《一种前馈式微波天线.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《一种前馈式微波天线.pdf（15页珍藏版）》请在专利查询网上搜索。
1、(10)申请公布号 CN 102480030 A (43)申请公布日 2012.05.30 C N 1 0 2 4 8 0 0 3 0 A *CN102480030A* (21)申请号 201110210400.1 (22)申请日 2011.07.26 H01Q 15/00(2006.01) H01Q 15/23(2006.01) H01Q 19/06(2006.01) H01Q 19/10(2006.01) (71)申请人深圳光启高等理工研究院 地址 518000 广东省深圳市深圳市南山区高 新区中区高新中一道9号软件大厦 申请人深圳光启创新技术有限公司 (72)发明人刘若鹏 季春霖 岳玉涛。
2、 尹小明 (54) 发明名称 一种前馈式微波天线 (57) 摘要 本发明公开一种前馈式微波天线，其包括辐 射源、用于将所述辐射源发射的电磁波发散的第 一超材料面板、第二超材料面板以及贴附于所述 第二超材料面板背部的反射面板，电磁波经过所 述第一超材料面板被发散后进入所述第二超材料 面板产生折射并被所述反射面板反射后再次进入 所述第二超材料面板再次发生折射并最终平行出 射。本发明采用超材料原理制作天线，使得天线 脱离了常规的凸透镜形状、凹透镜形状以及抛物 面形状的限制，采用本发明的天线，其形状可为平 板状或任意形状且厚度更薄、体积更小、加工和制 作更为方便，具有成本低廉、增益效果好的有益效 果。。
3、 (51)Int.Cl. 权利要求书2页 说明书7页 附图5页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 2 页 说明书 7 页 附图 5 页 1/2页 2 1.一种前馈式微波天线，其特征在于，包括：辐射源、用于将所述辐射源发射的电磁波 发散的第一超材料面板、第二超材料面板以及贴附于所述第二超材料面板背部的反射面 板，电磁波经过所述第一超材料面板被发散后进入所述第二超材料面板产生折射并被所述 反射面板反射后再次进入所述第二超材料面板再次发生折射并最终平行出射；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三人造金属微结构；所述第 二超材料面板包。
4、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包括一个圆形区域和与所述圆形区域同心的多个环形区域，所述圆形 区域和所述环形区域内折射率变化范围相同，均随着半径的增大从n p 连续减小到n 0 且相同 半径处的折射率相同；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一人造金属微结构。 2.根据权利要求1所述的前馈式微波天线，其特征在于，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均包括一个圆形区。
5、域 和与所述圆形区域同心的多个环形区域，每一渐变超材料片层对应的所述圆形区域和所述 环形区域内的折射率变化范围均相同且随着半径的增大从其最大折射率连续减小到n 0 ，相 同半径处的折射率相同，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n 0 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。 3.根据权利要求2所述的微波天。
6、线，其特征在于，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n 0 。 4.根据权利要求2所述的前馈式微波天线，其特征在于，所有渐变超材料片层与所有 核心超材料片层上被划分的圆形区域和与圆形区域同心的环形区域的起始半径和终止半 径均相等；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： 其中，第一渐变超材。
7、料片层至第N渐变超材料片层对应的i值即为数值1至N，所有的 核心超材料片层对应的i值均为N+1，s为所述辐射源距所述第一渐变超材料片层的垂直距 离；d为第一渐变超材料片层至第N渐变超材料片层与所有的核心超材料片层所具有的总 厚度，其中为所述第二超材料面板的工作波长；L(j)表示核心超材料片层 与渐变超材料片层上的圆形区域以及与所述圆形区域同心的多个环形区域的起始半径值， j表示第几区域，其中L(1)表示第一区域，即所述圆形区域，L(1)0。 权 利 要 求 书CN 102480030 A 2/2页 3 5.根据权利要求4所述的前馈式微波天线，其特征在于，所述核心超材料片层为三层， 每层核心超材。
8、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；周期排布于所述 基材上的多个所述第一人造金属微结构的尺寸变化规律为：多个所述第一人造金属微结构 的几何形状相同，所述基材包括圆形区域以及与所述圆形区域同心的多个环形区域，所述 圆形区域和所述环形区域内第一人造金属微结构尺寸变化范围相同，均随着半径的增大从 最大尺寸连续减小到最小尺寸且相同半径处的第一人造金属微结构尺寸相同。 6.根据权利要求4所述的前馈式微波天线，其特征在于，所述核心层两侧对称设置有 第一渐变超材料片层至第三渐变超材料片层，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。
9、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，所述基材包括圆形区域以及与 所述圆形区域同心的多个环形区域，所述圆形区域和所述环形区域内第二人造金属微结构 尺寸变化范围相同，均随着半径的增大从最大尺寸连续减小到最小尺寸且相同半径处的第 二人造金属微结构尺寸相同。 7.根据权利要求1所述的前馈式微波天线，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，对应半径的折射率亦增大且相同半 径处折射率相同。 8.根据权利要求7所述的前馈式微波天线，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。
10、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三人造金属微结构且几何形状相同，所述第 三人造金属微结构在所述第一基材上呈圆形分布，且圆心处的第三人造金属微结构尺寸最 小，随着半径的增大，对应半径的第三人造金属微结构尺寸亦增大且相同半径处的第三人 造金属微结构尺寸相同。 9.根据权利要求2所述的前馈式微波天线，其特征在于，所述多个第一人造金属微结 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。 10.根据权利要求9所述的前馈式微波天线，其特征在于，所述几何形状为“工”字形， 包括竖直的第一金属分支以及位于所述第一金属分支两端且垂直于所述第一金属分支的 第。
11、二金属分支。 11.根据权利要求10所述的前馈式超材料，其特征在于，所述几何形状还包括位于所 述第二金属分支两端且垂直于所述第二金属分支的第三金属分支。 12.根据权利要求9所述的前馈式超材料，其特征在于，所述几何形状为平面雪花型， 包括相互垂直的两条第一金属分支以及位于所述第一金属分支两端且垂直于所述第一金 属分支的第二金属分支。 权 利 要 求 书CN 102480030 A 1/7页 4 一种前馈式微波天线 技术领域 0001 本发明涉及天线领域，更具体地说，涉及一种前馈式微波天线。 背景技术 0002 现有的前馈式微波天线，通常由金属抛物面及位于金属抛物面焦点的辐射源构 成，金属抛物面。
12、的作用为将外部的电磁波反射给辐射源或将辐射源发射的电磁波反射出 去。金属抛物面的面积以及金属抛物面的加工精度直接决定微波天线的各项参数，例如增 益、方向性等。 0003 但现有的前馈式微波天线存在以下缺点：一是从金属抛物面反射的电磁波部分会 被辐射源阻挡造成一定的能量损失，二是金属抛物面制作困难，成本较高。金属抛物面通常 利用模具铸造成型或者采用数控机床进行加工的方法。第一种方法的工艺流程包括：制作 抛物面模具、铸造成型抛物面和进行抛物反射面的安装。工艺比较复杂，成本高，而且抛物 面的形状要比较准确才能实现天线的定向传播，所以对加工精度的要求也比较高。第二种 方法采用大型数控机床进行抛物面的加。
13、工，通过编辑程序，控制数控机床中刀具所走路径， 从而切割出所需的抛物面形状。这种方法切割很精确，但是制造这种大型数控机床比较困 难，而且成本比较高。 发明内容 0004 本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述不足，提供一种体积较小、成 本低廉、增益较高且传输距离远的前馈式微波天线。 0005 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提出一种前馈式微波天线，包括： 辐射源、用于将所述辐射源发射的电磁波发散的第一超材料面板、第二超材料面板以及贴 附于所述第二超材料面板背部的反射面板，电磁波经过所述第一超材料面板被发散后进入 所述第二超材料面板产生折射并被所述反射面板反射后再次进入所述第二超。
14、材料面板再 次发生折射并最终平行出射；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 材上的多个第三人造金属微结构；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包括一个圆形区域和与所述 圆形区域同心的多个环形区域，所述圆形区域和所述环形区域内折射率变化范围相同，均 随着半径的增大从n p 连续减小到n 0 且相同半径处的折射率相同；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一人造金属微 结构。 0006 进一步地，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。
15、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均包括一个圆形区域和与所述圆形区域同心的多个环形区域， 每一渐变超材料片层对应的所述圆形区域和所述环形区域内的折射率变化范围均相同且 随着半径的增大从其最大折射率连续减小到n 0 ，相同半径处的折射率相同，两个相邻的渐 说 明 书CN 102480030 A 2/7页 5 变超材料片层的最大折射率表示为n i 和n i+1 ，其中n 0 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。
16、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。 0007 进一步地，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n 0 。 0008 进一步地，所有渐变超材料片层与所有核心超材料片层上被划分的圆形区域和与 圆形区域同心的环形区域的起始半径和终止半。
17、径均相等；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： 0009 0010 其中，第一渐变超材料片层至第N渐变超材料片层对应的i值即为数值一至N，所 有的核心超材料片层对应的i值均为N+1，s为所述辐射源距所述第一渐变超材料片层的垂 直距离；d为第一渐变超材料片层至第N渐变超材料片层与所有的核心超材料片层所具有 的总厚度，其中为所述第二超材料面板的工作波长；L(j)表示核心超材料 片层与渐变超材料片层上的圆形区域以及与所述圆形区域同心的多个环形区域的起始半 径值，j表示第几区域，其中L(1)表示第一区域，即所述圆形区域，L(1)0。 0011 进一步地，所述核。
18、心超材料片层为三层，每层核心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；周期排布于所述基材上的多个所述第一人造金属微结构 的尺寸变化规律为：多个所述第一人造金属微结构的几何形状相同，所述基材包括圆形区 域以及与所述圆形区域同心的多个环形区域，所述圆形区域和所述环形区域内第一人造金 属微结构尺寸变化范围相同，均随着半径的增大从最大尺寸连续减小到最小尺寸且相同半 径处的第一人造金属微结构尺寸相同。 0012 进一步地，所述核心层两侧对称设置有第一渐变超材料片层至第三渐变超材料片 层，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。
19、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，所述基材包括圆形区域以及与所述圆形区域同心的多个环形区域，所述 圆形区域和所述环形区域内第二人造金属微结构尺寸变化范围相同，均随着半径的增大从 最大尺寸连续减小到最小尺寸且相同半径处的第二人造金属微结构尺寸相同。 0013 进一步地，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，对应半径的折射率亦增大且相同半径处折射率相同。 0014 进一步地，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 说 明 书C。
20、N 102480030 A 3/7页 6 为第三人造金属微结构且几何形状相同，所述第三人造金属微结构在所述第一基材上呈圆 形分布，且圆心处的第三人造金属微结构尺寸最小，随着半径的增大，对应半径的第三人造 金属微结构尺寸亦增大且相同半径处的第三人造金属微结构尺寸相同。 0015 进一步地，所述多个第一人造金属微结构、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。 0016 进一步地，所述几何形状为“工”字形，包括竖直的第一金属分支以及位于所述第 一金属分支两端且垂直于所述第一金属分支的第二金属分支。 0017 进一步地，所述几何形状还包括位于所述第二金属分支两端且垂直。
21、于所述第二金 属分支的第三金属分支。 0018 进一步地，所述几何形状为平面雪花型，包括相互垂直的两条第一金属分支以及 位于所述第一金属分支两端且垂直于所述第一金属分支的第二金属分支。 0019 实施本发明的技术方案，具有以下有益效果：通过设计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辐射源发射的电磁波经过两次折射后转换为平面波，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。进一步地，本发明还在辐射源前端设置具有发散功能的超材料，从而 提高辐射源的近距离辐射范围，使得微波天线整体能够更小的尺寸并使得被核心层反射回 来的电磁。
22、波绕过辐射源而不会产生辐射源阴影、造成能量损失。 附图说明 0020 下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中： 0021 图1是构成超材料的基本单元的立体结构示意图； 0022 图2是本发明前馈式微波天线的结构示意图； 0023 图3是本发明前馈式微波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； 0024 图4是本发明前馈式微波天线中第二超材料面板的立体结构示意图； 0025 图5是本发明前馈式微波天线中第二超材料面板上核心层随半径变化的折射率 分布示意图； 0026 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。
23、案； 0027 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； 0028 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； 0029 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 0030 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，例如介电常数和磁导 说 。
24、明 书CN 102480030 A 4/7页 7 率来描述。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。 0031 如图1所示，图1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。
25、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。
26、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。 0032 如图2所示，图2为本发明前馈式微波天线的结构示意图。图2中，本发明前馈式 微波天线包括辐射源20、第一超材料面板30、第二超材料面板10以及位于第二超材料面板 10背部的反射面板40。本发明中，辐射源20发射的电磁波频率为12.4G赫兹至18G赫兹。 0033 第一超材料面板30可直接贴附于辐射源20的辐射端口上，但是，当第一超材料面 板30直接贴附于辐射源20的辐射端口上时辐射源20辐射的电磁波部分会被第一超材料 面板30反射造成能量损失，因此本发明中，第一超材料面板30设置于辐射源20前方。第 。
27、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3所示，图3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3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三人造 金属微结构302，优选地，在多个第三人造金属微结构302上还覆盖有覆盖层303使得第三 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。 0034 构成第一超材料片层。
28、300的基本单元仍如图1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使得辐射源20辐射出来的电磁波被发散，从而提高辐射源 的近距离辐射范围，使得微波天线整体能够更小的尺寸，并能使得被反射面反射出来的电 磁波不被辐射源挡住。 0035 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 mi。
29、n +KR，K为常数，R为圆形分布的第三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 说 明 书CN 102480030 A 5/7页 8 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 +KR 2 ；或为立方率变 化即n (R) n min +KR 3 ；或为冥函数变化，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满足发散辐射源发射的电磁波即可。 0036 下面详细描述本发明微波天线第二超材料面板。被第一超材料面板发散。
30、的电磁波 进入第二超材料面板后发生折射并被反射面板反射，反射的电磁波再次进入第二超材料面 板再次发生折射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4所示，图4为本发明第二超材料面板和反射面板的立体结构示意图。图4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；设置于 核心层前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；设 置于第一渐变超材料片层101前侧的第一匹配层111至第M匹配层，每一匹配层折射率分 布均匀且靠。
31、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。 0037 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。 0038 构成核心超材料片层。
32、和渐变超材料片层的基本单元均如图1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一人造金属微结构、第二人造金属微结构与第三人造金属微结构 的几何形状均相同。 0039 核心超材料片层和渐变超材料片层均被划分为一个圆形区域和与所述圆形区域 同心的多个环形区域，且圆形区域和环形区域内的折射率均随着半径的增大从各片层所具 有的最大折射率连续减小到n 0 ，。
33、处于相同半径的超材料基本单元的折射率值相同。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 、n 0 、n i 、n i+1 满足关系式n 0 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： 0040 0041 其中，第一渐变超材料片层至第N渐变超材料片层对应的i值即为数值一至N，所 有的核心层对应的i值均为N+1，s为所述辐射源距所述第一渐变超材料片层的垂直距离，d 为第一渐变超材。
34、料片层至第N渐变超材料片层与所有的核心超材料片层所具有的总厚度， 说 明 书CN 102480030 A 6/7页 9 其中为第二超材料面板的工作波长，第二超材料面板的工作波长在实际应 用时确定，根据上述对超材料片层的描述可知，本实施例中各超材料片层的厚度均为0.818 毫米，当确定第二超材料面板的工作波长以后即可确定d值，从而可得到实际应用中应制 作的超材料片层的层数；L(j)表示所述核心超材料片层与所述渐变超材料片层上的所述 圆形区域以及与所述圆形区域同心的多个环形区域的起始半径值，j表示第几区域，其中 L(1)表示第一区域，即所述圆形区域，L(1)0。 0042 下面论述较佳的L(j)的。
35、确定方法，从辐射源辐射的电磁波入射进入第一渐变超 材料片层时，由于不同的出射角度使得入射到第一渐变超材料片层的电磁波经过的光程不 相等，s为辐射源距第一渐变超材料片层的垂直距离也是入射到第一渐变超材料片层的电 磁波所经过的最短光程，此时，该入射点即对应第一渐变超材料片层的圆形区域起始半径， 即j1时对应的L(1)0。当辐射源发出的某束电磁波入射到第一渐变超材料片层时， 其经过的光程为s+时，该束电磁波的入射点与垂直入射时入射点的距离即为多个环形 区域的第一环形区域的起始半径亦为圆形区域的终止半径，根据数学公式可知，j2时， 对应的其中为入射电磁波的波长值。当辐射源发出的某束电磁波 入射第一渐变。
36、超材料片层时，其经过的光程为s+2时，该束电磁波的入射点与垂直入射 时入射点的距离即为多个环形区域的第二环形区域的起始半径亦为第一环形区域的终止 半径，根据数学公式可知，j3时，对应的以此类推可知圆形区域和 与圆形区域同心的各环形区域的起始半径和终止半径。 0043 为了更直观表示上述变化规律，图5给出了核心层随半径变化的折射率示意图。 图5中，每个区域的折射率均由n p 逐渐变化到n 0 ，各个区域的起始半径和终止半径根据上 述L(j)的关系式给出。图5仅给出了三个区域即L(2)至L(4)的区域变化范围，但应知其 仅为示意性的，实际应用中可根据需要应用上述L(j)的推导得出任意区域的起始和终。
37、止 半径。渐变层折射率随半径变化的折射率示意图与图5类似，不同之处仅在于其最大值不 为n p ，而是其自身的折射率最大值。 0044 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，由于多个第一人造金属微结构、多个第二人造金属微结构、 多个第三人造金属微结构几何形状均相同，因此构成第一超材料面板的第一超材料片层上 的第三人造金属微结构排布规律为：多个第三人造微结构为第三人造金属微结构。
38、且几何形 状相同，所述第三人造金属微结构在所述第一基材上呈圆形分布，且圆心处的第三人造金 属微结构尺寸最小，随着半径的增大，对应半径的第三人造金属微结构尺寸亦增大且相同 半径处的第三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，渐变超材料片层的基材包括圆形区域以 及与所述圆形区域同心的多个环形区域，所述圆形区域和所述环形区域内第二人造金属微 结构尺寸变化范围相同，均随着半径的增大从最大尺寸连续减小到最小尺寸且相同半径处 的第二人造金属微结构尺寸相同。核心超材料片层上的第一人造金属微结构排布规律为： 说 明 书CN 1024800。
39、30 A 7/7页 10 多个第一人造金属微结构的几何形状相同，核心超材料片层的基材包括圆形区域以及与所 述圆形区域同心的多个环形区域，所述圆形区域和所述环形区域内第一人造金属微结构尺 寸变化范围相同，均随着半径的增大从最大尺寸连续减小到最小尺寸且相同半径处的第一 人造金属微结构尺寸相同。 0045 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。
40、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。 0046 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。
41、，每条第二金属分支两端还垂直设置有第 三金属分支1023。 0047 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。
42、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。 0048 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。 说 明 书CN 102480030 A 10 1/5页 11 图1 图2 说 明 书 附 图CN 102480030 A 11 2/5页 12 图3 说 明 书 附 图CN 102480030 A 12 3/5页 13 图4 说 明 书 附 图CN 102480030 A 13 4/5页 14 图5 图6 说 明 书 附 图CN 102480030 A 14 5/5页 15 图6a 图7 图7a 说 明 书 附 图CN 102480030 A 15 。