一種非均勻超材料的製作方法
2023-08-05 01:06:16 1
專利名稱：一種非均勻超材料的製作方法
技術領域：
本發明涉及超材料領域，具體地涉及一種具有非均勻介電常數的超材料。背景技術：
超材料一般由多個超材料功能板層疊或按其他規律陣列組合而成，超材料功能板包括介質基板以及陣列在介質基板上的多個人造微結構，現有超材料的介質基板為均一材質的有機或無機基板，如FR4、TPl等等。陣列在介質基板上的多個人造微結構具有特定的電磁特性，能對電場或磁場產生電磁響應，通過對人造微結構的結構和排列規律進行精確設計和控制，可以使超材料呈現出各種一般材料所不具有的電磁特性，如能匯聚、發散和偏折電磁波等。現有的介質基板作為人造微結構的固定基板，由於整體上具有均一的介電常數和磁導率，所以對電場或磁場不會產生特有的響應，即對整個超材料而言，介質基板不具有電磁調製功能。
發明內容本發明所要解決的技術問題是克服現有超材料的介質基板缺乏功能作用的缺點，提供一種介質基板具有非均勻介電常數分布的超材料，通過改變介質基板局部的介電常數使超材料在功能上得到應用拓展。本發明實現發明目的採用的技術方案是，一種非均勻超材料，包括多個陣列的超材料功能板，所述超材料功能板包括介質基板以及陣列在介質基板上的多個人造微結構， 所述介質基板由多個不同材料的基板單元組成，所述多個基板單元的厚度呈非均勻分布， 所述介質基板的介電常數呈非均勻分布。超材料作為一種對電磁波具有特殊響應和調製特性的新材料，是由多個超材料功能板陣列組合而成，人造微結構及其所在的介質基板可看作是組成超材料功能板的基本結構單元，超材料功能板的性質主要取決於多個基本結構單元的電磁性質和陣列規律。單個基本結構單元的電磁特性主要由該基本結構單元的等效介電常數和等效磁導率決定，而單個基本結構單元的等效介電常數和等效磁導率又由人造微結構及其所在的介質基板所共同決定。現有對超材料功能板的設計都是通過改變人造微結構的結構或大小來改變單個基本結構單元的等效介電常數和等效磁導率，最後將多個基本結構單元按照一定的規律進行排布，可以使超材料功能板形成某些特定的電磁特性，如對電磁波的匯聚、發散、偏折和平移等電磁調製功能。本發明為拓展超材料功能板的功能設計方式，通過將介質基板設計為由多個不同材料的基板單元組成，同時各個基板單元的厚度呈非均勻分布。一方面，由於材料不同，所以各個基板單元內的介電常數不同，另一方面，由於各個基板單元的厚度不同，對於各個基板單元內的超材料基本結構單元而言，其介質基板的比例將不同，該比例的改變會改變超材料基本結構單元的等效介電常數。因此，通過採用本發明的超材料介質基板，可以改變整個超材料的局部介電常數使超材料在功能上得到應用拓展。
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具體實施時，所述基板單元的形狀可根據需要進行任意設計，以擬改變其介電常數的目標區域形狀而定，作為具體實施方式
，可以將基板單元設計為多個回形結構或圓環形結構，多個回形結構或圓環形結構組成介質基板後，由於不同的基板單元為不同的材料且具有不同的厚度，所以整個介質基板的介電常數呈非均勻的分布。作為具體實施方式
，多個回形結構或圓環形結構基本單元的介電常數大小可按梯度增加或減小，也可以呈大小交替分布。本發明的有益效果是，通過將介質基板設計為由不同材料和不同厚度的基板單元組成，使超材料具有非均勻的介電常數分布，為超材料提供更為豐富的功能應用。
圖1，超材料的結構示意圖。圖2，實施例1的介質基板的平面視圖。圖3，圖2的A-A剖視圖。圖4，實施例2的介質基板的平面視圖。圖5，圖4的B-B剖視圖。
具體實施方式下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細說明。超材料的結構示意圖參看附圖1，包括多個層疊超材料功能板100，超材料功能板 100包括介質基板101以及陣列在介質基板上的多個人造微結構102，人造微結構102與其所在的介質基板可以看成一個超材料基本結構單元，類似於晶體中的晶格。附圖1是超材料微觀結構的局部放大示意圖，實際的超材料是由物質分子數數量級的基本結構單元按照人為設計的排布規律陣列而成。附圖1中的人造微結構102的結構為「工」字型結構，作為具體實施方式
，還可以採用工字衍生型。本發明採用以下實施例實施實施例1將介質基板101設計為包括有多個回形基板單元103，介質基板的平面視圖參看附圖2，圖3為圖2的A-A剖視圖，其中，各個回形基板單元103採用不同的材料，各種材料的的介電常數的大小由周邊向中心遞增，圖3中用不同填充密度表示了不同材料，其中，填充密度大的表示材料的介電常數大，填充密度小的表示材料的介電常數小，同時各個回形基板單元103的厚度也由周邊向中心遞增。由於超材料的電磁特性是由多個超材料基本結構單元的等效介電常數和等效磁導率決定，而單個基本結構單元的等效介電常數和等效磁導率又由人造微結構102及其所在的介質基板101所共同決定，所以，當各個回形基板單元 103採用不同的材料時，相當於改變了介質基板101上各個不同回形基板單元103內的介電常數，各個回形基板單元103內的基本結構單元的等效介電常數隨著其所屬回形基板單元103的不同也將被改變，最終使超材料功能板100在不同區域內具有不同的介電常數分布。同時，將各個回形基板單元103的厚度設計為由周邊向中心遞增，相對於各個回形基板單元103內的超材料基本結構單元而言，回形基板單元103的厚度不同，超材料基本結構單元內介質基板101的佔有比例將不同，因此各個回形基板單元103內的超材料基本結構單
4元表現出來的等效介電常數也會不同。由此可知，通過改變回形基板單元103的厚度和選擇不同的材料，可以使超材料的介電常數呈非均勻分布，從而達到為超材料的功能設計提供了更靈活的設計方式的目的。本實施例中，要使回形基板單元103的介電常數的大小由外圍向中心遞增，可以靈活地從陶瓷基材、塑料樹脂基材或複合材料基材選擇合適的材料，使不同回形基板單元 103按照介電常數的大小採用不同的材料進行排列，從而在整體上使超材料具有非均勻的介電常數分布。應當理解，本實施例中回形基板單元103的大小、數量以及厚度可以根據需要任意設計，以滿足超材料的電磁特性要求。並且，本實施例中各個回形基板單元103的介電常數大小由外圍向中心遞增只是為了便於說明本發明而例舉的特例，具體實施時，各個回形基板單元103的介電常數大小的排布規律也需要根據預定的超材料電磁特性而定，本發明的要旨也在於通過各個回形基板單元103採用不同的材料和不同厚度為超材料的電磁特性提供一種設計途徑，並通過該設計途徑與超材料功能板上人造微結構排布規律的設計進行組合，以達到擴展超材料的功能設計途徑的目的。實施例2作為本發明的另一種變形，本實施例將介質基板101設計為包括有多個不同材料的圓環形基板單元104，介質基板的平面視圖參看附圖4，圖5為圖4的B-B剖視圖，其中， 各個圓環形基板單元104採用兩種不同的材料，兩種材料的介電常數呈大小交替分布，圖5 中用兩種不同的填充密度表示了該兩種不同材料，其中，填充密度大的表示材料的介電常數大，填充密度小的表示材料的介電常數小，同時各個回形基板單元103的厚度也呈厚薄交替分布。由於超材料的電磁特性是由多個超材料基本結構單元的等效介電常數和等效磁導率決定，而單個基本結構單元的等效介電常數和等效磁導率又由人造微結構102及其所在的介質基板101所共同決定，所以，當各個圓環形基板單元104採用不同的材料時，相當於改變了介質基板101上各個不同基板單元內的介電常數，各個圓環形基板單元104內的基本結構單元的等效介電常數隨著其所屬圓環形基板單元104的不同也將被改變，最終使超材料功能板100在不同區域內具有不同的介電常數分布。同時，將各個回形基板單元 103的厚度設計為厚薄交替分布，相對於各個回形基板單元103內的超材料基本結構單元而言，回形基板單元103的厚度不同，超材料基本結構單元內介質基板101的佔有比例將不同，因此各個回形基板單元103內的超材料基本結構單元表現出來的等效介電常數也會不同。本實施例中，要使圓環形基板單元104的介電常數呈大小交替分布，一方面，可以選擇兩種不同的材料，並使兩種不同材料的圓環形基板單元104交替排列，從而在整體上使超材料具有非均勻的介電常數分布，同時，為更好地使圓環形基板單元104的介電常數呈大小交替分布，將各個回形基板單元103的厚度設計為厚薄交替分布，使厚度的交替分布與材料的交替分布產生的對介電常數的效果疊加，設計將更為靈活。應當理解，本實施例中圓環形基板單元104的大小、數量和厚度可以根據需要任意設計，以滿足超材料的電磁特性要求。並且，本實施例中各個圓環形基板單元104的介電常數大小交替排列只是為了便於說明本發明而例舉的特例，具體實施時，各個圓環形基板單元104的介電常數大小的排布規律也需要根據預定的超材料電磁特性而定，本發明的要旨也在於通過各個圓環形基板單元104採用不同的材料和不同的厚度為超材料的電磁特性提供一種設計途徑，並通過該設計途徑與超材料功能板上人造微結構排布規律的設計進行組合，以達到擴展超材料的功能設計途徑的目的。最後需要說明的是，本發明中的回形基板單元或圓環形基板單元均只是具體實施方式
之一，基板單元的區域形狀可以根據需要進行任意設計。在上述實施例中，僅對本發明進行了示範性描述，但是本領域技術人員在閱讀本專利申請後可以在不脫離本發明的精神和範圍的情況下對本發明進行各種修改。
權利要求
1.一種非均勻超材料，包括多個陣列的超材料功能板，所述超材料功能板包括介質基板以及陣列在介質基板上的多個人造微結構，其特徵在於所述介質基板由多個不同材料的基板單元組成，所述多個基板單元的厚度呈非均勻分布，所述介質基板的介電常數呈非均勻分布。
2.根據權利要求1所述的非均勻超材料，其特徵在於所述介質基板包括有多個回形結構的基板單元。
3.根據權利要求2所述的非均勻超材料，其特徵在於所述多個回形結構的基板單元的介電常數按梯度增大或減小。
4.根據權利要求2所述的非均勻超材料，其特徵在於所述多個回形結構的基板單元的介電常數呈大小交替分布。
5.根據權利要求1所述的非均勻超材料，其特徵在於所述介質基板包括有多個圓環形結構的基板單元。
6.根據權利要求5所述的非均勻超材料，其特徵在於所述多個圓環形結構的基板單元的介電常數按梯度增大或減小。
7.根據權利要求5所述的非均勻超材料，其特徵在於所述多個圓環形結構的基板單元的介電常數呈大小交替分布。
8.根據權利要求1至7任一所述的非均勻超材料，其特徵在於所述基板單元的材料為陶瓷基材、塑料樹脂基材或複合材料基材。
9.根據權利要求8所述的非均勻超材料，其特徵在於所述人造微結構為金屬人造微結構。
10.根據權利要求9所述的非均勻超材料，其特徵在於所述金屬人造微結構為工字型或工字衍生型。
全文摘要
本發明提供一種非均勻超材料，包括多個陣列的超材料功能板，所述超材料功能板包括介質基板以及陣列在介質基板上的多個人造微結構，所述介質基板由多個不同材料的基板單元組成，所述多個基板單元的厚度呈非均勻分布，所述介質基板的介電常數呈非均勻分布。其有益效果是，通過將介質基板設計為由不同材料和不同厚度的基板單元組成，使超材料具有非均勻的介電常數分布，為超材料提供更為豐富的功能應用。
文檔編號H01Q15/00GK102480010SQ20111010903
公開日2012年5月30日 申請日期2011年4月28日 優先權日2011年4月28日
發明者劉若鵬, 孫豪文, 繆錫根, 趙治亞 申請人:深圳光啟創新技術有限公司, 深圳光啟高等理工研究院