CN104347952B - 超材料及天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超材料及天线，该超材料设置于天线辐射方向上，包括：第一子部件，该第一子部件包括一层或多层片层，其中，每一片层均具有电谐振和/或磁谐振的微结构，上述微结构均匀周期排布在片层上，用于随入射波角度的改变而改变透波率与相移。通过本发明提供的技术方案，能够在不对天线本身结构进行改动也不牺牲某些参数的前提下提高天线的方向性系数同时降低其副瓣。

Description

超材料及天线

技术领域

本发明涉及通信领域，具体而言，涉及一种超材料及天线。

背景技术

目前的在天线技术中，提高方向性系数和降低副瓣是两个重要的研究课题。方向性系数是用来表示天线向某一个方向集中辐射电磁波程度（即方向性图的尖锐程度）的一个参数，在中波和短波波段，方向性系数约为几到几十；在米波范围内，约为几十到几百；而在厘米波波段，则可高达几千，甚至几万，方向性系数越高天线的性能越好。而副瓣则可以表征线功率辐射是否集中，副瓣是相对于主瓣而言的，主瓣宽度越小，方向图越尖锐，表示天线辐射越集中，降低副瓣可以有效的增加主瓣宽度，使天线辐射更加集中，从而提高天线性能。

现有的技术多为通过改变天线本身的结构来提高方向性系数、降低副瓣，因此需要重新设计天线、或提高加工工艺精度。对于相控阵天线来说，还可以以降低增益为代价，通过对所有通道进行幅度加权来实现降低副瓣的目的。这些方法或需要对天线本身结构进行改动，不易实现，或需要牺牲某些参数，得不偿失。目前现有技术中缺乏一种既不需要对天线本身结构进行改动也不需要牺牲某些参数就可以提高方向性系数同时降低副瓣的方案。

发明内容

本发明提供了一种超材料及天线，能够在不对天线本身结构进行改动也不牺牲某些参数的前提下提高天线的方向性系数同时降低其副瓣。

根据本发明的一个方面，提供了一种超材料，，设置于天线辐射方向上，包括：第一子部件，所述第一子部件包括一层或多层片层，其中，每一片层均具有电谐振和/或磁谐振的导电几何结构，所述导电几何结构均匀周期排布在所述片层上，用于随入射波角度的改变而改变透波率与相移。

所述第一子部件片层中的导电几何结构在E面方向上，等效为负介电常数与正磁导率，表现为电表面等离激元；和/或在H面方向上，等效为正介电常数和负磁导率，表现为磁表面等离激元。

所述第一子部件片层中的导电几何结构为磁谐振导电几何结构，等效为磁各向异性材料，其等效介电常数为正且≈1，等效磁导率<0，呈现磁表面等离激元效应。

所述导电几何结构为带有开口谐振环的磁谐振金属导电几何结构。

所述第一子部件片层中的导电几何结构为电谐振导电几何结构，等效为电各向异性材料，其等效介电常数<0，等效磁导率为正且≈1，呈现电表面等离激元效应。

所述导电几何结构为带/线状、间断线、“工”字型、或S型的电谐振金属导电几何结构。

所述第一子部件片层的成板形式为以下之一：单层基板单面覆铜蚀刻、单层基板双面覆铜蚀刻、多层基板单面或双面覆铜蚀刻层叠。

所述导电几何结构的各方向晶格尺寸范围为：十分之一波长至四分之一波长。

所述第一子部件片层上的导电集合结构包括：双面蚀刻在介质基板上的相互正交的ELC结构（Electric Field Driven LC Resonator，电谐振结构）或双向iELC结构（Isotropic Electric Field Driven LC Resonator，各向同性电谐振结构）。

所述超材料还包括：第二子部件，叠设于所述第一子部件前方或后方，所述第二子部件包括一层或多层片层，其中，每一片层均具有非周期性排布的导电几何结构，所述导电几何结构在所述片层上的拓扑渐变使得该片层的等效介电常数和磁导率在该片层平面上呈现非均匀分布，用于调节天线辐射近场的相位分布。

所述第二子部件片层上的导电几何结构的排布方式为：将所述第二子部件片层剖面上的折射率分布与所述第二子部件片层上的导电几何结构生长过程中的色散曲线对应起来，得到所述剖面上的导电几何结构排布，再将所述剖面上的所述导电几何结构排布做横向延拓，得到所述第二子部件片层正面上的导电几何结构排布，其中，所述剖面上各点处的折射率分布计算公式为：

n=nmin+(phase0(y)–min(phase0))/360*λ(@1.7GHz)/D，

其中，n为折射率，nmin为最小折射率，phase0(y)为坐标为y处的相位，min(phase0)为最小相位，λ(@1.7GHz为频率为1.7GHz时的波长，D为厚度。所述第二子部件片层的剖面上呈现中心处损耗小、两端损耗大的损耗分布曲线。

所述第一子部件的片层中，至少有一层前后两面上的导电几何结构是非对称的，其中，所述非对称的形式包括以下至少之一：导电几何结构为同种拓扑结构，细节尺寸相同，但排列方式不同；导电几何结构为同种拓扑结构，但参数不同，所述参数包括以下至少之一：外形尺寸、线宽、缝隙开口宽度、电容结构长度；导电几何结构属于不同拓扑结构。

所述第一子部件的片层中，每一层前后两面上的导电几何结构完全相同，但至少有两层的导电几何结构是非对称的，其中，所述非对称的形式包括以下至少之一：至少两层上的导电几何结构为同种拓扑结构、细节尺寸相同，但导电几何结构的排列方式不同；至少两层上的导电几何结构为同种拓扑结构，但参数不同，所述参数包括以下至少之一：外形尺寸、线宽、缝隙开口宽度、电容结构长度；至少两层上的导电几何结构属于不同拓扑结构。

所述第一子部件的片层中，至少有一层前后两面上的导电几何结构是非对称的，且至少有两层的导电几何结构是非对称的，其中，一层前后两面上的导电几何结构非对称的形式包括以下至少之一：导电几何结构为同种拓扑结构，细节尺寸相同，但排列方式不同；导电几何结构为同种拓扑结构，但参数不同，所述参数包括以下至少之一：外形尺寸、线宽、缝隙开口宽度、电容结构长度；导电几何结构属于不同拓扑结构；至少有两层的导电几何结构非对称的形式包括以下至少之一：至少两层上的导电几何结构为同种拓扑结构、细节尺寸相同，但导电几何结构的排列方式不同；至少两层上的导电几何结构为同种拓扑结构，但参数不同，所述参数包括以下至少之一：外形尺寸、线宽、缝隙开口宽度、电容结构长度；至少两层上的导电几何结构属于不同拓扑结构。

上述超材料可设置于通信系统、飞行器、或者运输工具的天线辐射方向上。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种天线，该天线的辐射方向上设置有以上任意一种超材料。

通过本发明的技术方案，提供了一种可以直接设置在天线辐射方向上的超材料及设置了该超材料的天线，该超材料具有一层或多层片层，每一片层均具有特殊人造导电几何结构，使该超材料具有随入射波角度的改变而改变透波率与相移能力，从而可以调节口径面上的幅相分布，在不对天线本身结构进行改动也不牺牲某些参数的前提下，实现了降低主平面副瓣、提高方向性系数的功能。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据本发明实施例的超材料应用示意图

图2是根据本发明实例一的ELC结构的示意图；

图3是根据本发明实例一的导电几何结构的等效介电常数曲线；

图4是根据本发明实例一的导电几何结构的等效磁导率曲线；

图5是根据本发明实例一的透波率随入射波角度不同的变化曲线；

图6是根据本发明实例一的相移能力随入射波角度不同的变化曲线；

图7是根据本发明实例一的实测俯仰面方向图对比图；

图8是根据本发明实例二的“工”字型的导电几何结构及电场的入射方向的示意图；

图9是根据本发明实例二的透波率随入射波角度不同的变化曲线；

图10是根据本发明实例二的正入射仿真副瓣压制效果图；

图11是根据本发明实例二的俯仰面相扫图；

图12是根据本发明优选实施例的第一种相互正交的ELC结构示意图；

图13是根据本发明优选实施例的第二种相互正交的ELC结构示意图；

图14是根据本发明实例三的相互正交的ELC结构示意图；

图15是根据本发明实例三的方向性系数对比图；

图16是根据本发明实例四的加装超材料前后的方向图；

图17是根据本发明实例四的加装超材料前后的主瓣局部方向图；

图18是根据本发明实例四的超材料前表面位置处的相位曲线；

图19是根据本发明实例四的超材料剖面上的折射率分布曲线；

图20是根据本发明实例四的超材料叠层结构示意图；

图21是根据本发明实例五的加装超材料前后的方向图；

图22是根据本发明实例五的超材料纵剖面上介电损耗（或磁损耗）tanδ分布曲线；

图23是根据本发明实例六的原阵列天线俯仰面方向图；

图24是根据本发明实例六的各波束加装超材料前后的方向图；

图25是根据本发明实例六的超材料纵剖面上折射率分布n(y)实部曲线；

图26是根据本发明实例六的超材料纵剖面上折射率分布n(y)虚部曲线；

图27是根据本发明实例六的超材料叠层结构（剖面）示意图；

图28是根据本发明实例七的加装超材料前后的远场方向图；

图29是根据本发明实例八的加装超材料前后的远场方向图；

图30是根据本发明实例九的加装超材料前后的远场方向图；

图31是根据本发明优选实施例的一个片层前后两面的导电几何结构为同种拓扑结构，细节尺寸相同，但排列方式不同的情况一；

图32是根据本发明优选实施例的一个片层前后两面的导电几何结构为同种拓扑结构，细节尺寸相同，但排列方式不同的情况二；

图33是根据本发明优选实施例的一个片层前后两面的导电几何结构为同种拓扑结构，但参数不同的情况一；

图34是根据本发明优选实施例的一个片层前后两面的导电几何结构为同种拓扑结构，但参数不同的情况二；

图35是根据本发明优选实施例的一个片层前后两面的导电几何结构属于不同拓扑结构的情况；

图36是根据本发明优选实施例的至少两层上的导电几何结构为同种拓扑结构、细节尺寸相同，但导电几何结构的排列方式不同的情况；

图37是根据本发明优选实施例的至少两层上的导电几何结构为同种拓扑结构，但参数不同的情况；

图38是根据本发明优选实施例的至少两层上的导电几何结构属于不同拓扑结构的情况。

具体实施方式

下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本实施提供了一种设置于天线辐射方向上的超材料，参见图1，该超材料可以有效地降低主平面副瓣、提高方向性系数，其包括：第一子部件，该第一子部件包括一层或多层片层，其中，每一片层均具有电谐振和/或磁谐振的导电几何结构，上述导电几何结构均匀周期排布在片层上，用于随入射波角度的改变而改变透波率与相移。

优选的，上述的导电几何结构为特殊的人造结构，具备以下特性：在E面方向上，等效为负介电常数与正磁导率，表现为电表面等离激元；和/或在H面方向上，等效为正介电常数和负磁导率，表现为磁表面等离激元。

优选的，上述导电几何结构具有磁谐振性，可以等效成磁各向异性材料，用于优化天线H面的副瓣，提高方向性系数，其等效介电常数为正且≈1，等效磁导率<0，呈现磁表面等离激元效应。该导电几何结构能随H面入射波角度的改变而改变透波率与相移能力，实现对口径面幅相分布的调节，从而得到降低副瓣、提高方向性系数的效果。

具有上述导电几何结构的超材料的片层的成板可以为单层基板单面覆铜蚀刻、单层基板双面覆铜蚀刻、或多层基板（单面或双面覆铜蚀刻）层叠的形式。

单一导电几何结构单元的各方向晶格尺寸范围为：十分之一波长～四分之一波长；

单一导电几何结构为带有开口谐振环的磁谐振金属导电几何结构，开口环的外形尺寸、线宽、开口的大小视所需要的谐振频率、带宽而定；改变晶格尺寸、开口环外形尺寸、开口大小将会显著影响谐振频率，改变线宽将会显著影响带宽。

下面通过实例一对上述优选实施例进行说明。本实例采用的导电几何结构为（降低H面副瓣的磁等离子体）ELC结构。

所选用的ELC结构如图2所示，基板选用0.25mm厚PTFE（聚四氟乙烯），双面覆铜蚀刻（双面蚀刻的形状一致）；第一子部件使用3层覆铜PTFE层叠，每两层之间使用10mm厚的泡沫（介电常数1.057）作为间隔。

导电几何结构单元的晶格尺寸为15.333mm*20.333mm，ELC的尺寸参见图2。该导电几何结构的等效介电常数参见图3（3.1G，eps（介电常数）=1.3；3.4G，eps=1.55）。该导电几何结构的等效磁导率参见图4（3.1G，mur（磁导率）=1.5；3.4G，mur=0.24）。将TEM波以不同角度入射到ELC结构，并在全部过程中保持电场与ELC结构中间的短杆平行、磁场与两端电容方向平行，其透波率、相移能力随入射波的角度改变而改变，如图5、6所示。

当俯仰面17°扫描时，实测的俯仰面方向图对比图，如图7所示。

优选的，上述的导电几何结构具有电谐振性，可以等效成电各向异性材料，可以优化天线E面的副瓣，提高方向性系数，其等效介电常数<0，等效磁导率为正且≈1，呈现电表面等离激元效应。该导电几何结构能随E面入射波角度的改变而改变透波率与相移能力，实现对口径面幅相分布的调节，从而得到降低副瓣、提高方向性系数的效果。

具有上述导电几何结构的超材料的片层的成板可以为单层基板单面覆铜蚀刻、单层基板双面覆铜蚀刻、或多层基板（单面或双面覆铜蚀刻）层叠的形式。

单一导电几何结构单元的各方向晶格尺寸范围为：十分之一波长～四分之一波长；

单一导电几何结构为带/线状、间断线、“工”字型、或S状（等）电谐振金属导电几何结构，线宽、线间间距、S外形尺寸视所需要的谐振频率、带宽而定；改变晶格尺寸、线间间距、“工”字型、S外形尺寸将会显著影响谐振频率，改变线宽将会显著影响带宽。

下面通过实例二对上述优选实施例进行说明。本实例采用的导电几何结构为（降低E面副瓣的电等离子体）“工”字型结构。

“工”字型的导电几何结构形式如图8所示，基板选用0.25mm厚PTFE，双面覆铜蚀刻（双面蚀刻的形状一致）；超材料使用3层覆铜PTFE层叠，每两层之间使用10mm厚的泡沫（介电常数1.057）作为间隔。

导电几何结构单元的晶格尺寸为16mm*20mm，“工”字型线宽0.5mm，两横一竖长度均为12mm，对应不同入射角度的TEM波（一种电矢量和磁矢量都与传播方向垂直的波），保持其磁场垂直于导电几何结构所在平面，电场的入射方向如图8所示。其透波率随入射波角度的不同而改变，如图9所示。正入射时，仿真副瓣压制效果如图10所示，俯仰面相扫如图11所示。

优选的，第一子部件片层上的导电集合在结构可以包括：双面蚀刻在介质基板上的相互正交的ELC结构或双向iELC结构，即可以第一子部件片层的介质基板上双面蚀刻相互正交的ELC结构或双向iELC结构。该结构可以同时降低两个主平面的副瓣，提高方向性系数。优选的，可采用图12、13所示的结构。

下面通过实例三对上述优选实施例进行说明。本实例采用的相互正交的ELC结构如图14所示。

天线工作在14～14.5G的频段，导电几何结构选用单层0.25mm厚的PTFE双面蚀刻iELC结构，导电几何结构晶格为7.8*7.8mm，iELC宽6.5mm，线宽0.5mm，四角电容间距1mm，长4.4mm，如图15所示。导电几何结构置于天线口径面前方120mm处，如图15所示，方向性系数与原天线相比有大幅提高。

在上述方案的基础上，还可以对超材料进行进一步的改进，在第一子部件的基础上增加第二子部件。优选的，第二子部件，叠设于第一子部件前方或后方，第二子部件包括一层或多层片层，其中，每一片层均具有非周期性排布的导电几何结构，导电几何结构在片层上的拓扑渐变使得该片层的等效介电常数和磁导率在该片层平面上呈现非均匀分布，用于调节天线辐射近场的相位分布。利用非周期性排布的结构性材料调节天线辐射近场的相位分布，即：利用材料所具有的等效介电常数、磁导率的非均匀排布，在天线辐射近场上以不同的相位延迟手段来实现相位调控、进而达到优化方向图的目的。此第一子部件和第二子部件在天线辐射方向上前后层叠，组成复合超材料，实现降低方向图副瓣、提高方向性系数的目的。

优选的，第二子部件片层上的导电几何结构包括以下至少之一：雪花型、十字型、工字型、卍字型等图形，也可以是这些图形的衍生形状。

上述导电几何结构的排布方式可以为：将第二子部件片层剖面上的折射率分布与第二子部件片层上的导电几何结构生长过程中的色散曲线对应起来，得到剖面上的导电几何结构排布，再将剖面上的导电几何结构排布做横向延拓，得到第二子部件片层正面上的导电几何结构排布，其中，剖面上各点处的折射率分布计算公式为：

n=nmin+(phase0(y)–min(phase0))/360*λ(@1.7GHz)/D，

其中，n为折射率，nmin为最小折射率，phase0(y)为坐标为y处的相位，min(phase0)为最小相位，λ(@1.7GHz为频率为1.7GHz时的波长，D为厚度。

优选的，第二子部件片层的剖面上呈现中心处损耗小、两端损耗大的损耗分布曲线。

下面通过实例四、五、六对上述优选实施例进行说明。

实例四主要是现单个主瓣的调节，提高主瓣电平，减小半波束角度。

等副同相线源阵工作在1.7GHz，线源长度为529mm，归一化方向图如图17、18所示，HPBW（半功率波束宽度）为17.29°。在线源阵前方、距离线源反射板104mm处加装D=20mm厚与线源反射板等长的超材料后，其归一化方向图如图16、17所示，HPBW为16.27°，半波束角度得到明显的减小，天线主瓣方向性更强。

第二子部件片层内部的折射率分布方式、导电几何结构排布方式为：

天线主瓣方向为z方向（辐射方向），超材料前表面为x-y平面，其中竖直方向为y（超材料的中心位置标记为y=0位置），水平方向为x；在原线源阵的近场幅相分布中，提取超材料前表面位置处的相位phase0（y）（单位deg），如图18所示。

导电几何结构设计：选取介电常数2.2、厚度0.125”（3.175mm）、铜层厚度1oz（35μm)的F4b（Rogers RT5880，一种基材产品型号）作为基板，导电几何结构类型为雪花型，晶格大小16mm，线宽1.2mm，随导电几何结构生长其允许的折射率范围为1.483～3.569，介电损耗不超过0.0008。

剖面上的折射率分布：剖面上各点处的折射率分布计算公式：

n=nmin+(phase0(y)–min(phase0))/360*λ(@1.7GHz)/D，

其中，n为折射率，nmin为最小折射率，phase0(y)为坐标为y处的相位，min(phase0)为最小相位，λ(@1.7GHz为频率为1.7GHz时的波长，D为厚度。

计算得到的剖面折射率分布如图19所示.

正面上的导电几何结构排布：将剖面上的折射率分布与导电几何结构生长过程中的色散曲线对应起来，得到剖面上的导电几何结构排布，再将剖面上的导电几何结构排布做横向延拓（平移），得到正面上的导电几何结构排布。

叠层结构：共7层F4b（Rogers RT5880）（厚度0.125”（含铜厚）、铜层厚度1oz），6层线路，各层线路均与超材料正面上的导电几何结构排布方式相同，如图20所示。

实例五主要是实现副瓣的调节(降低副瓣电平)：

等副同相线源阵工作在10GHz，线源长度为270mm，归一化方向图如图21所示。在线源阵前方、距离线源反射板15mm处加装D=3mm厚与线源反射板等长的超材料后，其归一化方向图如图21所示，副瓣电平得到明显的压制，天线抗干扰能力越强。

对幅值分布的调整通过控制材料各处的损耗来实现，图22显示超材料纵剖面上损耗角正切（介电损耗或磁损耗）的分布，纵剖面上的损耗分布的规律为：中心处损耗小，两端损耗大，使天线近场的幅度分布近似于泰勒分布，达到降低副瓣的目的.

制作幅度加权超材料可以采用在低介电、低损耗基板上（如泡沫）贴附、混合、喷涂、沉积吸波材料（如导电油墨、铁氧体、石墨、碳纤维、碳纳米管等）的方式进行，针对不同的波段、带宽要求、环境要求选择不同的吸波材料，通过严格控制贴附、喷涂、混合的吸波材料的层数、厚度、体积比例，或搭配使用吸波性能不同的多种材料，使材料剖面上呈现中心处损耗小、两端损耗大的损耗分布曲线，从而达到控制近场幅度分布的目的。

实例六主要是要联合调幅、调相，通过幅相加权材料实现多波束的调节。

阵列天线的工作频率为3.3GHz，口径面高度1.1m，各波束方向图如图23所示，图中负角度为打地波束；在阵列天线前方27mm（与反射板的间距）处加装D=30mm厚与阵列天线等高的超材料后，各波束均得到了改善（参见图24），打地副瓣电平得到明显的压制，天线抗干扰能力增强.

天线主瓣方向为z方向（辐射方向），超材料前表面为x-y平面，其中竖直方向为y（超材料的中心位置标记为y=0位置），水平方向为x；超材料纵剖面上的折射率分布如图25（实部），图26（虚部）。

导电几何结构设计：选取介电常数2.2、厚度0.125”（3.175mm）、铜层厚度1oz（35μm）的F4b（Rogers RT5880）作为基板，导电几何结构类型为雪花型，晶格大小9mm，线宽0.4mm，随导电几何结构生长其允许的折射率范围为1.481～2.439，介电损耗不超过0.0005。

片层正面上的导电几何结构排布：将超材料剖面上的折射率分布与导电几何结构生长过程中的色散曲线对应起来，得到剖面上的导电几何结构排布，再将剖面上的导电几何结构排布做横向延拓(平移)，得到片层正面上的导电几何结构排布。

叠层结构：共10层F4b（Rogers RT5880）（厚度0.125”（含铜厚）、铜层厚度1oz），9层线路，各层线路均与超材料正面上的导电几何结构排布方式相同，如图27所示。

对幅值分布的调整通过控制材料各处的损耗来实现，其损耗曲线如图26所示，具体可参见实例五。

优选的，上述的第一子部件具有特殊的电磁参数，其介电常数为正（=1），其磁导率呈现各向异性，在天线的磁场面上其磁导率呈现负值。包括该第一子部件的超材料可应用于天线降低副瓣的场合，在天线口径面前加装该种材料，能够在保证方向性系数的前提下降低副瓣。优选的，其有以下几种优选的实施方式：

实例七：单层均匀超材料。

等幅同相线源阵工作频率为13.2GHz，线源阵长度为274.5mm，超材料与线源阵等长，厚度为7.25mm，超材料与阵元间的距离为3.75mm，超材料的介电常数ε=1，磁导率μ=(-3,1,1)。

加装超材料前后等幅同相线源阵的远场方向图如图28所示。

实例八：多层（层数不限，各层厚度不限）均匀超材料（各层电磁参数互不相同）。

等幅同相线源阵工作频率为13.2GHz，线源阵长度为274.5mm，片层①、②、③前后依次紧贴，与线源阵等长，厚度分别为2.5mm、4.5mm、6mm，片层①与阵元间的距离为3.75mm，片层①、②、③的介电常数均为ε=1，磁导率分别为μ1=(-1.1,1,1)、μ2=(-2.25,1,1)、μ3=(-3.1,1,1)。

加装超材料前后等幅同相线源阵的远场方向图如图29所示。

实例九：多层（层数不限，各层厚度不限）均匀超材料（各层电磁参数相同）。

等幅同相线源阵工作频率为13.2GHz，线源阵长度为274.5mm，片层①、②、③前后排列，彼此间距5mm，长度与线源阵等长，厚度均为5mm，片层①与阵元间的距离为3.75mm，片层①、②、③的介电常数均为ε=1，磁导率均为μ=(-2.75,1,1)。

加装超材料前后等幅同相线源阵的远场方向图如图30所示。

优选的，对于第一子部件来说，还可以进一步在导电几何结构的排布上进行设计，进一步达到为角度滤波降副瓣、为二次辐射提增益、实现某电磁参数等效果。

优选的，第一子部件的片层中，至少有一层前后两面上的导电几何结构是非对称的，即至少有一层（不限于一层）的介质基板，其两面上的导电几何结构是非对称的，上述非对称的形式包括：

导电几何结构为同种拓扑结构，细节尺寸相同，但排列方式不同，例如图31、32所示的情况；

导电几何结构为同种拓扑结构，但参数不同，上述参数包括以下至少之一：外形尺寸、线宽、缝隙开口宽度、电容结构长度，例如图33、34（正面、反面（正视图））所示的情况；

导电几何结构属于不同拓扑结构，例如图35所示的情况。

优选的，第一子部件的片层中，每一层前后两面上的导电几何结构完全相同，但至少有两层的导电几何结构是非对称的，即每一层介质基板的前后两面上的导电几何结构完全相同，但至少有两层（不限于两层）介质基板，其上的导电几何结构是非对称的，上述非对称的形式包括以下至少之一：

至少两层上的导电几何结构为同种拓扑结构、细节尺寸相同，但导电几何结构的排列方式不同，例如图36所示的情况；

至少两层上的导电几何结构为同种拓扑结构，但参数不同，上述参数包括以下至少之一：外形尺寸、线宽、缝隙开口宽度、电容结构长度，例如图37所示的情况；

至少两层上的导电几何结构属于不同拓扑结构，例如图38所示的情况。

优选的，第一子部件的片层中，至少有一层前后两面上的导电几何结构是非对称的，且至少有两层的导电几何结构是非对称的，具体可参见上述两个优选实施例。

将上述任一实施例、优选实施例、实例所描述的超材料设置在天线的辐射方向或者说口径前，即可在不对天线本身结构进行改动也不牺牲某些参数的前提下，实现了降低主平面副瓣、提高方向性系数的功能。

通过以上的描述可以看出，本发明提供了一种可以直接设置在天线辐射方向上的超材料及设置了该超材料的天线，该超材料具有两个子部件，每一子部件都包括一层或多层片层，每一片层均具有特殊人造导电几何结构，导电几何结构本身也具有多种不同的排布方式，使该超材料具有随入射波角度的改变而改变透波率与相移能力，从而可以调节口径面上的幅相分布，在不对天线本身结构进行改动也不牺牲某些参数的前提下，实现了降低主平面副瓣、提高方向性系数的功能。

在具体的实施过程中，上述超材料设置于通信系统、飞行器、或者运输工具的天线辐射方向上。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种超材料，其特征在于，设置于天线辐射方向上，包括：

第一子部件，所述第一子部件包括一层或多层片层，其中，每一片层均具有电谐振和/或磁谐振的导电几何结构，所述导电几何结构周期排布在所述片层上，用于随入射波角度的改变而改变透波率与相移，

其中，超材料还包括：第二子部件，叠设于所述第一子部件前方或后方，所述第二子部件包括一层或多层片层，其中，每一片层均具有非周期性排布的导电几何结构，所述导电几何结构在所述片层上的拓扑渐变使得该片层的等效介电常数和磁导率在该片层平面上呈现非均匀分布，用于调节天线辐射近场的相位分布，

其中，所述第二子部件片层上的导电几何结构的排布方式为：将所述第二子部件片层剖面上的折射率分布与所述第二子部件片层上的导电几何结构生长过程中的色散曲线对应起来，得到所述剖面上的导电几何结构排布，再将所述剖面上的所述导电几何结构排布做横向延拓，得到所述第二子部件片层正面上的导电几何结构排布，其中，所述剖面上各点处的折射率分布计算公式为：n＝nmin+(phase0(y)–min(phase0))/360*λ(@1.7GHz)/D，其中，n为折射率，nmin为最小折射率，phase0(y)为坐标为y处的相位，min(phase0)为最小相位，λ(@1.7GHz)为频率为1.7GHz时的波长，D为第二子部件的剖面厚度，

其中，所述第二子部件片层的剖面上呈现中心处损耗小、两端损耗大的损耗分布曲线。

2.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，所述第一子部件片层中的导电几何结构在E面方向上，等效为负介电常数与正磁导率，表现为电表面等离激元；和/或在H面方向上，等效为正介电常数和负磁导率，表现为磁表面等离激元。

3.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，所述第一子部件片层中的导电几何结构为磁谐振导电几何结构，等效为磁各向异性材料，其等效介电常数为正且≈1，等效磁导率<0，呈现磁表面等离激元效应。

4.根据权利要求3所述的超材料，其特征在于，所述导电几何结构为带有开口谐振环的磁谐振金属导电几何结构。

5.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，所述第一子部件片层中的导电几何结构为电谐振导电几何结构，等效为电各向异性材料，其等效介电常数<0，等效磁导率为正且≈1，呈现电表面等离激元效应。

6.根据权利要求3所述的超材料，其特征在于，所述导电几何结构为带/线状、间断线、“工”字型、或S型的电谐振金属导电几何结构。

7.根据权利要求3或5所述的超材料，其特征在于，所述第一子部件片层的成板形式为以下之一：单层基板单面覆铜蚀刻、单层基板双面覆铜蚀刻、多层基板单面或双面覆铜蚀刻层叠。

8.根据权利要求3或5所述的超材料，其特征在于，所述导电几何结构的各方向晶格尺寸范围为：十分之一波长至四分之一波长。

9.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，所述第一子部件片层上的导电几何结构包括：双面蚀刻在介质基板上的相互正交的电谐振结构ELC或双向各向同性电谐振结构iELC。

10.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，所述第一子部件的片层中，至少有一层前后两面上的导电几何结构是非对称的，其中，所述非对称的形式包括以下至少之一：

导电几何结构为同种拓扑结构，细节尺寸相同，但排列方式不同；

导电几何结构为同种拓扑结构，但参数不同，所述参数包括以下至少之一：外形尺寸、线宽、缝隙开口宽度、电容结构长度；

导电几何结构属于不同拓扑结构。

11.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，所述第一子部件的片层中，每一层前后两面上的导电几何结构完全相同，在第一子部件的片层为至少两次片层的情况下，至少有两层的导电几何结构是非对称的，其中，所述非对称的形式包括以下至少之一：

至少两层上的导电几何结构为同种拓扑结构、细节尺寸相同，但导电几何结构的排列方式不同；

至少两层上的导电几何结构为同种拓扑结构，但参数不同，所述参数包括以下至少之一：外形尺寸、线宽、缝隙开口宽度、电容结构长度；

至少两层上的导电几何结构属于不同拓扑结构。

12.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，所述第一子部件的片层中，至少有一层前后两面上的导电几何结构是非对称的，在第一子部件的片层为至少两次片层的情况下，至少有两层的导电几何结构是非对称的，其中，

一层前后两面上的导电几何结构非对称的形式包括以下至少之一：导电几何结构为同种拓扑结构，细节尺寸相同，但排列方式不同；导电几何结构为同种拓扑结构，但参数不同，所述参数包括以下至少之一：外形尺寸、线宽、缝隙开口宽度、电容结构长度；导电几何结构属于不同拓扑结构；

至少有两层的导电几何结构非对称的形式包括以下至少之一：至少两层上的导电几何结构为同种拓扑结构、细节尺寸相同，但导电几何结构的排列方式不同；至少两层上的导电几何结构为同种拓扑结构，但参数不同，所述参数包括以下至少之一：外形尺寸、线宽、缝隙开口宽度、电容结构长度；至少两层上的导电几何结构属于不同拓扑结构。

13.根据权利要求1至6中任一项所述的超材料，其特征在于，所述超材料设置于通信系统、飞行器、或者运输工具的天线辐射方向上。

14.一种天线，其特征在于，所述天线的辐射方向上设置有权利要求1-13任一项所述的超材料。