CN102480057B - 电磁波偏折元件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电磁波偏折元件，用于使入射的电磁波偏折，由至少一个超材料片层(1)构成，每个片层包括片状的基材(2)和附着在所述基材(2)上的多个人造微结构(3)，每个人造微结构(3)为构成几何图形的丝线，所述电磁波偏折元件至少沿一个第一方向其折射率逐渐减小，而沿垂直于第一方向的第二方向、同时垂直于第一方向和第二方向的第三方向二者之中的任一方向其折射率不变或者也逐渐减小。采用本发明的电磁波偏折元件，可以实现电磁波的偏折。

Description

电磁波偏折元件

技术领域

本发明涉及电磁通讯领域，更具体地说，涉及一种可平移电磁波的电磁波偏折元件。

背景技术

通讯领域主要依赖电磁波来进行探测、定位、通信等。电磁波可以通过不同的材料或元器件实现分离、汇聚、偏折、发散等。能实现电磁波偏折即使其传播方向改变的材料主要是非均匀材料，也就是不均质从而导致折射率的分布不均衡的材料。材料疏密不同、材质不同等都会使得折射率的分布有变化。

现有技术的用于使电磁波偏折的非均匀材料通常是通过折射率不同的多层材质叠加所形成的整体。根据将要被偏折的电磁波的频率、波长等特性，可以设计出此非均匀材料的折射率分布，然后在各分布区域选择具有对应折射率的合适材料。

这种偏折电磁波的材料的缺陷在于，现有的材料其折射率是固有的，并不是可任意设计的，当所需的折射率分布中部分区域的折射率用现有的天然材料无法得到，将导致整个非均匀材料不能达到所需的偏折要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的非均匀材料不能任意设计因而在有些特殊情况下无法满足电磁波偏折要求的缺陷，提供一种可以自由设计也适应各种应用条件的电磁波偏折元件。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种电磁波偏折元件，用于使入射的电磁波偏折，由至少一个超材料片层构成，每个片层包括片状的基材和附着在所述基材上的多个人造微结构，每个人造微结构为构成几何图形的金属或非金属丝线，所述电磁波偏折元件至少沿一个第一方向其折射率逐渐减小，而沿垂直于第一方向的第二方向、同时垂直于第一方向和第二方向的第三方向二者之中的任一方向其折射率不变或者也逐渐减小。

在本发明的电磁波偏折元件中，所述基材划分为多个阵列排布的立方形基材单元，每个基材单元完全相同。

在本发明的电磁波偏折元件中，所述电磁波偏折元件沿所述第一方向的一列基材单元上的丝线含量逐渐减小，使得折射率沿所述第一方向逐渐减小。

在本发明的电磁波偏折元件中，每个基材单元内附着有一个人造微结构，所述人造微结构沿所述第一方向其尺寸逐渐减小。

在本发明的电磁波偏折元件中，每个人造微结构完全相同，每个基材单元内所附着的人造微结构的数量不完全相同。

在本发明的电磁波偏折元件中，所述人造微结构为平面的“工”字形，包括相互平行且相等的两个第一金属丝、两端分别连接在所述两第一金属丝上且垂直于所述第一金属丝的第二金属丝。

在本发明的电磁波偏折元件中，所述人造微结构为“十”字形、具有缺口的圆环或封闭曲线。

在本发明的电磁波偏折元件中，所述人造微结构为三维结构，包括两两垂直且相交于一点的三根正交金属丝和分别垂直连接在每根正交金属丝两端的端部金属丝。

在本发明的电磁波偏折元件中，所述电磁波偏折元件包括多个超材料片层，所述多个超材料片层沿垂直于所述基材表面的方向堆叠而成为一体。

实施本发明的电磁波偏折元件，具有以下有益效果：本发明的电磁波偏折元件使用超材料技术来实现，超材料是由多个超材料片层构成的，改变每个超材料片层上的人造微结构即可改变相应部位的折射率，因此通过统一设计各个人造微结构的具体形状和结构即可得到有序变化的折射率，从而形成非均匀材料，进而实现电磁波的偏折。可见，本发明的电磁波偏折元件可自由设计和组合，可以满足各种电磁波偏折条件的要求。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明的电磁波偏折元件的第一实施例的结构示意图；

图2是图1所示实施例使电磁波传播方向偏折的结构示意图；

图3是本发明的第二实施例的人造微结构的示意图；

图4是本发明的第三实施例的人造微结构的示意图；

图5是本发明第四实施例的超材料片层的结构示意图；

图6是图5所示超材料片层叠加得到的电磁波偏折元件的结构示意图；

图7是本发明第五实施例的人造微结构的结构示意图。

图中各标号对应的名称为：

1超材料片层，2基材，3人造微结构，4超材料单元，50第一金属丝，51第二金属丝，60长金属丝，61短金属丝，70正交金属丝，71端部金属丝。

具体实施方式

本发明涉及一种可以使电磁波传播方向发生偏折的电磁波偏折元件，如图1所示，由至少一个超材料片层构成，当超材料片层有多个时，其沿垂直于片层表面的方向堆叠并通过一定的组装或连接方式构成一个立体的整体。

如图1所示，每个片层包括片状的基材2和附着在所述基材2上的多个人造微结构3。片状基材2具有前、后两个相互平行的表面，使得基材2为一个等厚的片体。在任一平行于片状基材2前表面的平面上，设置两个相互垂直的方向，其中一个为第一方向X，另一个为第二方向Y，则垂直于基材2表面的方向也即超材料片层1堆叠的方向为第三方向Z。

基材2上附着有人造微结构3，包括有两种情况：一种是人造微结构3为平面结构，其附着在基材2前表面上；另一种是人造微结构3为三维立体结构，其附着在片状基材2内部。每个人造微结构3通常是由银、铜等金属丝线组成的，也可以由非金属丝线组成。这些丝线连接被刻在基材2表面或基材2内部并构成一定的几何图形。将基材2划分成很多个相等的立方体基材单元，例如为长、宽、高均为入射电磁波波长的十分之一的立方体，每个基材单元上附着有一定数量的人造微结构3，构成一个超材料单元4。因此每个超材料单元4含有一定量的构成人造微结构3的丝线。

已知一束电磁波入射到介质上会向折射率大的地方偏折，因此要实现电磁波的偏折，本发明的电磁波偏折元件至少沿一个方向如X方向其折射率是逐渐减小的，而Y方向和Z方向中的任一方向其折射率不变或者也逐渐减小。要使偏折的角度大，则折射率在该方向上的逐渐减小的变化率要大。本文的逐渐减小，是指下一参考点的数据小于或等于前一参考点的数据。这里的变化率大，是指三个前后排列的参考点中，第二参考点与第三参考点的差值大于第一参考点与第二参考点的差值。本文的折射率，是由公式

推算得出的，其中α为一个常数，ε为一个超材料单元4在某一电磁波频率下的介电常数，μ为此超材料单元4在该电磁波频率下的磁导率。

通过大量的试验和仿真得出规律，即基材2上的丝线密度大也即基材单元内丝线含量高的位置该基材单元整体体现的等效折射率大，因此要使元件沿X方向折射率逐渐减小，则应该至少沿X方向其基材单元内的丝线含量逐渐减小。这里的基材单元可以是常规的体积单位如立方毫米、立方厘米等，也可以是任一自定义的体积大小，例如上述每个超材料单元4为一个基材单元，整个超材料片层1既是由数以万计的超材料单元4构成的。

当每个超材料单元4含有一个人造微结构3时，当人造微结构3的尺寸沿X方向逐渐减小，则其基材单元的丝线含量也逐渐减小，折射率也逐渐减小，如图1、图2所示，此时，沿Y方向每个超材料单元4具有相同的尺寸大小，Y方向折射率不变。当然，本发明的电磁波偏折元件沿Y方向可依与X方向同样的原理实现折射率逐渐减小，Z方向亦然。

当各个超材料单元4所含的人造微结构3数量不等时，若每个人造微结构3的形状、尺寸完全相同，可以设计电磁波偏折元件使其沿X方向各超材料单元4的人造微结构3数量逐渐减小来实现丝线含量逐渐减少进而折射率逐渐减小。Y方向和Z方向亦然。

本发明的人造微结构3可以是任何形状的结构。对于平面结构，人造微结构3可以是如图1、图2所示的“工”字形，包括相互平行且相等的两个第一金属丝50、两端分别连接在所述两第一金属丝50中点且垂直于所述第一金属丝50的第二金属丝51；人造微结构3也可以是“十”字形，如图3所示，包括垂直相交的两根长金属丝60和分别连接在每个长金属丝60两端且与之垂直的短金属丝61；人造微结构3还可以是具有缺口的圆环，如图4所示。当然，其他任意形状如封闭或者不封闭的平面曲线，例如三角形、四边形、“匚”字形、椭圆环等，都可以作为本发明的人造微结构3的丝线所构成的形状。

对于三维立体的人造微结构3，其优选实施例如图5至图6所示，本实施例的电磁波偏折元件包括多个相同超材料片层1，即Z方向的折射率不变。对于每个超材料片层1，沿X方向的折射率逐渐减小，Y方向的折射率不变。如图5所示，由于每个超材料单元4只含有一个人造微结构3，且形状均相似，因此，阵列排布在基材2内部的人造微结构3沿X方向尺寸逐渐减小、Y方向尺寸不变。其中，本实施例的人造微结构3包括两两垂直且相交于一点的三根正交金属丝70和分别垂直连接在每根正交金属丝70两端且被该正交金属丝70平分的端部金属丝71。

在其他实施例中，三维的人造微结构3也有很多种实现方式，例如图7所示的由四根金属丝相接构成的正四面体框，还可以是其他任意三维结构如任意空间曲线、五棱柱框、圆环等等。

需要说明的是，本发明的电磁波偏折元件，并不限定其所具有的所有人造微结构3必然形状相似，各个人造微结构3可以为各不相同的任意形状，例如该元件可以同时包括有“工”字形和圆环形的人造微结构3；

另外，人造微结构3并不一定如上述实施例一样比例缩小，可以通过逐渐减短人造微结构的某一根或几根丝线从而使超材料单元4的丝线含量逐渐减少从而达到折射率逐渐减小的目的，例如当所有人造微结构均为“工”字形，沿X方向逐渐减小每一列人造微结构的第二金属丝51的长度、第一金属丝50长度不变，沿Y方向、Z方向的各个人造微结构均相同。这种设计也可实现折射率沿X方向逐渐减小、Y方向和Z方向折射率不变的目的；

本发明的电磁波偏折元件使用超材料技术来实现，超材料是由多个超材料片层构成的，改变每个超材料片层上的人造微结构即可改变相应部位的折射率，因此通过统一设计各个人造微结构的具体形状和结构即可得到有序变化的折射率，从而形成非均匀材料，进而实现电磁波的偏折。可见，本发明的电磁波偏折元件可自由设计和组合，可以满足各种电磁波偏折条件的要求。

因此，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。

Claims (7)

1.一种电磁波偏折元件，用于使入射的电磁波偏折，其特征在于，由至少一个超材料片层（1）构成，每个片层包括片状的基材（2）和附着在所述基材（2）上的多个人造微结构（3），每个人造微结构（3）为构成几何图形的丝线，所述电磁波偏折元件至少沿一个第一方向其折射率逐渐减小，而沿垂直于第一方向的第二方向、同时垂直于第一方向和第二方向的第三方向二者之中的任一方向其折射率不变或者也逐渐减小，所述基材（2）划分为多个阵列排布的立方形基材单元，每个基材单元完全相同，每个人造微结构（3）完全相同，每个基材单元内所附着的人造微结构（3）的数量不完全相同。

2.根据权利要求1所述的电磁波偏折元件，其特征在于，所述电磁波偏折元件沿所述第一方向的一列基材单元上的丝线含量逐渐减小，使得折射率沿所述第一方向逐渐减小。

3.根据权利要求2所述的电磁波偏折元件，其特征在于，每个基材单元内附着有一个人造微结构（3），所述人造微结构（3）沿所述第一方向其尺寸逐渐减小。

4.根据权利要求3所述的电磁波偏折元件，其特征在于，所述人造微结构（3）为平面的“工”字形，包括相互平行且相等的两个第一金属丝（50）、两端分别连接在所述两第一金属丝（50）上且垂直于所述第一金属丝（50）的第二金属丝（51）。

5.根据权利要求3所述的电磁波偏折元件，其特征在于，所述人造微结构（3）为“十”字形、具有缺口的圆环或封闭曲线。

6.根据权利要求3所述的电磁波偏折元件，其特征在于，所述人造微结构（3）为三维结构，包括两两垂直且相交于一点的三根正交金属丝（70）和分别垂直连接在每根正交金属丝（70）两端的端部金属丝（71）。

7.根据权利要求1所述的电磁波偏折元件，其特征在于，所述电磁波偏折元件包括多个超材料片层（1），所述多个超材料片层（1）沿垂直于所述基材（2）表面的方向堆叠而成为一体。

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