专利名称：一种调制电磁波波束横截面的超材料的制作方法
技术领域：
本发明属于超材料领域，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，所述超材料包括基材以及附着在基材上的多个人造微结构，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，所述基材由多个相互平行的片状基板堆叠形成，每个片状基板上均附着有多个人造微结构。进一步地，所述片状基板由陶瓷、高分子材料、聚四氟乙烯、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制得。进一步地，所述人造微结构为金属微结构，所述的每个金属微结构为一具有图案的附着在片状基板上的金属线。进一步地，所述金属线通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法附着在片状基板上。进一步地，所述金属线为铜线或银线。进一步地，所述金属线呈二维雪花状，其具有相互垂直呈“十”字的第一主线及第二主线，所述第一主线的两端垂直设置有两个第一支线，所述第一主线的两端垂直设置有两个第二支线。进一步地，所述第一主线及第二主线相互平分，所述两个第一支线的中心连接在第一主线上，所述两个第二支线的中心连接在第二主线上。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片状基板介电常数的平面分布图；图2为利用具有图I所示的片状基板11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3是本发明一个实施例金属微结构的结构示意图；图4是本发明一个实施例超材料的结构示意图；图5为图2所示图案衍生得到的一个金属微结构的图案；图6为图2所示图案变形得到的一个金属微结构的图案；图7为图2所示图案变形得到的另一个金属微结构的图案。
具体实施例方式“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，可以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性质的超常材料功能。
“超材料"具有的三个重要特征(I) “超材料"通常是具有新奇人工结构的复合材料；(2) “超材料"具有超常的物理性质(往往是自然界的材料中所不具备的)；(3) “超材料"性质由构成材料的本征性质及其中的人造微结构共同决定。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包括基材I以及附着在基材I上的多个人造微结构2，在磁导率一定的情况下，通过设计超材料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。介电常数的分布变了，波束的横截面也必然会发生变化。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。本发明中所述基材I由多个相互平行的片状基板11堆叠形成，每个片状基板11上均附着有多个人造微结构。如图I所示，为本发明一个实施例，片状基板11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O为两个边的交点。图2为利用具有图I所示的片状基板11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，通过设计超材料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、高分子材料、聚四氟乙烯、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料等制得。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，作为人造微结构附着的基材是很好的选择。当然也可选用FR-4a、F4b等复合材料。作为一个实施例，所述的人造微结构2为金属微结构，所述的每个金属微结构为一具有图案的附着在片状基板上的金属线。作为一个实施例，所述金属线通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法附着在片状基板上。当然，也可以是三维激光加工等其它可行的加工方法。作为一个实施例，所述金属线为铜线或银线。铜与银的导电性能好，对电场的响应更加灵敏。如图3所示，作为一个具体的实施例，所述金属线呈二维雪花状，其具有相互垂直呈“十”字的第一主线21及第二主线22，所述第一主线21的两端垂直设置有两个第一支线23，所述第一主线的两端垂直设置有两个第二支线24。所述第一主线21及第二主线22相互平分，所述两个第一支线23的中心连接在第一主线21上，所述两个第二支线24的中心连接在第二主线22上。图中只是示意，实际上第一主线、第二主线、第一支线及第二支线都是有宽度的。如图4所示，同一平面内金属微结构呈4X6的矩阵排列，并且在电磁波的入射方向上排布有6层出块片状基板)，这只是个示意性表示，根据不同需要可以有不同的平面排列，并且在电磁波入射方向上金属微结构的排布也可以有其它层数。通过合理设计金属微结构的尺寸大小以及在片状基板上的分布，即可以实现如图I所示的片状基板11介电常数的平面分布，从而达到图2所述的功用。当然，这里只是举了一个简单的例子，金属线还可以有其它的图案(或拓扑结构)，如图5-图7所示。其中图5为上述图案的衍生，即在两个第一支线和两个第二支线的两端均再加两个支线，依此类推，还可以有很多其它的衍生图案；其中图6至图7为上述图案的变形；上述的4个例子都是对电场响应的金属微结构(即可以影响电磁波的介电常··数)。金属微结构还可以有很多变形图案，本发明并不能对此一一列举。在基材选定的情况下，可以通过设计金属微结构的图案、设计尺寸和/或金属微结构在空间中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金属微结构的图案、设计尺寸(计算机中事先存放有多种金属微结构数据)，对每个点的设计可以用穷举法，例如先选定一个具有特定图案的金属微结构，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，则完成了金属微结构的设计参数选择；若没找到，则换一种图案的金属微结构，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电磁参数的金属微结构后，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，所述超材料包括基材以及附着在基材上的多个人造微结构，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，所述基材由多个相互平行的片状基板堆叠形成，每个片状基板上均附着有多个人造微结构。
3.根据权利要求2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、高分子材料、聚四氟乙烯、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制得。
4.根据权利要求2所述的调制电磁波波束横截面的超材料，其特征在于，所述人造微结构为金属微结构，所述的每个金属微结构为一具有图案的附着在片状基板上的金属线。
5.根据权利要求4所述的调制电磁波波束横截面的超材料，其特征在于，所述金属线通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法附着在片状基板上。
6.根据权利要求4所述的调制电磁波波束横截面的超材料，其特征在于，所述金属线为铜线或银线。
7.根据权利要求4所述的调制电磁波波束横截面的超材料，其特征在于，所述金属线呈二维雪花状，其具有相互垂直呈“十”字的第一主线及第二主线，所述第一主线的两端垂直设置有两个第一支线，所述第一主线的两端垂直设置有两个第二支线。
8.根据权利要求7所述的调制电磁波波束横截面的超材料，其特征在于，所述第一主线及第二主线相互平分，所述两个第一支线的中心连接在第一主线上，所述两个第二支线的中心连接在第二主线上。
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，所述超材料包括基材以及附着在基材上的多个人造微结构，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H01Q15/00GK102904026SQ20111012776
公开日2013年1月30日 申请日期2011年5月17日 优先权日2011年5月17日
发明者刘若鹏, 徐冠雄, 季春霖 申请人:深圳光启高等理工研究院, 深圳光启创新技术有限公司