CN102683867A - 一种汇聚电磁波的超材料 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种汇聚电磁波的超材料，包括：介质基板以及若干人造微结构，所述介质基板分成若干晶格，所述人造微结构置于所述晶格中，所述的超材料至少存在一区段，所述区段的若干人造微结构与介质基板的等效介电常数ε与等效磁导率μ之乘积存在一处最高值，或，所述区段的介质基板本身的介电常数ε与磁导率μ之乘积为最高值，其它各处的等效介电常数ε与等效磁导率μ乘积值从小到大呈渐变趋势，且，其所述渐变趋势向所述最高值所在的区位趋近。本发明的汇聚电磁波的超材料体积小、简单、易于实现、成本低、具有广泛的应用前景。

Description

一种汇聚电磁波的超材料

技术领域

本发明涉及超材料领域，更具体地说，涉及一种汇聚电磁波的超材料。

背景技术

目前，超材料(metamaterial)作为一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。

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。

实现电磁波的汇聚主要关注以下几个方面的指标：

1)高性能。电磁波的汇聚应具有较高的性能，接近所需要的发散状态。

2)低损耗。具有较高的能量汇聚效率，以实现节能降耗的目标。

3)尺寸小。不占用过多空间。

此外，电磁波的汇聚方法应易于实现，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，或者等效折射率和波阻抗。金属微结构的等效介电常数和等效磁导率(或等效折射率和波阻抗)由单元几何尺寸参数决定，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，从而产生许多新奇的现象，为实现电磁波的汇聚提供了可能。

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汇聚的超材料。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种汇聚电磁波的超材料，包括：介质基板以及若干人造微结构，所述介质基板分成若干晶格，所述人造微结构置于所述晶格中，所述的超材料至少存在一区段，所述区段的若干人造微结构与介质基板的等效介电常数ε与等效磁导率μ之乘积存在一处最高值，或，所述区段的介质基板本身的介电常数ε与磁导率μ之乘积为最高值，其它各处的等效介电常数ε与等效磁导率μ乘积值从小到大呈渐变趋势，且，其所述渐变趋势向所述最高值所在的区位趋近。

在本发明所述的发散电磁波的超材料中，所述人造微结构在所述的晶格中呈周期性均匀分布。

在本发明所述的发散电磁波的超材料中，所述等效介电常数ε与等效磁导率μ通过在介质基板选定的情况下，通过改变人造微结构的图案、设计尺寸和/或人造微结构在空间中的排列通过仿真而获得数值，所述的图案为“工”字型或“工”字型的衍生型。

在本发明所述的发散电磁波的超材料中，所述人造微结构为附着在介质基板上的金属线，所述金属线为铜线或银线。

在本发明所述的发散电磁波的超材料中，所述金属线通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或粒子刻的方法附着在介质基板上。

在本发明所述的发散电磁波的超材料中，所述的介质基板由陶瓷材料、环氧树脂或聚四氟乙烯制得。

实施本发明的汇聚电磁波的超材料，具有以下有益效果：

1.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汇聚，不依赖电磁波汇聚设备的种类及形状；

3.具有广泛的应用前景，超材料通过对电磁波的汇聚，所以可以使电磁波从一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。

附图说明

图1是本发明第一实施例一种电磁波汇聚超材料结构方框图；

图2是本发明第二实施例一种电磁波汇聚超材料结构方框图；

图中各标号对应的名称为：

10介质基板，20人造微结构。

具体实施方式

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。

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，当一束电磁波由一种介质传播到另外一种介质时，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汇聚。

超材料的电磁参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。电磁参数在空间中的均匀分布为非均匀分布的一种特殊形式，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决定。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。

请参阅图1，在本发明实例中，一种汇聚电磁波的超材料，包括：介质基板10以及若干人造微结构20，其中，若干人造微结构20附着在介质基板10上，根据要汇聚的电磁波的波长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，将若干人造微结构20置于晶格中，电磁波通过的若干人造微结构20与介质基板10的等效介电常数ε与等效磁导率μ之乘积为最高值，其它各处的等效介电常数ε与等效磁导率μ乘积值从小到大呈渐变趋势，且，其所述渐变趋势向所述最高值所在的区位趋近，基于此，电磁波波束通过上述的超材料时，向所述最高值所在的区位折射，渐渐向最高值所在的区位汇聚。其中，人造微结构优选为金属人造微结构，以便更高效率地响应电磁场。

请参阅图2，在本发明实例二中，一种汇聚电磁波的超材料，包括：介质基板10以及若干人造微结构20，结构与实施例的结构相同，不同的是，电磁波通过的介质基板本身的介电常数ε与磁导率μ之乘积为最高值，其它各处的等效介电常数ε与等效磁导率μ乘积值从小到大呈渐变趋势，且，其所述渐变趋势向所述最高值所在的区位趋近，基于此，电磁波通过上述的超材料时，向所述最高值所在的区位折射，渐渐向最高值所在的区位汇聚。

人造微结构20在所述的晶格中呈周期性均匀分布为较佳的选择，人造微结构20附着在介质基板10上的金属线，其尺寸不能超过介质基板10的晶格，所述金属线为铜线或银线。金属线通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或粒子刻的方法附着在介质基板10上。介质基板10由陶瓷材料、环氧树脂或聚四氟乙烯制得。

若干人工人造微结构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人造微结构进行设计，即：对人造微结构20进行设计，人造微结构20图案可为“工”字型，“王”字型等。

人造微结构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：

第一步，通过计算机仿真和实验测试，对若干不同几何参数的单元结构(包括人造微结构以及介质基板)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，确定各种不同的单元结构之介电常数以及磁导率并存在于一个数据库中；

第二步，根据需要的偏转折射率确定相应的介电常数以及磁导率，要求：介电常数以及磁导率的乘积存在一个最高值，其它的介电常数以及磁导率的乘积呈从小到大的变化趋势，趋近于最高值；

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，对人造微结构2的具体图案没有要求，因为只要其符合我们最终的调制效果，即可行。一般情况下，人造微结构在空间中呈周期阵列，优选地，所有的人造微结构在空间中呈均匀性的周期阵列。人造微结构2可为“工”字型，“王”字型等，鉴于此，人造微结构2在超材料空间调制器上的组合是无限的。可以是人造微结构的图案相同，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空间调制器中人造微结构的图案、设计尺寸及空间排布都是通过计算机逆向得到的，因为整个超材料空间调制器中人造微结构的数量庞大，因此如果正向设计，是根本无法实现的。

本发明利用人造微结构的有序排列，通过对介质基板以及人造微结构的等效介电常数ε以及等效磁导率μ的乘积非均匀分布，实现物质的折射率分布的从小到大的变化，从而达到电磁波汇聚的作用。

实施本发明的汇聚电磁波的方法，具有以下有益效果：

1.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汇聚，不依赖电磁波汇聚设备的种类及形状；

3.具有广泛的应用前景，超材料通过对电磁波的汇聚，所以可以使电磁波从一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。

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 (6)

1.一种汇聚电磁波的超材料，其特征在于，包括：介质基板以及若干人造微结构，所述介质基板分成若干晶格，所述人造微结构置于所述晶格中，所述的超材料至少存在一区段，所述区段的若干人造微结构与介质基板的等效介电常数ε与等效磁导率μ之乘积存在一处最高值，或，所述区段的介质基板本身的介电常数ε与磁导率μ之乘积为最高值，其它各处的等效介电常数ε与等效磁导率μ乘积值从小到大呈渐变趋势，且，其所述渐变趋势向所述最高值所在的区位趋近。

2.如权利要求1所述的发散电磁波的超材料，其特征在于，所述人造微结构在所述的晶格中呈周期性均匀分布。

3.如权利要求1所述的发散电磁波的超材料，其特征在于，所述等效介电常数ε与等效磁导率μ通过在介质基板选定的情况下，通过改变人造微结构的图案、设计尺寸和/或人造微结构在空间中的排列通过仿真而获得数值，所述的图案为“工”字型或“工”字型的衍生型。

4.如权利要求1至3任一权利要求所述的发散电磁波的超材料，其特征在于，所述人造微结构为附着在介质基板上的金属线，所述金属线为铜线或银线。

5.如权利要求4所述的发散电磁波的超材料，其特征在于，所述金属线通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或粒子刻的方法附着在介质基板上。

6.如权利要求1所述的发散电磁波的超材料，其特征在于，所述的介质基板由陶瓷材料、环氧树脂或聚四氟乙烯制得。

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