一种偏折电磁波的超材料的制作方法

文档序号:6999985阅读:206来源:国知局
专利名称:一种偏折电磁波的超材料的制作方法
技术领域
本发明涉及一种超材料,尤其涉及一种能偏折电磁波的超材料。
背景技术
通讯领域主要依赖电磁波来进行探测、定位、 通信等。电磁波可以通过不同的材料或元器件实现分离、汇聚、偏折、发散等。能实现电磁波偏折即使电磁波传播方向改变的材料主要是非均匀材料,也就是不均质从而导致折射率的分布不均衡的材料。材料疏密不同、材质不同等都会使得折射率的分布有变化。现有技术的用于使电磁波偏折的非均匀材料通常是通过折射率不同的多层材质叠加所形成的整体。根据将要被偏折的电磁波的频率、波长等特性,可以设计出此非均匀材料的折射率分布,然后在各分布区域选择具有对应折射率的合适材料。这种偏折电磁波的材料的缺陷在于,现有的材料其折射率是固有的,并不是可任意设计的,当所需的折射率分布中部分区域的折射率用现有的天然材料无法得到,将导致整个非均匀材料不能达到所需的偏折要求。超材料是指一些具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。通过在材料的关键物理尺度上的结构有序设计,可突破某些表观自然规律的限制,从而获得超出自然界固有的普通的超常材料功能。目前常规的超材料主要是通过在基材上周期排列不同的人造金属微结构从而达到改变超材料各点的介电常数和磁导率的目的。然而想要改变超材料各点的介电常数和磁导率以实现不同的功能,在超材料基材上排列人造金属微结构并不是唯一的办法,且在超材料基材上排列人造金属微结构工艺复杂、实现困难。

发明内容
本发明所要解决的技术问题在于,针对现有技术的不足提出一种工艺简单、成本低廉且易于实现的偏折电磁波超材料。本发明解决其技术问题采用的技术方案是提供一种偏折电磁波的超材料,该超材料由多个立方体结构单元沿三维方向叠加而成,该立方体结构单元包括基材以及在基材中形成的一个或多个小孔;该超材料至少沿一个第一方向折射率逐渐变化。沿该第一方向排布的多个立方体结构单元基材中的小孔体积与该立方体结构单元体积的比值逐渐变化,且该些小孔内填充的介质相同,使得折射率沿该第一方向逐渐变化。沿该第一方向排布的多个立方体结构单元基材中的小孔体积与该立方体结构单元体积的比值相同,且该些小孔内填充的介质不同,使得折射率沿该第一方向逐渐变化。
该立方体结构单元尺寸小于所需偏折的电磁波波长的五分之一。该超材料每一立方体结构单元基材中形成一个小孔,沿该第一方向排布的多个立方体结构单元基材中的小孔尺寸逐渐变化。
该超材料每一立方体结构单元基材中形成多个体积相同的小孔,沿该第一方向排布的多个立方体结构单元基材中的小孔数量逐渐变化。该些小孔内填充介质的折射率小于该基材的折射率,沿该第一方向排布的多个立方体结构单元基材中的小孔体积与该立方体结构单元体积的比值变化趋势与该超材料整体的折射率变化趋势相反。该些小孔内填充介质的折射率大于该基材的折射率,沿该第一方向排布的多个立方体结构单元基材中的小孔体积与该立方体结构单元体积的比值变化趋势与该超材料整体的折射率变化趋势相同。沿该第一方向排布的多个立方体结构单元基材中的该些小孔填充的介质为折射率逐渐变化的介质。该基材由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料或铁氧材料制成。 本发明采用打孔方式来改变超材料各点的电磁参数使得电磁波通过该超材料后被偏折,具有工艺简单、成本低廉且易于实现的有益效果。


图I为本发明偏折电磁波的超材料第一较佳实施例第一实施方式立方体结构单元示意图;图2为由图I所示立方体结构单元沿X-Y-Z方向堆叠而成的超材料结构示意图;图3为图2所示超材料主视图;图4为本发明偏折电磁波的超材料第一较佳实施例第二实施方式主视图;图5为本发明偏折电磁波的超材料第二较佳实施例主视图。
具体实施例方式超材料整体可看成多个立方体结构单元沿三维X-Y-Z方向叠加而成。由于超材料自身需对电磁波产生影响,因此要求立体结构单元的尺寸小于所需响应的电磁波波长的五分之一。优选地,每一立方体结构单元的尺寸相等且均为所需响应的电磁波波长的十分之
O超材料对电磁场的响应主要取决于各个立方体结构单元对电磁场的响应,当立方体结构单元数量足够多时,每个立方体结构单元对电磁场的响应将会叠加从而从宏观上改变入射电磁波的各个物理特性。本领域普通技术人员可知,一束电磁波入射到介质上后会向介质之中折射率大的地方偏折,因此要实现电磁波的偏折,本发明偏折电磁波的超材料需至少沿一个方向如X方向其折射率是逐渐变化的,而Y方向和Z方向中的任一方向其折射率不变或者也逐渐变化。要使偏折的角度大,则折射率在该方向上的逐渐减小的变化率要大。本文的逐渐减小,是指下一参考点的数据小于或等于前一参考点的数据。这里的变化率大,是指三个前后排列的参考点中,第二参考点与第三参考点的差值大于第一参考点与第二参考点的差值。本文的折射率,是由公式11 = #推算得出的,其中a为一个常数,ε为一个超材料立方体结构单元在某一电磁波频率下的介电常数,μ为此超材料立方体结构单元在该电磁波频率下的磁导率。改变各点的介电常数和磁导率即可最终达到本发明偏折电磁波的目的。
达到改变各点的介电常数和磁导率并使得电磁波偏折的实施方式有多种。下面详细论述两种能够达到本发明目的的实施方式。两种实施例均以Y方向为第一方向,并且沿Y方向超材料折射率的变化趋势是逐渐减小来说明本发明设计原理。如图I、图2、图3所示,图I为本发明偏折电磁波的超材料第一较佳实施例立方体结构单元示意图、图2为本发明第一较佳实施例由立方体结构单元沿X-Y-Z方向堆叠而成的超材料结构示意图、图3为本发明第一较佳实施例主视图。图3中立方体结构单元包括基材10、在基材10中形成的小孔20,小孔20可以为通孔也可以不是通孔但其都占据基材10 一定体积。本实施例中超材料立方体结构单元基材中形成的小孔20的体积所占基材10体积的比值沿Y方向逐渐增大,沿X和Z方向保持不变从而导致折射率沿Y方向逐渐减小,当电磁波通过超材料后电磁波的传播方向即向折射率大的地方偏折。另外,小孔20中可填充介质以改变立方体结构单元的介电常数和磁导率。由于本 实施例主要是通过改变小孔20占立方体结构单元的体积大小来改变介电常数和磁导率,因此本实施例中填充于各小孔20的介质是相同的但不同于基材材质,其可为空气、陶瓷、高分子材料、铁电材料或铁氧材料等。本实施例中填充的介质为空气。由于空气折射率肯定小于基材折射率,因此小孔20所占立方体结构单元的体积比值变化趋势仍然是沿Y方向逐渐增大使得超材料整体折射率沿Y方向逐渐减小。但是当小孔20中填充的介质的折射率大于基材折射率时,小孔20体积越大将导致立方体结构单元折射率越大,因此此时小孔20所占立方体结构单元的体积比值变化趋势为沿Y方向逐渐减小使得超材料整体折射率沿Y方向逐渐增大。改变小孔20占立方体结构单元的体积有不同的实施方式。图I、图2、图3所示的即为第一实施方式。图4为改变小孔20占立方体结构单元体积的第二实施方式主视图。立方体结构单元基材中上形成有多个小孔20,沿Y方向排布的多个立方体结构单元基材中的小孔20的数量逐渐增多从而增大小孔20所占立方体结构单元的体积比值。采用改变小孔20数量的方法来改变其所占立方体结构的体积使得超材料整体折射率更易于调节,并能节省打孔模具的开模费用。与第一实施方式相同的是,该些小孔20内仍可填充不同于基材材质的介质,本实施方式中填充介质为空气。由于空气折射率肯定小于基材折射率,因此立方体结构单元的小孔20数量变化趋势仍然是沿Y方向逐渐增多使得超材料整体折射率沿Y方向逐渐减小。但是当小孔20中填充的介质的折射率大于基材折射率时,小孔20数量越多将导致立方体结构单元折射率越大,因此此时立方体结构单元的小孔20数量变化趋势为沿Y方向逐渐减少使得超材料整体折射率沿Y方向逐渐增大。可以想象地,各类小孔20的横截面图形不一定是图3、图4所表现出来的圆形,亦可往为方形、三角形、梯形等各类图形,只要满足本实施例的设计思想即沿一方向小孔20所占立方体结构单元的体积比值逐渐变化即可。同理,若想沿X方向和Z方向均达到偏折电磁波的效果,只需应用沿Y方向立方体结构单元中小孔20的分布趋势即可。图5为本发明偏折电磁波的超材料的第二较佳实施例主视图。本实施例中,立方体结构单元基材中的小孔20体积所占立方体结构单元体积的比值相同。小孔20既可以是数量相同、尺寸相同、横截面图案相同,也可以是数量不同、横截面图案不同或尺寸不同,但只需要满足所有立方体结构单元基材中所有的小孔20体积所占立方体结构单元体积的比值均相同即可。本实施例中,以立方体结构单元基材中的小孔20数量相同,均为一个,尺寸相同,横截面图案相同,均为圆形来作为较佳实施方式。本实施方式中,依然以Y方向为第一方向,仅描述折射率沿Y方向逐渐减小的实施方式,沿X、沿Z或者沿三者的混合方向折射率逐渐减小的实施方式可由沿Y方向折射率逐渐减小的实施方式轻易推出。由于本实施方式中,各小孔20占立方体结构单元的体积比例相同,因此沿Y方向排布的多个立方体结构单元的小孔20内需填充不同的介质以改变立方体结构单元的介电常数和磁导率。要达到沿Y方向折射率逐渐减小的目的需在沿Y方向一列立方体结构单元的小孔20内填充介电常数和磁导率逐渐减小的介质。例如依次填充碘晶体、氧化铜、水晶、石英、聚苯乙烯、氯化钠、玻璃、空气。图5中小孔20中的阴影表示填充的介质,阴影密度越大表示该填充介质折射率越大。将上述第一较佳实施例的各种实施方式和第二较佳实施例的各种实施方式结合起来能方便的组合出多种可行的实施例。例如小孔20体积所占立方体结构单元体积不同且小孔20内还填充有折射率不同的介质等。 上面结合附图对本发明的实施例进行了描述,但是本发明并不局限于上述的具体实施方式
,上述的具体实施方式
仅仅是示意性的,而不是限制性的,本领域的普通技术人员在本发明的启示下,在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下,还可做出很多形式,这些均属于本发明的保护之内。
权利要求
1.一种偏折电磁波的超材料,其特征在于该超材料由多个立方体结构单元沿三维方向叠加而成,该立方体结构单元包括基材以及在基材中形成的一个或多个小孔;该超材料至少沿一个第一方向折射率逐渐变化。
2.如权利要求I所述的偏折电磁波的超材料,其特征在于沿该第一方向排布的多个立方体结构单元基材中的小孔体积与该立方体结构单元体积的比值逐渐变化,且该些小孔内填充的介质相同,使得折射率沿该第一方向逐渐变化。
3.如权利要求I所述的偏折电磁波的超材料,其特征在于沿该第一方向排布的多个立方体结构单元基材中的小孔体积与该立方体结构单元体积的比值相同,且该些小孔内填充的介质不同,使得折射率沿该第一方向逐渐变化。
4.如权利要求I所述的偏折电磁波的超材料,其特征在于该立方体结构单元尺寸小于所需偏折的电磁波波长的五分之一。
5.如权利要求2所述的偏折电磁波的超材料,其特征在于该超材料每一立方体结构单元基材中形成一个小孔,沿该第一方向排布的多个立方体结构单元基材中的小孔尺寸逐渐变化。
6.如权利要求2所述的偏折电磁波的超材料,其特征在于该超材料每一立方体结构单元基材中形成多个体积相同的小孔,沿该第一方向排布的多个立方体结构单元基材中的小孔数量逐渐变化。
7.如权利要求2所述的偏折电磁波的超材料,其特征在于该些小孔内填充介质的折射率小于该基材的折射率,沿该第一方向排布的多个立方体结构单元基材中的小孔体积与该立方体结构单元体积的比值变化趋势与该超材料整体的折射率变化趋势相反。
8.如权利要求2所述的偏折电磁波的超材料,其特征在于该些小孔内填充介质的折射率大于该基材的折射率,沿该第一方向排布的多个立方体结构单元基材中的小孔体积与该立方体结构单元体积的比值变化趋势与该超材料整体的折射率变化趋势相同。
9.如权利要求3所述的偏折电磁波的超材料,其特征在于沿该第一方向排布的多个立方体结构单元基材中的该些小孔填充的介质为折射率逐渐变化的介质。
10.如权利要求I所述的偏折电磁波的超材料,其特征在于该基材由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料或铁氧材料制成。
全文摘要
本发明涉及一种偏折电磁波的超材料,该超材料由多个立方体结构单元沿三维方向叠加而成,该立方体结构单元尺寸包括基材以及在基材中形成的一个或多个小孔;该超材料至少沿一个第一方向折射率逐渐变化。本发明采用打孔方式来改变超材料各点的电磁参数使得电磁波通过该超材料后被偏折,具有工艺简单、成本低廉且易于实现的有益效果。
文档编号H01Q15/02GK102760954SQ20111011063
公开日2012年10月31日 申请日期2011年4月29日 优先权日2011年4月29日
发明者刘若鹏, 季春霖, 岳玉涛, 徐冠雄 申请人:深圳光启创新技术有限公司, 深圳光启高等理工研究院
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