超材料及天線的製作方法

2023-06-02 20:35:11

超材料及天線的製作方法
【專利摘要】本發明提供了一種超材料及天線，該超材料設置於天線輻射方向上，包括：第一子部件，該第一子部件包括一層或多層片層，其中，每一片層均具有電諧振和/或磁諧振的微結構，上述微結構均勻周期排布在片層上，用於隨入射波角度的改變而改變透波率與相移。通過本發明提供的技術方案，能夠在不對天線本身結構進行改動也不犧牲某些參數的前提下提高天線的方向性係數同時降低其副瓣。
【專利說明】超材料及天線

【技術領域】
[0001]本發明涉及通信領域，具體而言，涉及一種超材料及天線。

【背景技術】
[0002]目前的在天線技術中，提高方向性係數和降低副瓣是兩個重要的研究課題。方向性係數是用來表示天線向某一個方向集中輻射電磁波程度(即方向性圖的尖銳程度)的一個參數，在中波和短波波段，方向性係數約為幾到幾十；在米波範圍內，約為幾十到幾百；而在釐米波波段，則可高達幾千，甚至幾萬，方向性係數越高天線的性能越好。而副瓣則可以表徵線功率輻射是否集中，副瓣是相對於主瓣而言的，主瓣寬度越小，方向圖越尖銳，表示天線輻射越集中，降低副瓣可以有效的增加主瓣寬度，使天線輻射更加集中，從而提高天線性能。
[0003]現有的技術多為通過改變天線本身的結構來提高方向性係數、降低副瓣，因此需要重新設計天線、或提高加工工藝精度。對於相控陣天線來說，還可以以降低增益為代價，通過對所有通道進行幅度加權來實現降低副瓣的目的。這些方法或需要對天線本身結構進行改動，不易實現，或需要犧牲某些參數，得不償失。目前現有技術中缺乏一種既不需要對天線本身結構進行改動也不需要犧牲某些參數就可以提高方向性係數同時降低副瓣的方案。


【發明內容】

[0004]本發明提供了一種超材料及天線，能夠在不對天線本身結構進行改動也不犧牲某些參數的前提下提高天線的方向性係數同時降低其副瓣。
[0005]根據本發明的一個方面，提供了一種超材料，，設置於天線輻射方向上，包括:第一子部件，所述第一子部件包括一層或多層片層，其中，每一片層均具有電諧振和/或磁諧振的導電幾何結構，所述導電幾何結構均勻周期排布在所述片層上，用於隨入射波角度的改變而改變透波率與相移。
[0006]所述第一子部件片層中的導電幾何結構在E面方向上，等效為負介電常數與正磁導率，表現為電錶面等離激元；和/或在H面方向上，等效為正介電常數和負磁導率，表現為磁表面等離激元。
[0007]所述第一子部件片層中的導電幾何結構為磁諧振導電幾何結構，等效為磁各向異性材料，其等效介電常數為正且?1，等效磁導率〈0，呈現磁表面等離激元效應。
[0008]所述導電幾何結構為帶有開口諧振環的磁諧振金屬導電幾何結構。
[0009]所述第一子部件片層中的導電幾何結構為電諧振導電幾何結構，等效為電各向異性材料，其等效介電常數〈0，等效磁導率為正且?1，呈現電錶面等離激元效應。
[0010]所述導電幾何結構為帶/線狀、間斷線、「工」字型、或S型的電諧振金屬導電幾何結構。
[0011]所述第一子部件片層的成板形式為以下之一:單層基板單面覆銅蝕刻、單層基板雙面覆銅蝕刻、多層基板單面或雙面覆銅蝕刻層疊。
[0012]所述導電幾何結構的各方向晶格尺寸範圍為:十分之一波長至四分之一波長。
[0013]所述第一子部件片層上的導電集合結構包括:雙面蝕刻在介質基板上的相互正交的ELC結構(Electric Field Driven LC Resonator,電諧振結構)或雙向iELC結構(Isotropic Electric Field Driven LC Resonator,各向同性電諧振結構)。
[0014]所述超材料還包括:第二子部件，疊設於所述第一子部件前方或後方，所述第二子部件包括一層或多層片層，其中，每一片層均具有非周期性排布的導電幾何結構，所述導電幾何結構在所述片層上的拓撲漸變使得該片層的等效介電常數和磁導率在該片層平面上呈現非均勻分布，用於調節天線輻射近場的相位分布。
[0015]所述第二子部件片層上的導電幾何結構的排布方式為:將所述第二子部件片層剖面上的折射率分布與所述第二子部件片層上的導電幾何結構生長過程中的色散曲線對應起來，得到所述剖面上的導電幾何結構排布，再將所述剖面上的所述導電幾何結構排布做橫向延拓，得到所述第二子部件片層正面上的導電幾何結構排布，其中，所述剖面上各點處的折射率分布計算公式為:
[0016]n=nmin+(phaseO(y) - min(phaseO))/360*λ (il.7GHz)/D,
[0017]其中，η為折射率，nmin為最小折射率，phaseO (y)為坐標為y處的相位，min (phaseO)為最小相位，λ (il.7GHz為頻率為1.7GHz時的波長，D為厚度。所述第二子部件片層的剖面上呈現中心處損耗小、兩端損耗大的損耗分布曲線。
[0018]所述第一子部件的片層中，至少有一層前後兩面上的導電幾何結構是非對稱的，其中，所述非對稱的形式包括以下至少之一:導電幾何結構為同種拓撲結構，細節尺寸相同，但排列方式不同；導電幾何結構為同種拓撲結構，但參數不同，所述參數包括以下至少之一:外形尺寸、線寬、縫隙開口寬度、電容結構長度；導電幾何結構屬於不同拓撲結構。
[0019]所述第一子部件的片層中，每一層前後兩面上的導電幾何結構完全相同，但至少有兩層的導電幾何結構是非對稱的，其中，所述非對稱的形式包括以下至少之一:至少兩層上的導電幾何結構為同種拓撲結構、細節尺寸相同，但導電幾何結構的排列方式不同；至少兩層上的導電幾何結構為同種拓撲結構，但參數不同，所述參數包括以下至少之一:外形尺寸、線寬、縫隙開口寬度、電容結構長度；至少兩層上的導電幾何結構屬於不同拓撲結構。
[0020]所述第一子部件的片層中，至少有一層前後兩面上的導電幾何結構是非對稱的，且至少有兩層的導電幾何結構是非對稱的，其中，一層前後兩面上的導電幾何結構非對稱的形式包括以下至少之一:導電幾何結構為同種拓撲結構，細節尺寸相同，但排列方式不同；導電幾何結構為同種拓撲結構，但參數不同，所述參數包括以下至少之一:外形尺寸、線寬、縫隙開口寬度、電容結構長度；導電幾何結構屬於不同拓撲結構；至少有兩層的導電幾何結構非對稱的形式包括以下至少之一:至少兩層上的導電幾何結構為同種拓撲結構、細節尺寸相同，但導電幾何結構的排列方式不同；至少兩層上的導電幾何結構為同種拓撲結構，但參數不同，所述參數包括以下至少之一:外形尺寸、線寬、縫隙開口寬度、電容結構長度；至少兩層上的導電幾何結構屬於不同拓撲結構。
[0021]上述超材料可設置於通信系統、飛行器、或者運輸工具的天線輻射方向上。
[0022]根據本發明的另一個方面，還提供了一種天線，該天線的輻射方向上設置有以上任意一種超材料。
[0023]通過本發明的技術方案，提供了一種可以直接設置在天線輻射方向上的超材料及設置了該超材料的天線，該超材料具有一層或多層片層，每一片層均具有特殊人造導電幾何結構，使該超材料具有隨入射波角度的改變而改變透波率與相移能力，從而可以調節口徑面上的幅相分布，在不對天線本身結構進行改動也不犧牲某些參數的前提下，實現了降低主平面副瓣、提高方向性係數的功能。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]此處所說明的附圖用來提供對本發明的進一步理解，構成本申請的一部分，本發明的示意性實施例及其說明用於解釋本發明，並不構成對本發明的不當限定。在附圖中:
[0025]圖1是根據本發明實施例的超材料應用示意圖
[0026]圖2是根據本發明實例一的ELC結構的示意圖；
[0027]圖3是根據本發明實例一的導電幾何結構的等效介電常數曲線；
[0028]圖4是根據本發明實例一的導電幾何結構的等效磁導率曲線；
[0029]圖5是根據本發明實例一的透波率隨入射波角度不同的變化曲線；
[0030]圖6是根據本發明實例一的相移能力隨入射波角度不同的變化曲線；
[0031]圖7是根據本發明實例一的實測俯仰面方向圖對比圖；
[0032]圖8是根據本發明實例二的「工」字型的導電幾何結構及電場的入射方向的示意圖；
[0033]圖9是根據本發明實例二的透波率隨入射波角度不同的變化曲線；
[0034]圖10是根據本發明實例二的正入射仿真副瓣壓制效果圖；
[0035]圖11是根據本發明實例二的俯仰面相掃圖；
[0036]圖12是根據本發明優選實施例的第一種相互正交的ELC結構示意圖；
[0037]圖13是根據本發明優選實施例的第二種相互正交的ELC結構示意圖；
[0038]圖14是根據本發明實例三的相互正交的ELC結構示意圖；
[0039]圖15是根據本發明實例三的方向性係數對比圖；
[0040]圖16是根據本發明實例四的加裝超材料前後的方向圖；
[0041]圖17是根據本發明實例四的加裝超材料前後的主瓣局部方向圖；
[0042]圖18是根據本發明實例四的超材料前表面位置處的相位曲線；
[0043]圖19是根據本發明實例四的超材料剖面上的折射率分布曲線；
[0044]圖20是根據本發明實例四的超材料疊層結構示意圖；
[0045]圖21是根據本發明實例五的加裝超材料前後的方向圖；
[0046]圖22是根據本發明實例五的超材料縱剖面上介電損耗(或磁損耗)tan δ分布曲線.-^4 ，
[0047]圖23是根據本發明實例六的原陣列天線俯仰面方向圖；
[0048]圖24是根據本發明實例六的各波束加裝超材料前後的方向圖；
[0049]圖25是根據本發明實例六的超材料縱剖面上折射率分布n(y)實部曲線；
[0050]圖26是根據本發明實例六的超材料縱剖面上折射率分布n(y)虛部曲線；
[0051]圖27是根據本發明實例六的超材料疊層結構(剖面)示意圖；
[0052]圖28是根據本發明實例七的加裝超材料前後的遠場方向圖；
[0053]圖29是根據本發明實例八的加裝超材料前後的遠場方向圖；
[0054]圖30是根據本發明實例九的加裝超材料前後的遠場方向圖；
[0055]圖31是根據本發明優選實施例的一個片層前後兩面的導電幾何結構為同種拓撲結構，細節尺寸相同，但排列方式不同的情況一；
[0056]圖32是根據本發明優選實施例的一個片層前後兩面的導電幾何結構為同種拓撲結構，細節尺寸相同，但排列方式不同的情況二 ；
[0057]圖33是根據本發明優選實施例的一個片層前後兩面的導電幾何結構為同種拓撲結構，但參數不同的情況一；
[0058]圖34是根據本發明優選實施例的一個片層前後兩面的導電幾何結構為同種拓撲結構，但參數不同的情況二 ；
[0059]圖35是根據本發明優選實施例的一個片層前後兩面的導電幾何結構屬於不同拓撲結構的情況；
[0060]圖36是根據本發明優選實施例的至少兩層上的導電幾何結構為同種拓撲結構、細節尺寸相同，但導電幾何結構的排列方式不同的情況；
[0061]圖37是根據本發明優選實施例的至少兩層上的導電幾何結構為同種拓撲結構，但參數不同的情況；
[0062]圖38是根據本發明優選實施例的至少兩層上的導電幾何結構屬於不同拓撲結構的情況。

【具體實施方式】
[0063]下文中將參考附圖並結合實施例來詳細說明本發明。需要說明的是，在不衝突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特徵可以相互組合。
[0064]本實施提供了一種設置於天線輻射方向上的超材料，參見圖1，該超材料可以有效地降低主平面副瓣、提高方向性係數，其包括:第一子部件，該第一子部件包括一層或多層片層，其中，每一片層均具有電諧振和/或磁諧振的導電幾何結構，上述導電幾何結構均勻周期排布在片層上，用於隨入射波角度的改變而改變透波率與相移。
[0065]優選的，上述的導電幾何結構為特殊的人造結構，具備以下特性:在E面方向上，等效為負介電常數與正磁導率，表現為電錶面等離激元；和/或在H面方向上，等效為正介電常數和負磁導率，表現為磁表面等離激元。
[0066]優選的，上述導電幾何結構具有磁諧振性，可以等效成磁各向異性材料，用於優化天線H面的副瓣，提高方向性係數，其等效介電常數為正且?1，等效磁導率〈0，呈現磁表面等離激元效應。該導電幾何結構能隨H面入射波角度的改變而改變透波率與相移能力，實現對口徑面幅相分布的調節，從而得到降低副瓣、提高方向性係數的效果。
[0067]具有上述導電幾何結構的超材料的片層的成板可以為單層基板單面覆銅蝕刻、單層基板雙面覆銅蝕刻、或多層基板(單面或雙面覆銅蝕刻)層疊的形式。
[0068]單一導電幾何結構單元的各方向晶格尺寸範圍為:十分之一波長?四分之一波長;
[0069]單一導電幾何結構為帶有開口諧振環的磁諧振金屬導電幾何結構，開口環的外形尺寸、線寬、開口的大小視所需要的諧振頻率、帶寬而定；改變晶格尺寸、開口環外形尺寸、開口大小將會顯著影響諧振頻率，改變線寬將會顯著影響帶寬。
[0070]下面通過實例一對上述優選實施例進行說明。本實例採用的導電幾何結構為(降低H面副瓣的磁等離子體)ELC結構。
[0071]所選用的ELC結構如圖2所示，基板選用0.25mm厚PTFE (聚四氟乙烯)，雙面覆銅蝕刻(雙面蝕刻的形狀一致);第一子部件使用3層覆銅PTFE層疊，每兩層之間使用1mm厚的泡沫(介電常數1.057)作為間隔。
[0072]導電幾何結構單元的晶格尺寸為15.333mm*20.333mm, ELC的尺寸參見圖2。該導電幾何結構的等效介電常數參見圖3 (3.lG,eps (介電常數)=1.3 ;3.4G，印s=l.55)。該導電幾何結構的等效磁導率參見圖4 (3.lG,mur (磁導率)=1.5 ;3.4G，mur=0.24)。將TEM波以不同角度入射到ELC結構，並在全部過程中保持電場與ELC結構中間的短杆平行、磁場與兩端電容方向平行，其透波率、相移能力隨入射波的角度改變而改變，如圖5、6所示。
[0073]當俯仰面17°掃描時，實測的俯仰面方向圖對比圖，如圖7所示。
[0074]優選的，上述的導電幾何結構具有電諧振性，可以等效成電各向異性材料，可以優化天線E面的副瓣，提高方向性係數，其等效介電常數〈0，等效磁導率為正且?1，呈現電錶面等離激元效應。該導電幾何結構能隨E面入射波角度的改變而改變透波率與相移能力，實現對口徑面幅相分布的調節，從而得到降低副瓣、提高方向性係數的效果。
[0075]具有上述導電幾何結構的超材料的片層的成板可以為單層基板單面覆銅蝕刻、單層基板雙面覆銅蝕刻、或多層基板(單面或雙面覆銅蝕刻)層疊的形式。
[0076]單一導電幾何結構單元的各方向晶格尺寸範圍為:十分之一波長?四分之一波長;
[0077]單一導電幾何結構為帶/線狀、間斷線、「工」字型、或S狀(等)電諧振金屬導電幾何結構，線寬、線間間距、S外形尺寸視所需要的諧振頻率、帶寬而定；改變晶格尺寸、線間間距、「工」字型、S外形尺寸將會顯著影響諧振頻率，改變線寬將會顯著影響帶寬。
[0078]下面通過實例二對上述優選實施例進行說明。本實例採用的導電幾何結構為(降低E面副瓣的電等離子體)「工」字型結構。
[0079]「工」字型的導電幾何結構形式如圖8所示，基板選用0.25mm厚PTFE，雙面覆銅蝕刻(雙面蝕刻的形狀一致);超材料使用3層覆銅PTFE層疊，每兩層之間使用1mm厚的泡沫(介電常數1.057)作為間隔。
[0080]導電幾何結構單元的晶格尺寸為16_*20_，「工」字型線寬0.5_，兩橫一豎長度均為12mm,對應不同入射角度的TEM波(一種電矢量和磁矢量都與傳播方向垂直的波),保持其磁場垂直於導電幾何結構所在平面，電場的入射方向如圖8所示。其透波率隨入射波角度的不同而改變，如圖9所示。正入射時，仿真副瓣壓制效果如圖10所示，俯仰面相掃如圖11所示。
[0081]優選的，第一子部件片層上的導電集合在結構可以包括:雙面蝕刻在介質基板上的相互正交的ELC結構或雙向iELC結構，即可以第一子部件片層的介質基板上雙面蝕刻相互正交的ELC結構或雙向iELC結構。該結構可以同時降低兩個主平面的副瓣，提高方向性係數。優選的，可採用圖12、13所示的結構。
[0082]下面通過實例三對上述優選實施例進行說明。本實例採用的相互正交的ELC結構如圖14所示。
[0083]天線工作在14?14.5G的頻段，導電幾何結構選用單層0.25mm厚的PTFE雙面蝕刻iELC結構，導電幾何結構晶格為7.8*7.8mm, iELC寬6.5mm，線寬0.5mm,四角電容間距Imm,長4.4mm,如圖15所示。導電幾何結構置於天線口徑面前方120mm處,如圖15所示,方向性係數與原天線相比有大幅提高。
[0084]在上述方案的基礎上，還可以對超材料進行進一步的改進，在第一子部件的基礎上增加第二子部件。優選的，第二子部件，疊設於第一子部件前方或後方，第二子部件包括一層或多層片層，其中，每一片層均具有非周期性排布的導電幾何結構，導電幾何結構在片層上的拓撲漸變使得該片層的等效介電常數和磁導率在該片層平面上呈現非均勻分布，用於調節天線輻射近場的相位分布。利用非周期性排布的結構性材料調節天線輻射近場的相位分布，即:利用材料所具有的等效介電常數、磁導率的非均勻排布，在天線輻射近場上以不同的相位延遲手段來實現相位調控、進而達到優化方向圖的目的。此第一子部件和第二子部件在天線輻射方向上前後層疊，組成複合超材料，實現降低方向圖副瓣、提高方向性係數的目的。
[0085]優選的，第二子部件片層上的導電幾何結構包括以下至少之一:雪花型、十字型、工字型、卍字型等圖形，也可以是這些圖形的衍生形狀。
[0086]上述導電幾何結構的排布方式可以為:將第二子部件片層剖面上的折射率分布與第二子部件片層上的導電幾何結構生長過程中的色散曲線對應起來，得到剖面上的導電幾何結構排布，再將剖面上的導電幾何結構排布做橫向延拓，得到第二子部件片層正面上的導電幾何結構排布，其中，剖面上各點處的折射率分布計算公式為:
[0087]n=nmin+ (phaseO (y) - min(phaseO))/360*λ (il.7GHz)/D,
[0088]其中，η為折射率，nmin為最小折射率，phaseO (y)為坐標為y處的相位，min (phaseO)為最小相位，λ (il.7GHz為頻率為1.7GHz時的波長，D為厚度。
[0089]優選的，第二子部件片層的剖面上呈現中心處損耗小、兩端損耗大的損耗分布曲線。
[0090]下面通過實例四、五、六對上述優選實施例進行說明。
[0091]實例四主要是現單個主瓣的調節，提高主瓣電平，減小半波束角度。
[0092]等副同相線源陣工作在1.7GHz，線源長度為529mm，歸一化方向圖如圖17、18所示，HPBff (半功率波束寬度)為17.29°。在線源陣前方、距離線源反射板104mm處加裝D=20mm厚與線源反射板等長的超材料後，其歸一化方向圖如圖16、17所示，HPBW為
16.27°，半波束角度得到明顯的減小，天線主瓣方向性更強。
[0093]第二子部件片層內部的折射率分布方式、導電幾何結構排布方式為:
[0094]天線主瓣方向為z方向(輻射方向)，超材料前表面為χ-y平面，其中豎直方向為y(超材料的中心位置標記為y=0位置)，水平方向為X ;在原線源陣的近場幅相分布中，提取超材料前表面位置處的相位phaseO (y)(單位deg),如圖18所示。
[0095]導電幾何結構設計:選取介電常數2.2、厚度0.125」(3.175mm)、銅層厚度1z(35 μ m)的F4b (Rogers RT5880，一種基材產品型號)作為基板，導電幾何結構類型為雪花型，晶格大小16mm，線寬1.2mm，隨導電幾何結構生長其允許的折射率範圍為1.483?3.569，介電損耗不超過0.0008。
[0096]剖面上的折射率分布:剖面上各點處的折射率分布計算公式:
[0097]n=nmin+ (phaseO (y) - min(phaseO))/360*λ (il.7GHz)/D,
[0098]其中，n為折射率，nmin為最小折射率，phaseO (y)為坐標為y處的相位，min (phaseO)為最小相位，λ (il.7GHz為頻率為1.7GHz時的波長，D為厚度。
[0099]計算得到的剖面折射率分布如圖19所示.
[0100]正面上的導電幾何結構排布:將剖面上的折射率分布與導電幾何結構生長過程中的色散曲線對應起來，得到剖面上的導電幾何結構排布，再將剖面上的導電幾何結構排布做橫向延拓(平移)，得到正面上的導電幾何結構排布。
[0101]疊層結構:共7層F4b (Rogers RT5880)(厚度0.125」(含銅厚)、銅層厚度1z),6層線路，各層線路均與超材料正面上的導電幾何結構排布方式相同，如圖20所示。
[0102]實例五主要是實現副瓣的調節(降低副瓣電平):
[0103]等副同相線源陣工作在10GHz，線源長度為270mm，歸一化方向圖如圖21所示。在線源陣前方、距離線源反射板15mm處加裝D=3mm厚與線源反射板等長的超材料後，其歸一化方向圖如圖21所示，副瓣電平得到明顯的壓制，天線抗幹擾能力越強。
[0104]對幅值分布的調整通過控制材料各處的損耗來實現，圖22顯示超材料縱剖面上損耗角正切(介電損耗或磁損耗)的分布，縱剖面上的損耗分布的規律為:中心處損耗小，兩端損耗大，使天線近場的幅度分布近似於泰勒分布，達到降低副瓣的目的.
[0105]製作幅度加權超材料可以採用在低介電、低損耗基板上(如泡沫)貼附、混合、噴塗、沉積吸波材料(如導電油墨、鐵氧體、石墨、碳纖維、碳納米管等)的方式進行，針對不同的波段、帶寬要求、環境要求選擇不同的吸波材料，通過嚴格控制貼附、噴塗、混合的吸波材料的層數、厚度、體積比例，或搭配使用吸波性能不同的多種材料，使材料剖面上呈現中心處損耗小、兩端損耗大的損耗分布曲線，從而達到控制近場幅度分布的目的。
[0106]實例六主要是要聯合調幅、調相，通過幅相加權材料實現多波束的調節。
[0107]陣列天線的工作頻率為3.3GHz, 口徑面高度1.lm，各波束方向圖如圖23所示，圖中負角度為打地波束；在陣列天線前方27mm (與反射板的間距)處加裝D=30mm厚與陣列天線等高的超材料後，各波束均得到了改善(參見圖24)，打地副瓣電平得到明顯的壓制，天線抗幹擾能力增強.
[0108]天線主瓣方向為z方向(輻射方向)，超材料前表面為χ-y平面，其中豎直方向為y(超材料的中心位置標記為y=0位置)，水平方向為X ;超材料縱剖面上的折射率分布如圖25(實部)，圖26 (虛部)。
[0109]導電幾何結構設計:選取介電常數2.2、厚度0.125」(3.175mm)、銅層厚度1z(35μπι)的F4b (Rogers RT5880)作為基板，導電幾何結構類型為雪花型，晶格大小9mm，線寬0.4mm,隨導電幾何結構生長其允許的折射率範圍為1.481?2.439，介電損耗不超過0.0005。
[0110]片層正面上的導電幾何結構排布:將超材料剖面上的折射率分布與導電幾何結構生長過程中的色散曲線對應起來，得到剖面上的導電幾何結構排布，再將剖面上的導電幾何結構排布做橫向延拓(平移)，得到片層正面上的導電幾何結構排布。
[0111]疊層結構:共10層F4b (Rogers RT5880)(厚度0.125」 (含銅厚)、銅層厚度loz)，9層線路，各層線路均與超材料正面上的導電幾何結構排布方式相同，如圖27所示。
[0112]對幅值分布的調整通過控制材料各處的損耗來實現，其損耗曲線如圖26所示，具體可參見實例五。
[0113]優選的，上述的第一子部件具有特殊的電磁參數，其介電常數為正(=1 )，其磁導率呈現各向異性，在天線的磁場面上其磁導率呈現負值。包括該第一子部件的超材料可應用於天線降低副瓣的場合，在天線口徑面前加裝該種材料，能夠在保證方向性係數的前提下降低副瓣。優選的，其有以下幾種優選的實施方式:
[0114]實例七:單層均勻超材料。
[0115]等幅同相線源陣工作頻率為13.2GHz，線源陣長度為274.5mm，超材料與線源陣等長，厚度為7.25mm，超材料與陣元間的距離為3.75mm，超材料的介電常數ε =1，磁導率μ =(_3，I, I)。
[0116]加裝超材料前後等幅同相線源陣的遠場方向圖如圖28所示。
[0117]實例八:多層(層數不限，各層厚度不限)均勻超材料(各層電磁參數互不相同)。
[0118]等幅同相線源陣工作頻率為13.2GHz，線源陣長度為274.5mm，片層①、②、③前後依次緊貼，與線源陣等長，厚度分別為2.5mm、4.5mm、6mm，片層①與陣元間的距離為3.75mm，片層①、②、③的介電常數均為ε=1，磁導率分別為μ 1= (-1.1，1，I)、μ 2=(-2.25，1，I)、μ 3=(-3.1, I, I)。
[0119]加裝超材料前後等幅同相線源陣的遠場方向圖如圖29所示。
[0120]實例九:多層(層數不限，各層厚度不限)均勻超材料(各層電磁參數相同)。
[0121]等幅同相線源陣工作頻率為13.2GHz，線源陣長度為274.5mm，片層①、②、③前後排列，彼此間距5mm，長度與線源陣等長，厚度均為5mm，片層①與陣元間的距離為3.75mm,片層①、②、③的介電常數均為ε=1，磁導率均為μ =(-2.75，1，I)。
[0122]加裝超材料前後等幅同相線源陣的遠場方向圖如圖30所示。
[0123]優選的，對於第一子部件來說，還可以進一步在導電幾何結構的排布上進行設計，進一步達到為角度濾波降副瓣、為二次輻射提增益、實現某電磁參數等效果。
[0124]優選的，第一子部件的片層中，至少有一層前後兩面上的導電幾何結構是非對稱的，即至少有一層(不限於一層)的介質基板，其兩面上的導電幾何結構是非對稱的，上述非對稱的形式包括:
[0125]導電幾何結構為同種拓撲結構，細節尺寸相同，但排列方式不同，例如圖31、32所示的情況；
[0126]導電幾何結構為同種拓撲結構，但參數不同，上述參數包括以下至少之一:外形尺寸、線寬、縫隙開口寬度、電容結構長度，例如圖33、34 (正面、反面(正視圖))所示的情況；
[0127]導電幾何結構屬於不同拓撲結構，例如圖35所示的情況。
[0128]優選的，第一子部件的片層中，每一層前後兩面上的導電幾何結構完全相同，但至少有兩層的導電幾何結構是非對稱的，即每一層介質基板的前後兩面上的導電幾何結構完全相同，但至少有兩層(不限於兩層)介質基板，其上的導電幾何結構是非對稱的，上述非對稱的形式包括以下至少之一:
[0129]至少兩層上的導電幾何結構為同種拓撲結構、細節尺寸相同，但導電幾何結構的排列方式不同，例如圖36所示的情況；
[0130]至少兩層上的導電幾何結構為同種拓撲結構，但參數不同，上述參數包括以下至少之一:外形尺寸、線寬、縫隙開口寬度、電容結構長度，例如圖37所示的情況；
[0131]至少兩層上的導電幾何結構屬於不同拓撲結構，例如圖38所示的情況。
[0132]優選的，第一子部件的片層中，至少有一層前後兩面上的導電幾何結構是非對稱的，且至少有兩層的導電幾何結構是非對稱的，具體可參見上述兩個優選實施例。
[0133]將上述任一實施例、優選實施例、實例所描述的超材料設置在天線的輻射方向或者說口徑前，即可在不對天線本身結構進行改動也不犧牲某些參數的前提下，實現了降低主平面副瓣、提高方向性係數的功能。
[0134]通過以上的描述可以看出，本發明提供了一種可以直接設置在天線輻射方向上的超材料及設置了該超材料的天線，該超材料具有兩個子部件，每一子部件都包括一層或多層片層，每一片層均具有特殊人造導電幾何結構，導電幾何結構本身也具有多種不同的排布方式，使該超材料具有隨入射波角度的改變而改變透波率與相移能力，從而可以調節口徑面上的幅相分布，在不對天線本身結構進行改動也不犧牲某些參數的前提下，實現了降低主平面副瓣、提高方向性係數的功能。
[0135]在具體的實施過程中，上述超材料設置於通信系統、飛行器、或者運輸工具的天線輻射方向上。
[0136]以上所述僅為本發明的優選實施例而已，並不用於限制本發明，對於本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種超材料，其特徵在於，設置於天線輻射方向上，包括: 第一子部件，所述第一子部件包括一層或多層片層，其中，每一片層均具有電諧振和/或磁諧振的導電幾何結構，所述導電幾何結構周期排布在所述片層上，用於隨入射波角度的改變而改變透波率與相移。
2.根據權利要求1所述的超材料，其特徵在於，所述第一子部件片層中的導電幾何結構在E面方向上，等效為負介電常數與正磁導率，表現為電錶面等離激元；和/或在H面方向上，等效為正介電常數和負磁導率，表現為磁表面等離激元。
3.根據權利要求1所述的超材料，其特徵在於，所述第一子部件片層中的導電幾何結構為磁諧振導電幾何結構，等效為磁各向異性材料，其等效介電常數為正且?1，等效磁導率〈O，呈現磁表面等離激元效應。
4.根據權利要求3所述的超材料，其特徵在於，所述導電幾何結構為帶有開口諧振環的磁諧振金屬導電幾何結構。
5.根據權利要求1所述的超材料，其特徵在於，所述第一子部件片層中的導電幾何結構為電諧振導電幾何結構，等效為電各向異性材料，其等效介電常數〈O，等效磁導率為正且^ 1，呈現電錶面等離激元效應。
6.根據權利要求3所述的超材料，其特徵在於，所述導電幾何結構為帶/線狀、間斷線、「工」字型、或S型的電諧振金屬導電幾何結構。
7.根據權利要求3或5所述的超材料，其特徵在於，所述第一子部件片層的成板形式為以下之一:單層基板單面覆銅蝕刻、單層基板雙面覆銅蝕刻、多層基板單面或雙面覆銅蝕刻層置。
8.根據權利要求3或5所述的超材料，其特徵在於，所述導電幾何結構的各方向晶格尺寸範圍為:十分之一波長至四分之一波長。
9.根據權利要求1所述的超材料，其特徵在於，所述第一子部件片層上的導電集合結構包括:雙面蝕刻在介質基板上的相互正交的電諧振結構ELC或雙向各向同性電諧振結構iELC。
10.根據權利要求1所述的超材料，其特徵在於，還包括: 第二子部件，疊設於所述第一子部件前方或後方，所述第二子部件包括一層或多層片層，其中，每一片層均具有非周期性排布的導電幾何結構，所述導電幾何結構在所述片層上的拓撲漸變使得該片層的等效介電常數和磁導率在該片層平面上呈現非均勻分布，用於調節天線福射近場的相位分布。
11.根據權利要求10所述的超材料，其特徵在於，所述第二子部件片層上的導電幾何結構的排布方式為:將所述第二子部件片層剖面上的折射率分布與所述第二子部件片層上的導電幾何結構生長過程中的色散曲線對應起來，得到所述剖面上的導電幾何結構排布，再將所述剖面上的所述導電幾何結構排布做橫向延拓，得到所述第二子部件片層正面上的導電幾何結構排布，其中，所述剖面上各點處的折射率分布計算公式為:
n=nmin+(phaseO(y) - min(phaseO))/360*λ (il.7GHz)/D, 其中，η為折射率，nmin為最小折射率，phaseO (y)為坐標為y處的相位，min (phaseO)為最小相位，λ (il.7GHz為頻率為1.7GHz時的波長，D為厚度。
12.根據權利要求10或11所述的超材料，其特徵在於，所述第二子部件片層的剖面上呈現中心處損耗小、兩端損耗大的損耗分布曲線。
13.根據權利要求1所述的超材料，其特徵在於，所述第一子部件的片層中，至少有一層前後兩面上的導電幾何結構是非對稱的，其中，所述非對稱的形式包括以下至少之一: 導電幾何結構為同種拓撲結構，細節尺寸相同，但排列方式不同； 導電幾何結構為同種拓撲結構，但參數不同，所述參數包括以下至少之一:外形尺寸、線寬、縫隙開口寬度、電容結構長度； 導電幾何結構屬於不同拓撲結構。
14.根據權利要求1所述的超材料，其特徵在於，所述第一子部件的片層中，每一層前後兩面上的導電幾何結構完全相同，但至少有兩層的導電幾何結構是非對稱的，其中，所述非對稱的形式包括以下至少之一: 至少兩層上的導電幾何結構為同種拓撲結構、細節尺寸相同，但導電幾何結構的排列方式不同； 至少兩層上的導電幾何結構為同種拓撲結構，但參數不同，所述參數包括以下至少之一:外形尺寸、線寬、縫隙開口寬度、電容結構長度； 至少兩層上的導電幾何結構屬於不同拓撲結構。
15.根據權利要求1所述的超材料，其特徵在於，所述第一子部件的片層中，至少有一層前後兩面上的導電幾何結構是非對稱的，且至少有兩層的導電幾何結構是非對稱的，其中， 一層前後兩面上的導電幾何結構非對稱的形式包括以下至少之一:導電幾何結構為同種拓撲結構，細節尺寸相同，但排列方式不同；導電幾何結構為同種拓撲結構，但參數不同，所述參數包括以下至少之一:外形尺寸、線寬、縫隙開口寬度、電容結構長度；導電幾何結構屬於不同拓撲結構； 至少有兩層的導電幾何結構非對稱的形式包括以下至少之一:至少兩層上的導電幾何結構為同種拓撲結構、細節尺寸相同，但導電幾何結構的排列方式不同；至少兩層上的導電幾何結構為同種拓撲結構，但參數不同，所述參數包括以下至少之一:外形尺寸、線寬、縫隙開口寬度、電容結構長度；至少兩層上的導電幾何結構屬於不同拓撲結構。
16.根據權利要求1至15中任一項所述的超材料，其特徵在於，所述超材料設置於通信系統、飛行器、或者運輸工具的天線輻射方向上。
17.一種天線，其特徵在於，所述天線的輻射方向上設置有權利要求1-15任一項所述的超材料。
【文檔編號】H01Q15/00GK104347952SQ201310332041
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2013年7月31日 優先權日:2013年7月31日
【發明者】不公告發明人 申請人:深圳光啟創新技術有限公司