專利名稱：人工復(fù)合材料和人工復(fù)合材料天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電磁領(lǐng)域，更具體地說，涉及人工復(fù)合材料和人工復(fù)合材料天線。
背景技術(shù)：
在常規(guī)的光學(xué)器件中，利用透鏡能使平面波經(jīng)過透鏡折射后變?yōu)榍蛎娌?，該球面波好像是從透鏡虛焦點(diǎn)上的點(diǎn)光源輻射出似的。目前透鏡的發(fā)散是依靠透鏡的球面形狀的折射來實(shí)現(xiàn)。發(fā)明人在實(shí)施本發(fā)明過程中，發(fā)現(xiàn)透鏡天線至少存在如下技術(shù)問題透鏡的體積大而且笨重，不利于小型化的使用；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；電磁波反射干擾和損耗比較嚴(yán)重，電磁能量減少。而且，多數(shù)透鏡天線的折射率的跳變是沿一條簡(jiǎn)單的且垂直于透鏡表面的直線，導(dǎo)致電磁波經(jīng)過透鏡時(shí)的折射、衍射和反射較大，嚴(yán)重影響透鏡性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的上述折射、衍射和反射較大、透鏡性能差的缺陷，提供一種高性能的人工復(fù)合材料和人工復(fù)合材料天線。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是構(gòu)造一種人工復(fù)合材料，所述人工復(fù)合材料劃分為多個(gè)區(qū)域；平面電磁波入射到所述人工復(fù)合材料的第一表面并在與所述第一表面相對(duì)的第二表面以球面波的形式射出；射出的電磁波反向延伸相交于所述人工復(fù)合材料的虛焦點(diǎn)上；第i區(qū)域與所述第一表面的交集部分為第i區(qū)域的底面，第i區(qū)域與所述第二表面的交集部分為第i區(qū)域的頂面；設(shè)虛焦點(diǎn)與所述第i區(qū)域頂面上一點(diǎn)的連線與垂直于人工復(fù)合材料的直線之間的夾角為Θ，夾角Θ唯一對(duì)應(yīng)第i區(qū)域內(nèi)的一曲面，第i區(qū)域頂面上具有相同夾角Θ的點(diǎn)的集合構(gòu)成夾角Θ唯一對(duì)應(yīng)的曲面的邊界；且夾角Θ唯一對(duì)應(yīng)的曲面上每一處的折射率均相同，所述曲面的母線為拋物線??；每一區(qū)域的折射率隨著夾角Θ的增大逐漸減小。在本發(fā)明所述的人工復(fù)合材料中，設(shè)虛焦點(diǎn)與第i區(qū)域頂面外圓周上一點(diǎn)的連線與垂直于人工復(fù)合材料的直線之間的夾角為Θ i，i為正整數(shù)且越靠近人工復(fù)合材料中心的區(qū)域?qū)?yīng)的i越?。黄渲?，夾角Θ i對(duì)應(yīng)的曲面的母線的弧長(zhǎng)為c( Θ D，弧長(zhǎng)c( Θ J和夾角Θi滿足如下公式)=;
^max(z') ^min(/+l){s + d)x(—^-—-- —) = Ciejniaam-Ciei^nmm0 ).
COSUi COSUi^其中，θ 0 = 0,c( θ 0) = d ；s為所述虛焦點(diǎn)到所述人工復(fù)合材料的距離；d為所述人工復(fù)合材料的厚度；λ為電磁波的波長(zhǎng)，nmax(i)、nmiJi)分別為第i區(qū)域的最大折射率和最小折射率，nmax(i+1)為第i+l區(qū)域的最大折射率。在本發(fā)明所述的人工復(fù)合材料中，相鄰兩個(gè)區(qū)域的最大折射率和最小折射率滿
:nmax(i) ^min(i) ^max(i+l) ^min(i+l) °在本發(fā)明所述的人工復(fù)合材料中，第i區(qū)域的折射率分布滿足
I 「(5 + /) , λ TIi(O) =- ----{s + d) + nmd .
1c(0)l cos6>7」，其中c( Θ )為夾角Θ對(duì)應(yīng)的曲面的母線的弧長(zhǎng)，s為所述虛焦點(diǎn)到所述人工復(fù)合 材料的距離，d為所述人工復(fù)合材料的厚度；nmin為所述人工復(fù)合材料的最小折射率。在本發(fā)明所述的人工復(fù)合材料中，弧長(zhǎng)c( Θ )滿足
d log(|tan θ\ + Vl+ tan2 θ) + ^ /-5—c(6>) =--^——- + Vl + tan26> .
2|tan6>| + ^，其中，δ為預(yù)設(shè)小數(shù)。在本發(fā)明所述的人工復(fù)合材料中，以經(jīng)過所述人工復(fù)合材料第二表面的中心且垂直于所述人工復(fù)合材料的直線為橫坐標(biāo)軸，以經(jīng)過所述人工復(fù)合材料第二表面的中心且平行于所述第二表面的直線為縱坐標(biāo)軸，所述拋物線弧所在的拋物線方程為
I 7= tan 6^(--x +x + s + t/)。
2d本發(fā)明還提供一種人工復(fù)合材料天線，包括虛焦點(diǎn)和設(shè)置在電磁波傳播方向上的人工復(fù)合材料；所述人工復(fù)合材料劃分為多個(gè)區(qū)域；平面電磁波入射到所述人工復(fù)合材料的第一表面并在與所述第一表面相對(duì)的第二表面以球面波的形式射出；射出的電磁波反向延伸相交于所述人工復(fù)合材料的虛焦點(diǎn)上；第i區(qū)域與所述第一表面的交集部分為第i區(qū)域的底面，第i區(qū)域與所述第二表面的交集部分為第i區(qū)域的頂面；設(shè)虛焦點(diǎn)與所述第i區(qū)域頂面上一點(diǎn)的連線與垂直于人工復(fù)合材料的直線之間的夾角為Θ，夾角Θ唯一對(duì)應(yīng)第i區(qū)域內(nèi)的一曲面，第i區(qū)域頂面上具有相同夾角Θ的點(diǎn)的集合構(gòu)成夾角Θ唯一對(duì)應(yīng)的曲面的邊界；且夾角Θ唯一對(duì)應(yīng)的曲面上每一處的折射率均相同，所述曲面的母線為拋物線?。幻恳粎^(qū)域的折射率隨著夾角Θ的增大逐漸減小。在本發(fā)明所述的人工復(fù)合材料天線中，設(shè)虛焦點(diǎn)與第i區(qū)域頂面外圓周上一點(diǎn)的連線與垂直于人工復(fù)合材料的直線之間的夾角為Θ i，i為正整數(shù)且越靠近人工復(fù)合材料中心的區(qū)域?qū)?yīng)的i越??；其中，夾角Θ i對(duì)應(yīng)的曲面的母線的弧長(zhǎng)為c( Θ D，弧長(zhǎng)c( Θ J和夾角Θ i滿足如下公式J-;
^max(z') ^min(/+l){s + d)x(—^-—-- —) = Ciejniaam-Ciei^nmm0 ).
COSUi COSUi^其中，θ(1 = 0，(3(θ(1) =d;s為所述虛焦點(diǎn)到所述人工復(fù)合材料的距離；d為所述人工復(fù)合材料的厚度；λ為電磁波的波長(zhǎng)，nmax(i)、nmin(i)分別為第i區(qū)域的最大折射率和最小折射率，nmax(i+1)為第i+l區(qū)域的最大折射率。在本發(fā)明所述的人工復(fù)合材料天線中，相鄰兩個(gè)區(qū)域的最大折射率和最小折射率
兩足nmax(i)_nmin(i) — nmax (i+l) _nmin(i+l) °在本發(fā)明所述的人工復(fù)合材料天線中，第i區(qū)域的折射率分布滿足
I 「(5 + /) , λ Tii(O) =- ----{s + d) + nmd .
1 c(0)l cos6>7」，其中c( Θ )為夾角Θ對(duì)應(yīng)的曲面的母線的弧長(zhǎng)，s為所述虛焦點(diǎn)到所述人工復(fù)合 材料的距離，d為所述人工復(fù)合材料的厚度；nmin為所述人工復(fù)合材料的最小折射率。實(shí)施本發(fā)明的技術(shù)方案，具有以下有益效果將人工復(fù)合材料的折射率的跳變?cè)O(shè)計(jì)為母線為拋物線弧的曲面狀，從而大大減少跳變處的折射、衍射和反射效應(yīng)，減輕了互相干涉帶來的問題，使得人工復(fù)合材料和人工復(fù)合材料天線具有更加優(yōu)異的性能。


下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，附圖中圖I是依據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的人工復(fù)合材料對(duì)電磁波的發(fā)散作用示意圖；圖2是圖I所示的人工復(fù)合材料10的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3示出了圖2中的的人工復(fù)合材料10的側(cè)視圖；圖4是圖3所示的拋物線弧m與Θ的關(guān)系示意圖；圖5是人工復(fù)合材料10在yx平面上的折射率分布圖。
具體實(shí)施例方式圖I是依據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的人工復(fù)合材料10對(duì)電磁波的發(fā)散作用示意圖，人工復(fù)合材料10相對(duì)設(shè)置于輻射源的電磁波傳播方向上。平面電磁波入射到所述人工復(fù)合材料的第一表面A并在與第一表面A相對(duì)的第二表面B以球面波的形式射出。射出的電磁波反向延伸相交于所述人工復(fù)合材料的虛焦點(diǎn)J上。作為公知常識(shí)我們可知，電磁波的折射率與X//成正比關(guān)系，當(dāng)一束電磁波由一種介質(zhì)傳播到另外一種介質(zhì)時(shí)，電磁波會(huì)發(fā)生折射，當(dāng)物質(zhì)內(nèi)部的折射率分布非均勻時(shí)，電磁波就會(huì)向折射率比較大的位置偏折，通過設(shè)計(jì)人工復(fù)合材料中每一點(diǎn)的電磁參數(shù)，就可對(duì)人工復(fù)合材料的折射率分布進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而達(dá)到改變電磁波的傳播路徑的目的。圖2是圖I所示的人工復(fù)合材料10的結(jié)構(gòu)示意圖。人工復(fù)合材料10劃分為多個(gè)區(qū)域。其中第i區(qū)域與第一表面A的交集部分為第i區(qū)域的底面，第i區(qū)域與所述第二表面B的交集部分為第i區(qū)域的頂面。設(shè)虛焦點(diǎn)J與第i區(qū)域頂面上一點(diǎn)的連線與垂直于人工復(fù)合材料的直線L之間的夾角為Θ，夾角Θ唯一對(duì)應(yīng)第i區(qū)域內(nèi)的一曲面，第i區(qū)域頂面上具有相同夾角Θ的點(diǎn)的集合構(gòu)成夾角Θ唯一對(duì)應(yīng)的曲面的邊界；且夾角Θ唯一對(duì)應(yīng)的曲面上每一處的折射率均相同，所述曲面的母線為拋物線弧；每一區(qū)域的折射率隨著夾角Θ的增大逐漸減小。圖2示出了兩個(gè)區(qū)域(這里的區(qū)域是立體的概念，在圖3中，就是兩個(gè)圓環(huán)體)。這里引入?yún)^(qū)域的概念只是為了更好地描述人工復(fù)合材料的折射率分布而進(jìn)行的劃分，實(shí)際上并不是實(shí)體的概念。第一區(qū)域(圖3中的101)最外邊界曲面對(duì)應(yīng)的夾角為Θ i，第二區(qū)域(圖3中的102)最外邊界曲面對(duì)應(yīng)的夾角為Θ 2。第一區(qū)域的頂面上具有夾角Θ !的點(diǎn)的集合構(gòu)成夾角Θ !唯一對(duì)應(yīng)的曲面Dml的邊界(圖示為圓周11)。第二區(qū)域的頂面上具有夾角Θ 2的點(diǎn)的集合構(gòu)成夾角Θ 2唯一對(duì)應(yīng)的曲面Dm2的邊界(圖示為圓周22)，詳見下文所述。圖3示出了人工復(fù)合材料10的側(cè)視圖，圖中示出了兩個(gè)區(qū)域的側(cè)視圖，僅用于示意，并不作為對(duì)本發(fā)明的限制。折射率相同的曲面的側(cè)視截面圖為兩段拋物線弧，相對(duì)于L對(duì)稱分布。人工復(fù)合材料10的厚度如圖d所示，L表示垂直于人工復(fù)合材料的直線。由圖4可知，每一區(qū)域的側(cè)視圖為拋物線弧段，相同弧線上的折射率相同，也即該弧線繞L旋轉(zhuǎn)所形成的曲面上的折射率相同。為了更清楚地描述相同曲面上的折射率相同，對(duì)人工復(fù)合材料內(nèi)部的虛擬曲面(實(shí)際不存在，只是為了描述方便，虛擬出的一個(gè)曲面)也進(jìn)行闡述。設(shè)虛焦點(diǎn)J與第i區(qū)域頂面外圓周上一點(diǎn)的連線與垂直于人工復(fù)合材料的直線L之間的夾角為Θ i，i為正整數(shù)且越靠近人工復(fù)合材料10中心O的區(qū)域?qū)?yīng)的i越小；其中，夾角Θ i對(duì)應(yīng)的曲面的母線的弧長(zhǎng)為C(Qi)，弧長(zhǎng)C(Qi)和夾角Qi滿足如下公式
)=;
^max(z') ^min(/+l){s + d)x(—^—-- —) = Ciejniaam-Ciei^nmm0 ).
COSUi COSUi^其中，θ ^ = 0，c( θ J = d ；s為虛焦點(diǎn)J到人工復(fù)合材料10的距離；d為人工復(fù)合材料10的厚度；λ為電磁波的波長(zhǎng)，nmax(i)、nmin(i)分別為第i區(qū)域的最大折射率和最小折射率，nmax(i+1)、nmin(i+1)為第i+l區(qū)域的最大折射率和最小折射率。夾角Θ或Θ i取值范圍
為[O, 相鄰兩個(gè)區(qū)域的最大折射率和最小折射率滿足nmax(i)-nmin(i) = nmax(i+1)-nmin(i+1)。如圖2和3所示，示出了兩個(gè)區(qū)域101和102，Θ i是第一區(qū)域101頂面外圓周上一點(diǎn)的連線與垂直于人工復(fù)合材料10的直線L之間的夾角，Θ 2是第二區(qū)域102底面外圓周上一點(diǎn)的連線與垂直于人工復(fù)合材料10的直線L之間的夾角，Snmax(1)、nmin(1)已知,第I區(qū)域的Θ i以及nmin(2)可用下式計(jì)算得出c (沒 )=;
” max( I) ” min( 2 )(5 + ^)Χ(^^-1) = ^lKax(I)-cC^0Km(I))。第2區(qū)域的Θ 2和nmin(3)可用下式計(jì)算得出d)=；
^max(2) ^min(3){s + d)x(—^—--- -) = c(02)nmax(2 -cie^n^ )。
COS^2 COS^1在本發(fā)明一實(shí)施例中，相鄰三個(gè)區(qū)域的最大折射率和最小折射率滿足
nmax(i+l)_nmin(i+2)〉nmax(i) _nmin(i+l) °
如圖3所示，每一區(qū)域的最邊界曲面的母線為弧線。圖中側(cè)視圖的弧線即為每一區(qū)域最邊界曲面的母線。每一區(qū)域的內(nèi)邊界曲面的折射率最小，外邊界曲面的折射率最大。如圖2和圖3所示，虛焦點(diǎn)J與第I區(qū)域101頂面Al外圓周上一點(diǎn)01的連線與L之間的夾角為Θ i，第I區(qū)域101最邊界曲面Dml的母線為ml，弧線ml的弧長(zhǎng)為c( Θ J，ml繞L旋轉(zhuǎn)而成的曲面即為Dml。虛焦點(diǎn)J與第2區(qū)域102頂面A2外圓周上一點(diǎn)02的連線與L之間的夾角為Θ 2，第2區(qū)域102最邊界曲面Dm2的母線為m2，弧線m2的弧長(zhǎng)為(3(02)，!!12繞1^旋轉(zhuǎn)而成的曲面即為01112。如圖3所示，弧線ml、m2相對(duì)于L對(duì)稱分布。曲面Dml、Dm2上的折射率分布相同。對(duì)于任一區(qū)域而言，設(shè)虛焦點(diǎn)J與第i區(qū)域頂面上一點(diǎn)的連線與垂直于人工復(fù)合材料的直線L之間的夾角為Θ，第i區(qū)域的折射率Iii ( Θ )隨著Θ的變化規(guī)律滿足
權(quán)利要求
1.一種人工復(fù)合材料，其特征在于，所述人工復(fù)合材料劃分為多個(gè)區(qū)域；平面電磁波入射到所述人工復(fù)合材料的第一表面并在與所述第一表面相對(duì)的第二表面以球面波的形式射出；射出的電磁波反向延伸相交于所述人工復(fù)合材料的虛焦點(diǎn)上； 第i區(qū)域與所述第一表面的交集部分為第i區(qū)域的底面，第i區(qū)域與所述第二表面的交集部分為第i區(qū)域的頂面；設(shè)虛焦點(diǎn)與所述第i區(qū)域頂面上一點(diǎn)的連線與垂直于人工復(fù)合材料的直線之間的夾角為Θ，夾角Θ唯一對(duì)應(yīng)第i區(qū)域內(nèi)的一曲面，第i區(qū)域頂面上具有相同夾角Θ的點(diǎn)的集合構(gòu)成夾角Θ唯一對(duì)應(yīng)的曲面的邊界；且夾角Θ唯一對(duì)應(yīng)的曲面上每一處的折射率均相同，所述曲面的母線為拋物線?。幻恳粎^(qū)域的折射率隨著夾角Θ的增大逐漸減小。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的人工復(fù)合材料，其特征在于，設(shè)虛焦點(diǎn)與第i區(qū)域頂面外圓周上一點(diǎn)的連線與垂直于人工復(fù)合材料的直線之間的夾角為Θ y i為正整數(shù)且越靠近人工復(fù)合材料中心的區(qū)域?qū)?yīng)的i越小；其中，夾角Θ i對(duì)應(yīng)的曲面的母線的弧長(zhǎng)為c( Θ J，弧長(zhǎng)C(Qi)和夾角Qi滿足如下公式
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的人工復(fù)合材料，其特征在于，相鄰兩個(gè)區(qū)域的最大折射率和最小折射率滿足nm
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的人工復(fù)合材料，其特征在于，第i區(qū)域的折射率分布滿足
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的人工復(fù)合材料，其特征在于，弧長(zhǎng)c(0)滿足如下公式
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的人工復(fù)合材料，其特征在于，以經(jīng)過所述人工復(fù)合材料第二表面的中心且垂直于所述人工復(fù)合材料的直線為橫坐標(biāo)軸，以經(jīng)過所述人工復(fù)合材料第二表面的中心且平行于所述第二表面的直線為縱坐標(biāo)軸，所述拋物線弧所在的拋物線方程為
7.—種人工復(fù)合材料天線，其特征在于，包括輻射源和設(shè)置在電磁波傳播方向上的人工復(fù)合材料；所述人工復(fù)合材料劃分為多個(gè)區(qū)域；平面電磁波入射到所述人工復(fù)合材料的第一表面并在與所述第一表面相對(duì)的第二表面以球面波的形式射出；射出的電磁波反向延伸相交于所述人工復(fù)合材料的虛焦點(diǎn)上； 第i區(qū)域與所述第一表面的交集部分為第i區(qū)域的底面，第i區(qū)域與所述第二表面的交集部分為第i區(qū)域的頂面；設(shè)虛焦點(diǎn)與所述第i區(qū)域頂面上一點(diǎn)的連線與垂直于人工復(fù)合材料的直線之間的夾角為Θ，夾角Θ唯一對(duì)應(yīng)第i區(qū)域內(nèi)的一曲面，第i區(qū)域頂面上具有相同夾角Θ的點(diǎn)的集合構(gòu)成夾角Θ唯一對(duì)應(yīng)的曲面的邊界；且夾角Θ唯一對(duì)應(yīng)的曲面上每一處的折射率均相同，所述曲面的母線為拋物線??；每一區(qū)域的折射率隨著夾角Θ的增大逐漸減小。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的人工復(fù)合材料天線，其特征在于，設(shè)虛焦點(diǎn)與第i區(qū)域頂面外圓周上一點(diǎn)的連線與垂直于人工復(fù)合材料的直線之間的夾角為Θ 為正整數(shù)且越靠近人工復(fù)合材料中心的區(qū)域?qū)?yīng)的i越小；其中，夾角Θ i對(duì)應(yīng)的曲面的母線的弧長(zhǎng)為c( Θ j),弧長(zhǎng)c ( Θ J和夾角Θ i滿足如下公式
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的人工復(fù)合材料天線，其特征在于，相鄰兩個(gè)區(qū)域的最大折射率和取小折射率 兩足nmaxCi)_nmin⑴一nmax(i+l)_nmin(i+l) °
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的人工復(fù)合材料天線，其特征在于， 第i區(qū)域的折射率分布滿足
全文摘要
本發(fā)明涉及人工復(fù)合材料和人工復(fù)合材料天線，人工復(fù)合材料劃分為多個(gè)區(qū)域；平面電磁波入射到人工復(fù)合材料的第一表面并在與第一表面相對(duì)的第二表面以球面波的形式射出；射出的電磁波反向延伸相交于人工復(fù)合材料的虛焦點(diǎn)上；第i區(qū)域與第一表面的交集部分為底面，與第二表面的交集部分為頂面；設(shè)虛焦點(diǎn)與第i區(qū)域頂面上一點(diǎn)的連線與垂直于人工復(fù)合材料的直線之間的夾角為θ，θ唯一對(duì)應(yīng)第i區(qū)域內(nèi)的一曲面，第i區(qū)域頂面上具有相同θ的點(diǎn)的集合構(gòu)成θ唯一對(duì)應(yīng)的曲面的邊界；且θ唯一對(duì)應(yīng)的曲面上每一處的折射率均相同，所述曲面的母線為拋物線弧；每一區(qū)域的折射率隨著夾角θ的增大逐漸減小。本發(fā)明將折射率的跳變?cè)O(shè)計(jì)為曲面狀，減少了跳變處的折射、衍射和反射效應(yīng)。
文檔編號(hào)H01Q19/06GK102904059SQ20111021670
公開日2013年1月30日 申請(qǐng)日期2011年7月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月29日
發(fā)明者劉若鵬, 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