专利名称：实现电磁波全方位辐射的超材料的制作方法
技术领域：
本发明涉及超材料领域，尤其涉及一种实现电磁波全方位辐射的超材料。
背景技术：
超材料是一种新型材料，是由基板和附着在基板表面上或嵌入在基板内部的多个人造微结构构成的。基板对人造微结构起到支撑作用，可为任何与人造微结构不同的材料，这两种材料的叠加会在空间中产生一个等效介电常数与磁导率，通过设计超材料中的每个人造微结构的形状和排布规律，就可设计超材料中每一点的等效介电常数和等效磁导率。电磁波的折射率与物质的介电常数和磁导率有关系，当一束电磁波由一种介质传 播到另外一种介质时，电磁波会发生折射，当物质内部的折射率分布非均匀时，电磁波就会向折射率比较大的位置偏折，通过改变折射率在材料中的分布，可以达到改变电磁波的传播路径的目的。现有技术对于实现电磁波的发散是利用发散天线完成的，发明人在实施本发明过程中，发现现有技术的发散天线至少存在如下技术问题发散天线不但体积比较大而且较重，不利于小型化的使用；对于形状也有很大的依赖性，很难进行灵活的设计；损耗很大，介质容易老化，成本较高，。
发明内容
本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种实现电磁波全方位辐射的超材料，其体积较小、重量轻、使用方便灵活、成本较低。为解决上述技术问题，提供了一种实现电磁波全方位辐射的超材料，包括紧密贴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个超材料片层，所述超材料片层包括片状的基板和设置在所述基板上的多个人造微结构，所述超材料片层包括多个区域，所述多个区域包括一个圆形区域和多个与圆形区域同心的环形区域，每个区域内折射率随着半径的增大连续增大且相同半径处的折射率相同，构成同一超材料面板的超材料片层的折射率分布均相同，两个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个区域中均至少存在两个相邻的区域，所述两个相邻的区域中靠近圆心的区域的最大折射率大于另一个区域的最小折射率，在两个超材料面板的交界处透射的电磁波和反射的电磁波的能量相同。上述技术方案至少具有如下有益效果本发明的超材料包括两个具有发散电磁波功能的超材料面板，在两面板的交界处透射的电磁波和反射的电磁波的能量相同。该超材料可对电磁波源的辐射角度进行调制，以实现360度全方位的电磁波辐射，该超材料体积较小、重量轻、使用方便灵活、成本较低、制造工艺简单、适于大规模生产。
图I是本发明的实现电磁波全方位辐射的超材料发散电磁波的示意图。
图2是本发明的实现电磁波全方位辐射的超材料的结构示意图。图3是图2所示的第一超材料面板在yz平面上的折射率分布图。图4是图2所示的第二超材料面板在yz平面上的折射率分布图。图5是图2所示的第一超材料面板和第二超材料面板的折射率随半径变化的示意图。图6是图2所示的第一人造微结构衍生的第二实施例的结构示意图。图7是图2所示的第二人造微结构衍生的第三实施例的结构示意图。
具体实施例方式超材料是一种以人造微结构为基本单元并以特定方式进行空间排布、具有特殊电·磁响应的新型材料，包括人造微结构和供人造微结构附着的基板I。人造微结构为由至少一根金属丝组成的平面结构或立体结构，多个人造微结构在基板I上阵列排布，每个人造微结构以及其所附着的基板I所占部分即为一个超材料单元。基板I可为任何与人造微结构不同的材料，这两种材料的叠加使每个超材料单元产生一个等效介电常数与磁导率，这两个物理参数分别对应了超材料单元的电场响应与磁场响应。超材料对电磁响应的特征是由人造微结构的特征所决定，而人造微结构的电磁响应很大程度上取决于其金属丝的图案所具有的拓扑特征和其几何尺寸。根据上述原理设计超材料空间中排列的每个人造微结构的拓扑图形和几何尺寸，就可对超材料中每一点的电磁参数进行设置。本发明的超材料用于实现电磁波源30的全方位辐射，如图I所示为该超材料发散电磁波的示意图。本实施例中该超材料包括紧密贴合的具有电磁波发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均由至少一个超材料片层构成。电磁波源30发出的球面形式的电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的分界处时,一部分电磁波大角度发散射出，另一部分电磁波经反射后往反方向大角度发散射出，以实现电磁波源30的全方位辐射。要使电磁波源30全方位辐射，超材料须具备两个条件，其一是构成超材料的第一超材料面板10和第二超材料面板20均具有发散电磁波的功能。作为公知常识我们可知，电磁波的折身寸率与^/srx"成正比关系，当一束电磁波由一种介质传播到另外一种介质时，电磁波会发生折射，当物质内部的折射率分布非均匀时，电磁波就会向折射率比较大的位置偏折，通过设计超材料中每一点的电磁参数，就可对超材料的折射率分布进行调整，进而达到改变电磁波的传播路径的目的。而超材料对电磁响应的特征是由人造微结构的特征所决定，而人造微结构的电磁响应很大程度上取决于其金属丝的图案所具有的拓扑特征和其几何尺寸。根据上述原理设计第一超材料面板10所附着的第一人造微结构12的形状、几何尺寸以及分布，就可对第一超材料面板10中每一点的电磁参数进行设计，进而实现第一超材料面板10对电磁波的发散功能；同理可设计第二超材料面板20所附着的第二人造微结构22的形状、几何尺寸以及分布，对第二超材料面板20中每一点的电磁参数进行设计，进而实现第二超材料面板20对电磁波的发散功能。作为使电磁波源30全方位辐射的较佳的实施例，须具备另一个条件，即在第一超材料面板10和第二超材料面板20的交界处透射的电磁波和反射的电磁波的能量相同。作为公知常识可知，为了使两超材料面板交界处透射的电磁波和反射的电磁波的能量相同，第一超材料面板10和第二超材料面板20在交界处的折射率分别为NI和N2，且NI和N2存在如下关系
权利要求
1.一种实现电磁波全方位辐射的超材料，其特征在于，包括紧密贴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个超材料片层，所述超材料片层包括片状的基板和设置在所述基板上的多个人造微结构，所述超材料片层包括多个区域，所述多个区域包括一个圆形区域和多个与圆形区域同心的环形区域，每个区域内折射率随着半径的增大连续增大且相同半径处的折射率相同，构成同一超材料面板的超材料片层的折射率分布均相同，两个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个区域中均至少存在两个相邻的区域，所述两个相邻的区域中靠近圆心的区域的最大折射率大于另一个区域的最小折射率，在两个超材料面板的交界处透射的电磁波和反射的电磁波的能量相同。
2.如权利要求I所述的实现电磁波全方位辐射的超材料，其特征在于，所述第一超材料面板由多个具有第一种折射率分布的超材料片层堆叠形成。
3.如权利要求2所述的实现电磁波全方位辐射的超材料，其特征在于，所述第二超材料面板由多个具有第二种折射率分布的超材料片层堆叠形成。
4.如权利要求3所述的实现电磁波全方位辐射的超材料，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处，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存在如下关系
5.如权利要求I至4任一项所述的实现电磁波全方位辐射的超材料，其特征在于，所述第一超材料面板附着有第一人造微结构，第一超材料面板的每个所述区域内的第一人造微结构的尺寸随着半径的增大连续增大且相同半径处的第一人造微结构的尺寸相同，多个区域中至少存在两个相邻的区域，所述两个相邻区域内第一人造微结构的尺寸变化范围交集为非空；所述第二超材料面板附着有第二人造微结构，第二超材料面板的每个所述区域内的第二人造微结构的尺寸随着半径的增大连续增大且相同半径处的第二人造微结构的尺寸相同，多个区域中至少存在两个相邻的区域，所述两个相邻区域内第二人造微结构的尺寸变化范围交集为非空。
6.如权利要求5所述的实现电磁波全方位辐射的超材料，其特征在于，每个所述第一人造微结构和第二人造微结构均为由至少一根金属丝组成的平面结构或立体结构。
7.如权利要求6所述的实现电磁波全方位辐射的超材料，其特征在于，所述金属丝为铜丝或银丝。
8.如权利要求7所述的实现电磁波全方位辐射的超材料，其特征在于，所述金属丝通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法附着在基板上。
9.如权利要求I所述的实现电磁波全方位辐射的超材料，其特征在于，所述基板由陶瓷、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制得。
10.如权利要求5所述的实现电磁波全方位辐射的超材料，其特征在于，所述第一人造微结构为“工”字形、“十”字形、“王”字形、三角形或不规则曲线。
11.如权利要求5所述的实现电磁波全方位辐射的超材料，其特征在于，所述第二人造微结构为“工”字形、“十”字形、“王”字形、三角形或不规则曲线。
12.如权利要求I所述的实现电磁波全方位辐射的超材料，其特征在于，在所述超材料的入射面和/或出射面设置有阻抗匹配层。
全文摘要
本发明实施例涉及一种实现电磁波全方位辐射的超材料，该超材料包括两个紧密贴合的具有发散电磁波功能的超材料面板，两个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环状分布且相同半径处的折射率相同，超材料面板包括一个圆形区域和多个环形区域，在各个区域内折射率随着半径的增大连续增大，且存在两个相邻的区域，其中靠近圆心的区域的最大折射率大于另一个区域的最小折射率，在两个超材料面板的交界处透射的电磁波和反射的电磁波的能量相同。本发明的超材料可对电磁波源的辐射角度进行调制，以实现360度全方位的电磁波辐射，该超材料体积较小、重量轻、使用方便灵活、成本较低、制造工艺简单、适于大规模生产。
文档编号H01Q15/00GK102790273SQ20111012531
公开日2012年11月21日 申请日期2011年5月16日 优先权日2011年5月16日
发明者刘若鹏, 季春霖, 岳玉涛 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