一種能發散電磁波的非均勻超材料的製作方法
2023-09-22 13:30:10 3
專利名稱：一種能發散電磁波的非均勻超材料的製作方法
技術領域：
本發明涉及涉及超材料領域，具體地涉及一種對電磁波起發散作用的非均勻超材料。
背景技術：
目前，超材料(metamaterial)作為一種新型材料，越來越引起人們的關注，所謂超材料，是指一些具有天然材料所不具備的超常物理性質的人工複合結構或複合材料。通過在材料的關鍵物理尺度上的結構有序設計，可突破某些表觀自然規律的限制，從而獲得超出自然界固有的普通的超常材料功能。如，超材料可以由介質基材和設置上基材上的多個金屬微結構組成，可以提供各種普通材料具有和不具有的材料特性。單個金屬微結構大小一般小於1/10個波長，其對外加電場或磁場具有電響應或磁響應，從而具有表現出等效介電常數或等效磁導率，或者波阻抗。超材料性質往往不主要決定與構成材料的本徵性質， 而決定於其中的人造微結構，人造微結構的等效介電常數和等效磁導率(或波阻抗)由人造微結構單元的大小、形狀等幾何尺寸參數決定，可人為設計和控制，從而產生許多新奇的現象，為實現電磁波的發散提供了可能。現有常規材料做成的發散天線等設備能實現電磁波的發散，但是存在以下缺點 體積大，不利於小型化使用；對形狀的依賴性強，很難進行靈活的設計；損耗大，介質容易老化，成本較高。在超材料領域，通過設計人造微結構大小、形狀和排布規律，可以使超材料對電場或磁場或者兩者同時進行響應，對電場的響應取決於超材料的介電常數，而對磁場的響應取決於超材料的磁導率。通過對超材料中每一個人造微結構的介電常數與磁導率進行精確控制，如通過控制超材料的人造微結構的大小呈由小到大的連續變化，可以使超材料的介電常數形成由小到大的連續變化，根據折射率與介電常數的關係η = k (eu)1/2 (其中，k為比例係數、η表示折射率，e表示介電常數，u表示磁導率)可知，超材料的折射率也會隨著形成由小到大的連續變化。現有技術通過該原理，使超材料的折射率形成中間小兩側大的連續變化趨勢，可以使該超材料具有對電磁波的發散功能，其原理圖可參看附圖1，圖中，平行入射的電磁波經過超材料A後變為發散型電磁波。但是，現有技術存在的問題是要使電磁波得到發散，介電常數需要在超材料的尺度範圍內連續變化，而連續變化則使得介電常數的變化範圍很大，而在進行超材料的人造微結構設計時，又很難將其大小做到很大，故在實際工藝上很難實施，是亟待解決的一個技術難題。
發明內容本發明為解決上述技術問題，提供一種在很小範圍內改變介電常數即能發散電磁波的非均勻超材料。本發明實現發明目的採用的技術方案是，一種能發散電磁波的非均勻超材料，所述超材料由超材料功能板組合陣列而成，所述超材料功能板由介質基板以及陣列在介質基
3板上的多個人造微結構組成，所述超材料功能板包括一中間位置，所述中間位置的一側包括多個折射率呈帶狀分布的超材料帶，所述各個超材料帶內的折射率朝相同方向連續變化，所述各個超材料帶內折射率小的一側朝向所述中間位置，所述各個超材料帶折射率大的一側朝向所述超材料功能板的側邊位置，所述超材料帶的交界位置處的折射率為非連續變化。該技術方案中，所謂超材料帶內折射率的連續變化係指在超材料內，由單個人造微結構及其所在介質基板組成的超材料單元的等效折射率按線性規律或連續曲線規律逐漸增大或逐漸減小，其中間不會發生折射率變化方向的改變，也不會發生折射率的突然增大或突然減小。而一旦發生折射率變化方向的改變，或發生折射率的突然增大或突然減小， 即為所述的非連續變化。即，在同樣的折射率變化範圍內，如折射率由2變化到4，在超材料帶內折射率由2逐漸變化到4，而在兩個超材料帶的交界位置處，折射率會由2突變到4或突變到1，則該超材料帶內的變化即為連續變化，而在兩個超材料帶的交界位置處的變化即為非連續變化。作為優選實施方式，所述中間位置的另一側也包括多個折射率呈帶狀分布的超材料帶，所述另一側的超材料帶內的折射率朝相同方向連續變化，所述另一側的超材料帶內折射率小的一側朝向所述中間位置，所述另一側的超材料帶折射率大的一側朝向所述超材料功能板的另一側邊位置，所述另一側的超材料帶的交界位置處的折射率為非連續變化。作為優選實施方式之一，所述超材料帶的帶寬相等所述超材料帶內的折射率變化範圍相等。作為優選實施方式之一，所述超材料帶內的折射率變化率相等。作為優選實施方式之一，所述各個超材料帶內的折射率以所述中間位置為對稱軸呈對稱分布。作為優選實施方式之一，所述超材料的電磁波入射面和出射面均設置有阻抗匹配層。具體實施時，所述超材料帶內折射率的連續變化是通過設計所述人造微結構的大
小呈連續變化實現。具體實施時，所述人造微結構的形狀為工字型或工字衍生型。採用本發明的非均勻超材料，通過設計多個折射率連續變化的超材料帶使超材料具有發散電磁波的功能，相對現有技術而言其設計難度大大降低，同時具有工藝製造簡單， 方便大規模生產的優點。
圖1，現有超材料發散電磁波的原理圖；圖2，實施例1的超材料功能板結構圖；圖3，實施例1超材料發散電磁波的原理圖；圖4，實施例2的超材料功能板結構圖；圖5，實施例2超材料發散電磁波的原理圖。圖中，A超材料、I-I中間位置、100超材料功能板、101介質基板、102人造微結構、 300超材料單元、400超材料帶、500阻抗匹配層。
具體實施方式下面結合附圖對本發明的具體實施過程進行詳細說明。實施例1一種能發散電磁波的非均勻超材料，由多層超材料功能板100依次層疊而成，超材料功能板100的結構圖參看附圖2，超材料功能板100由介質基板101以及陣列在介質基板上的多個人造微結構102組成，人造微結構102與其所佔據的介質基板101共同組成為一個超材料單元300，超材料單元300具有特定的結構和電磁特性，一般當單個人造微結構 102的大小小於1/10個波長時，其對外加電場或磁場具有電響應或磁響應，從而具有表現出等效介電常數或等效磁導率，本實施例通過將各人造微結構102的形狀設計為工字型， 並使各工字型人造微結構102沿一定方向連續增大，可以使人造微結構102的等效介電常數也形成連續增大的變化規律，進而使超材料功能板100的折射率也呈連續增大的變化規律。由於工字型的結構連續增大到一定程度後在工藝上很難繼續增大(反應在超材料的折射率上即為折射率的變化範圍較小)，本實施例將超材料功能板100設計為由多個超材料帶400組成，每個超材料帶400內的各人造微結構102的大小沿一定的方向連續增大，其結構圖參看附圖2。本實施例超材料發散電磁波的原理圖參看附圖3，超材料由多層超材料功能板 100依次層疊而成，各個超材料功能板100均具有相同的折射率變化規律，每個超材料功能板100包括一中間位置1-1，中間位置I-I的一側設置有3個折射率呈帶狀分布的超材料帶 400，每個超材料帶400內的折射率都從1連續變化3且折射率的連續變化方向相同，折射率小的一側均朝向中間位置1-1，折射率大的一側朝向超材料功能板100的側邊位置，超材料帶400的交界位置處的折射率為由1突變到3的非連續變化，當電磁波沿圖示的平行方向入射到超材料時，入射電磁波會向折射率大的方向發生偏折，從而形成一種部分發散的電磁波。其有益效果是，在超材料功能板100的中間位置I-I到側邊位置的範圍內實現電磁波的有效發散，原本需要使折射率從1連續變化到9，這在具體設計上難度較大，採用本實施例後，只需要將每個超材料帶400內的折射率設計為從1連續變化到3，然後通過三個超材料帶400依次相接排列即可，設計難度大大降低。實施例2一種能發散電磁波的非均勻超材料，由多層超材料功能板100依次層疊而成，超材料功能板100的結構圖參看附圖4，由介質基板101以及陣列在介質基板101上的多個人造微結構102組成，人造微結構102與其所佔據的介質基板101共同組成為一個超材料單元300，本實施例通過將各人造微結構102的形狀設計為工字衍生型，並使各工字衍生型人造微結構102沿一定方向連續增大，可以使人造微結構102的等效介電常數也形成連續增大的變化規律，進而使超材料功能板100的折射率也呈連續增大的變化規律。由於工字衍生型的結構連續增大到一定程度後在工藝上很難繼續增大(反應在超材料的折射率上即為折射率的變化範圍較小)，本實施例將超材料功能板100設計為由多個超材料帶400組成，每個超材料帶400內的各人造微結構102的大小沿一定的方向連續增大，其結構圖參看附圖4。
本實施例超材料發散電磁波的示意圖參看附圖5 超材料由多層超材料功能板 100依次層疊而成，各個超材料功能板100均具有相同的折射率變化規律，每個超材料功能板100包括一中間位置1-1，中間位置I-I的一側設置有6個折射率呈帶狀分布的超材料帶400，每個超材料帶400內的折射率都從1連續變化3且折射率的連續變化方向相同，折射率小的一側均朝向中間位置1-1，折射率大的一側朝向超材料功能板100的側邊位置，超材料帶400的交界位置處的折射率為由1突變到3的非連續變化，各超材料帶400的帶寬相等且各超材料帶400內各處的折射率變化率相同，各超材料帶400的折射率以中間位置 I-I為對稱軸呈對稱分布，當電磁波以平行方向入射到超材料時，入射電磁波會向折射率大的方向發生偏折，從而形成一種向兩側邊發散的電磁波；同時，為防止入射電磁波在入射和出射時部分能量在界面發生反射，在超材料的入射面和出射面均設置一層阻抗匹配層500， 使電磁波以微小的反射進入和出射超材料；本實施例的超材料功能板100的發散電磁波的原理圖參看附圖5。其有益效果是，在超材料功能板100的中間位置I-I到側邊位置的範圍內實現電磁波的有效發散，原本需要使折射率從1連續變化到18，這在具體設計上難度較大，採用本實施例後，只需要將每個超材料帶400內的折射率設計為從1連續變化到3即可，設計難度大大降低；同時，阻抗匹配層500的設置避免了電磁波在界面的能量損耗。應當理解，本發明中各個超材料帶內的介電常數既可以為線性均勻連續變化，也可以為非線性連續變化，只要變化的方向為由兩側向中間減小即可實現電磁波的發散。由於折射率與介電常數和磁導率有關，所以改變超材料的磁導率並使本發明中各個超材料帶內磁導率形成由兩側向中間減小的變化規律同樣可以使電磁波發散。應當理解，本發明中進行超材料帶的具體排布時，可以根據需要以超材料的中心線為中間位置，使各個超材料帶以該中心線為中間位置按照介電常數小的一側朝向中間位置，介電常數大的一側分別朝向兩側的規律排布；也可以根據需要以超材料的其他任意位置為中間位置，使各個超材料以任一位置為中間位置，按照介電常數小的一側朝向中間位置，介電常數大的一側分別朝向兩側的規律排布，從而實現不同的電磁波發散需求。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
1.一種能發散電磁波的非均勻超材料，所述超材料由超材料功能板組合陣列而成，所述超材料功能板由介質基板以及陣列在介質基板上的多個人造微結構組成，其特徵在於 所述超材料功能板包括一中間位置，所述中間位置的一側包括多個折射率呈帶狀分布的超材料帶，所述各個超材料帶內的折射率朝相同方向連續變化，所述各個超材料帶內折射率小的一側朝向所述中間位置，所述各個超材料帶折射率大的一側朝向所述超材料功能板的側邊位置，所述超材料帶的交界位置處的折射率為非連續變化。
2.根據權利要求1所述的能發散電磁波的非均勻超材料，其特徵在於所述中間位置的另一側也包括多個折射率呈帶狀分布的超材料帶，所述另一側的超材料帶內的折射率朝相同方向連續變化，所述另一側的超材料帶內折射率小的一側朝向所述中間位置，所述另一側的超材料帶折射率大的一側朝向所述超材料功能板的另一側邊位置，所述另一側的超材料帶的交界位置處的折射率為非連續變化。
3.根據權利要求2所述的能發散電磁波的非均勻超材料，其特徵在於所述超材料帶的帶寬相等。
4.根據權利要求2所述的能發散電磁波的非均勻超材料，其特徵在於所述超材料帶內的折射率變化範圍相等。
5.根據權利要求2所述的能發散電磁波的非均勻超材料，其特徵在於所述超材料帶內的折射率變化率相等。
6.根據權利要求2所述的能發散電磁波的非均勻超材料，其特徵在於所述各個超材料帶內的折射率以所述中間位置為對稱軸呈對稱分布。
7.根據權利要求1至6任一項所述的能發散電磁波的非均勻超材料，其特徵在於所述超材料的電磁波入射面和出射面均設置有阻抗匹配層。
8.根據權利要求7所述的能發散電磁波的非均勻超材料，其特徵在於所述超材料帶內折射率的連續變化是通過設計所述人造微結構的大小呈連續變化實現。
9.根據權利要求7所述的能發散電磁波的非均勻超材料，其特徵在於所述人造微結構的形狀為工字型或工字衍生型。
全文摘要
本發明提供一種能發散電磁波的非均勻超材料，所述超材料由超材料功能板組合陣列而成，所述超材料功能板由介質基板以及陣列在介質基板上的多個人造微結構組成，所述超材料功能板包括一中間位置，所述中間位置的一側包括多個折射率呈帶狀分布的超材料帶，所述各個超材料帶內的折射率朝相同方向連續變化，所述各個超材料帶內折射率小的一側朝向所述中間位置，所述各個超材料帶折射率大的一側朝向所述超材料功能板的側邊位置，所述超材料帶的交界位置處的折射率為非連續變化。相對現有技術而言其設計難度大大降低，同時具有工藝製造簡單，方便大規模生產的優點。
文檔編號H01Q15/00GK102480016SQ201110130300
公開日2012年5月30日 申請日期2011年5月19日 優先權日2011年5月19日
發明者劉若鵬, 季春霖, 嶽玉濤, 王今金 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