CN102683866A

CN102683866A - 一种控制电磁波传播方向的装置

Info

Publication number: CN102683866A
Application number: CN2011100617807A
Authority: CN
Inventors: 刘若鹏; 李岳峰; 徐冠雄; 季春霖
Original assignee: Kuang Chi Institute of Advanced Technology; Kuang Chi Innovative Technology Ltd
Current assignee: Kuang Chi Institute of Advanced Technology; Kuang Chi Innovative Technology Ltd
Priority date: 2011-03-15
Filing date: 2011-03-15
Publication date: 2012-09-19
Anticipated expiration: 2031-03-15
Also published as: CN102683866B

Abstract

本发明实施例提供了一种能控制电磁波传播方向的装置，该装置包括多个片状超材料，该片状超材料为有序排列，以使得电磁波通过多个有序排列的片状超材料时能按照预先设定的方向传播；本发明实施例实现了对电磁波传播方向的控制。

Description

一种控制电磁波传播方向的装置

【技术领域】

本发明涉及电磁波领域，特别是涉及一种控制电磁波传播方向的装置。

【背景技术】

电磁波是电磁场的一种运动形态。电与磁可说是一体两面，变化的电场会产生磁场(比如电流会产生磁场)，变化的磁场则会产生电场。变化的电场和变化的磁场构成了一个不可分离的统一的场，这就是电磁场，而变化的电磁场在空间的传播形成了电磁波，电磁的变动就如同微风轻拂水面产生水波一般，因此被称为电磁波，也常称为电波。

电磁波为横波。电磁波的磁场、电场及其行进方向三者互相垂直。振幅沿传播方向的垂直方向作周期性交变，波本身带动能量，任何位置之能量功率与振幅的平方成正比。

折射率是指光在真空中的相速度与光在介质中的相速度之比值，介质的折射率越高，使入射光发生折射的能力越强，产生的折射角越大。均匀厚度较薄的介质的折射率都是一定的，所以电磁波在通过介质时产生的折射角也是一定的。

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。

超材料具有重要的三个特征：

第一、超材料通常是具有新奇人工结构的复合材料；

第二、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)；

第三、超材料性质往往不主要决定于构成材料的本征性质，而决定于其中的人工结构。

超材料由介质基板和设置在基板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。金属微结构的等效介电常数和等效磁导率由其拓扑结构和几何尺寸参数决定，可人为设计和控制。并且，金属微结构可以具有人为设计的各向异性的电磁参数。

现有技术中，电磁波的传播方向可以借助于改变电磁波穿过的介质进行改变，但是并不能完全控制电磁波的传播方向。控制电磁波传播方向在现有技术中几乎是空白。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题是提供一种能够控制电磁波传播方向的装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种控制电磁波传播方向的装置，其特征在于，该装置包括多个片状超材料，改片状超材料为有序排列，以使得电磁波通过多个有序排列的片状超材料时能按照预先设定的方向传播。

本发明提供的控制电磁波传播方向的装置，电磁波在通过每个片状超材料时，电磁波的传播方向都会改变，从而电磁波在通过该装置中有序排列的多个片状超材料时，电磁波就会沿着预先设定的方向进行传播，从而可以精准地控制电磁波的传播方向。

【附图说明】

图1是本发明实施例一控制电磁波传播方向的装置中超材料有序排列示意图；

图2是本发明实施例二控制电磁波传播方向的装置中超材料的金属微结构示意图；

图3是本发明实施例二控制电磁波传播方向的装置中超材料的示意图；

图4是本发明实施例二控制电磁波传播方向的装置中超材料的另一示意图；

图5是本发明实施例二控制电磁波传播方向的装置中超材料的金属微结构的另一示意图；

图6是本发明实施例二控制电磁波传播方向的装置中超材料的金属微结构的另一示意图；

图7是本发明实施例二控制电磁波传播方向的装置中超材料的金属微结构的另一示意图；

图8是本发明应用例控制电磁波传播方向的装置中超材料有序排列示意图。

下面通过具体实施方式并通过附图对本发明做进一步的详细说明。

【具体实施方式】

本发明实施例提供了一种控制电磁波传播方向的装置，该装置包括多个片状超材料，该超材料为有序排列。下面进行详细说明。

超材料是利用了不同介质折射率不同的原理，在介质均匀的材料上设置多个金属微结构来改变该材料的介电常数和磁导率，而金属微结构的介电常数是可以人为控制的，所以超材料的介电常数也是可控制的。

在以下本发明实施例中，超材料折射率的分布是不均匀的，根据电磁波在通过介质时会往介电常数和磁导率高的方向偏折的原理，可以根据预先设定的偏折大小来设置超材料中金属微结构的分布，从而电磁波在通过超材料时，能产生预先设置的偏折。

请参阅图1，本发明实施例中一种控制电磁波传播方向的装置的第一实施例包括：

控制电磁波传播方向的装置包括多个片状的超材料，并且该多个片状的超材料是根据预先设定的顺序进行排列的，其中预先设定的顺序根据预先设定的电磁波传播的方向，包括电磁波射入本装置的方向和电磁波射出本装置的方向来进行设定；具体的：

在图1中，根据实际需要，按照一定顺序设置了三片超材料，电磁波在通过超材料11时，电磁波的传播方向发生变化，形成折射角，如图1中的θ1角；电磁波在通过超材料12时，电磁波的传播方向又发生变化，形成折射角，如图1中的θ2角；在电磁波通过超材料13时，电磁波的传播方向又发生变化，形成折射角，如图1中的θ3角，从预先设定的传播方向传播，从而达到预先设定的控制传播方向的要求；

本实施例中通过对三片超材料的有序排列，达到控制电磁波传播方向的目的，但是在具体实施时，可能只需要更少的超材料，或者需要更多的超材料，并且，在排列顺序上也是根据实际需要进行排列的，此处不做限制；

本实施例中，控制电磁波传播方向的装置包括有多个有序排列的片状超材料，电磁波在通过每个片状超材料时，电磁波的传播方向都会改变，从而电磁波在通过该装置中有序排列的多个片状超材料时，电磁波就会沿着预先设定的方向进行传播，从而达到精准地控制电磁波的传播方向的目的。

请参阅图2至图7，本发明实施例中本发明实施例中一种控制电磁波传播方向的装置的第二实施例包括：

如图2，图2是控制电磁波传播方向的装置中一个金属微结构的示意图，金属微结构2呈二维雪花状，其包括第一主线21和第二主线22，第一主线21和第二主线22相互垂直且相互平分；第一主线21的两端各设置有第一支线23，第一支线23与第一主线21垂直且第一主线21的端部与第一支线23的中心点相连接；第二主线22的两端各设置有第二支线24，第二支线24与第二主线22垂直且第二主线22的端部与第二支线24的中心点相连接；金属微结构2各向同性的情况为：

1、第一主线21与第二主线22长度相同；

2、第一分支23与第二分支24长度也相同；

因此，只要不同时满足上述两个条件，则金属微结构2构成的空间单元结构表现为各向异性；

当电磁波通过金属微结构2时，电磁波的电场矢量沿第一主线21有分量，容易理解的，电磁波的电场矢量的两个正交分量中，其中一个正交分量是在第一主线21的直线方向，另一个正交分量在第二主线22的直线方向，从而使得金属微结构2对电场矢量的两个正交分量都有影响，该影响也称为电场响应，这种影响经过一定时间叠加后，会使电磁波的电场矢量的两个正交分量产生一个相位差；磁场矢量也是如此；而在电磁波通过金属微结构之前的两个正交分量是没有相位差的；所以，电磁波在从金属微结构2出来的时候，传播方向改变了；

金属微结构的形状是非旋转90度对称的，在本实施例中，金属微结构2的二维雪花形状只是金属微结构形状的一个简单的例子，金属微结构还可以设计成其他形状，比如图5、图6、图7中所示的形状等等，此处对金属微结构的形状不做限制；

如图3所述，金属微结构在基板11上有序排列，并且金属微结构在基板11上的分布是不均匀的，图3的分布为：由上到下金属微结构的分布越来越多，越来越密，从而使该超材料的介电常数和磁导率由上到下逐渐变大，电磁波在通过该超材料时，传播的方向会发生改变，即朝介电常数和磁导率大的方向偏折；

如图3所示，本实施例中的超材料可以是有序排列有多个金属微结构的单个片状基板；如图4所示，本实施例中的超材料也可以是由多个片状基板堆叠形成，且与图3所示的超材料一样，在每个片状基板上有序排列多个金属微结构；

将多个片状超材料按照预先设定的顺序进行排列后，构成控制电磁波传播方向的装置，当电磁波通过第一片超材料时，电磁波的传播方向发生变化，然后继续通过第二片超材料，在电磁波通过第二片超材料时，电磁波的传播方向又发生变化，再继续通过第三批超材料，如此循环，直至电磁波通过控制电磁波传播方向的装置的最后一片超材料，并且从最后一片射出的电磁波的方向与预先设定的方向相同；

需要说明的是，组成控制电磁波传播方向的装置的每一片超材料的位置不是固定的，用户可以根据具体的需要对各片超材料的排序顺序进行设置，以达到预期效果；

本实施例中的片状基板可以由陶瓷材料、环氧树脂或聚四氟乙烯制得，附着在片状基板上的金属线可以为铜线或者银线。

下面是本发明的一个应用例，即结合图8对控制电磁波通过控制电磁波传播方向的装置的方向做详细的描述，包括：

预先设置的目标是改变平行通过控制电磁波传播方向的装置的电磁波的方向，与初始方向成90度角；具体的：

图8中，控制电磁波传播方向的装置由三个片状超材料有序排列组成，超材料81的介电常数为2，磁导率为2，超材料82的介电常数为2，磁导率为2，超材料83的介电常数为2，磁导率为2；

当电磁波从空气中平行通过超材料81时，电磁波的传播方向发生变化，形成折射角θ81角，根据Eikonal equation(程函方程)，该程函方程适用于各向异性材料的负梯度折射率的折射镜，可以算出电磁波从超材料81射出的偏折角的大小，即θ81的大小；因程函方程计算过程相当复杂，此处不做赘述，假设θ81＝30度；

超材料82以与超材料81成30度角的位置排列，如图8中θ84所示，所以，从超材料81射出的电磁波还是平行地射入超材料82的；当电磁波从空气中平行通过超材料82时，电磁波的传播方向发生变化，形成折射角θ82角，根据程函方程可以算出θ82＝30度；

超材料83以与超材料82成30度角的位置排列，如图8中θ85所示，所以，从超材料82射出的电磁波还是平行地射入超材料83的；当电磁波从空气中平行通过超材料83时，电磁波的传播方向发生变化，形成折射角θ83角，根据程函方程可以算出θ83＝30度；

与最初的电磁波传播方向相比，从超材料83射出的电磁波的方向偏转了90度，即与初始方向成90度角，与预先设置的目标一致，实现了对电磁波传播方向的控制。

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

1.一种控制电磁波传播方向的装置，其特征在于，所述装置包括多个片状超材料，所述片状超材料为有序排列，以使得电磁波通过多个有序排列的所述片状超材料时能按照预先设定的方向传播。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述超材料包括单个片状基板以及设置在所述基板上的多个金属微结构组成。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述超材料包括多个堆叠形成的片状基板，并且每一块所述基板上设置有多个金属微结构。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述基板上均附着有多个金属微结构，所述多个金属微结构在空间中形成周期阵列。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述多个金属微结构在空间中呈均匀性的周期阵列。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述金属微结构为具有特定形状的附着在所述片状基板上的金属线，所述形状为非旋转90度对称图案。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述金属线为铜线或银线。

8.根据权利要求3至权利要求6所述的装置，其特征在于，所述片状基板由陶瓷材料、环氧树脂或聚四氟乙烯制得。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述多片超材料的相对位置是可变的。