专利名称：调制电磁波波束横截面的超材料的制作方法
技术领域：
本发明属于通信领域，具体地涉及一种调制电磁波波束横截面的超材料。
背景技术：
电磁波波束横截面指的是垂直于电磁场传播方向上的电磁场分布情况，例如以功率下降3分贝为例，横截面可以是圆形，椭圆或者其他几何图形。现有技术中，为了得到一些特定的横截面图形，需要设计不同的天线或者天线阵列，包括波导开口的形状，此种方式往往设计困难，或者加工困难。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种调制电磁波波束横截面的超材料，该超 材料设计加工简单，可以简单得到特定的波束横截面。本发明解决上述技术问题所采用的方案是一种调制电磁波波束横截面的超材料，所述超材料包括至少一个超材料片层，每一超材料片层包括片状基板以及设置在片状基板上的多个人造孔结构，所述超材料能够使得通过其的电磁波的波束横截面发生改变。进一步地，所述超材料由多个相互平行的超材料片层堆叠形成。进一步地，所述每一片状基板分成多个相同的网格，每一网格与其上的人造孔结构构成一个超材料单元。进一步地，每一超材料单元上的人造孔结构的形状相同。进一步地，所述每一人造孔结构中填充有介质，所述介质的介电常数大于片状基板的介电常数。进一步地，所述每一人造孔结构中填充有介质，所述介质的介电常数小于片状基板的介电常数。进一步地，所述介质为空气。进一步地，所述部分人造孔结构填充有介电常数小于片状基板的介电常数的介质，其它人造孔结构填充有介电常数大于片状基板的介电常数的介质。进一步地,所述片状基板由陶瓷材料、闻分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制得。进一步地，所述人造孔结构通过注塑、冲压或数控打孔的方式形成在片状基板上。进一步地，所述人造孔结构为圆柱孔、圆锥孔、圆台孔、梯形孔或方形孔。根据本发明的根据本发明的调制电磁波波束横截面的超材料，可以在不改变源的情况下，通过设计超材料的结构，从而获得所需要的电磁波波束横截面。
图I是本发明的超材料一个实施例超材料片层介电常数的平面分布图；图2为利用具有图I所示的超材料片层介电常数的平面分布将圆形的波束横截面转换成椭圆的横截面的示意图；图3是本发明一种形式的超材料单元的结构示意图；图4是本发明一种形式的超材料的结构示意图；图5是本发明一种形式的超材料的结构示意图；图6是本发明一种形式的超材料的结构示意图。
具体实施例方式如图3至4所示，本发明提供了一种调制电磁波波束横截面的超材料10，所述超材料10包括至少一个超材料片层I，每一超材料片层I包括片状基板11以及设置在片状基板11上的多个人造孔结构12。所述每一片状基板11分成多个相同的网格V，每一网格V与其上的人造孔结构12构成一个超材料单元D。在磁导率一定的情况下(磁导率均匀分布，即每一超材料单元D具有同样的磁导率)，通过人造孔结构的设计来获得我们想要的超材料 10内部的介电常数的分布，使得通过所述超材料的电磁波的波束横截面发生改变。介电常数不同的分布，则通过超材料的电磁波的电场响应不一样，电磁波离开超材料后，能量分布发生变化，因此，通过超材料的电磁波的波束的横截面也会发生不同的改变。因此，我们可以在不改变源的情况下，获得所需要的波束横截面。从而应用于天线中，避免了现有的波导设计复杂的问题。每一网格可以是完全相同的方块，可以是立方体，也可是长方体，每一网格V的长、宽、高尺寸为入射电磁波波长的五分之一以下(通常为入射电磁波波长的十分之一)，以使得整个超材料对电磁波具有连续的电场和/或磁场响应。优选情况下，所述网格为边长是入射电磁波波长十分之一的立方体。本发明中，优选地，所述超材料10由多个相互平行的超材料片层I堆叠形成。每一超材料片层都包括一片状基板11以及设置在片状基板上的多个人造孔结构12。如图I所示，为本发明一个实施例，超材料片层I介电常数的平面(xy平面)分布图，其中X、y轴分别为片状基板11的两个边所在的直线方向。原点0为两个边的交点。SI表不每一超材料片层X方向的介电常数分布,S2表不每一超材料片层y方向的介电常数分布。图2为利用具有图I所示的超材料片层I介电常数的平面分布将圆形的波束横截面100转换成椭圆的横截面200的示意图。当然上面只是一个示例，在磁导率均匀分布的情况下，通过合理设计每一超材料单元中孔的结构，可以实现我们想要的超材料10内部的介电常数的不同分布，可以实现通过所述超材料的电磁波不同的波束横截面，实现不同的应用，满足天线的功能需要。本发明中，所述片状基板11由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料等制得。高分子材料可选用的有聚四氟乙烯、环氧树脂、F4B复合材料、Fr-4复合材料等。例如，聚四氟乙烯的电绝缘性非常好，因此不会对电磁波的电场产生干扰，并且具有优良的化学稳定性、耐腐蚀性，使用寿命长。本发明的所述人造孔结构12可以通过高温烧结、注塑、冲压或数控打孔的方式形成在片状基板上。当然对于不同材料的片状基材11，人造孔结构的生成方式也会有所不同，例如，当选用陶瓷材料作为片状基板时，优选采用高温烧结的形式在片状基板上生成人造孔结构。当选用高分子材料作为片状基板时，例如聚四氟乙烯、环氧树脂，则优选采用注塑或冲压的形式在片状基板上生成人造孔结构。图4为采用图3的超材料单元构建的一个超材料。其中人造孔结构为圆柱孔。图5至图6也是采用了圆柱孔。当然，本发明的所述人造孔结构还可以是圆锥孔、圆台孔、梯形孔或方形孔一种或组合。当然也可以是其它形式的孔。每一超材料单元上的人造孔结构的形状根据不同的需要，可以相同，也可以不同。当然，为了更加容易加工制造，整个超材料优选情况下，采用同一种形状的孔。如图3所示的圆柱孔。另外同一种孔的尺寸也可以相同，也可以不同。图4中，同一超材料片层I上所有超材料单元D上的人造孔结构均为尺寸相同的一个圆柱孔。图5中，同一超材料片层I上所有超材料单元D上人造孔结构均为一个圆柱孔，但是尺寸并不完全相同。图6中，同一超材料片层I上所有超材料单元D所有人造孔结构均由若干个圆柱孔组成，圆柱孔的尺寸一样，但是每一个超材料单元D上的圆柱孔的数量并不完全相同。应当理解的本发明的人造孔结构是一个整体概念，并不是指一个孔，例如也可以是图6中的由几个孔组成的结构。即人造孔结构是与每一网格一一对应的。另外，还可以在每一人造孔结构2中填充介质，所述介质的介电常数与介质基板不同。例如每一人造孔结构中的介质的介电常数大于片状基板的介电常数，这样人造孔结 构越大，填充的介质的体积越大，则每一超材料单元的介电常数越大。当然，每一人造孔结构中的介质的介电常数也可以小于片状基板的介电常数(例如空气)，这样人造孔结构越大，填充的介质的体积越大，则每一超材料单元的介电常数越小。另外，也可以是部分人造孔结构2填充有介电常数小于片状基板的介电常数的介质，其它人造孔结构2填充有介电常数大于片状基板的介电常数的介质。利用上述三种方式，再结合人造孔结构的形状、体积以及在片状基板上的分布，可以得到任意我们想要的超材料介电常数分布。从而在入射电磁波确定的情况下，通过合理设计使得电磁波通过超材料后，其波束横截面可以人为地改变。另外，图3所示的人造孔结构是贯穿超材料单元D的相对两个表面的，因此有利于填充介质材料。在片状基板的材料以及填充介质的材料选定的情况下，可以通过设计人造孔结构的形状、设计尺寸和/或人造孔结构在片状基板上的排布获得超材料内部的介电常数分布。超材料内部的介电常数分布，例如，可以通过逆向的计算机仿真模拟得到，首先根据入射电磁波的波束横截面，以及我们确定需要的出射电磁波的波束横截面，去设计超材料内部每一点的介电常数，根据这每一点的介电常数来选择相应的人造孔结构的形状、设计尺寸(计算机中事先存放有多种人造孔结构数据)，对每个点的设计可以用穷举法，例如先选定一个具有特定形状的人造孔结构，计算介电常数，将得到的结果和我们想要的对比，对比再循环多次，一直到找到我们想要的介电常数为止，若找到了，则完成了人造孔结构的设计参数选择；若没找到，则换一种形状的人造孔结构，重复上面的循环，一直到找到我们想要的介电常数为止。如果还是未找到，则上述过程也不会停止。也就是说只有找到了我们需要的介电常数的人造孔结构，程序才会停止。由于这个过程都是由计算机完成的，因此，看似复杂，其实很快就能完成。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
1.一种调制电磁波波束横截面的超材料，其特征在于，所述超材料包括至少一个超材料片层，每一超材料片层包括片状基板以及设置在片状基板上的多个人造孔结构，所述超材料能够使得通过其的电磁波的波束横截面发生改变。
2.根据权利要求I所述的调制电磁波波束横截面的超材料，其特征在于，所述超材料由多个相互平行的超材料片层堆叠形成。
3.根据权利要求I所述的调制电磁波波束横截面的超材料，其特征在于，所述每一片状基板分成多个相同的网格，每一网格与其上的人造孔结构构成一个超材料单元。
4.根据权利要求3所述的调制电磁波波束横截面的超材料，其特征在于，每一超材料单元上的人造孔结构的形状相同。
5.根据权利要求I所述的调制电磁波波束横截面的超材料，其特征在于，所述每一人造孔结构中填充有介质，所述介质的介电常数大于片状基板的介电常数。
6.根据权利要求I所述的调制电磁波波束横截面的超材料，其特征在于，所述每一人造孔结构中填充有介质，所述介质的介电常数小于片状基板的介电常数。
7.根据权利要求6所述的调制电磁波波束横截面的超材料，其特征在于，所述介质为空气。
8.根据权利要求I所述的调制电磁波波束横截面的超材料，其特征在于，所述部分人造孔结构填充有介电常数小于片状基板的介电常数的介质，其它人造孔结构填充有介电常数大于片状基板的介电常数的介质。
9.根据权利要求I所述的调制电磁波波束横截面的超材料，其特征在于，所述片状基板由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制得。
10.根据权利要求I所述的调制电磁波波束横截面的超材料，其特征在于，所述人造孔结构通过注塑、冲压或数控打孔的方式形成在片状基板上。
11.根据权利要求I所述的调制电磁波波束横截面的超材料，其特征在于，所述人造孔结构为圆柱孔、圆锥孔、圆台孔、梯形孔或方形孔。
全文摘要
本发明涉及一种调制电磁波波束横截面的超材料，所述超材料包括至少一个超材料片层，每一超材料片层包括片状基板以及设置在片状基板上的多个人造孔结构，所述超材料能够使得通过其的电磁波的波束横截面发生改变。根据本发明的调制电磁波波束横截面的超材料，可以在不改变源的情况下，获得所需要的电磁波波束横截面。
文档编号H01Q15/00GK102769190SQ20111011150
公开日2012年11月7日 申请日期2011年4月30日 优先权日2011年4月30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