[发明专利]一种电磁透镜天线

说明书

技术领域

本发明涉及一种电磁透镜天线，具体地涉及一种具有电磁波汇聚功能的电磁透镜天线。

背景技术

在常规的光学器件中，利用透镜能使放在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。透镜天线是由透镜和放在透镜焦点上的辐射器组成，利用透镜汇聚的特性，将辐射器发出的电磁波经过透镜汇聚后再发射出去，这种天线方向性比较强。

目前透镜的汇聚是依靠凸透镜的曲面形状的折射来实现，如图1所示，辐射器1发出的球面波经过凸透镜2汇聚后以平面波射出，凸透镜2的体积大而且笨重，不利于小型化的使用；而且凸透镜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，所以对加工精度的要求也比较高，此外凸透镜电磁损耗很大，容易老化，成本较高。

超材料作为一种材料设计理念以及研究前沿，越来越引起人们的关注，所谓超材料，是指一些具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。通过对材料的物理结构进行有序设计，可突破某些天然材料的限制，从而获得超出自然界固有的普通材料的超常材料功能。

超材料包括由金属线构成的具有一定图案形状的的人造微结构和人造微结构所附着的基材，多个人造微结构在基材上阵列排布，基材对人造微结构起到支撑作用，可为任何与人造微结构不同的材料。这两种材料的叠加会在空间中产生一个等效介电常数与磁导率，这两个物理参数分别对应了材料整体的电场响应与磁场响应。超材料对电磁响应的特征是由人造微结构的特征所决定，而人造微结构的电磁响应很大程度上取决于其金属线的拓扑特征和超材料单元尺寸。超材料单元尺寸取决于人造微结构需要响应的电磁波，通常人造微结构的尺寸为所需响应的电磁波波长的十分之一，否则空间中由人造微结构所组成的排列在空间中不能被视为连续。

超材料单元的等效介电常数和等效磁导率(或等效介电常数和波阻抗)随着人造微结构的形状和尺寸的变化而变化，可人为设计和控制。由于人造微结构可以具有人为设计的电磁参数，从而超材料可以产生许多新奇的现象，为实现电磁波的汇聚提供了可能。

通过对超材料中每一个人造微结构的介电常数与磁导率进行精确控制，可以控制超材料的介电常数的大小呈连续的变化，当超材料的中间位置介电常数最大、以中间位置为圆心随着半径的增大介电常数连续地减小时，可以使该超材料具有对电磁波的汇聚作用，其原理图沿中心轴的剖面图参看附图2，A表示各向异性的超材料，当超材料A的介电常数呈中间高两边低的规律变化时，电磁波入射并经过超材料后可形成图2所示的汇聚电磁波。但是，现有技术存在的问题是：要使电磁波得到汇聚，介电常数需要在超材料的尺度范围内连续变化，介电常数变化范围很大，因此要求人造微结构的尺寸也要变化很大，进行超材料的人造微结构设计时，由于人造微结构的尺寸受电磁波波长的限制，使得超材料的尺寸变化范围受限，所以很难制造大面积的超材料。

各向异性的超材料中的每个人造微结构为非90度旋转对称结构，即绕微结构上任一轴旋转90度后与微结构旋转之前不重合，如“I”形或者“I”形的衍生形如形，每个人造微结构的折射率椭球的非寻常光光轴不垂直且不平行于入射电磁波的传播方向。各向异性的超材料单元尺寸取决于人造微结构需要响应的电磁波，通常人造微结构的尺寸为所需响应的电磁波波长的十分之一，否则空间中由人造微结构所组成的排列在空间中不能被视为连续。

因此用各向异性的超材料替代凸透镜的电磁透镜天线实现汇聚时超材料的尺寸受限，只能制作出较小尺寸的超材料。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术中制造凸透镜天线工艺复杂、精度要求高以及加工普通各向异性的平面超材料透镜天线时为了制造大面积的平面超材料面板，人造微结构的尺寸跨度要求比较大，但是人造微结构本身的尺寸受其原理所限其尺寸跨度有限的缺陷，提出了一种新型的具有各向异性超材料面板的电磁透镜天线，其中具有各向异性的超材料面板的人造微结构的尺寸只需在较小范围内变化。该电磁透镜天线通过将超材料面板按照折射率的变化范围划分为折射率非连续的不同区域，不同区域中折射率变化范围相交非空、折射率的大小与人造微结构尺寸成正比，因此不同区域内人造微结构的尺寸变化范围相交非空，使得人造微结构的尺寸只需要在较小的范围内变化就可以实现汇聚的效果，且该各向异性超材料面板可以具有较大的面积。