WO2013016906A1

WO2013016906A1 - 人工复合材料和人工复合材料天线

Info

Publication number: WO2013016906A1
Application number: PCT/CN2011/082303
Authority: WO
Inventors: 刘若鹏; 季春霖; 岳玉涛
Original assignee: 深圳光启高等理工研究院; 深圳光启创新技术有限公司
Priority date: 2011-07-29
Filing date: 2011-11-16
Publication date: 2013-02-07
Also published as: EP2738873A4; EP2738873A1

Abstract

本发明涉及人工复合材料和人工复合材料天线，人工复合材料划分为多个区域；电磁波入射到人工复合材料的第一表面并在与所述第一表面相对的第二表面射出；第i区域与所述第一表面的交集部分为第i区域的底面，第i区域与所述第二表面的交集部分为第i区域的顶面；设辐射源与所述第i区域底面上一点的连线与垂直于人工复合材料的直线之间的夹角为θ，夹角θ唯一对应第i区域内的一曲面，第i区域底面上具有相同夹角θ的点的集合构成夹角θ唯一对应的曲面的边界；且夹角θ唯一对应的曲面上每一处的折射率均相同；每一区域的折射率随着夹角θ的增大逐渐减小。本发明将人工复合材料的折射率的跳变设计为曲面状，减少了跳变处的折射、衍射和反射效应。

Description

人工复合材料和人工复合材料天线

【技术领域】

本发明涉及电磁领域，更具体地说，涉及人工复合材料和人工复合材料天线。【背景技术】

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。目前透镜的汇聚是依靠透镜的球面形状的折射来实现，如图 1所示，辐射器 30发出的球面波经过球形的透镜 40汇聚后以平面波射出。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 40的体积大而且笨重，不利于小型化的使用；球形透镜 40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，严重影响透镜性能。

【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折射、衍射和反射较大、透镜性能差的缺陷，提供一种高性能的人工复合材料和人工复合材料天线。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种人工复合材料，所述人工复合材料划分为多个区域；电磁波入射到所述人工复合材料的第一表面并在与所述第一表面相对的第二表面射出；

第 I区域与所述第一表面的交集部分为第 I区域的底面，第 I区域与所述第二表面的交集部分为第 Z区域的顶面；设辐射源与所述第 Z区域底面上一点的连线与垂直于人工复合材料的直线之间的夹角为 Θ，夹角 0唯一对应第 i区域内的一曲面，第 Z区域底面上具有相同夹角 0的点的集合构成夹角 0唯一对应的曲面的边界；且夹角 0唯一对应的曲面上每一处的折射率均相同，所述曲面的母线为抛物线弧；每一区域的折射率随着夹角 0的增大逐渐减小。在本发明所述的人工复合材料中，设辐射源与第 Z区域底面外圆周上一点的连线与垂直于人工复合材料的直线之间的夹角为 ^， Z为正整数且越靠近人工复合材料中心的区域对应的 Z越小；其中，夹角对应的曲面的母线的弧长为 C( ），弧长 c(^)和夹角满足如下公式：

c{e_i__l)n_ma -c{9_i)n_mm in₍(_i))-

其中， θ₀ =0, c(0₀) = d., 为所述辐射源到所述人工复合材料的距离； d 为所述人工复合材料的厚度；为电磁波的波长， M_min(;)分别为第 z区域的最大折射率和最小折射率， M_max(;+1)为第 _{z +}i区域的最大折射率。在本发明所述的人工复合材料中，相邻两个区域的最大折射率和最小折射率满足： ax( ) = n min( +l) 在本发明所述的人工复合材料中，相邻三个区域的最大折射率和最小折射率满足： ri_n ix(i+l) ― ^min(i)〉 ^max(i+2) ― ^min(i+l) 在本发明所述的人工复合材料中，第 Z区域的折射率满足：

1 . ， s 、

xd + s

ο(θ)' ^→) cos^，其中， ^为所述人工复合材料的厚度；为辐射源与第 ζ区域底面上一点的连线与垂直于人工复合材料的直线之间的夹角， c( 为夹角 0对应的曲面的母线的弧长。

在本发明所述的人工复合材料中，所述曲面的母线为抛物线弧时，弧长满足如下公式：

g(|tan< | + Vl + tan² θ) + δ ^^—^ ~ ~₂

Θ

2 'tan< | + ^ 其中，为预设小数。在本发明所述的人工复合材料中，以经过所述人工复合材料第一表面的中心且垂直于所述人工复合材料的直线为横坐标轴，以经过所述人工复合材料第一表面的中心且平行于所述第一表面的直线为纵坐标轴，所述抛物线弧所在的抛物线方程为： y(x) = tan^(-^ ² + + 。在本发明所述的人工复合材料中，所述曲面的母线为椭圆弧时，

以经过所述人工复合材料第一表面的中心且垂直于所述人工复合材料的直线为横坐标轴，以经过所述人工复合材料第一表面的中心且平行于所述第一表面的直线为纵坐标轴，所述椭圆弧所在的椭圆方程为：

(x - d)² _| (y - c)² _{= 1}

a² b² '

且上式中的 a、 b、 c满足如下关系： d² + (s tan θ - cf —

a² b² ' b² d

在本发明所述的人工复合材料中，夹角所对应的第一表面上的点的折射角为^ 该点的折射率为满足：

sin^

η{θ) = 。

sin^' 在本发明所述的人工复合材料中，设辐射源与第 z区域底面外圆周上一点的连线与垂直于人工复合材料的直线之间的夹角为 ^， z为正整数且越靠近人工复合材料中心的区域对应的 z越小；其中，夹角满足如下公式：

s为所述辐射源

到所述人工复合材料的距离； ^为所述人工复合材料的厚度； 1为电磁波的波长， n_→i) ri_mm(i)分别为第 I区域的最大折射率和最小折射率， "_max(;+1)、 n_→i+l)分别为第区域的最大折射率和最小折射率。在本发明所述的人工复合材料中，相邻两个区域的最大折射率和最小折射率两足： ⁿmax(i) ~ ⁿmin(i ) =

在本发明所述的人工复合材料中，相邻三个区域的最大折射率和最小折射率两足：

在本发明所述的人工复合材料中，第 z区域的折射率满足：

'

其中， Θ为辐射源与第 z区域底面上一点的连线与垂直于人工复合材料的直线之间的夹角。

在本发明所述的人工复合材料中，所述人工复合材料两侧设置有阻抗匹配层。

本发明还提供一种人工复合材料天线，包括人工复合材料和设置在所述人工复合材料焦点上的辐射源；所述人工复合材料划分为多个区域；电磁波入射到所述人工复合材料的第一表面并在与所述第一表面相对的第二表面射出；第 I区域与所述第一表面的交集部分为第 I区域的底面，第 I区域与所述第二表面的交集部分为第 Z区域的顶面；设辐射源与所述第 Z区域底面上一点的连线与垂直于人工复合材料的直线之间的夹角为 Θ，夹角唯一对应第 i区域内的一曲面，第 Z区域底面上具有相同夹角的点的集合构成夹角唯一对应的曲面的边界；且夹角唯一对应的曲面上每一处的折射率均相同，所述曲面的母线为抛物线弧；每一区域的折射率随着夹角的增大逐渐减小。

在本发明所述的人工复合材料天线中，设辐射源与第 Z区域底面外圆周上一点的连线与垂直于人工复合材料的直线之间的夹角为 Z为正整数且越靠近人工复合材料中心的区域对应的 Z越小；其中，夹角对应的曲面的母线的弧长为 c(0_t ) , 弧长 c(^ )和夹角满足如下公式：

其中， θ₀ = 0 , c(0₀ ) = d ., 为所述辐射源到所述人工复合材料的距离； d 为所述人工复合材料的厚度；为电磁波的波长； M_min(;)分别为第 z区域的最大折射率和最小折射率， M_max(;+1)为第 _{z +}i区域的最大折射率。

在本发明所述的人工复合材料天线中，相邻两个区域的最大折射率和最小折射率满足： ⁿmax(i) ~ ⁿmm(i ) = ^maxii+l) ^{_ n}mm(i+l)。

在本发明所述的人工复合材料天线中，相邻三个区域的最大折射率和最小折射率满足： ⁿ _max(i+l) ~ ⁿmm(i)〉 ⁷⁷max(i+2) ^{_ n}mm(i+l)

在本发明所述的人工复合材料天线中，第 Z区域的折射率满足：

' ) ο(θΥ cos^ '

其中， ^为所述人工复合材料的厚度；为辐射源与第 ζ区域底面上一点的连线与垂直于人工复合材料的直线之间的夹角， c( 为夹角 0对应的曲面的母线的弧长。

在本发明所述的人工复合材料天线中，所述曲面的母线为抛物线弧、椭圆弧或圆弧。

实施本发明的技术方案，具有以下有益效果：将人工复合材料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，使得人工复合材料和使用人工复合材料的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歩说明，附图中：

图 1是现有的球面形状的透镜汇聚电磁波的示意图；

图 2是依据本发明一实施例的人工复合材料 10汇聚电磁波的示意图; 图 3是图 2所示的人工复合材料 10的结构示意图；图 4示出了图 3中的的人工复合材料 10的侧视图；

图 5是图 4所示的弧线为抛物线弧时，弧线 m与 0的关系示意图；图 6是图 4所示的弧线为椭圆弧时，弧线 m与 0的关系示意图；

图 7是图 4所示的弧线为圆弧时，弧线 m的构造示意图；

图 8是人工复合材料 10在 yx平面上的折射率分布图。

【具体实施方式】

图 2是依据本发明一实施例的人工复合材料汇聚电磁波的示意图，具有电磁波汇聚功能的人工复合材料 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，通过设计人工复合材料中每一点的电磁参数，就可对人工复合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人工复合材料 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 3是图 2所示的人工复合材料 10的结构示意图。人工复合材料 10划分为多个区域；电磁波入射到人工复合材料 10的第一表面 A并在与第一表面 A 相对的第二表面 B (如图 4所示）射出。

其中第 z区域与第一表面 A的交集部分为第 z区域的底面，第 z区域与第二表面 B的交集部分为第 z区域的顶面。设辐射源与第 z区域底面上一点的连线与经过人工复合材料中心 0且垂直于人工复合材料的直线 L之间的夹角为 0，夹角 0唯一对应第 z区域内的一曲面；第 z区域底面上具有相同夹角 0的点的集合构成夹角 ^唯一对应的曲面的边界，该边界即曲面的母线绕着直线 L旋转得来的圆周；且夹角 ^唯一对应的曲面上每一处的折射率均相同；每一区域的折射率随着夹角 ^的增大逐渐减小。图 3示出了两个区域（这里的区域是立体的概念，在图 3中，就是两个区域）。这里引入区域的概念只是为了更好地描述人工复合材料的折射率分布而进行的划分，实际上并不是实体的概念。图 4示出了人工复合材料 10的侧视图，图中示出了两个区域的侧视图，仅用于示意，并不作为对本发明的限制。人工复合材料 10的厚度如图 d所示， L表示垂直于人工复合材料的直线。由图 4可知，每一区域的侧视图为抛物线弧段，相同弧线上的折射率相同，也即该弧线绕 L旋转所形成的曲面上的折射率相同。文中涉及的曲面为虚拟曲面，仅为了描述方便引出的一概念。

设辐射源 20与第 z区域底面外圆周上一点的连线与垂直于人工复合材料 10 的直线 L之间的夹角为， ,为正整数且越靠近人工复合材料 10中心 0的区域对应的 z越小；其中，夹角对应的曲面的母线的弧长为 c( ），弧长 c( ）和夹角满足如下公式：

H _xW— (9

其中， θ₀ = 0 c(0_o ) = d . 为辐射源 20到人工复合材料 10的距离；为人工复合材料 10 的厚度；为电磁波的波长， n M_min( )分别为第 z区域的最大折射率和最小折射率， M_max(;+1 M_min(;+1)为第 z +l 区域的最大折射率和最小 π

折射率。夹角或取值范围为 [0, 相邻两个区域的最大折射率和最小折射率满足： n_n ax( ) = n. ax(i+l ) n. min( +l)

如图 3和 4所示，示出了两个区域 101和 102，是第一区域 101底面外圆周上一点的连线与垂直于人工复合材料 10的直线 L之间的夹角，是第二区域 102底面外圆周上一点的连线与垂直于人工复合材料 10的直线 L之间的夹角，设^ 、 ^_mi„ i)已知，第 1区域的以及 w_max(2)可用下式计算得出：

.

cos

2区域的和 w_max(3)可用下式计算得出: λ

在本发明一实施例中，相邻三个区域的最大折射率和最小折射率满足： ⁿmax(M) ~ ⁿmm(i)〉

^_ ^min( +l)。

如图 4所示，每一区域的最边界曲面的母线为弧线。图中侧视图的弧线即为每一区域最边界曲面的母线。为了更清楚地描述相同曲面上的折射率相同，对区域内部的曲面也进行阐述。每一区域的内边界曲面的折射率最大，外边界曲面的折射率最小。

如图 3和图 4所示，辐射源与第 1区域 101底面 A1外圆周上一点的连线与 L之间的夹角为，第 1区域 101最边界曲面 Dml的母线为 ml , 弧线 ml的弧长为）， ml绕 L旋转而成的曲面即为 Dml。辐射源与第 2区域 102底面 A2 外圆周上一点的连线与 L之间的夹角为，第 2区域 102最边界曲面 Dm2的母线为 m2，弧线 m2的弧长为 c( ）， m2绕 L旋转而成的曲面即为 Dm2。如图 4 所示，弧线 ml、 m2相对于 L对称分布。曲面 Dml、 Dm2上的折射率分布相同。

对于任一区域而言，设辐射源与第 z区域底面上一点的连线与垂直于人工复合材料的直线 L之间的夹角为，第 z区域的折射率随着的变化规律满足：

1 . ， s 、

ο(θ) ' ^m cos ^，其中，为人工复合材料 10的厚度；为辐射源 20与第 ζ区域底面上一点的连线与垂直于人工复合材料的直线 L之间的夹角， c( 为夹角 0对应的曲面的母线的弧长，夹角 0唯一对应第 z区域内的一曲面，且夹角 0唯一对应的曲面上每一处的折射率均相同。图 4 中，作为示例，夹角 0唯一对应第一区域 101 内的曲面，该曲面的母线为 m。

图 5是图 4所示的弧线为抛物线弧时，弧线 m与 0的关系示意图。假设抛物线弧 m所在抛物线的方程为 = αχ² + 6x + c。该抛物线经过点（0, stm O )，即 (O) = c = s tan 。为了使得经过人工复合材料 10后电磁波平行射出，则需使电磁波经过人工复合材料 10第二表面 B时抛物线弧 m的切线是与 X轴平行的，即保证 (ί ) = 0。由于 ( ) = 2αχ + 6，

= 2ad + b = 0 ₀ 另外还要保证电磁波到达人工复合材料 10第一表面 Α时，电磁波沿着夹角 Θ对应的切线方向传播，因此 (O) = tan 。由以上几个条件可得到抛物线的方程为 y(x) = tme(-^- x² + x + s) , 由此可得夹角 0与抛物线弧 _m上每一点（_x， y) 的关系式：角 0唯一对应人工复合材料内的-

曲面，该曲面就是由母线 m绕 L ( X轴）旋转而来的，夹角唯一对应的该曲面上每一处的折射率均相同。弧线 m 的弧长 c( 满足如下公式

中，为预设小数，比如 0. 0001，可以保证在夹角 0接近 0 的时候比值夹角 ø取值范围为 _[0, )。

如图 5所示，以经过人工复合材料 10第一表面 A的中心 0且垂直于人工复合材料 10的直线 L为横坐标轴，以经过人工复合材料 10第一表面 A的中心 0且平行于第一表面 A的直线为纵坐标轴，辐射源与 A面上某一点 0'的连线与 X轴的夹角为 0，夹角 0对应的虚拟曲面的母线为虚线所示的抛物线弧 m，夹角 0 一点（X , y) 满足如下关系式：

图 6是图 4所示的弧线为椭圆弧时，弧线 m与 0的关系示意图。以经过人工复合材料 10第一表面 A的中心 0且垂直于人工复合材料 10的直线 L为横坐标轴，以经过人工复合材料 10第一表面 A的中心 0且平行于第一表面 A的直线为纵坐标轴，辐射源与 A面上某一点 0'的连线与 X轴的夹角为 ^，夹角 0对应的虚拟曲面的母线为实线所示的椭圆弧 m。椭圆上实线所示的椭圆弧 m所在的椭圆方程为： ― + ¾^~ ^{= 1}， a b

椭圆的中心位于第二表面 B上，坐标为（d， c)。该椭圆经过点（O^tan ) , 即

X0) o 为了使得经过人工复

合材料后电磁波平行射出，则需使电磁波经过人工复合材料第二表面 B时椭圆弧的切线是与 X轴平行的，即保证 (^ ) = 0。由于椭圆上任一点（X, y ) 处的切线方程为 £ =— ^ ^ ，由此可得满足 W) = o。夹角 Θ所对应的第一表面 A上的点 0'的折射角为 θ，，该点的折射率为 η(θ)，根据斯奈尔定律可知： "( = "^ 。电磁波到达人工复合材料 10第一表面 A 时，电磁波沿着折射角对应的切线方向传播（如图 5所示），也就是说在椭圆弧 m无限接近 0'的位置处满足 (0+) = tan ^，由此可得如下关系式： sin^ b² d

(0+) = ta

夹角 0唯一对应人工复合材料内的一曲面，该曲面就是由母线 m绕 L ( X 轴）旋转而来的，夹角 0唯一对应的该曲面上每一处的折射率均相同。

图 7是图 4所示的弧线为圆弧时，弧线 m的构造示意图。每一区域的侧表面（包括外表面和内表面）的母线为圆弧段。第 z区域的外表面的母线为圆弧段，图中侧视图的圆弧段即为每一区域外表面的母线。为了更清楚地描述相同曲面上的折射率相同，对区域内部的曲面也进行阐述。其中辐射源与第 z区域底面外圆周上一点的连线的垂线与所述人工复合材料远离所述辐射源的一面的交点为所述圆弧段的圆心，所述交点与区域底面外圆周上一点之间的垂线段为所述圆弧段的半径。

第 z区域的内表面的母线为圆弧段，其中辐射源与第 z区域底面内圆周上一点的连线的垂线与所述人工复合材料远离所述辐射源的一面的交点为所述圆弧段的圆心，所述交点与区域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 z≥2。第一个区域是实心的，没有内表面。第 z +1 区域的内表面紧密贴合于第 z区域的外表面，也即第 z +1 个区域的内表面与第 z个区域的外表面的各处曲率相同。每一区域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区域底面外圆周上一点的连线与 L之间的夹角为，辐射源与第 1 区域底面外圆周上一点的连线的垂线^与人工复合材料的另一面的交点是第 1区域外表面（即图 3中的最边界曲面 Dml ) 的母线为 ml ; ml是以 (^为圆心、为半径旋转而来的圆弧段。同理，辐射源与第 2个区域底面外圆周上一点的连线与 L之间的夹角为，辐射源与第 2区域底面外圆周上一点的连线的垂线与人工复合材料的另一面的交点是 0₂，第 2区域外表面（即图 3 中的最边界曲面 Dm2 ) 的母线为 m2; m2是以 (¾为圆心、 ₂为半径旋转而来的圆弧段；辐射源与第 3个区域底面外圆周上一点的连线与 L之间的夹角为，辐射源与第 3个区域底面外圆周上一点的连线的垂线 ^与人工复合材料的另一面的交点是 0₃，第 3个区域外表面的母线为 m3 _; m3是以 0₃为圆心、 ^为半径旋转而来的圆弧段。如图 7所示，圆弧段 ml、 m2、 m3相对于 L对称分布。

图 4所示的弧线为圆弧时，设辐射源与第 z区域底面外圆周上一点的连线与垂直于人工复合材料的直线之间的夹角为 ^， z为正整数且越靠近人工复合材料中心的区域对应的 z越小；其中，夹角满足如下公式： sinc(^.) = -^(w_max(/+1) -" ■))；

0 , s为所述辐射源

到所述人工复合材料的距离； ^为所述人工复合材料的厚度； A为电磁波的波长， n_→)、分别为第 I区域的最大折射率和最小折射率， "_max(;+1)、 n_→i+l)分别为第区域的最大折射率和最小折射率。相邻两个区域的最大折射率和最小折射率满足： "_maxW— MminW = ^max(W) - ^mi„(W)。夹角 ^或取值范围为 [0, ^)。 _→)已知，第 1区域的以及 w_max(2)可用下式计算得出 d

sinc(^) = -(w_max(2) -w_min(1)；

cos ' sin c(9₀) sinc(^)

2区域的和 w_max(3)可用下式计算得出 d

sinc((9₂) = O_max(3)— w_min(2): n. 2

第 3区域的可用下式计算得 sinc((¾) = o_max(4) -w_min(3)) _;

cos ^3 cos ^₂ s n c 9₂ s nc ^₃

在本发明一实施例中，相邻三个区域的最大折射率和最小折射率满足: n x( +l) mmiinn(( ))〉 /

mmaaxx(( ++22)) min( +l)

人工复合材料 10可用于将辐射源发射的电磁波转换为平面波。其每一区域的折射率随着夹角的增大从 w_ma ^减小到 M_min( )，如图 4所示。可以理解的是，本发明提供的人工复合材料 10还可应用在平面波汇聚到焦点的情况，也即图 2 中的可逆情景。人工复合材料 10本身的构造无需改变，只需将辐射源放置在第二表面 B—侧即可，而此时的原理一样，但是 0的定义中的辐射源就应该是处于第一表面 A侧且位于人工复合材料焦点的虚拟辐射源位置。只要是应用本发明的原理而进行的各种应用场景都属于本发明的保护范围。

人工复合材料在实际的结构设计时，可以设计为多个人工复合材料片层，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。多个人工复合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，曲面的母线设计为椭圆弧、抛物线弧、或圆弧。当然，在实际设计时，可能设计成精确的椭圆弧或抛物线弧比较困难，可以根据需要设计为近似的椭圆弧、抛物线弧、圆弧或者阶梯状，具体的精确程度可依据需要来选择。随着技术的不断进歩，设计的方式也会不断更新，可能会有更好的人工复合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至少一根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 "工"字形、 "十"字形或者椭圆形。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。人工复合材料内多个人造微结构使得人工复合材料的折射率随着夹角的增大而减小。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，就可以调整人工复合材料的折射率分布，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。

为了更直观的表示人工复合材料片层在 yx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人工复合材料的折射率分布如图 8所示。

上文以抛物线弧和椭圆弧为例进行了详细阐述，作为非限制性例子，本发明还可以适用于其他种类的曲线，例如不规则的曲线。满足本发明折射率分布原理的情况都包含在保护之列。

本发明还提供一种人工复合材料天线，如图 2和图 3所示，人工复合材料天线包括人工复合材料 10和设置在人工复合材料 10焦点上的辐射源 20，人工复合材料 10的具体结构和折射率变化如上文所述，此处不再赘述。

前文所述的人工复合材料可以是图 3 所示的形状，当然也可以是其他需要的形状圆环状，只要是能够满足前文所述的折射率变化规律即可。本发明的人工复合材料可以用作透镜使用，也可以用于通信领域的天线中，用途广泛。

在实际应用时，为了使得人工复合材料的性能更好，减少反射，可以再人工复合材料两侧均设置阻抗匹配层。关于阻抗匹配层的内容可参见现有技术资料，此处不再赘述。

本发明在人工复合材料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，使得人工复合材料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

权利要求

1、一种人工复合材料，其特征在于，所述人工复合材料划分为多个区域；电磁波入射到所述人工复合材料的第一表面并在与所述第一表面相对的第二表面射出；

第 I区域与所述第一表面的交集部分为第 I区域的底面，第 I区域与所述第二表面的交集部分为第 Z区域的顶面；设辐射源与所述第 Z区域底面上一点的连线与垂直于人工复合材料的直线之间的夹角为 Θ，夹角 0唯一对应第 i区域内的一曲面，第 Z区域底面上具有相同夹角 0的点的集合构成夹角 0唯一对应的曲面的边界；且夹角 0唯一对应的曲面上每一处的折射率均相同；每一区域的折射率随着夹角 0的增大逐渐减小。

2、根据权利要求 1所述的人工复合材料，其特征在于，设辐射源与第 z区域底面外圆周上一点的连线与垂直于人工复合材料的直线之间的夹角为， z为正整数且越靠近人工复合材料中心的区域对应的 z越小；其中，夹角对应的曲面的母线的弧长为 c( ），弧长 c(^ )和夹角满足如下公式：

cos cos

其中， θ₀ = 0 , c(0₀ ) = d ., 为所述辐射源到所述人工复合材料的距离； d 为所述人工复合材料的厚度；为电磁波的波长， M_min(;)分别为第 z区域的最大折射率和最小折射率， M_max(;+1)为第 _{z +}i区域的最大折射率。

3、根据权利要求 2所述的人工复合材料，其特征在于，相邻两个区域的最大折射率和最小折射率满足： "_max(0 - n_mm(i) = n_→i+l) - n_→+l)。

4、根据权利要求 3所述的人工复合材料，其特征在于，相邻三个区域的最大折射率和最小折射率满足： "_max(;+1) - n_mm(i) > n_→i+2) - n_→+l)。；、根据权利要求 2所述的人工复合材料，其特征在于，

两足:

1

η 二 xd + s

α(θ) ' ^maxw cos^，其中， ^为所述人工复合材料的厚度；为辐射源与第 ζ区域底面上一点的连线与垂直于人工复合材料的直线之间的夹角， c( 为夹角 0对应的曲面的母线的弧长。

6、根据权利要求 5所述的人工复合材料，其特征在于，所述曲面的母线为抛物线弧时，弧长 c( 满足如下公式：

log(|tan θ\ + Vl + tan² Θ ) + ^ ₊ ~~ Ί

Θ

2 tan< + ^ 其中，为预设小数。

7、根据权利要求 5所述的人工复合材料，其特征在于，以经过所述人工复合材料第一表面的中心且垂直于所述人工复合材料的直线为横坐标轴，以经过所述人工复合材料第一表面的中心且平行于所述第一表面的直线为纵坐标轴，所述抛物线弧所在的抛物线方程为： y(x) = tan^(-^ ² + + 。

8、根据权利要求 5所述的人工复合材料，其特征在于，所述曲面的母线为椭圆弧时，以经过所述人工复合材料第一表面的中心且垂直于所述人工复合材料的直线为横坐标轴，以经过所述人工复合材料第一表面的中心且平行于所述第一表面的直线为纵坐标轴，所述椭圆弧所在的椭圆方程为：

且上式中的 a、 b、 c满足如下关系:

b² d

9、根据权利要求 8所述的人工复合材料，其特征在于，夹角 0所对应的第一表面上的点的折射角为 0'，该点的折射率为满足：

sin^

η θ) = 。

sin^'

10、根据权利要求 1所述的人工复合材料，其特征在于，设辐射源与第 z区域底面外圆周上一点的连线与垂直于人工复合材料的直线之间的夹角为， ,为正整数且越靠近人工复合材料中心的区域对应的 z越小；其中，夹角 ^满足如下公式：

d_

sinc( ） = ("_max(d ₍₀

= _; s为所述辐射源

到所述人工复合材料的距离；为所述人工复合材料的厚度； /1为电磁波的波长，

^_max( "_minW分别为第/区域的最大折射率和最小折射率， "_{max( +1})、 "_mi„(m)分别为第 Z +1区域的最大折射率和最小折射率。

11、根据权利要求 10所述的人工复合材料，其特征在于，相邻两个区域的最大折射率和最小折射率满足： "_max(0 - n_mm(i) = η_{→Μ )} - η_→Μ)。

12、根据权利要求 11所述的人工复合材料，其特征在于，相邻三个区域的最大折射率和最小折射率满足： "_max(;+1) - n_mm(i) > n_→+2) - η_→Μ)。

13、根据权利要求 10所述的人工复合材料，其特征在于，第 ζ区域的折射率满足：

sin (9 , , s 、

άχθ、 ^mdX、" cose 其中， Θ为辐射源与第 Ζ区域底面上一点的连线与垂直于人工复合材料的直线之间的夹角。

14、根据权利要求 1~13任一项所述的人工复合材料，其特征在于，所述人工复合材料两侧设置有阻抗匹配层。

15、一种人工复合材料天线，其特征在于，包括人工复合材料和设置在所述人工复合材料焦点上的辐射源；所述人工复合材料划分为多个区域；电磁波入射到所述人工复合材料的第一表面并在与所述第一表面相对的第二表面射出；

第 I区域与所述第一表面的交集部分为第 I区域的底面，第 I区域与所述第二表面的交集部分为第 ζ区域的顶面；设辐射源与所述第 ζ区域底面上一点的连线与垂直于人工复合材料的直线之间的夹角为 Θ，夹角 0唯一对应第 i区域内的一曲面，第 z区域底面上具有相同夹角 ^的点的集合构成夹角 ^唯一对应的曲面的边界；且夹角 ^唯一对应的曲面上每一处的折射率均相同；每一区域的折射率随着夹角 ^的增大逐渐减小。

16、根据权利要求 15所述的人工复合材料天线，其特征在于，设辐射源与第 z区域底面外圆周上一点的连线与垂直于人工复合材料的直线之间的夹角为 θ ,为正整数且越靠近人工复合材料中心的区域对应的 ζ越小；其中，夹角对应的曲面的母线的弧长为 c( ），弧长 c(^ )和夹角满足如下公式：

其中， θ₀ = 0 , c(0₀ ) = d ., 为所述辐射源到所述人工复合材料的距离； d 为所述人工复合材料的厚度；为电磁波的波长； M_min(;)分别为第 z区域的最大折射率和最小折射率， M_max(;+1)为第 _{z +}l区域的最大折射率。

17、根据权利要求 16所述的人工复合材料天线，其特征在于，相邻两个区域的最大折射率和最小折射率满足： "_maxW - n_→) = n_→+l) - n_→+l)。

18、根据权利要求 17所述的人工复合材料天线，其特征在于，相邻三个区域的最大折射率和最小折射率满足： "_max(;+1) - n_→) > n_→+2) - n_→+l)。 19、根据权利要求 17所述的人工复合材料天线，其特征在于，第 z区域的折射率满足：

1 s

η, (Θ) = d x d + s ) .

'、 ) ο(θΥ cos ^ ' 其中， ^为所述人工复合材料的厚度；为辐射源与第 ζ区域底面上一点的连线与垂直于人工复合材料的直线之间的夹角， c( 为夹角 0对应的曲面的母线的弧长。

20、根据权利要求 15所述的人工复合材料天线，其特征在于，所述曲面的母线为抛物线弧、椭圆弧或圆弧。