專利名稱：實現(xiàn)電磁波全方位輻射的超材料的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及超材料領域，尤其涉及一種實現(xiàn)電磁波全方位輻射的超材料。
背景技術：
超材料是一種新型材料，是由基板和附著在基板表面上或嵌入在基板內(nèi)部的多個人造微結構構成的?；鍖θ嗽煳⒔Y構起到支撐作用，可為任何與人造微結構不同的材料，這兩種材料的疊加會在空間中產(chǎn)生一個等效介電常數(shù)與磁導率，通過設計超材料中的每個人造微結構的形狀和排布規(guī)律，就可設計超材料中每一點的等效介電常數(shù)和等效磁導率。電磁波的折射率與物質的介電常數(shù)和磁導率有關系，當一束電磁波由一種介質傳 播到另外一種介質時，電磁波會發(fā)生折射，當物質內(nèi)部的折射率分布非均勻時，電磁波就會向折射率比較大的位置偏折，通過改變折射率在材料中的分布，可以達到改變電磁波的傳播路徑的目的。現(xiàn)有技術對于實現(xiàn)電磁波的發(fā)散是利用發(fā)散天線完成的，發(fā)明人在實施本發(fā)明過程中，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術的發(fā)散天線至少存在如下技術問題發(fā)散天線不但體積比較大而且較重，不利于小型化的使用；對于形狀也有很大的依賴性，很難進行靈活的設計；損耗很大，介質容易老化，成本較高，。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明實施例所要解決的技術問題在于，提供一種實現(xiàn)電磁波全方位輻射的超材料，其體積較小、重量輕、使用方便靈活、成本較低。為解決上述技術問題，提供了一種實現(xiàn)電磁波全方位輻射的超材料，包括緊密貼合的第一超材料面板和第二超材料面板，所述第一超材料面板和第二超材料面板均包括至少一個超材料片層，所述超材料片層包括片狀的基板和設置在所述基板上的多個人造微結構，所述超材料片層包括多個區(qū)域，所述多個區(qū)域包括一個圓形區(qū)域和多個與圓形區(qū)域同心的環(huán)形區(qū)域，每個區(qū)域內(nèi)折射率隨著半徑的增大連續(xù)增大且相同半徑處的折射率相同，構成同一超材料面板的超材料片層的折射率分布均相同，兩個超材料面板的折射率分布不同，第一超材料面板和第二超材料面板的多個區(qū)域中均至少存在兩個相鄰的區(qū)域，所述兩個相鄰的區(qū)域中靠近圓心的區(qū)域的最大折射率大于另一個區(qū)域的最小折射率，在兩個超材料面板的交界處透射的電磁波和反射的電磁波的能量相同。上述技術方案至少具有如下有益效果本發(fā)明的超材料包括兩個具有發(fā)散電磁波功能的超材料面板，在兩面板的交界處透射的電磁波和反射的電磁波的能量相同。該超材料可對電磁波源的輻射角度進行調(diào)制，以實現(xiàn)360度全方位的電磁波輻射，該超材料體積較小、重量輕、使用方便靈活、成本較低、制造工藝簡單、適于大規(guī)模生產(chǎn)。


圖I是本發(fā)明的實現(xiàn)電磁波全方位輻射的超材料發(fā)散電磁波的示意圖。
圖2是本發(fā)明的實現(xiàn)電磁波全方位輻射的超材料的結構示意圖。圖3是圖2所示的第一超材料面板在yz平面上的折射率分布圖。圖4是圖2所示的第二超材料面板在yz平面上的折射率分布圖。圖5是圖2所示的第一超材料面板和第二超材料面板的折射率隨半徑變化的示意圖。圖6是圖2所示的第一人造微結構衍生的第二實施例的結構示意圖。圖7是圖2所示的第二人造微結構衍生的第三實施例的結構示意圖。
具體實施例方式超材料是一種以人造微結構為基本單元并以特定方式進行空間排布、具有特殊電·磁響應的新型材料，包括人造微結構和供人造微結構附著的基板I。人造微結構為由至少一根金屬絲組成的平面結構或立體結構，多個人造微結構在基板I上陣列排布，每個人造微結構以及其所附著的基板I所占部分即為一個超材料單元?；錓可為任何與人造微結構不同的材料，這兩種材料的疊加使每個超材料單元產(chǎn)生一個等效介電常數(shù)與磁導率，這兩個物理參數(shù)分別對應了超材料單元的電場響應與磁場響應。超材料對電磁響應的特征是由人造微結構的特征所決定，而人造微結構的電磁響應很大程度上取決于其金屬絲的圖案所具有的拓撲特征和其幾何尺寸。根據(jù)上述原理設計超材料空間中排列的每個人造微結構的拓撲圖形和幾何尺寸，就可對超材料中每一點的電磁參數(shù)進行設置。本發(fā)明的超材料用于實現(xiàn)電磁波源30的全方位輻射，如圖I所示為該超材料發(fā)散電磁波的示意圖。本實施例中該超材料包括緊密貼合的具有電磁波發(fā)散功能的第一超材料面板10和第二超材料面板20，第一超材料面板10和第二超材料面板20均由至少一個超材料片層構成。電磁波源30發(fā)出的球面形式的電磁波射入到超材料后在第一超材料面板10和第二超材料面板20的分界處時,一部分電磁波大角度發(fā)散射出，另一部分電磁波經(jīng)反射后往反方向大角度發(fā)散射出，以實現(xiàn)電磁波源30的全方位輻射。要使電磁波源30全方位輻射，超材料須具備兩個條件，其一是構成超材料的第一超材料面板10和第二超材料面板20均具有發(fā)散電磁波的功能。作為公知常識我們可知，電磁波的折身寸率與^/srx"成正比關系，當一束電磁波由一種介質傳播到另外一種介質時，電磁波會發(fā)生折射，當物質內(nèi)部的折射率分布非均勻時，電磁波就會向折射率比較大的位置偏折，通過設計超材料中每一點的電磁參數(shù)，就可對超材料的折射率分布進行調(diào)整，進而達到改變電磁波的傳播路徑的目的。而超材料對電磁響應的特征是由人造微結構的特征所決定，而人造微結構的電磁響應很大程度上取決于其金屬絲的圖案所具有的拓撲特征和其幾何尺寸。根據(jù)上述原理設計第一超材料面板10所附著的第一人造微結構12的形狀、幾何尺寸以及分布，就可對第一超材料面板10中每一點的電磁參數(shù)進行設計，進而實現(xiàn)第一超材料面板10對電磁波的發(fā)散功能；同理可設計第二超材料面板20所附著的第二人造微結構22的形狀、幾何尺寸以及分布，對第二超材料面板20中每一點的電磁參數(shù)進行設計，進而實現(xiàn)第二超材料面板20對電磁波的發(fā)散功能。作為使電磁波源30全方位輻射的較佳的實施例，須具備另一個條件，即在第一超材料面板10和第二超材料面板20的交界處透射的電磁波和反射的電磁波的能量相同。作為公知常識可知，為了使兩超材料面板交界處透射的電磁波和反射的電磁波的能量相同，第一超材料面板10和第二超材料面板20在交界處的折射率分別為NI和N2，且NI和N2存在如下關系
權利要求
1.一種實現(xiàn)電磁波全方位輻射的超材料，其特征在于，包括緊密貼合的第一超材料面板和第二超材料面板，所述第一超材料面板和第二超材料面板均包括至少一個超材料片層，所述超材料片層包括片狀的基板和設置在所述基板上的多個人造微結構，所述超材料片層包括多個區(qū)域，所述多個區(qū)域包括一個圓形區(qū)域和多個與圓形區(qū)域同心的環(huán)形區(qū)域，每個區(qū)域內(nèi)折射率隨著半徑的增大連續(xù)增大且相同半徑處的折射率相同，構成同一超材料面板的超材料片層的折射率分布均相同，兩個超材料面板的折射率分布不同，第一超材料面板和第二超材料面板的多個區(qū)域中均至少存在兩個相鄰的區(qū)域，所述兩個相鄰的區(qū)域中靠近圓心的區(qū)域的最大折射率大于另一個區(qū)域的最小折射率，在兩個超材料面板的交界處透射的電磁波和反射的電磁波的能量相同。
2.如權利要求I所述的實現(xiàn)電磁波全方位輻射的超材料，其特征在于，所述第一超材料面板由多個具有第一種折射率分布的超材料片層堆疊形成。
3.如權利要求2所述的實現(xiàn)電磁波全方位輻射的超材料，其特征在于，所述第二超材料面板由多個具有第二種折射率分布的超材料片層堆疊形成。
4.如權利要求3所述的實現(xiàn)電磁波全方位輻射的超材料，其特征在于，在所述第一超材料面板和第二超材料面板的交界處，第一超材料面板的折射率NI和第二超材料面板的折射率N2存在如下關系
5.如權利要求I至4任一項所述的實現(xiàn)電磁波全方位輻射的超材料，其特征在于，所述第一超材料面板附著有第一人造微結構，第一超材料面板的每個所述區(qū)域內(nèi)的第一人造微結構的尺寸隨著半徑的增大連續(xù)增大且相同半徑處的第一人造微結構的尺寸相同，多個區(qū)域中至少存在兩個相鄰的區(qū)域，所述兩個相鄰區(qū)域內(nèi)第一人造微結構的尺寸變化范圍交集為非空；所述第二超材料面板附著有第二人造微結構，第二超材料面板的每個所述區(qū)域內(nèi)的第二人造微結構的尺寸隨著半徑的增大連續(xù)增大且相同半徑處的第二人造微結構的尺寸相同，多個區(qū)域中至少存在兩個相鄰的區(qū)域，所述兩個相鄰區(qū)域內(nèi)第二人造微結構的尺寸變化范圍交集為非空。
6.如權利要求5所述的實現(xiàn)電磁波全方位輻射的超材料，其特征在于，每個所述第一人造微結構和第二人造微結構均為由至少一根金屬絲組成的平面結構或立體結構。
7.如權利要求6所述的實現(xiàn)電磁波全方位輻射的超材料，其特征在于，所述金屬絲為銅絲或銀絲。
8.如權利要求7所述的實現(xiàn)電磁波全方位輻射的超材料，其特征在于，所述金屬絲通過蝕刻、電鍍、鉆刻、光刻、電子刻或離子刻的方法附著在基板上。
9.如權利要求I所述的實現(xiàn)電磁波全方位輻射的超材料，其特征在于，所述基板由陶瓷、高分子材料、鐵電材料、鐵氧材料或鐵磁材料制得。
10.如權利要求5所述的實現(xiàn)電磁波全方位輻射的超材料，其特征在于，所述第一人造微結構為“工”字形、“十”字形、“王”字形、三角形或不規(guī)則曲線。
11.如權利要求5所述的實現(xiàn)電磁波全方位輻射的超材料，其特征在于，所述第二人造微結構為“工”字形、“十”字形、“王”字形、三角形或不規(guī)則曲線。
12.如權利要求I所述的實現(xiàn)電磁波全方位輻射的超材料，其特征在于，在所述超材料的入射面和/或出射面設置有阻抗匹配層。
全文摘要
本發(fā)明實施例涉及一種實現(xiàn)電磁波全方位輻射的超材料，該超材料包括兩個緊密貼合的具有發(fā)散電磁波功能的超材料面板，兩個超材料面板的折射率分布不同。在超材料面板的入射面折射率呈環(huán)狀分布且相同半徑處的折射率相同，超材料面板包括一個圓形區(qū)域和多個環(huán)形區(qū)域，在各個區(qū)域內(nèi)折射率隨著半徑的增大連續(xù)增大，且存在兩個相鄰的區(qū)域，其中靠近圓心的區(qū)域的最大折射率大于另一個區(qū)域的最小折射率，在兩個超材料面板的交界處透射的電磁波和反射的電磁波的能量相同。本發(fā)明的超材料可對電磁波源的輻射角度進行調(diào)制，以實現(xiàn)360度全方位的電磁波輻射，該超材料體積較小、重量輕、使用方便靈活、成本較低、制造工藝簡單、適于大規(guī)模生產(chǎn)。
文檔編號H01Q15/00GK102790273SQ20111012531
公開日2012年11月21日 申請日期2011年5月16日 優(yōu)先權日2011年5月16日
發(fā)明者劉若鵬, 季春霖, 岳玉濤 申請人:深圳光啟創(chuàng)新技術有限公司, 深圳光啟高等理工研究院