專利名稱：一種電磁透鏡天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電磁透鏡天線，具體地涉及一種具有電磁波匯聚功能的電磁透鏡天線。
背景技術(shù)：
在常規(guī)的光學(xué)器件中，利用透鏡能使放在透鏡焦點(diǎn)上的點(diǎn)光源輻射出的球面波經(jīng)過(guò)透鏡折射后變?yōu)槠矫娌?。透鏡天線是由透鏡和放在透鏡焦點(diǎn)上的輻射器組成，利用透鏡匯聚的特性，將輻射器發(fā)出的電磁波經(jīng)過(guò)透鏡匯聚后再發(fā)射出去，這種天線方向性比較強(qiáng)。目前透鏡的匯聚是依靠凸透鏡的曲面形狀的折射來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖I所示，輻射器I發(fā)出的球面波經(jīng)過(guò)凸透鏡2匯聚后以平面波射出，凸透鏡2的體積大而且笨重，不利于小型化的使用；而且凸透鏡對(duì)于形狀有很大的依賴性，需要比較精準(zhǔn)才能實(shí)現(xiàn)天線的定向傳播，所·以對(duì)加工精度的要求也比較高，此外凸透鏡電磁損耗很大，容易老化，成本較高。超材料作為一種材料設(shè)計(jì)理念以及研究前沿，越來(lái)越引起人們的關(guān)注，所謂超材料，是指一些具有天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的人工復(fù)合結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料。通過(guò)對(duì)材料的物理結(jié)構(gòu)進(jìn)行有序設(shè)計(jì)，可突破某些天然材料的限制，從而獲得超出自然界固有的普通材料的超常材料功能。超材料包括由金屬線構(gòu)成的具有一定圖案形狀的的人造微結(jié)構(gòu)和人造微結(jié)構(gòu)所附著的基材，多個(gè)人造微結(jié)構(gòu)在基材上陣列排布，基材對(duì)人造微結(jié)構(gòu)起到支撐作用，可為任何與人造微結(jié)構(gòu)不同的材料。這兩種材料的疊加會(huì)在空間中產(chǎn)生一個(gè)等效介電常數(shù)與磁導(dǎo)率，這兩個(gè)物理參數(shù)分別對(duì)應(yīng)了材料整體的電場(chǎng)響應(yīng)與磁場(chǎng)響應(yīng)。超材料對(duì)電磁響應(yīng)的特征是由人造微結(jié)構(gòu)的特征所決定，而人造微結(jié)構(gòu)的電磁響應(yīng)很大程度上取決于其金屬線的拓?fù)涮卣骱统牧蠁卧叽?。超材料單元尺寸取決于人造微結(jié)構(gòu)需要響應(yīng)的電磁波，通常人造微結(jié)構(gòu)的尺寸為所需響應(yīng)的電磁波波長(zhǎng)的十分之一，否則空間中由人造微結(jié)構(gòu)所組成的排列在空間中不能被視為連續(xù)。超材料單元的等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率(或等效介電常數(shù)和波阻抗)隨著人造微結(jié)構(gòu)的形狀和尺寸的變化而變化，可人為設(shè)計(jì)和控制。由于人造微結(jié)構(gòu)可以具有人為設(shè)計(jì)的電磁參數(shù)，從而超材料可以產(chǎn)生許多新奇的現(xiàn)象，為實(shí)現(xiàn)電磁波的匯聚提供了可能。通過(guò)對(duì)超材料中每一個(gè)人造微結(jié)構(gòu)的介電常數(shù)與磁導(dǎo)率進(jìn)行精確控制，可以控制超材料的介電常數(shù)的大小呈連續(xù)的變化，當(dāng)超材料的中間位置介電常數(shù)最大、以中間位置為圓心隨著半徑的增大介電常數(shù)連續(xù)地減小時(shí)，可以使該超材料具有對(duì)電磁波的匯聚作用，其原理圖沿中心軸的剖面圖參看附圖2，A表示各向異性的超材料，當(dāng)超材料A的介電常數(shù)呈中間高兩邊低的規(guī)律變化時(shí)，電磁波入射并經(jīng)過(guò)超材料后可形成圖2所示的匯聚電磁波。但是，現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題是要使電磁波得到匯聚，介電常數(shù)需要在超材料的尺度范圍內(nèi)連續(xù)變化，介電常數(shù)變化范圍很大，因此要求人造微結(jié)構(gòu)的尺寸也要變化很大，進(jìn)行超材料的人造微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，由于人造微結(jié)構(gòu)的尺寸受電磁波波長(zhǎng)的限制，使得超材料的尺寸變化范圍受限，所以很難制造大面積的超材料。
各向異性的超材料中的每個(gè)人造微結(jié)構(gòu)為非90度旋轉(zhuǎn)對(duì)稱結(jié)構(gòu)，即繞微結(jié)構(gòu)上
任一軸旋轉(zhuǎn)90度后與微結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)之前不重合，如“I”形或者“I”形的衍生形如“ ”形，每
個(gè)人造微結(jié)構(gòu)的折射率橢球的非尋常光光軸不垂直且不平行于入射電磁波的傳播方向。各向異性的超材料單元尺寸取決于人造微結(jié)構(gòu)需要響應(yīng)的電磁波，通常人造微結(jié)構(gòu)的尺寸為所需響應(yīng)的電磁波波長(zhǎng)的十分之一，否則空間中由人造微結(jié)構(gòu)所組成的排列在空間中不能被視為連續(xù)。因此用各向異性的超材料替代凸透鏡的電磁透鏡天線實(shí)現(xiàn)匯聚時(shí)超材料的尺寸受限，只能制作出較小尺寸的超材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題在于，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中制造凸透鏡天線工藝復(fù)雜、精度要求高以及加工普通各向異性的平面超材料透鏡天線時(shí)為了制造大面積的平面超材料面 板，人造微結(jié)構(gòu)的尺寸跨度要求比較大，但是人造微結(jié)構(gòu)本身的尺寸受其原理所限其尺寸跨度有限的缺陷，提出了一種新型的具有各向異性超材料面板的電磁透鏡天線，其中具有各向異性的超材料面板的人造微結(jié)構(gòu)的尺寸只需在較小范圍內(nèi)變化。該電磁透鏡天線通過(guò)將超材料面板按照折射率的變化范圍劃分為折射率非連續(xù)的不同區(qū)域，不同區(qū)域中折射率變化范圍相交非空、折射率的大小與人造微結(jié)構(gòu)尺寸成正比，因此不同區(qū)域內(nèi)人造微結(jié)構(gòu)的尺寸變化范圍相交非空，使得人造微結(jié)構(gòu)的尺寸只需要在較小的范圍內(nèi)變化就可以實(shí)現(xiàn)匯聚的效果，且該各向異性超材料面板可以具有較大的面積。本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是構(gòu)造一種電磁透鏡天線，包括具有匯聚功能的各向異性的超材料面板和位于所述超材料面板的焦點(diǎn)上的輻射單元，輻射單元發(fā)出的球面電磁波經(jīng)過(guò)超材料面板后平行射出，所述超材料面板沿電磁波的入射方向看過(guò)去包括具有相同中心軸的圓柱形區(qū)域和至少一個(gè)圓筒形區(qū)域，所述各區(qū)域內(nèi)的折射率相對(duì)于所述中心軸徑向?qū)ΨQ(即相同半徑上的折射率相同)且隨著半徑的增加折射率逐漸變小同時(shí)折射率的變化率逐漸增大，所述各區(qū)域交界處的折射率非連續(xù)變化，不同區(qū)域的折射率變化范圍相交非空，所述超材料面板由超材料片層堆疊而成，每個(gè)超材料片層包括片狀的基板和附著在基板上的多個(gè)人造微結(jié)構(gòu)，每個(gè)人造微結(jié)構(gòu)為非90度旋轉(zhuǎn)對(duì)稱結(jié)構(gòu)，每個(gè)人造微結(jié)構(gòu)的折射率橢球的非尋常光光軸不垂直且不平行于入射電磁波的傳播方向。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式中，所述超材料面板的人造微結(jié)構(gòu)相對(duì)于所述中心軸徑向?qū)ΨQ排布(即相同半徑上的人造微結(jié)構(gòu)的形狀和尺寸相同，垂直與所述中心軸的平面內(nèi)的相同半徑上的任意兩個(gè)人造微結(jié)構(gòu)可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)一定的角度彼此重合)，相對(duì)于中心軸徑向?qū)ΨQ排布的所述人造微結(jié)構(gòu)的折射率橢球的非尋常光軸延長(zhǎng)后相交于所述中心軸上的一點(diǎn)，且所述非尋常光軸延長(zhǎng)線相交形成一個(gè)夾角，所述夾角的開(kāi)口方向與入射電磁波的傳播方向相反。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式中，所述各區(qū)域的折射率變化范圍相同。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式中，所述人造微結(jié)構(gòu)具有相同的幾何形狀。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式中，所述人造微結(jié)構(gòu)相對(duì)于所述中心軸徑向?qū)ΨQ分布，所述人造微結(jié)構(gòu)的尺寸隨折射率的減小而減小，所述各區(qū)域內(nèi)的人造微結(jié)構(gòu)隨著半徑的增大所述人造微結(jié)構(gòu)的尺寸逐漸減小，且不同區(qū)域內(nèi)的人造微結(jié)構(gòu)的尺寸變化范圍相交非空。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式中，相同半徑且沿所述中心軸的軸向平行的一行人造微結(jié)構(gòu)其對(duì)應(yīng)的各個(gè)折射率橢球的非尋常光軸相互平行。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式中，相同半徑且沿軸向平行的一行人造微結(jié)構(gòu)其尺寸相同。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式中，所述超材料面板的入射面和出射面設(shè)置有阻抗匹配層。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式中，所述人造微結(jié)構(gòu)為“ I ”形在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式中，所述人造微結(jié)構(gòu)為“ I ”形的衍生形。
實(shí)施本發(fā)明的透鏡天線，具有以下有益效果該透鏡天線通過(guò)將各向異性的超材料面板劃分為折射率非連續(xù)的不同區(qū)域，使得超材料面板中的人造微結(jié)構(gòu)的尺寸只需要在較小的范圍內(nèi)變化就可以實(shí)現(xiàn)匯聚的效果，可以實(shí)現(xiàn)電磁透鏡天線定向接收或者發(fā)射電磁波。避免了現(xiàn)有技術(shù)中制造凸透鏡天線工藝復(fù)雜、精度要求高以及加工普通平面各向異性超材料透鏡天線時(shí)要求人造微結(jié)構(gòu)的尺寸跨度比較大的缺陷，同時(shí)，由于人造微結(jié)構(gòu)尺寸受電磁波波長(zhǎng)限制，導(dǎo)致人造微結(jié)構(gòu)尺寸受限，所以普通平面各向異性超材料透鏡的尺寸受限，本發(fā)明進(jìn)而克服了普通平面各向異性超材料透鏡不能制造大面積超材料面板的缺陷。


圖I是現(xiàn)有的凸透鏡天線匯聚電磁波的示意圖；圖2是使用普通各向異性超材料面板的透鏡天線的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本發(fā)明提供的透鏡天線的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明使用的超材料面板中位于中間位置的超材料片層的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是輻射單元發(fā)出的電磁波經(jīng)過(guò)位于中間位置的超材料片層匯聚后的示意圖；圖6是位于中間位置的超材料片層折射率變化的示意圖；圖7是帶有阻抗匹配層的超材料片層的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。如圖3所示，本實(shí)施例提供的具有各向異性超材料的電磁透鏡天線包括具有匯聚功能的各向異性的超材料面板3和位于超材料面板3的焦點(diǎn)上的輻射單元1，輻射單元I位于中間位置的超材料面板的中心軸線的方向上，超材料面板3由多個(gè)超材料片層沿Z軸方向疊加在一起，超材料片層之間等間距排列組裝或者相鄰片層之間相貼合地堆疊為一體，每個(gè)超材料片層由片狀的基板和附著在基板上的人造微結(jié)構(gòu)組成，每片基板虛擬地劃分為多個(gè)完全相同的相互緊挨著的立方體基材單元，這些基材單元以X軸方向?yàn)樾?、以與之垂直的Y軸方向?yàn)榱幸来侮嚵信挪肌；膯卧倪呴L(zhǎng)通常為入射電磁波波長(zhǎng)的五分之一到十分之一之間。每個(gè)基材單元上附著有一個(gè)人造微結(jié)構(gòu)，基材單元和附著在基材單元上的人造微結(jié)構(gòu)共同構(gòu)成一個(gè)超材料單元，如圖3所示，本發(fā)明的超材料可看作是由多個(gè)超材料單元沿X、Y、Z三個(gè)方向陣列排布而成。
位于超材料面板中間位置的超材料片層如圖4所示，人造微結(jié)構(gòu)為“I”形，包括相對(duì)中心軸00’對(duì)稱的上下兩個(gè)部分，每一部分分別包括三個(gè)區(qū)域Al A2、BI B2和Cl C2，在不同區(qū)域內(nèi)，沿X軸方向的超材料單元中的人造微結(jié)構(gòu)尺寸相同，沿Y軸方向的超材料單元中的人造微結(jié)構(gòu)尺寸逐漸增大，每個(gè)“I”形人造微結(jié)構(gòu)為非90度旋轉(zhuǎn)對(duì)稱結(jié)構(gòu)，每個(gè)人造微結(jié)構(gòu)的折射率橢球的非尋常光光軸不垂直且不平行于輻射單元發(fā)出的電磁波的傳播方向。該超材料片層的折射率分布規(guī)律如圖5和圖6所不,其中ηη > η12 > η13,
n21〉n22〉η23 n31〉n32〉n33 (n32_n33)〉(n31_n32)〉(n22_n23)〉(H21^22)〉(ni2_ni3)
> (1 -] ),且(n13, nn) η (n23, n21) Φ Φ , (n13, nn) Π (n33, n31) Φ Φ , (n23, n21) Π (n33,n31) Φ Φ，比如nn = n21 = n31時(shí),各區(qū)域內(nèi)的折射率相交就非空,在不同區(qū)域內(nèi)折射率與微結(jié)構(gòu)的尺寸成正比，超材料片層的人造微結(jié)構(gòu)相對(duì)于中心軸00’對(duì)稱排布，“I”形人造微結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的折射率橢球的非尋常光軸與“I”形中間連接線的方向一致，相對(duì)于中心軸對(duì)稱排布的人造微結(jié)構(gòu)的折射率橢球的非尋常光軸延長(zhǎng)后相交于中心軸上的一點(diǎn)，且所述非尋常光軸延長(zhǎng)線相交形成一個(gè)夾角，所述夾角的開(kāi)口方向與入射電磁波的傳播方向相反。
多個(gè)超材料片層疊加而成的超材料面板上的金屬微結(jié)構(gòu)相對(duì)于中心軸00’徑向?qū)ΨQ排布，超材料面板沿電磁波的入射方向看過(guò)去包括具有相同中心軸的圓柱形區(qū)域和兩個(gè)圓筒形區(qū)域，圓柱形的半徑為A1A2，一個(gè)圓筒的內(nèi)徑為A1A2*2外徑為(A1A2+B1B2) *2，另一個(gè)圓筒的內(nèi)徑為(A1A2+B1B2)*2外徑為(A1A2+B1B2+C1C2)*2，所述各區(qū)域內(nèi)的折射率相對(duì)于中心軸00’徑向?qū)ΨQ且隨著半徑的增加折射率逐漸變小同時(shí)折射率的變化率逐漸增大。需要說(shuō)明的是，由于實(shí)際上超材料單元是一個(gè)立方體而非一個(gè)點(diǎn)，因此上述圓柱形和圓筒形只是近似描述，實(shí)際上折射率相同的超材料單元是分布在一個(gè)鋸齒形圓周上的。另外，超材料面板由入射方向看過(guò)去可以包括更多的圓筒形區(qū)域，超材料面板根據(jù)需要可以截取入射面為正方形的方形柱體如圖3也可以截取入射面為圓形的圓柱體。為了減少電磁波在超材料面板上的反射，在超材料面板沿X軸方向的兩個(gè)面(電磁波的入射面和出射面)上可以分別附著一個(gè)阻抗匹配層，如圖7所示，在電磁波的入射面附著一個(gè)阻抗匹配層D1，在電磁波的出射面上附著阻抗匹配層D2。每個(gè)阻抗匹配層Dl和D2分別包括4個(gè)阻抗匹配片層，附著在入射面上的阻抗匹配層Dl的不同阻抗匹配片層的折射率由空氣的折射率逐漸過(guò)渡到超材料面板沿X軸方向?qū)?yīng)的的折射率，附著在出射面上的阻抗匹配層D2的不同阻抗匹配片層的折射率由超材料面板沿X軸方向的折射率逐漸過(guò)渡到空氣的折射率，即沿X軸方向，折射率由空氣到Dl再到超材料面板逐漸過(guò)渡，同樣，折射率由超材料面板到D2再到空氣逐漸過(guò)渡。上面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實(shí)施方式
，上述的具體實(shí)施方式
僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨和權(quán)利要求所保護(hù)的范圍情況下，還可做出很多
形式，比如人造微結(jié)構(gòu)還可以是“I”形的衍生形如如形等。這些均屬于本發(fā)明的保護(hù)之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種電磁透鏡天線，其特征在于，包括具有匯聚功能的各向異性的超材料面板和位于所述超材料面板的焦點(diǎn)上的輻射單元，所述輻射單元發(fā)出的球面電磁波經(jīng)過(guò)所述超材料面板后平行射出，所述超材料面板沿電磁波的入射方向看過(guò)去包括具有相同中心軸的圓柱形區(qū)域和至少一個(gè)圓筒形區(qū)域，所述各區(qū)域內(nèi)的折射率相對(duì)于所述中心軸徑向?qū)ΨQ且隨著半徑的增加折射率逐漸變小同時(shí)折射率的變化率逐漸增大，所述各區(qū)域交界處的折射率非連續(xù)變化，不同區(qū)域的折射率變化范圍相交非空，所述超材料面板由超材料片層堆疊而成，每個(gè)超材料片層包括片狀的基板和附著在基板上的多個(gè)人造微結(jié)構(gòu)，每個(gè)人造微結(jié)構(gòu)為非90度旋轉(zhuǎn)對(duì)稱結(jié)構(gòu)，每個(gè)人造微結(jié)構(gòu)的折射率橢球的非尋常光光軸不垂直且不平行于入射電磁波的傳播方向。
2.如權(quán)利要求I所述的電磁透鏡天線，其特征在于，所述超材料面板的人造微結(jié)構(gòu)相對(duì)于所述中心軸徑向?qū)ΨQ排布，相對(duì)于中心軸徑向?qū)ΨQ排布的所述人造微結(jié)構(gòu)的折射率橢球的非尋常光軸延長(zhǎng)后相交于所述中心軸上的一點(diǎn)，且所述非尋常光軸的延長(zhǎng)線相交形成一個(gè)夾角，所述夾角的開(kāi)口方向與入射電磁波的傳播方向相反。
3 根據(jù)權(quán)利要求2所述的電磁透鏡天線，其特征在于，所述各區(qū)域的折射率變化范圍相同。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的電磁透鏡天線，其特征在于，所述人造微結(jié)構(gòu)具有相同的幾何形狀。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電磁透鏡天線，其特征在于，所述人造微結(jié)構(gòu)相對(duì)于所述中心軸徑向?qū)ΨQ分布，所述人造微結(jié)構(gòu)的尺寸隨折射率的減小而減小，所述各區(qū)域內(nèi)的人造微結(jié)構(gòu)隨著半徑的增大所述人造微結(jié)構(gòu)的尺寸逐漸減小，且不同區(qū)域內(nèi)的人造微結(jié)構(gòu)的尺寸變化范圍相交非空。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電磁透鏡天線，其特征在于，相同半徑且沿所述中心軸的軸向平行的一行人造微結(jié)構(gòu)其對(duì)應(yīng)的各個(gè)折射率橢球的非尋常光軸相互平行。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電磁透鏡天線，其特征在于，相同半徑且沿軸向平行的一行人造微結(jié)構(gòu)其尺寸相同。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的電磁透鏡天線，其特征在于，所述超材料面板的入射面和出射面設(shè)置有阻抗匹配層。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的電磁透鏡天線，其特征在于，所述人造微結(jié)構(gòu)為“I ”形
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的電磁透鏡天線，其特征在于，所述人造微結(jié)構(gòu)為“I ”形的衍生形。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種電磁透鏡天線，包括具有匯聚功能的各向異性的超材料面板和位于超材料面板的焦點(diǎn)上的輻射單元，超材料面板沿電磁波的入射方向看過(guò)去包括具有相同中心軸的圓柱形區(qū)域和至少一個(gè)圓筒形區(qū)域，各區(qū)域內(nèi)的折射率相對(duì)于所述中心軸徑向?qū)ΨQ且隨著半徑的增加逐漸變小同時(shí)變化率逐漸增大，各區(qū)域交界處的折射率非連續(xù)變化，不同區(qū)域的折射率變化范圍相交非空，超材料面板由超材料片層堆疊而成，每個(gè)超材料片層包括基板和附著在基板上的多個(gè)人造微結(jié)構(gòu)，人造微結(jié)構(gòu)為非90度旋轉(zhuǎn)對(duì)稱結(jié)構(gòu)，人造微結(jié)構(gòu)的折射率橢球的非尋常光光軸不垂直且不平行于入射電磁波的方向。采用本發(fā)明所述的電磁透鏡天線，可以實(shí)現(xiàn)定向接收或者發(fā)射電磁波。
文檔編號(hào)H01Q15/00GK102891366SQ20111011390
公開(kāi)日2013年1月23日 申請(qǐng)日期2011年5月4日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月4日
發(fā)明者劉若鵬, 王今金, 季春霖, 岳玉濤 申請(qǐng)人:深圳光啟高等理工研究院, 深圳光啟創(chuàng)新技術(shù)有限公司