专利名称：一种非均匀超材料的制作方法
技术领域：
本发明涉及超材料领域，更具体地说，涉及ー种非均匀超材料。
背景技术：
目前,超材料(metamaterial)作为ー种材料设计理念以及研究前沿,越来越引起人们的关注，所谓超材料，是指ー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。迄今发展出的“超材料”包括“左手材料”、光子晶体、“超磁性材料”等，超材料性质往往不主要决定与构成材料的本征性质,而决定于其中的人工结构。
超材料影响电磁波主要关注以下几个方面的指标I)高性能。对电磁波的影响应具有较高的性能，接近所需要的影响状态。2)低损耗。具有较高的能量影响效率，以实现节能降耗的目标。3)尺寸小。不占用过多空间。此外，对电磁波的影响应易于实现，设计不应太复杂，器件成本不应过高。超材料由介质基材和设置上基材上的多个人为结构组成，可以提供各种普通材料具有和不具有的材料特性。单个人为结构大小一般小于1/10个波长，其对外加电场和/或磁场具有电响应和/或磁响应，从而具有表现出等效介电常数和/或等效磁导率，或者等效折射率和波阻杭。人为的结构的等效介电常数和等效磁导率(或等效折射率和波阻杭)由単元几何尺寸參数决定，可人为设计和控制。并且，人为结构可以具有人为设计的各向异性的电磁參数，从而产生许多新奇的现象，为实现电磁波的影响提供了可能。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，提供一种体积小、简单、易于实现以及成本低的对电磁波进行影响的ー种非均匀超材料。本发明解决其技术问题所采用的第一技术方案是ー种非均匀超材料，包括片状基板以及若干小孔，所述片状基板分成若干晶格，所述小孔置于所述晶格形成ー个单元。在本发明所述的非均匀超材料中，所述超材料由多个片状基板堆叠形成，每个片状基板上均附着有多个小孔，所有的小孔在空间中形成周期阵列，在本发明所述的非均匀超材料中，所述小孔中的介质为空气。在本发明所述的非均匀超材料中，所述小孔在所述的片状基板中呈周期性均匀分布。在本发明所述的非均匀超材料中，所述的图案为“ ロ”字型或“ ロ”字型的衍生型。在本发明所述的非均匀超材料中，所述小孔通过蚀刻、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法在片状基板上形成。在本发明所述的非均匀超材料中，所述的片状基板由陶瓷材料、环氧树脂或聚四氟こ烯制得。在本发明所述的非均匀超材料中，所述小孔中填充有介质，所述介质材质与所述片状基板的材质不相同。在本发明所述的非均匀超材料中，所述单元的等效介电常数ε与等效磁导率μ在片状基板选定的情况下，改变小孔的形状、设计尺寸和/或小孔在空间中的排列通过仿真而获得数值。实施本发明的影响电磁波的超材料，具有以下有益效果I.体积小，不占用过多的空间；
2.简单、易于实现、低成本，通过超材料对电磁波加以影响，不依赖设备的种类及形状；3.具有广泛的应用前景，通过超材料，所以可以使电磁波从ー个方向转为另外一个方向、可聚焦电磁波波束、可用于制造高定向度天线、实现完美透镜、生成各种奇异的现象。
图I是本发明实施例ー种非均匀超材料结构方框图；图2为图I的另ー个视角。图中各标号对应的名称为10片状基板，20小孔。
具体实施例方式为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。“超材料"是指ー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"重要的三个重要特征(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"性质往往不主要决定与构成材料的本征性质，而决定于其中的人工结构。请參阅图I及图2，在本发明实例一中，ー种非均匀超材料，包括片状基板10以及若干小孔20。图I为本发明实施例非均匀超材料的结构示意图，其实际上是多个超材料沿与水平面垂直的方向层叠而成，图2为ー个超材料的正视图。片状基板10分成若干晶格，“晶格”的概念来自固体物理，这里的“晶格”是指在超材料中每个小孔20所占用的尺寸。“晶格”尺寸取决于小孔20需要响应的电磁波频率，通常小孔20的尺寸为所需响应的电磁波波长的十分之一。小孔20置于晶格形成ー个单元，所述单元的等效介电常数ε与等效磁导率μ在片状基板10选定的情况下，改变小孔20的图案、设计尺寸和/或小孔在空间中的排列通过仿真而获得数值，小孔20图案为“ロ”字型或“ロ”字型的衍生型，对小孔20的形状没有具体的限制，小孔20通过打孔的方法，也可以通过蚀刻、钻刻、光刻、电子刻或离子刻在片状基板10上形成小孔的。为了更高效地影响电磁波，超材料一般由多个片状基板10堆叠形成，每个片状基板10上均钻有多个小孔20，所有的小孔20在空间中形成周期阵列，小孔20中的介质为空气。视实际情况的需要，小孔中也可填充有介质，但橡胶、塑料、树脂等，但介质材质与所述片状基板10的材质不相同。通过填充其它电磁參数各异的材料，设计小孔20的位置、数量，以及填充材料的种类使得材料的电磁參数分布能够呈现出更复杂，更丰富的性态，从而满足我们对电磁波控制的各方面的要求。除了打孔的方式，我们也可以通过其他物理和化学的方式，如蚀刻、钻刻、光刻、电子刻或离子刻把不同电磁特性的材料组合在一起。这种混合材料エ艺，其可以实现非均匀超材料的功能。为了更有规律的效果以及更高的效率，小孔20在所述的晶格中呈周期性均匀分 布，电磁波通过成千上万的均匀性的小孔时，量变引起质变，会发生累加效应，产生很多奇异的现象。其中，若干小孔20钻孔在介质基板10上，根据要接收的电磁波的波长λ，可将金属基板20分成若干晶格，其长度和宽度不能超过波长λ的1/10，将若干小孔20置于晶格中。若干人工小孔20通过可由人工仿真技术实现，即可由人工对具有特定电磁特性的小孔进行设计，即对小孔20进行设计，所述的小孔的形状为方形、圆柱形、圆锥形或圆台形。电磁波的折射率跟物质的介电常数ε和磁导率μ的乘积反应有关系，当一束电磁波由ー种介质传播到另外ー种介质时，电磁波会发生折射，而且折射率越大的位置偏折角度越大，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，可以改变电磁波的传播路径。超材料可以对电场或者磁场，或者两者同时进行相应。对电场的响应取决于超材料的介电常数ε，而对磁场的响应取决于超材料的磁导率μ。通过对超材料空间中每一点的介电常数ε与磁导率μ的精确控制，我们可以实现通过超材料对电磁波的影响。超材料的电磁參数在空间中的均匀或者非均匀的分布是超材料的重要特征之一。电磁參数在空间中的均匀分布为非均匀分布的ー种特殊形式，但其具体特性，仍然是由空间中排列的各个单元结构的特性所決定。因此，通过设计空间中排列的每个结构的特性，就可以设计出整个新型超材料在空间中每一点的电磁特性。这种电磁材料系统将会具有众多奇异特性，对电磁波的传播可以起到特殊的引导作用。小孔与介质基板的等效介电常数ε与等效磁导率μ的选择方法为第一歩，通过计算机仿真和实验测试，对若干不同几何參数的単元结构(包括小孔以及介质基板)在一定范围内的电磁特性进行测量，存储测量得到的电磁响应曲线，确定各种不同的単元结构之介电常数以及磁导率并存在于ー个数据库中；第二步，根据需要的影响电磁波的效果确定相应的介电常数以及磁导率，存在一个数据库中。
第三步，根据上述的介电常数以及磁导率从数据库中选择超材料相应点的单元结构。本领域的技术人员应该想到，上述的方法是用软件程序的方法实现的，该软件程序可以存在于硬盘、软盘、U盘以及光盘中。本发明中，对小孔20的具体图案没有要求，因为只要其符合我们最終的调制、转换、聚焦或发散之类效果，即可行。一般情况下，小孔在空间中呈周期阵列，优选地，所有的小孔在空间中呈均匀性的周期阵列。鉴于此，小孔20在超材料上的组合是无限的。可以是小孔的图案相同，但是其设计尺寸不同；也可以是图案和设计尺寸均不相同。这个根据具体需要会有所不同，都是计算机仿真后的结果，也就是说整个超材料中小孔的图案、设计尺寸及空间排布都是通过计算机逆向得到的，因为整个超材料中小孔的数量庞大，因此如果正 向设计，是根本无法实现的。本发明利用小孔的有序排列，通过对介质基板以及小孔的等效介电常数ε以及等效磁导率μ的乘积非均匀分布，从而达到影响电磁波的作用。实施本发明的影响电磁波的超材料，具有以下有益效果I.体积小，不占用过多的空间；2.简单、易于实现、低成本，通过超材料对电磁波加以影响，不依赖电磁波设备的种类及形状；3.具有广泛的应用前景，超材料通过对电磁波的影响，所以可以使电磁波从ー个方向转为另外ー个方向、可聚焦电磁波波束、可用于制造高定向度天线、实现完美透镜、生成各种奇异的现象。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g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.ー种非均匀超材料，其特征在于，包括片状基板以及设置在片状基板中的多个小孔，所述片状基板分成多个晶格，每ー小孔置于一个晶格中形成ー个单元。
2.如权利要求I所述的非均匀超材料，其特征在于，所述超材料由多个片状基板堆叠形成，每个片状基板上均钻有多个小孔，所有的小孔在空间中形成周期阵列。
3.如权利要求I所述的非均匀超材料，其特征在于，所述小孔中的介质为空气。
4.如权利要求I所述的非均匀超材料，其特征在于，所述小孔在所述的片状基板上呈周期性均匀分布。
5.如权利要求I所述的非均匀超材料，其特征在于，所述的小孔的形状为方形、圆柱形、圆锥形或圆台形。
6.如权利要求I所述的非均匀超材料，其特征在于，所述小孔通过打孔、蚀刻、钻刻、光 亥IJ、电子刻或离子刻的方法在片状基板上形成。
7.如权利要求I所述的非均匀超材料，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。
8.如权利要求I所述的非均匀超材料，其特征在于，所述小孔中填充有介质，所述介质材质与所述片状基板的材质不相同。
9.如权利要求I所述的非均匀超材料，其特征在于，所述单元的等效介电常数ε与等效磁导率μ在片状基板选定的情况下，改变小孔的形状、设计尺寸和/或小孔在空间中的排列通过仿真而获得数值。
全文摘要
本发明公开了一种非均匀超材料，包括片状基板以及设置在片状基板中的多个小孔，所述片状基板分成多个晶格，每一小孔置于一个晶格中形成一个单元。本发明提供的一种非均匀超材料体积小、简单、易于实现、成本低、具有广泛的应用前景。
文档编号H01Q15/00GK102694268SQ20111007411
公开日2012年9月26日 申请日期2011年3月25日 优先权日2011年3月25日
发明者刘若鹏, 季春霖, 徐冠雄, 赵治亚 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