一种超材料及极化器的制造方法
【专利摘要】一种超材料及极化器，其中超材料包括两个平行设置的折线结构层以及位于其间的至少一个中间层，折线结构层包括基材及附着于其上的平行分布的带状折线结构，折线结构为由导电材料制成的沿轴线周期性变化的折线图案，中间层包括基材及附着于其上的周期分布的各向异性结构，每个各向异性结构由导电材料制成，彼此之间间隔设置。依据本发明的超材料能够达到扩展带宽的效果，使得能够在宽频范围内实现圆极化。
【专利说明】一种超材料及极化器
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及超材料【技术领域】。
【背景技术】
[0002]超材料泛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。超材料拥有一些特别的性质，例如能够让光、电磁波改变它们的通常性质，而这样的效果是传统材料无法实现的。超材料的性质和功能主要来自于其内部的结构，其中的微结构的大小尺度与所作用的波长数量级相当，因此得以对波施加影响。
[0003]超材料的特别性质使它具有广泛的应用前景，例如用于制作极化器。电磁波的极化是指空间某固定位置的场矢量(电场、磁场)随时间变化的特性。通常用电场强度E矢量的末端随时间变化的轨迹来描述电磁波的极化。由E矢量的两个正交分量间的幅度和相位关系可以判断电磁波的极化方式。如果一个周期内，E矢量仅在一个方向振动，这就称为线极化波；如果E矢量的端点轨迹是一个椭圆(或圆)，这就称为椭圆(或圆)极化波。在一些应用场合，需要将线极化波转变成圆极化波(或者需要将圆极化波转变成线极化波)，即需要使用极化器。能够在宽频范围内实现圆极化是极化器的一个重要的研究方向。
【发明内容】
[0004]依据本发明的一方面提供一种超材料，包括第一折线结构层、第二折线结构层和至少一个中间层，其中，第一折线结构层包括第一基材及附着于其上的平行分布的带状第一折线结构，第一折线结构为由导电材料制成的沿轴线周期性变化的折线图案；第二折线结构层与第一折线结构层平行设置，包括第二基材及附着于其上的平行分布的带状第二折线结构，第二折线结构为由导电材料制成的沿轴线周期性变化的折线图案；中间层位于第一折线结构层与第二折线结构层之间，包括第三基材及附着于其上的周期分布的各向异性结构，每个各向异性结构由导电材料制成，彼此之间间隔设置。
[0005]依据本发明的另一方面提供一种基于超材料的极化器，包括两块拼接的板状超材料，所使用的板状超材料具有以上描述的结构，两块板状超材料的导电结构互不连通，且两块板状超材料上的折线结构的轴线相对于两块板状超材料之间的拼接线对称。
[0006]依据本发明的超材料，由于采用在折线结构层之间夹持一层或多层各向异性结构的方式，能够达到扩展带宽的效果，使得能够在宽频范围内实现圆极化。进一步的依据本发明的极化器，由于采用两块对称拼接的板状超材料，使得能够同时实现两种不同的极化效果，例如左旋和右旋。
[0007]以下结合附图，对依据本发明的具体示例进行详细说明。简明起见，各实施例中的同类结构将使用相同的标记。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]图1是实施例1中超材料的局部透视结构示意图； 图2是实施例1中超材料的局部立体不意图；
图3是实施例1中超材料的部分正视7]^意图；
图4是实施例1中超材料的圆极化仿真轴比结果图；
图5是实施例2中超材料的局部透视结构示意图；
图6是实施例2中超材料的圆极化仿真轴比结果图；
图7是实施例3中超材料的局部透视结构示意图；
图8是实施例3中超材料的圆极化仿真轴比结果图；
图9是实施例4中超材料的局部透视结构示意图；
图10是实施例4中超材料的圆极化仿真轴比结果图；
图11是实施例5中极化器的正视示意图。
【具体实施方式】
[0009]实施例1
依据本发明的一种实施方式的超材料100可参考图1、图2和图3，包括:第一折线结构层110，其包括第一基材及附着于其上的平行分布的带状第一折线结构111，第一折线结构为由导电材料制成的沿轴线周期性变化的几字形图案；清楚起见，图1和图2中仅示出了超材料上一个周期的几字单元，在实际材料上，参考图3，沿轴线方向该几字单元连续延伸形成带状折线结构，沿垂直于轴线方向该带状折线结构重复平行分布；优选地，折线结构的几字形图案的顶部宽度可与底部宽度不同，以获得更好的各向异性特性；
第二折线结构层120，与第一折线结构层110平行设置，其包括第二基材及附着于其上的平行分布的带状第二折线结构121，第二折线结构为由导电材料制成的沿轴线周期性变化的几字形图案；本实施例中，第二折线结构与第一折线结构对应；
两个中间层130，位于第一折线结构层110与第二折线结构层120之间，其包括第三基材及附着于其上的周期分布的几字形图案131，每个几字形图案由导电材料制成，彼此之间间隔设置。
[0010]依据本发明的超材料中所采用的基材可选自陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料等，各层的基材可以相同也可以不同，具体材料可根据应用需要进行选择。例如所选高分子材料可以是聚四氟乙烯，以获得良好的电绝缘性，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。所选高分子材料也可是FR-4、F4b等复合材料。本实施例中优选F4b作为金属微结构附着的基材，其介电常数为
2.2左右，每层的厚度可选择为例如0.4_。本实施例中第一折线结构111、第二折线结构121以及中间层的各向异性结构131采用铜质微结构，当然，也可以采用其他具有良好导电性的金属微结构，微结构的单层厚度可选择为例如0.018mm。
[0011]由于位于表面的折线结构层具有频率选择表面(FSS)的特性，因此可根据实际情况通过调整微结构的形状尺寸等参数调整相应的工作频率，并且由于中间层的各向异性结构扩展了频率带宽，因此能够在宽频范围内实现低轴比的圆极化。采用本实施例的超材料作为圆极化器，进行CST仿真获得的轴比(增益)结果如图4所示。由图4可以看出，这种复合结构能在宽频范围内实现圆极化，且效果良好，在某些频点甚至能达到0.9dB,这种层叠架构为极化器的设计开辟了一条新途径。
[0012]本实施例中，第一和第二折线结构为几字形图案,在其他实施例中，也可以采用其他沿轴线周期性变化的折线图案。由于几字形图案具有优异的各向异性特点，其水平与垂直线条分别体现了强电容与强电感作用，能很好地使电磁波水平与垂直分量相伴发生超前或延迟，很适合圆极化与线极化设计，因而是特别优选地。
[0013]本实施例中，中间层有两个，在其他实施例中，也可以只采用一个中间层或更多的中间层，具体可根据阻抗匹配以及极化的要求进行配置。
[0014]本实施例中，中间层同样采样几字形图案作为各向异性结构，不过高度低于折线结构层的几字形图案，在其他实施例中，也可以采用其他图案的各向异性结构，例如竖条形、横条形、工字形等，只要具有各向异性的性质即可，所称各向异性的性质是指旋转90°后的图形与原图形不重合。
[0015]本实施例中，两个中间层的各向异性结构彼此--对应，重叠设置，在其他实施例中，也可以不一一对应，例如间隔或错开分布等。
[0016]实施例2
依据本发明的另一种实施方式的超材料200可参考图5，与实施例1相比区别在于，中间层为一个，且所使用的各向异性结构为间隔设置的横条形图案。
[0017]采用本实施例的超材料作为圆极化器，进行CST仿真获得的轴比结果如图6所示。由图6可以看出，本实施例超材料在21GHZ时极化效果最好，轴比达到0.5dB。
[0018]实施例3
依据本发明的另一种实施方式的超材料300可参考图7，与实施例1相比区别在于，中间层为一个，且所使用的各向异性结构为间隔设置的竖条形图案。
[0019]采用本实施例的超材料作为圆极化器，进行CST仿真获得的轴比结果如图8所示。由图8可以看出，本实施例超材料在39GHZ时极化效果最好，轴比为1.2dB。
[0020]实施例4
依据本发明的另一种实施方式的超材料400可参考图9，与实施例1相比区别在于，所使用的各向异性结构是与折线结构层相同的几字形图案。
[0021]采用本实施例的超材料作为圆极化器，进行CST仿真获得的轴比结果如图10所示。由图10可以看出，本实施例超材料在39GHZ时极化效果最好，轴比接近0.2dB。
[0022]实施例5
依据本发明的一种实施方式的基于超材料的极化器500可参考图11，包括两块拼接的板状超材料501，本实施例中的板状超材料采用实施例4中所描述的结构，当然，在其他实施例中，也可采用诸如实施例1-3等结构的超材料。两块板状超材料的导电结构互不连通，且两块板状超材料上的折线结构的轴线相对于两块板状超材料之间的拼接线对称。例如优选地，两块板状超材料上的折线结构的轴线与拼接线之间成45度角，这样可以实现同时产生具有左旋圆极化和右旋圆极化效果的圆极化器。两块板状超材料也可采用其他角度拼接在一起以达到所需要的椭圆极化的效果。
[0023]采用本实施例，能够简单的在同一个系统中同时实现两种不同的极化，例如实现同时产生具有左旋圆极化和右旋圆极化效果的圆极化器，这在已有技术中是难以做到的。拼接后的极化器的极化效果与实施例4类似，不再赘述。
[0024]以上应用具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，应该理解，以上实施方式只是用于帮助理解本发明，而不应理解为对本发明的限制。对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，可以对上述【具体实施方式】进行变化。
【权利要求】
1.一种超材料，其特征在于，包括: 第一折线结构层(110)，所述第一折线结构层包括第一基材及附着于其上的平行分布的带状第一折线结构(111)，所述第一折线结构为由导电材料制成的沿轴线周期性变化的折线图案； 第二折线结构层(120)，与第一折线结构层平行设置，所述第二折线结构层包括第二基材及附着于其上的平行分布的带状第二折线结构(121)，所述第二折线结构为由导电材料制成的沿轴线周期性变化的折线图案； 至少一个中间层(130)，位于第一折线结构层与第二折线结构层之间，所述中间层包括第三基材及附着于其上的周期分布的各向异性结构(131)，每个各向异性结构由导电材料制成，彼此之间间隔设置。
2.如权利要求1所述的超材料，其特征在于，所述各向异性结构(131)选自竖条形、横条形、工字形、几字形。
3.如权利要求1所述的超材料，其特征在于，所述中间层(130)有两个或超过两个。
4.如权利要求3所述的超材料，其特征在于，所述中间层(130)有两个，所述各向异性结构(131)为几字形，且两个中间层的几字形结构重叠设置。
5.如权利要求1所述的超材料，其特征在于，所述第一折线结构(111)、第二折线结构(121)以及各向异性结构(131)为铜质微结构。
6.如权利要求1所述的超材料，其特征在于，所述第一折线结构(111)和第二折线结构(121)为沿轴线延伸的连续的几字形图案。
7.如权利要求6所述的超材料，其特征在于，所述第一折线结构(111)和第二折线结构(121)的几字形图案的顶部宽度与底部宽度不同。
8.如权利要求1所述的超材料，其特征在于，所述第一基材、第二基材和第三基材的材料为F4b。
9.一种基于超材料的极化器(500)，其特征在于，包括两块拼接的板状超材料(501)，所述板状超材料具有权利要求1-8任意一项所述的结构，两块板状超材料的导电结构互不连通，且两块板状超材料上的折线结构的轴线相对于两块板状超材料之间的拼接线对称。
10.如权利要求9所述的极化器，其特征在于，所述两块板状超材料上的折线结构的轴线与拼接线之间成45度角。
【文档编号】H01Q15/00GK104253302SQ201310266313
【公开日】2014年12月31日 申请日期:2013年6月28日 优先权日:2013年6月28日
【发明者】不公告发明人 申请人:深圳光启创新技术有限公司