CN102480016B - 一种能发散电磁波的非均匀超材料 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能发散电磁波的非均匀超材料，所述超材料由超材料功能板组合阵列而成，所述超材料功能板由介质基板以及阵列在介质基板上的多个人造微结构组成，所述超材料功能板包括一中间位置，所述中间位置的一侧包括多个折射率呈带状分布的超材料带，所述各个超材料带内的折射率朝相同方向连续变化，所述各个超材料带内折射率小的一侧朝向所述中间位置，所述各个超材料带折射率大的一侧朝向所述超材料功能板的侧边位置，所述超材料带的交界位置处的折射率为非连续变化。相对现有技术而言其设计难度大大降低，同时具有工艺制造简单，方便大规模生产的优点。

Description

一种能发散电磁波的非均匀超材料

【技术领域】

本发明涉及涉及超材料领域，具体地涉及一种对电磁波起发散作用的非均匀超材料。

【背景技术】

目前，超材料（metamaterial）作为一种新型材料，越来越引起人们的关注，所谓超材料，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。如，超材料可以由介质基材和设置上基材上的多个金属微结构组成，可以提供各种普通材料具有和不具有的材料特性。单个金属微结构大小一般小于1/10个波长，其对外加电场或磁场具有电响应或磁响应，从而具有表现出等效介电常数或等效磁导率，或者波阻抗。超材料性质往往不主要决定与构成材料的本征性质，而决定于其中的人造微结构，人造微结构的等效介电常数和等效磁导率（或波阻抗）由人造微结构单元的大小、形状等几何尺寸参数决定，可人为设计和控制，从而产生许多新奇的现象，为实现电磁波的发散提供了可能。

现有常规材料做成的发散天线等设备能实现电磁波的发散，但是存在以下缺点：体积大，不利于小型化使用；对形状的依赖性强，很难进行灵活的设计；损耗大，介质容易老化，成本较高。

在超材料领域，通过设计人造微结构大小、形状和排布规律，可以使超材料对电场或磁场或者两者同时进行响应，对电场的响应取决于超材料的介电常数，而对磁场的响应取决于超材料的磁导率。通过对超材料中每一个人造微结构的介电常数与磁导率进行精确控制，如通过控制超材料的人造微结构的大小呈由小到大的连续变化，可以使超材料的介电常数形成由小到大的连续变化，根据折射率与介电常数的关系（其中，k为比例系数、n表示折射率，ε表示介电常数，μ表示磁导率）可知，超材料的折射率也会随着形成由小到大的连续变化。现有技术通过该原理，使超材料的折射率形成中间小两侧大的连续变化趋势，可以使该超材料具有对电磁波的发散功能，其原理图可参看附图1，图中，平行入射的电磁波经过超材料A后变为发散型电磁波。但是，现有技术存在的问题是：要使电磁波得到发散，介电常数需要在超材料的尺度范围内连续变化，而连续变化则使得介电常数的变化范围很大，而在进行超材料的人造微结构设计时，又很难将其大小做到很大，故在实际工艺上很难实施，是亟待解决的一个技术难题。

【发明内容】

本发明为解决上述技术问题，提供一种在很小范围内改变介电常数即能发散电磁波的非均匀超材料。

本发明实现发明目的采用的技术方案是，一种能发散电磁波的非均匀超材料，所述超材料由超材料功能板组合阵列而成，所述超材料功能板由介质基板以及阵列在介质基板上的多个人造微结构组成，所述超材料功能板包括一中间位置，所述中间位置的一侧包括多个折射率呈带状分布的超材料带，所述各个超材料带内的折射率朝相同方向连续变化，所述各个超材料带内折射率小的一侧朝向所述中间位置，所述各个超材料带折射率大的一侧朝向所述超材料功能板的侧边位置，所述超材料带的交界位置处的折射率为非连续变化。所述中间位置的另一侧也包括多个折射率呈带状分布的超材料带，所述另一侧的超材料带内的折射率朝相同方向连续变化，所述另一侧的超材料带内折射率小的一侧朝向所述中间位置，所述另一侧的超材料带折射率大的一侧朝向所述超材料功能板的另一侧边位置，所述另一侧的超材料带的交界位置处的折射率为非连续变化，所述中间位置的一侧和另一侧超材料带内的折射率以所述中间位置为对称轴呈对称分布。

该技术方案中，所谓超材料带内折射率的连续变化系指在超材料内，由单个人造微结构及其所在介质基板组成的超材料单元的等效折射率按线性规律或连续曲线规律逐渐增大或逐渐减小，其中间不会发生折射率变化方向的改变，也不会发生折射率的突然增大或突然减小。而一旦发生折射率变化方向的改变，或发生折射率的突然增大或突然减小，即为所述的非连续变化。即，在同样的折射率变化范围内，如折射率由2变化到4，在超材料带内折射率由2逐渐变化到4，而在两个超材料带的交界位置处，折射率会由2突变到4或突变到1，则该超材料带内的变化即为连续变化，而在两个超材料带的交界位置处的变化即为非连续变化。

作为优选实施方式之一，所述超材料带的带宽相等所述超材料带内的折射率变化范围相等。

作为优选实施方式之一，所述超材料带内的折射率变化率相等。

作为优选实施方式之一，所述超材料的电磁波入射面和出射面均设置有阻抗匹配层。

具体实施时，所述超材料带内折射率的连续变化是通过设计所述人造微结构的大小呈连续变化实现。

具体实施时，所述人造微结构的形状为工字型或工字衍生型。

采用本发明的非均匀超材料，通过设计多个折射率连续变化的超材料带使超材料具有发散电磁波的功能，相对现有技术而言其设计难度大大降低，同时具有工艺制造简单，方便大规模生产的优点。

【附图说明】

图1，现有超材料发散电磁波的原理图；

图2，实施例1的超材料功能板结构图；

图3，实施例1超材料发散电磁波的原理图；

图4，实施例2的超材料功能板结构图；

图5，实施例2超材料发散电磁波的原理图。

图中，A超材料、I-I中间位置、100超材料功能板、101介质基板、102人造微结构、300超材料单元、400超材料带、500阻抗匹配层。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明的具体实施过程进行详细说明。

实施例1

一种能发散电磁波的非均匀超材料，由多层超材料功能板100依次层叠而成，超材料功能板100的结构图参看附图2，超材料功能板100由介质基板101以及阵列在介质基板上的多个人造微结构102组成，人造微结构102与其所占据的介质基板101共同组成为一个超材料单元300，超材料单元300具有特定的结构和电磁特性，一般当单个人造微结构102的大小小于1/10个波长时，其对外加电场或磁场具有电响应或磁响应，从而具有表现出等效介电常数或等效磁导率，本实施例通过将各人造微结构102的形状设计为工字型，并使各工字型人造微结构102沿一定方向连续增大，可以使人造微结构102的等效介电常数也形成连续增大的变化规律，进而使超材料功能板100的折射率也呈连续增大的变化规律。由于工字型的结构连续增大到一定程度后在工艺上很难继续增大（反应在超材料的折射率上即为折射率的变化范围较小），本实施例将超材料功能板100设计为由多个超材料带400组成，每个超材料带400内的各人造微结构102的大小沿一定的方向连续增大，其结构图参看附图2。

本实施例超材料发散电磁波的原理图参看附图3，超材料由多层超材料功能板100依次层叠而成,各个超材料功能板100均具有相同的折射率变化规律，每个超材料功能板100包括一中间位置I-I，中间位置I-I的一侧设置有3个折射率呈带状分布的超材料带400，每个超材料带400内的折射率都从1连续变化3且折射率的连续变化方向相同，折射率小的一侧均朝向中间位置I-I，折射率大的一侧朝向超材料功能板100的侧边位置，超材料带400的交界位置处的折射率为由1突变到3的非连续变化，当电磁波沿图示的平行方向入射到超材料时，入射电磁波会向折射率大的方向发生偏折，从而形成一种部分发散的电磁波。

其有益效果是，在超材料功能板100的中间位置I-I到侧边位置的范围内实现电磁波的有效发散，原本需要使折射率从1连续变化到9，这在具体设计上难度较大，采用本实施例后，只需要将每个超材料带400内的折射率设计为从1连续变化到3，然后通过三个超材料带400依次相接排列即可，设计难度大大降低。

实施例2

一种能发散电磁波的非均匀超材料，由多层超材料功能板100依次层叠而成，超材料功能板100的结构图参看附图4，由介质基板101以及阵列在介质基板101上的多个人造微结构102组成，人造微结构102与其所占据的介质基板101共同组成为一个超材料单元300，本实施例通过将各人造微结构102的形状设计为工字衍生型，并使各工字衍生型人造微结构102沿一定方向连续增大，可以使人造微结构102的等效介电常数也形成连续增大的变化规律，进而使超材料功能板100的折射率也呈连续增大的变化规律。由于工字衍生型的结构连续增大到一定程度后在工艺上很难继续增大（反应在超材料的折射率上即为折射率的变化范围较小），本实施例将超材料功能板100设计为由多个超材料带400组成，每个超材料带400内的各人造微结构102的大小沿一定的方向连续增大，其结构图参看附图4。

本实施例超材料发散电磁波的示意图参看附图5：超材料由多层超材料功能板100依次层叠而成,各个超材料功能板100均具有相同的折射率变化规律，每个超材料功能板100包括一中间位置I-I，中间位置I-I的一侧设置有6个折射率呈带状分布的超材料带400，每个超材料带400内的折射率都从1连续变化3且折射率的连续变化方向相同，折射率小的一侧均朝向中间位置I-I，折射率大的一侧朝向超材料功能板100的侧边位置，超材料带400的交界位置处的折射率为由1突变到3的非连续变化，各超材料带400的带宽相等且各超材料带400内各处的折射率变化率相同，各超材料带400的折射率以中间位置I-I为对称轴呈对称分布，当电磁波以平行方向入射到超材料时，入射电磁波会向折射率大的方向发生偏折，从而形成一种向两侧边发散的电磁波；同时，为防止入射电磁波在入射和出射时部分能量在界面发生反射，在超材料的入射面和出射面均设置一层阻抗匹配层500，使电磁波以微小的反射进入和出射超材料；本实施例的超材料功能板100的发散电磁波的原理图参看附图5。

其有益效果是，在超材料功能板100的中间位置I-I到侧边位置的范围内实现电磁波的有效发散，原本需要使折射率从1连续变化到18，这在具体设计上难度较大，采用本实施例后，只需要将每个超材料带400内的折射率设计为从1连续变化到3即可，设计难度大大降低；同时，阻抗匹配层500的设置避免了电磁波在界面的能量损耗。

应当理解，本发明中各个超材料带内的介电常数既可以为线性均匀连续变化，也可以为非线性连续变化，只要变化的方向为由两侧向中间减小即可实现电磁波的发散。由于折射率与介电常数和磁导率有关，所以改变超材料的磁导率并使本发明中各个超材料带内磁导率形成由两侧向中间减小的变化规律同样可以使电磁波发散。

应当理解，本发明中进行超材料带的具体排布时，可以根据需要以超材料的中心线为中间位置，使各个超材料带以该中心线为中间位置按照介电常数小的一侧朝向中间位置，介电常数大的一侧分别朝向两侧的规律排布；也可以根据需要以超材料的其他任意位置为中间位置，使各个超材料以任一位置为中间位置，按照介电常数小的一侧朝向中间位置，介电常数大的一侧分别朝向两侧的规律排布，从而实现不同的电磁波发散需求。

Claims (7)

1.一种能发散电磁波的非均匀超材料，所述超材料由超材料功能板组合阵列而成，所述超材料功能板由介质基板以及阵列在介质基板上的多个人造微结构组成，其特征在于：所述超材料功能板包括一中间位置，所述中间位置的一侧包括多个折射率呈带状分布的超材料带，所述各个超材料带内的折射率朝相同方向连续变化，所述各个超材料带内折射率小的一侧朝向所述中间位置，所述各个超材料带折射率大的一侧朝向所述超材料功能板的侧边位置，所述超材料带的交界位置处的折射率为非连续变化，所述中间位置的另一侧也包括多个折射率呈带状分布的超材料带，所述另一侧的超材料带内的折射率朝相同方向连续变化，所述另一侧的超材料带内折射率小的一侧朝向所述中间位置，所述另一侧的超材料带折射率大的一侧朝向所述超材料功能板的另一侧边位置，所述另一侧的超材料带的交界位置处的折射率为非连续变化，所述中间位置的一侧和另一侧超材料带内的折射率以所述中间位置为对称轴呈对称分布。

2.根据权利要求1所述的能发散电磁波的非均匀超材料，其特征在于：所述超材料带的带宽相等。

3.根据权利要求1所述的能发散电磁波的非均匀超材料，其特征在于：所述超材料带内的折射率变化范围相等。

4.根据权利要求1所述的能发散电磁波的非均匀超材料，其特征在于：所述超材料带内的折射率变化率相等。

5.根据权利要求1至4任一项所述的能发散电磁波的非均匀超材料，其特征在于：所述超材料的电磁波入射面和出射面均设置有阻抗匹配层。

6.根据权利要求5所述的能发散电磁波的非均匀超材料，其特征在于：所述超材料带内折射率的连续变化是通过设计所述人造微结构的大小呈连续变化实现。

7.根据权利要求6所述的能发散电磁波的非均匀超材料，其特征在于：所述人造微结构的形状为工字型或工字衍生型。

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