專利名稱：一種能發(fā)散電磁波的非均勻超材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及涉及超材料領(lǐng)域，具體地涉及一種對電磁波起發(fā)散作用的非均勻超材料。
背景技術(shù)：
目前，超材料(metamaterial)作為一種新型材料，越來越引起人們的關(guān)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(zhì)的人工復(fù)合結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料。通過在材料的關(guān)鍵物理尺度上的結(jié)構(gòu)有序設(shè)計，可突破某些表觀自然規(guī)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(zhì)基材和設(shè)置上基材上的多個金屬微結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)大小一般小于1/10個波長，其對外加電場或磁場具有電響應(yīng)或磁響應(yīng)，從而具有表現(xiàn)出等效介電常數(shù)或等效磁導(dǎo)率，或者波阻抗。超材料性質(zhì)往往不主要決定與構(gòu)成材料的本征性質(zhì)， 而決定于其中的人造微結(jié)構(gòu)，人造微結(jié)構(gòu)的等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率(或波阻抗)由人造微結(jié)構(gòu)單元的大小、形狀等幾何尺寸參數(shù)決定，可人為設(shè)計和控制，從而產(chǎn)生許多新奇的現(xiàn)象，為實現(xiàn)電磁波的發(fā)散提供了可能?，F(xiàn)有常規(guī)材料做成的發(fā)散天線等設(shè)備能實現(xiàn)電磁波的發(fā)散，但是存在以下缺點(diǎn) 體積大，不利于小型化使用；對形狀的依賴性強(qiáng)，很難進(jìn)行靈活的設(shè)計；損耗大，介質(zhì)容易老化，成本較高。在超材料領(lǐng)域，通過設(shè)計人造微結(jié)構(gòu)大小、形狀和排布規(guī)律，可以使超材料對電場或磁場或者兩者同時進(jìn)行響應(yīng)，對電場的響應(yīng)取決于超材料的介電常數(shù)，而對磁場的響應(yīng)取決于超材料的磁導(dǎo)率。通過對超材料中每一個人造微結(jié)構(gòu)的介電常數(shù)與磁導(dǎo)率進(jìn)行精確控制，如通過控制超材料的人造微結(jié)構(gòu)的大小呈由小到大的連續(xù)變化，可以使超材料的介電常數(shù)形成由小到大的連續(xù)變化，根據(jù)折射率與介電常數(shù)的關(guān)系η = k (eu)1/2 (其中，k為比例系數(shù)、η表示折射率，e表示介電常數(shù)，u表示磁導(dǎo)率)可知，超材料的折射率也會隨著形成由小到大的連續(xù)變化?，F(xiàn)有技術(shù)通過該原理，使超材料的折射率形成中間小兩側(cè)大的連續(xù)變化趨勢，可以使該超材料具有對電磁波的發(fā)散功能，其原理圖可參看附圖1，圖中，平行入射的電磁波經(jīng)過超材料A后變?yōu)榘l(fā)散型電磁波。但是，現(xiàn)有技術(shù)存在的問題是要使電磁波得到發(fā)散，介電常數(shù)需要在超材料的尺度范圍內(nèi)連續(xù)變化，而連續(xù)變化則使得介電常數(shù)的變化范圍很大，而在進(jìn)行超材料的人造微結(jié)構(gòu)設(shè)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(shù)難題。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題，提供一種在很小范圍內(nèi)改變介電常數(shù)即能發(fā)散電磁波的非均勻超材料。本發(fā)明實現(xiàn)發(fā)明目的采用的技術(shù)方案是，一種能發(fā)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(zhì)基板以及陣列在介質(zhì)基
3板上的多個人造微結(jié)構(gòu)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(cè)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(nèi)的折射率朝相同方向連續(xù)變化，所述各個超材料帶內(nèi)折射率小的一側(cè)朝向所述中間位置，所述各個超材料帶折射率大的一側(cè)朝向所述超材料功能板的側(cè)邊位置，所述超材料帶的交界位置處的折射率為非連續(xù)變化。該技術(shù)方案中，所謂超材料帶內(nèi)折射率的連續(xù)變化系指在超材料內(nèi)，由單個人造微結(jié)構(gòu)及其所在介質(zhì)基板組成的超材料單元的等效折射率按線性規(guī)律或連續(xù)曲線規(guī)律逐漸增大或逐漸減小，其中間不會發(fā)生折射率變化方向的改變，也不會發(fā)生折射率的突然增大或突然減小。而一旦發(fā)生折射率變化方向的改變，或發(fā)生折射率的突然增大或突然減小， 即為所述的非連續(xù)變化。即，在同樣的折射率變化范圍內(nèi)，如折射率由2變化到4，在超材料帶內(nèi)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(nèi)的變化即為連續(xù)變化，而在兩個超材料帶的交界位置處的變化即為非連續(xù)變化。作為優(yōu)選實施方式，所述中間位置的另一側(cè)也包括多個折射率呈帶狀分布的超材料帶，所述另一側(cè)的超材料帶內(nèi)的折射率朝相同方向連續(xù)變化，所述另一側(cè)的超材料帶內(nèi)折射率小的一側(cè)朝向所述中間位置，所述另一側(cè)的超材料帶折射率大的一側(cè)朝向所述超材料功能板的另一側(cè)邊位置，所述另一側(cè)的超材料帶的交界位置處的折射率為非連續(xù)變化。作為優(yōu)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(nèi)的折射率變化范圍相等。作為優(yōu)選實施方式之一，所述超材料帶內(nèi)的折射率變化率相等。作為優(yōu)選實施方式之一，所述各個超材料帶內(nèi)的折射率以所述中間位置為對稱軸呈對稱分布。作為優(yōu)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(shè)置有阻抗匹配層。具體實施時，所述超材料帶內(nèi)折射率的連續(xù)變化是通過設(shè)計所述人造微結(jié)構(gòu)的大
小呈連續(xù)變化實現(xiàn)。具體實施時，所述人造微結(jié)構(gòu)的形狀為工字型或工字衍生型。采用本發(fā)明的非均勻超材料，通過設(shè)計多個折射率連續(xù)變化的超材料帶使超材料具有發(fā)散電磁波的功能，相對現(xiàn)有技術(shù)而言其設(shè)計難度大大降低，同時具有工藝制造簡單， 方便大規(guī)模生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)。

圖1，現(xiàn)有超材料發(fā)散電磁波的原理圖；圖2，實施例1的超材料功能板結(jié)構(gòu)圖；圖3，實施例1超材料發(fā)散電磁波的原理圖；圖4，實施例2的超材料功能板結(jié)構(gòu)圖；圖5，實施例2超材料發(fā)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(zhì)基板、102人造微結(jié)構(gòu)、 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(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施過程進(jìn)行詳細(xì)說明。實施例1一種能發(fā)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(jié)構(gòu)圖參看附圖2，超材料功能板100由介質(zhì)基板101以及陣列在介質(zhì)基板上的多個人造微結(jié)構(gòu)102組成，人造微結(jié)構(gòu)102與其所占據(jù)的介質(zhì)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(jié)構(gòu)和電磁特性，一般當(dāng)單個人造微結(jié)構(gòu) 102的大小小于1/10個波長時，其對外加電場或磁場具有電響應(yīng)或磁響應(yīng)，從而具有表現(xiàn)出等效介電常數(shù)或等效磁導(dǎo)率，本實施例通過將各人造微結(jié)構(gòu)102的形狀設(shè)計為工字型， 并使各工字型人造微結(jié)構(gòu)102沿一定方向連續(xù)增大，可以使人造微結(jié)構(gòu)102的等效介電常數(shù)也形成連續(xù)增大的變化規(guī)律，進(jìn)而使超材料功能板100的折射率也呈連續(xù)增大的變化規(guī)律。由于工字型的結(jié)構(gòu)連續(xù)增大到一定程度后在工藝上很難繼續(xù)增大(反應(yīng)在超材料的折射率上即為折射率的變化范圍較小)，本實施例將超材料功能板100設(shè)計為由多個超材料帶400組成，每個超材料帶400內(nèi)的各人造微結(jié)構(gòu)102的大小沿一定的方向連續(xù)增大，其結(jié)構(gòu)圖參看附圖2。本實施例超材料發(fā)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(guī)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(cè)設(shè)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(nèi)的折射率都從1連續(xù)變化3且折射率的連續(xù)變化方向相同，折射率小的一側(cè)均朝向中間位置1-1，折射率大的一側(cè)朝向超材料功能板100的側(cè)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(xù)變化，當(dāng)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(fā)生偏折，從而形成一種部分發(fā)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(cè)邊位置的范圍內(nèi)實現(xiàn)電磁波的有效發(fā)散，原本需要使折射率從1連續(xù)變化到9，這在具體設(shè)計上難度較大，采用本實施例后，只需要將每個超材料帶400內(nèi)的折射率設(shè)計為從1連續(xù)變化到3，然后通過三個超材料帶400依次相接排列即可，設(shè)計難度大大降低。實施例2一種能發(fā)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(jié)構(gòu)圖參看附圖4，由介質(zhì)基板101以及陣列在介質(zhì)基板101上的多個人造微結(jié)構(gòu)102組成，人造微結(jié)構(gòu)102與其所占據(jù)的介質(zhì)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(jié)構(gòu)102的形狀設(shè)計為工字衍生型，并使各工字衍生型人造微結(jié)構(gòu)102沿一定方向連續(xù)增大，可以使人造微結(jié)構(gòu)102的等效介電常數(shù)也形成連續(xù)增大的變化規(guī)律，進(jìn)而使超材料功能板100的折射率也呈連續(xù)增大的變化規(guī)律。由于工字衍生型的結(jié)構(gòu)連續(xù)增大到一定程度后在工藝上很難繼續(xù)增大(反應(yīng)在超材料的折射率上即為折射率的變化范圍較小)，本實施例將超材料功能板100設(shè)計為由多個超材料帶400組成，每個超材料帶400內(nèi)的各人造微結(jié)構(gòu)102的大小沿一定的方向連續(xù)增大，其結(jié)構(gòu)圖參看附圖4。
本實施例超材料發(fā)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(guī)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(cè)設(shè)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(nèi)的折射率都從1連續(xù)變化3且折射率的連續(xù)變化方向相同，折射率小的一側(cè)均朝向中間位置1-1，折射率大的一側(cè)朝向超材料功能板100的側(cè)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(xù)變化，各超材料帶400的帶寬相等且各超材料帶400內(nèi)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(dāng)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(fā)生偏折，從而形成一種向兩側(cè)邊發(fā)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(fā)生反射，在超材料的入射面和出射面均設(shè)置一層阻抗匹配層500， 使電磁波以微小的反射進(jìn)入和出射超材料；本實施例的超材料功能板100的發(fā)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(cè)邊位置的范圍內(nèi)實現(xiàn)電磁波的有效發(fā)散，原本需要使折射率從1連續(xù)變化到18，這在具體設(shè)計上難度較大，采用本實施例后，只需要將每個超材料帶400內(nèi)的折射率設(shè)計為從1連續(xù)變化到3即可，設(shè)計難度大大降低；同時，阻抗匹配層500的設(shè)置避免了電磁波在界面的能量損耗。應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明中各個超材料帶內(nèi)的介電常數(shù)既可以為線性均勻連續(xù)變化，也可以為非線性連續(xù)變化，只要變化的方向為由兩側(cè)向中間減小即可實現(xiàn)電磁波的發(fā)散。由于折射率與介電常數(shù)和磁導(dǎo)率有關(guān)，所以改變超材料的磁導(dǎo)率并使本發(fā)明中各個超材料帶內(nèi)磁導(dǎo)率形成由兩側(cè)向中間減小的變化規(guī)律同樣可以使電磁波發(fā)散。應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明中進(jìn)行超材料帶的具體排布時，可以根據(jù)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(shù)小的一側(cè)朝向中間位置，介電常數(shù)大的一側(cè)分別朝向兩側(cè)的規(guī)律排布；也可以根據(jù)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(shù)小的一側(cè)朝向中間位置，介電常數(shù)大的一側(cè)分別朝向兩側(cè)的規(guī)律排布，從而實現(xiàn)不同的電磁波發(fā)散需求。在上述實施例中，僅對本發(fā)明進(jìn)行了示范性描述，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員在閱讀本專利申請后可以在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下對本發(fā)明進(jìn)行各種修改。
權(quán)利要求
1.一種能發(fā)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(zhì)基板以及陣列在介質(zhì)基板上的多個人造微結(jié)構(gòu)組成，其特征在于 所述超材料功能板包括一中間位置，所述中間位置的一側(cè)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(nèi)的折射率朝相同方向連續(xù)變化，所述各個超材料帶內(nèi)折射率小的一側(cè)朝向所述中間位置，所述各個超材料帶折射率大的一側(cè)朝向所述超材料功能板的側(cè)邊位置，所述超材料帶的交界位置處的折射率為非連續(xù)變化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的能發(fā)散電磁波的非均勻超材料，其特征在于所述中間位置的另一側(cè)也包括多個折射率呈帶狀分布的超材料帶，所述另一側(cè)的超材料帶內(nèi)的折射率朝相同方向連續(xù)變化，所述另一側(cè)的超材料帶內(nèi)折射率小的一側(cè)朝向所述中間位置，所述另一側(cè)的超材料帶折射率大的一側(cè)朝向所述超材料功能板的另一側(cè)邊位置，所述另一側(cè)的超材料帶的交界位置處的折射率為非連續(xù)變化。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的能發(fā)散電磁波的非均勻超材料，其特征在于所述超材料帶的帶寬相等。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的能發(fā)散電磁波的非均勻超材料，其特征在于所述超材料帶內(nèi)的折射率變化范圍相等。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的能發(fā)散電磁波的非均勻超材料，其特征在于所述超材料帶內(nèi)的折射率變化率相等。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的能發(fā)散電磁波的非均勻超材料，其特征在于所述各個超材料帶內(nèi)的折射率以所述中間位置為對稱軸呈對稱分布。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6任一項所述的能發(fā)散電磁波的非均勻超材料，其特征在于所述超材料的電磁波入射面和出射面均設(shè)置有阻抗匹配層。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的能發(fā)散電磁波的非均勻超材料，其特征在于所述超材料帶內(nèi)折射率的連續(xù)變化是通過設(shè)計所述人造微結(jié)構(gòu)的大小呈連續(xù)變化實現(xiàn)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的能發(fā)散電磁波的非均勻超材料，其特征在于所述人造微結(jié)構(gòu)的形狀為工字型或工字衍生型。
全文摘要
本發(fā)明提供一種能發(fā)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(zhì)基板以及陣列在介質(zhì)基板上的多個人造微結(jié)構(gòu)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(cè)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(nèi)的折射率朝相同方向連續(xù)變化，所述各個超材料帶內(nèi)折射率小的一側(cè)朝向所述中間位置，所述各個超材料帶折射率大的一側(cè)朝向所述超材料功能板的側(cè)邊位置，所述超材料帶的交界位置處的折射率為非連續(xù)變化。相對現(xiàn)有技術(shù)而言其設(shè)計難度大大降低，同時具有工藝制造簡單，方便大規(guī)模生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)。
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(yōu)先權(quán)日2011年5月19日
發(fā)明者劉若鵬, 季春霖, 岳玉濤, 王今金 申請人:深圳光啟創(chuàng)新技術(shù)有限公司, 深圳光啟高等理工研究院