线上，所述定向传播天线罩包括与所述天线对立设置的超材料面板，所述超材料面板包括至少一个超材料片层，以每个超材料片层上的其中一点为圆心形成多个折射率圆，若干同心的折射率圆形成一个圆环形折射率分布区；以折射率圆的圆心为极点O、平行于所述超材料片层的任一条以所述极点O为端点的射线Oy为极轴建立极坐标系，则所述超材料片层上任一半径为y的折射率圆的折射率n(y)满足如下公式：

$n\left(y\right)=n_{max}-\frac{\sqrt{l^2+y^2}-l-k\mathrm{\λ}}{d}$

式中，l为振子到所述超材料片层的距离；λ为电磁波的波长；d为所述超材料片层的厚度，n_max和n_min分别表示所述超材料片层上的最大折射率和最小折射率；k表示折射率圆上任一点所在的圆环形折射率分布区的序号，floor是向下取整函数。

2.根据权利要求1所述的定向传播天线罩，其特征在于，每个超材料片层由多个超材料单元排列而成，以所述极点O所在的超材料单元为圆心形成多个同心圆，让所述超材料片层的各个超材料单元分别位于这些同心圆上，由位于若干同心圆的超材料单元形成一个所述圆环形折射率分布区；每个超材料片层的各个超材料单元上附着有拓扑形状相同的人工微结构，位于每个圆环形折射率分布区内的同一同心圆的各个超材料单元上排布的所述人工微结构的几何尺寸均相同，在每个圆环形折射率分布区内随着同心圆的直径的增大，位于各个同心圆的超材料单元上排布的所述人工微结构的几何尺寸减小，而各个圆环形折射率分布区内位于最小直径同心圆的各个超材料单元上排布的所述人工微结构的几何尺寸均相等、位于最大直径同心圆的各个超材料单元上排布的所述人工微结构的几何尺寸均相等。

3.根据权利要求1所述的定向传播天线罩，其特征在于，每个超材料片层由多个超材料单元排列而成，以所述极点O所在的超材料单元为圆心形成多个同心圆，让所述超材料片层的各个超材料单元分别位于这些同心圆上，由位于若干同心圆的超材料单元形成一个所述圆环形折射率分布区；每个超材料片层的各个超材料单元上均形成有深度相同的圆形小孔，位于每个圆环形折射率分布区内的同一同心圆的各个超材料单元上形成的所述小孔的直径均相同，在每个圆环形折射率分布区内随着同心圆的直径的增大，位于各个同心圆的超材料单元上形成的所述小孔的直径增大，而各个圆环形折射率分布区内位于最小直径同心圆的各个超材料单元上形成的所述小孔的直径均相等、位于最大直径同心圆的各个超材料单元上形成的所述小孔的直径均相等。

4.根据权利要求1所述的定向传播天线罩，其特征在于，每个超材料片层由多个超材料单元排列而成，以所述极点O所在的超材料单元为圆心形成多个同心圆，让所述超材料片层的各个超材料单元分别位于这些同心圆上，由位于若干同心圆的超材料单元形成一个所述圆环形折射率分布区；每个超材料片层的各个超材料单元上均形成有直径相同的圆形小孔，位于每个圆环形折射率分布区内的同一同心圆的各个超材料单元上形成的所述小孔的深度均相同，在每个圆环形折射率分布区内随着同心圆的直径的增大，位于各个同心圆的超材料单元上形成的所述小孔的深度增大，而各个圆环形折射率分布区内位于最小直径同心圆的各个超材料单元上形成的所述小孔的直径均相等、位于最大直径同心圆的各个超材料单元上形成的所述小孔的直径均相等。

5.根据权利要求1所述的定向传播天线罩，其特征在于，每个超材料片层由多个超材料单元排列而成，以所述极点O所在的超材料单元为圆心形成多个同心圆，让所述超材料片层的各个超材料单元分别位于这些同心圆上，由位于若干同心圆的超材料单元形成一个所述圆环形折射率分布区；每个超材料片层的各个超材料单元上均形成有数量不等的直径和深度均相同的圆形小孔，位于每个圆环形折射率分布区内的同一同心圆的各个超材料单元上形成的所述小孔的数量均相同，在每个圆环形折射率分布区内随着同心圆的直径的增大，位于各个同心圆的超材料单元上形成的所述小孔的数量增多，而各个圆环形折射率分布区内位于最小直径同心圆的各个超材料单元上形成的所述小孔的数量均相等、位于最大直径同心圆的各个超材料单元上形成的所述小孔的数量均相等。

6.根据权利要求1所述的定向传播天线罩，其特征在于，每个超材料片层的各个圆环形折射率分布区内的最小直径折射率圆的折射率均相等、最大直径折射率圆的折射率均相等。

7.根据权利要求1所述的定向传播天线罩，其特征在于，所述超材料面板包括多个沿片层表面叠加在一起的超材料片层，各个超材料片层上形成相同的圆环形折射率分布区。

8.根据权利要求7所述的定向传播天线罩，其特征在于，各个超材料片层的相应圆环形折射率分布区内的直径相同的折射率圆的折射率均相同。

9.根据权利要求1所述的定向传播天线罩，其特征在于，所述超材料面板的至少一侧设有阻抗匹配薄膜，每一阻抗匹配薄膜包括多个阻抗匹配层，每一阻抗匹配层是具有单一折射率的均匀介质，各个阻抗匹配层的折射率随着越靠近所述超材料面板由接近于或等于空气的折射率逐渐变化至接近于或等于所述超材料面板上最靠近所述阻抗匹配薄膜的超材料片层的折射率。

10.一种定向天线系统，包括天线，其特征在于，还包括如权利要求1至9任意一项所述的定向传播天线罩，所述定向传播天线罩罩设于所述天线上。