CN102738586B - 汇聚电磁波的非均匀超材料 - Google Patents

Abstract

本发明实施例涉及一种汇聚电磁波的非均匀超材料，包括由至少一个超材料片层构成的功能层，超材料片层包括基板和多个附着在述基板上的人造微结构。功能层分成多个带状区域，在每个带状区域内超材料的折射率连续变化且每个带状区域内的折射率从超材料两侧向中心方向连续变大，且多个带状区域中至少存在两个相邻的第一区域及第二区域，第一区域的折射率从n1连续增大到n2，第二区域的折射率从n3连续增大到n4，且满足n2＞n3进而可以实现电磁波在各个区域内向超材料中心方向汇聚。本发明的非均匀超材料可方便灵活的实现电磁波的汇聚，其体积较小、制造工艺简单、设计方便灵活且可大规模生产。

Description

汇聚电磁波的非均匀超材料

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非均匀超材料。

背景技术

超材料是一种新型材料，是由基板和附着在基板表面上或嵌入在基板内部的多个人造微结构构成的。基板对人造微结构起到支撑作用，可为任何与人造微结构不同的材料，这两种材料的叠加会在空间中产生一个等效介电常数与磁导率，通过设计超材料中的每个人造微结构的形状和排布规律，就可设计超材料中每一点的等效介电常数和等效磁导率。。

电磁波的折射率与物质的介电常数和磁导率有关系，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，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，可以达到改变电磁波的传播路径的目的。

现有技术对于实现电磁波的汇聚是利用聚焦天线完成的，但聚焦天线存在以下缺点：体积大而且较重，不利于小型化的使用；对于形状有很大的依赖性，很难进行灵活的设计；损耗很大，介质容易老化，成本较高。

发明内容

本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种汇聚电磁波的非均匀超材料，体积较小，使用方便灵活。

为解决上述技术问题，提供了一种汇聚电磁波的非均匀超材料，包括由至少一个超材料片层构成的功能层，所述超材料片层包括基板和多个附着在所述基板上的人造微结构，所述功能层分成多个带状区域，在每个所述带状区域内所述超材料的折射率连续变化且每个带状区域内的折射率从超材料两侧向中心方向连续变大，且多个带状区域中至少存在两个相邻的第一区域及第二区域，第一区域的折射率从n1连续增大到n2，第二区域的折射率从n3连续增大到n4，且满足n2＞n3。

进一步地，所述超材料的功能层由多个折射率非均匀分布的超材料片层沿垂直于所述片层表面的方向堆叠形成。

进一步地，每个所述人造微结构为由至少一根金属丝组成的平面结构或立体结构。

进一步地，所述金属丝为铜丝或银丝。

进一步地，所述金属丝通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法附着在基板上。

进一步地，所述基板由陶瓷、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制得。

进一步地，所述人造微结构为轴对称结构。

进一步地，所述人造微结构为“工”字形、“十”字形或“王”字形。

进一步地，所述人造微结构为非轴对称结构包括不等边三角形、平行四边形或不规则闭合曲线。

进一步地，所述超材料还包括分别设置于所述功能层两侧的阻抗匹配层。

上述技术方案至少具有如下有益效果：本发明的非均匀超材料设置多个区域，每个区域内的折射率连续变化且每个带状区域内的折射率从超材料两侧向中心方向连续变大，可以实现电磁波在各个区域内向超材料中心方向汇聚。本发明的非均匀超材料可方便灵活的实现电磁波的汇聚，其体积较小、制造工艺简单、设计方便灵活且可大规模生产。

附图说明

图1是本发明的非均匀超材料对平行电磁波进行汇聚的示意图。

图2是本发明的非均匀超材料对发散电磁波进行汇聚的示意图。

图3是本发明的非均匀超材料使电磁波汇聚到一点的示意图。

图4是本发明的超材料的第一实施例的结构示意图。

图5是图4所示超材料的主视图。

图6是本发明的超材料的第二实施例的主视图。

具体实施方式

电磁波的折射率与成正比关系，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，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，可以达到改变电磁波的传播路径的目的。

超材料是一种以人造微结构2为基本单元并以特定方式进行空间排布、具有特殊电磁响应的新型材料，包括人造微结构2和供人造微结构附着的基板1。人造微结构2为由至少一根金属丝组成的平面结构或立体结构，多个人造微结构2在基板1上阵列排布，每个人造微结构2以及其所附着的基板1所占部分即为一个超材料单元。基板1可为任何与人造微结构2不同的材料，这两种材料的叠加使每个超材料单元产生一个等效介电常数与磁导率，这两个物理参数分别对应了超材料单元的电场响应与磁场响应。超材料对电磁响应的特征是由人造微结构2的特征所决定，而人造微结构2的电磁响应很大程度上取决于其金属丝的图案所具有的拓扑特征和其几何尺寸。根据上述原理设计超材料空间中排列的每个人造微结构2的拓扑图形和几何尺寸，就可对超材料中每一点的电磁参数和折射率进行设置。

图1所示为本发明的非均匀超材料对平行电磁波进行汇聚的原理图，超材料包括功能层10和分别设置在功能层10两侧的阻抗匹配层(图中未示出)。如图所示功能层10存在8个折射率连续变化的带状区域4。第一个区域的折射率从n1连续增大到n2，第二个区域的折射率从n3连续增大到n4，第三个区域的折射率从n5连续增大到n6，第四个区域的折射率从n7连续增大到n8，其中n2＞n3，n4＞n5，n6＞n7；第五个区域的折射率从n8连续减小到n17，第六个区域的折射率从n16连续减小到n15，第七个区域的折射率从n14连续减小到n13，第八个区域的折射率从n12连续减小到n11，其中n17＜n16，n15＜n14，n13＜n12。当平行电磁波入射时，经过具有上述折射率分布规律的超材料后，出射电磁波均向第四个区域与第五个区域的交界处汇聚。本发明中各个带状区域4内的超材料的折射率既可以为线性连续变化，也可以为非线性连续变化，每个带状区域4内的折射率变化范围不仅仅限于上面实施例的描述，只要满足各个带状区域4内的折射率连续变化且每个带状区域4内的折射率从超材料两侧向中心方向连续变大，且至少存在两个相邻的带状区域4，第一区域的折射率从n1连续增大到n2，第二区域的折射率从n3连续增大到n4，且满足n2＞n3，即可实现电磁波向同一方向汇聚。

图2所示为本发明的非均匀超材料对发散电磁波进行汇聚的原理图，当入射电磁波为发散型时，经过具有上述折射率分布规律的超材料的功能层10后，电磁波可实现如图2所示平行出射。

图3为本发明的非均匀超材料使电磁波汇聚到一点的示意图，图中L表示带状区域4的长度，本实施例中的8个带状区域4的长度L相等，且满足如下关系：

(1)n2＞n3，n4＞n5，n6＞n7且n17＜n16，n15＜n14，n13＜n12；

(2)以折射率为n8的区域为中心，其两侧的带状区域4的折射率对称分布。

实验证明，电磁波通过超材料的功能层10的偏折角与功能层10的厚度和折射率变化率满足下列关系式：

d·Δn＝sinβ；

其中d表示功能层10的厚度；Δn表示相邻两个超材料单元的折射率变化率；β表示偏折角。

由于功能层10的厚度d确定，因此对于不同的偏转角度β(如图3所示的β1和β2)，可确定相邻两个超材料单元的Δn，因此通过合理设计每个超材料片层3的折射率分布以及超材料片层3的数量，使得Δn从超材料两侧向折射率为n8的中心方向连续减小，可以实现平行入射电磁波的汇聚到一点。

进一步的，电磁波的折射率与成正比关系，所以只要改变介电常数与磁导率中的至少一个，就可以改变折射率。实验证明，相同图案的人造微结构2，其几何尺寸与介电常数成正比，因此在入射电磁波确定的情况下，通过合理设计人造微结构2的拓扑图案和不同尺寸的人造微结构2在超材料片层上的排布，就可以调整超材料的折射率分布，进而实现平行入射电磁波的汇聚到一点。

图4和图5分别为本发明的非均匀超材料的第一实施例的结构示意图和主视图，本实施例中功能层10由多个非均匀的超材料片层3沿垂直于其表面方向堆叠成为一体，每个超材料片层3包括片状的基板1和附着在基板1上的多个人造微结构2。本实施例中的人造微结构2呈“工”字形，人造微结构2阵列分布在基板1上，如图所示超材料的功能层10分成若干个带状区域4，每个带状区域4的“工”字形人造微结构2的尺寸从超材料侧边向中心方向连续增大，进而带状区域4内的超材料的折射率从超材料侧边向中心方向连续增大，当平行电磁波射入本实施例的超材料时，出射电磁波均向超材料中心方向汇聚。

图6为本发明的非均匀超材料的第二实施例的主视图，在图6所示实施例中除了人造微结构2的几何形状与图4所示实施例不同之外，人造微结构2的排布规律等均与之相同。图6所示实施例中人造微结构2为不等边三角形，也可采用平行四边形或不规则闭合曲线等其他非轴对称结构。

应当理解，本发明实施例的非均匀超材料可以采用“王”字形或“十”字形等对称结构的人造微结构2，也可采用其他非对称结构的人造微结构2，只要各带状区域4内的超材料的折射率从超材料的两侧向中心连续增大即可实现电磁波向同一方向汇聚。

具体实施时，可通过计算和仿真得出其介电常数和磁导率，然后不断调整人造微结构2的形状和尺寸，直到其介电常数和磁导率的值满足上述折射率分布即可实现电磁波汇聚到一点。

人造微结构2由至少一根铜丝或者银丝等金属丝构成，具有特定图形。金属线通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻等方法附着在基板1上。其中蚀刻是较优的制造工艺，其步骤是在设计好合适的人造微结构2的平面图案后，先将一张金属箔片整体地附着在基板1上，然后通过蚀刻设备，利用溶剂与金属的化学反应去除掉人造微结构2预设图案以外的箔片部分，余下的即可得到阵列排布的人造微结构2。基板1由陶瓷、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料等制得。例如，聚四氟乙烯、环氧树脂、FR4、F4b等高分子材料。

超材料的阻抗匹配层的一侧的阻抗与空气阻抗相同，另一侧的阻抗与功能层10的阻抗相同，中间的阻抗连续变化形成一阻抗渐变层，消除了空气与功能层10间的阻抗突变，进而减少了电磁波的反射。阻抗匹配层可采用普通材料制成也可采用超材料制成，只要在空气与功能层10间形成阻抗渐变层即可满足阻抗匹配的目的。

本发明的非均匀超材料可方便灵活的实现电磁波的汇聚，其体积较小、制造工艺简单、设计方便灵活且可大规模生产。

以上所述是本发明的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种汇聚电磁波的非均匀超材料，包括由至少一个超材料片层构成的功能层，所述超材料片层包括基板和多个附着在所述基板上的人造微结构，其特征在于，所述超材料的功能层由多个折射率非均匀分布的超材料片层沿垂直于所述超材料片层表面的方向堆叠形成；所述功能层分成多个带状区域，在每个所述带状区域内所述超材料的折射率连续变化且每个带状区域内的折射率从超材料两侧向中心方向连续变大，且多个带状区域中至少存在两个相邻的第一区域及第二区域，第一区域的折射率从n1连续增大到n2，第二区域的折射率从n3连续增大到n4，且满足n2>n3；

所述超材料还包括分别设置于所述功能层两侧的阻抗匹配层，所述超材料的阻抗匹配层的一侧的阻抗与空气阻抗相同，另一侧的阻抗与所述功能层的阻抗相同。

2.如权利要求1所述的汇聚电磁波的非均匀超材料，其特征在于，每个所述人造微结构为由至少一根金属丝组成的平面结构或立体结构。

3.如权利要求2所述的汇聚电磁波的非均匀超材料，其特征在于，所述金属丝为铜丝或银丝。

4.如权利要求3所述的汇聚电磁波的非均匀超材料，其特征在于，所述金属丝通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法附着在基板上。

5.如权利要求1所述的汇聚电磁波的非均匀超材料，其特征在于，所述基板由陶瓷、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制得。

6.如权利要求1所述的汇聚电磁波的非均匀超材料，其特征在于，所述人造微结构为轴对称结构。

7.如权利要求6所述的汇聚电磁波的非均匀超材料，其特征在于，所述人造微结构为“工”字形、“十”字形或“王”字形。

8.如权利要求1所述的汇聚电磁波的非均匀超材料，其特征在于，所述人造微结构为非轴对称结构包括不等边三角形、平行四边形或不规则闭合曲线。