CN102738592A

CN102738592A - 一种实现电磁波偏折的超材料

Info

Publication number: CN102738592A
Application number: CN2011100810217A
Authority: CN
Inventors: 刘若鹏; 徐冠雄; 季春霖; 李岳峰
Original assignee: Kuang Chi Institute of Advanced Technology; Kuang Chi Innovative Technology Ltd
Current assignee: Kuang Chi Innovative Technology Ltd
Priority date: 2011-03-31
Filing date: 2011-03-31
Publication date: 2012-10-17
Anticipated expiration: 2031-03-31
Also published as: CN102738592B

Abstract

本发明涉及一种实现电磁波偏折的超材料，所述超材料包括一功能层，所述功能层包括多个相互平行的片层，每一片层包括片状基板和附着在片状基板上的阵列排布的多个人造微结构，所述片状基板分成多个单元块，每一人造微结构与其所占据的单元块构成一个单元格，每一片层沿第一方向排布的多个单元格其折射率逐渐减小，所述每一单元格具有各向异性的电磁参数。采用本发明的超材料，可以实现电磁波的偏折。

Description

一种实现电磁波偏折的超材料

技术领域

本发明通信领域，更具体地，涉及一种实现电磁波偏折的超材料。

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实现电磁波偏折的超材料。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种实现电磁波偏折的超材料，所述超材料包括一功能层，所述功能层包括多个相互平行的片层，每一片层包括片状基板和附着在片状基板上阵列排布的多个人造微结构，所述片状基板分成多个单元块，每一人造微结构与其所占据的单元块构成一个单元格，每一片层沿第一方向排布的多个单元格其折射率逐渐减小，所述每一单元格具有各向异性的电磁参数。

进一步地，每一片层沿垂直于第一方向的第二方向排布的多个单元格其折射率相同或逐渐减小，所述超材料沿垂直于片层表面的第三方向排布的多个单元格其折射率相同或逐渐减小。

进一步地，每一片层上的多个人造微结构具有相同的图案，并且沿第一方向排布的多个人造微结构其尺寸逐渐减小。

进一步地，每一片层沿垂直于第一方向的第二方向排布的多个人造微结构其尺寸相同或逐渐减小，所述超材料沿垂直于片层表面的第三方向排布的多个人造微结构其尺寸相同或逐渐减小。

进一步地，所述人造微结构具有非90度旋转对称的图形。

进一步地，所述人造微结构为平面的I形结构或平面雪花状结构。

进一步地，每一片层沿第一方向排布的多个单元格其光轴平行。

进一步地，每一片层沿第一方向排布的多个单元格其光轴依次旋转。

进一步地，所述超材料还包括设置在功能层入射面和/或出射面上的阻抗匹配层。

实施本发明的实现电磁波偏折的超材料，具有以下有益效果：本发明使用超材料技术来实现电磁波偏折，超材料是由多个片层构成的，改变每个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，从而形成折射率非均匀的人造材料，进而实现电磁波的偏折。可见，本发明的超材料通过对人造微结构的不同设计排布，可以满足各种电磁波偏折条件的要求。并且利用单元格各向异性的特点，通过旋转其光轴，可以对电磁波出射时的位置进行控制。

附图说明

图1是本发明提供的实现电磁波偏折的超材料其功能层的结构示意图；

图2是所示为折射率椭球在xy平面的截面示意图；

图3是本发明的第一实施例其超材料功能层的结构示意图；

图4是本发明的第二实施例其超材料功能层的结构示意图；

图5是本发明所提供的实现电磁波偏折的超材料其结构示意图；

图6是平面雪花状的人造微结构的示意图。

具体实施方式

“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″所具有的三个重要特征：

(1)“超材料″通常是具有新奇人工结构的复合材料；

(2)“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)；

(3)“超材料″性质由构成材料的本征性质及其中的人造微结构共同决定。

本发明利用超材料来构建一种实现电磁波偏折的超材料。具体如下：

如图1所示，根据本发明的实现电磁波偏折的超材料包括一功能层10，所述功能层10包括多个相互平行的片层1，每一片层1包括片状基板2和附着在片状基板上阵列排布的多个人造微结构3，所述片状基板2分成多个单元块V，每一人造微结构3与其所占据的单元块V构成一个单元格4，每一片层1沿第一方向排布的多个单元格4其折射率逐渐减小，所述每一单元格4具有各向异性的电磁参数。每一单元块可以是完全相同的方块，可以是立方体，也可是长方体，每一单元块V的长、宽、高尺寸为入射电磁波波长的十分之一至五分之一之间。每一单元格4具有各向异性的电磁参数是指，单元格空间中每一点的折射率分布并不是每点都相同，其折射率呈椭球分布，此椭球称为折射率椭球。对于任一给定的单元格，可通过现有技术的模拟仿真软件和计算方法算出其折射率椭球，例如参考文献Electromagnetic parameter retrieval frominhomogeneous metamaterials，D.R.Smith，D.C.Vier，T.Koschny，C.M.Soukoulis，Physical Review E 71，036617(2005)中记载的方法。图1中的第一方向是指图中的x轴方向。

对于具有平面结构的人造微结构，各向同性，是指对于在该二维平面上以任一角度入射的任一电磁波，上述人造微结构在该平面上的电场响应和磁场响应均相同，也即介电常数和磁导率相同；对于具有三维结构的人造微结构，各向同性是指对于在三维空间的任一方向上入射的电磁波，每个上述人造微结构在三维空间上的电场响应和磁场响应均相同。当人造微结构为90度旋转对称结构时，人造微结构即具有各向同性的特征。

对于二维平面结构，90度旋转对称是指其在该平面上绕一垂直于该平面且过其对称中心的旋转轴任意旋转90度后与原结构重合；对于三维结构，如果具有两两垂直且共交点(交点为旋转中心)的3条旋转轴，使得该结构绕任一旋转轴旋转90度后均与原结构重合或者与原结构以一分界面对称，则该结构为90度旋转对称结构。

相应地，如果人造微结构不满足平面或三维的90度旋转对称(非90度旋转对称)，则其是各向异性(同样有二维的各向异性与三维的各向异性)。

如图2所示为折射率椭球的在电磁波的入射方向的xy平面的截面示意图(以I形人造微结构为例)，此截面为一个椭圆，n_e轴表示此折射率椭球5的光轴，设定二维平面坐标原点O在折射率椭球的中心上，以n_e轴为y轴，与y轴垂直的方向为x轴，折射率椭球在xy平面上的任意一点用n_x，n_y表示，做为公知常识我们知道，通过此折射率椭球的光的波其传播常数k在y轴与x轴方向的两个分量可以由以下两个公式表示，即k_y□n_xω/c，k_x□n_yω/c；其中，ω为电磁波的角频率，c为光速；通过坐标变换，我们可以得到传播常数k在此单元格中也是呈椭圆分布的，并且其椭圆与折射率椭球在此xy平面的椭圆为相同的形状，且位置上正交。同理，我们可以得到传播常数k在三维空间中也是呈椭球分布的，其与折射率椭球的关系为，形状相同且正交。定义k的这个椭球为波传播椭球6。可见，波传播椭球6与折射率椭球5形状相同(尺寸不一定相同)，且波传播椭球6的长轴方向为折射率椭球的短轴方向，而波传播椭球6的短轴方向为折射率椭球的长轴方向。图2中的x、y轴仅是为了推导出波传播椭球6所做的定义，与其它附图不同。

电磁波经过单元格4后的偏折方向可通过波传播椭球画出来。如图2所示，对于如图2中所示方向入射的电磁波，与要出射的波传播椭球6的面上一点相交，做此相交点关于波传播椭球6的切线，自相交点做的切线的法线方向即为电磁波的能量s传播方向，因此电磁波在超材料内部能量s沿此方向传播。电磁波沿此方向前进直至离开超材料时，所述法线延伸至与电磁波分裂元件的一表面也即出射面相交后，自出射面上的交点继续沿与入射方向平行的方向出射，此出射方向为电磁波相位传播方向。也就是说，各向异性超材料，能改变通过其中的电磁波的能量传播方向，而不改变其相位传播方向，电磁波出射时发生平移。当然，这里有一个前提，就是超材料中的折射率分布均匀，此处的均匀是指，每一单元格具有相同的折射率椭球。

对于折射率分布不均匀、且对电磁波呈各向异性的超材料，电磁波穿过这样的超材料后其能量传播方向和相位传播方向都会改变。其中，相位传播方向由折射率的非均匀分布决定，而能量传播方向由各向异性的单元格光轴的分布决定。

本发明的所述每一片层1具有前、后平行的两个表面，因而每片层均为一厚度均匀的片层。本发明中所涉及的第一方向指的是每一片层1上阵列排布的人造微结构3的列的方向，第二方向是指上述阵列的行的方向，以下的第三方向是指垂直于片层表面的方向。各附图中(图2除外)，第一方向、第二方向及第三方向分别用三维坐标系的x轴、y轴及z轴方向表示。

折射率可以表示电磁波传播方向的改变，已知折射率

其中μ为磁导率，ε为介电常数。实验证明，电磁波通过超材料时，会向折射率大的方向偏折。由此，在磁导率μ不改变的条件下，通过改变ε可以得到我们想要的折射率，因此通过合理设计功能层10中内部每一单元格的介电常数，可以得到任意我们想要的偏折效果。

图3所示为本发明第一实施的超材料功能层10的结构示意图，所述人造微结构3为I形的金属微结构，所述功能层10的每一片层1上的人造微结构3呈矩形阵列排布，每一片层1上的多个人造微结构3具有相同的I形图案，并且沿y轴方向排布的多个人造微结构3其尺寸逐渐减小，而沿x轴方向排布的多个人造微结构3其尺寸保持不变。通过实验得到，同一图案的金属微结构在同一单元格中所表现出来的介电常数与其尺寸成正比。困此，本实施例中，人造微结构尺寸的规律排布实际上是单元格4的介电常数的规律排布，并且在磁导率不变的情况下，即可视为是单元格4折射率的规律分布。因此，本实施例中，每一列上的多个单元格4的折射率沿y方向逐渐减小，而沿x方向的多个单元格4其折射率保持不变。

另外，本实施中，沿z轴方向排布的多个单元格4其人造微结构3的尺寸也保持不变，因此，沿z轴方向排布的多个单元格4的折射率也保持不变。

同时，本实施例中，所有单元格4的光轴方向平行，且与x轴方向具有一不为零的夹角。光轴的方向即波传播椭球的短轴方向，因此，也可以这么说，即波传播椭球的短轴方向与x轴方向具有一不为零的夹角。

本实施例中，由于每一列的单元格的折射率规律相同，因此，每一单元格都对电磁波有偏折作用(使得电磁波始终向同一个方向偏折)，电磁波通过多个单元格后，偏折效果得到累加，并且由于每个单元格各向异性的特性，使得电磁波的出射位置可以得到控制，即通过控制光轴与x轴的角度，可以控制电磁的出射位置。

图4所示为本发明第二实施的超材料功能层的结构示意图，与实施例一不同的是，本实施例中，每一片层1上的单元格4的光轴方向不平行，呈依次旋转形态，如图4所示，片层1折射率最大的位置其光轴方向(图中波传播椭球的短轴方向)与x轴方向的夹角为0度。片层11折射率最小的位置，光轴方向与x轴方向的夹角为90度。本实施例中，由于每一列的单元格的折射率规律相同，因此，每一单元格都对电磁波有偏折作用(使得电磁波始终向同一个方向偏折)，电磁波通过多个单元格后，偏折效果得到累加，并且由于每个单元格各向异性的特性，使得电磁波的出射位置可以得到控制，例如可以使得电磁波更加的收拢，达到能量更为集中的目的。即利用各向异性的偏折技术来偏折电磁波，比单纯的利用折射的非均匀(各向同性的非均匀)来实现偏折，具有附加的效果，例如使得电磁波更加的发散、更加的收拢或是使得电磁波偏折的同时，实现电磁波的分裂。

本发明的功能层10的片状基板2可以采用陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制成。上述的高分子材料可以是聚四氟乙烯。聚四氟乙烯的电绝缘性非常好，因此不会对电磁波的电场产生干扰，并且具有优良的化学稳定性、耐腐蚀性，使用寿命长，作为金属微结构附着的基材是很好的选择。当然，上述的高分子材料也可是FR-4、F4b等复合材料。

本发明的人造微结构，优选地，采用金属微结构，所述金属微结构为具有一定图案的金属线。例如，铜线或银线等金属线。上述的金属线可以通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法附着在片状基板上。当然，也可以采用三维的激光加工工艺。

另外，图1至4采用的是I形的人造微结构，I形是各向异性的一种比较简单的结构，除此之外，本发明的人造微结构还可以是如图6所示的平面雪花状结构。当然，不管是I形人造微结构，还是如图6所示的平面雪花叛乱的人造微结构，只要其具有各向异性(非旋转90度对称的图形)的特性即可。

我们知道，当电磁波在同一介质传播时，基本没有能量的损失；而当电磁波经过不同介质的分界面时，会发生部分反射现象。通常两边介质的阻抗差距越大反射就会越大。由于部分电磁波的反射，沿传播方向的电磁能量就会相应损耗，严重影响电磁信号传播的距离和传输信号的质量。

因此，本发明中，如图5所示，在上述的两个实施例中，所述超材料还可以包括设置在功能层10入射面和/或出射面上的阻抗匹配层。优选地，在入射面和出射面上都设有阻抗匹配层(201，202)。本发明通过以下方法实现阻抗匹配，即，位于入射侧的阻抗匹配层201的与入射侧介质(例如空气)相接触的那一侧的阻抗与入射介质的阻抗接近，而入射侧阻抗匹配层201的靠近功能层10的一侧其阻抗与功能层10的入射侧阻抗接近，且入射侧阻抗匹配层201的阻抗沿垂直于功能层的方向其阻抗连续变化。而位于出射侧的阻抗匹配层202与出射侧介质(例如空气)相接触的那一侧的阻抗与出射介质接近，而出射侧阻抗匹配层202的靠近功能层10的一侧其阻抗与功能层10的出射侧阻抗接近，且出射侧阻抗匹配层的阻抗沿垂直于功能层的方向其阻抗连续变化。我们知道，不同介质分界面其阻抗差值越大，反射越强，因此，通过上述的阻抗匹配层(201，202)，可以消除阻抗突变，进而消除电磁波经过不同介质分界面时的反射现象以及电磁波能量损耗问题。

上述的阻抗匹配层也可以是一种超材料，其与功能层有类似的结构。当然也可以是其它具有类似功能的材料。另外，本文所说的阻抗指的是波阻抗。由公式阻抗

我们知道只要改变磁导率与介电常数的比值，就可以改变阻抗。因此，在阻抗匹配层的磁导率均匀分布的情况下，通过介电常数的分布可以实现阻抗匹配层内部阻抗分布，也就是说阻抗匹配层内部的阻抗分布是可以人为设计的。

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

1.一种实现电磁波偏折的超材料，其特征在于，所述超材料包括一功能层，所述功能层包括多个相互平行的片层，每一片层包括片状基板和附着在片状基板上阵列排布的多个人造微结构，所述片状基板分成多个单元块，每一人造微结构与其所占据的单元块构成一个单元格，每一片层沿第一方向排布的多个单元格其折射率逐渐减小，所述每一单元格具有各向异性的电磁参数。

2.根据权利要求1所述的实现电磁波偏折的超材料，其特征在于，每一片层沿垂直于第一方向的第二方向排布的多个单元格其折射率相同或逐渐减小，所述超材料沿垂直于片层表面的第三方向排布的多个单元格其折射率相同或逐渐减小。

3.根据权利要求2所述的实现电磁波偏折的超材料，其特征在于，每一片层上的多个人造微结构具有相同的图案，并且沿第一方向排布的多个人造微结构其尺寸逐渐减小。

4.根据权利要求3所述的实现电磁波偏折的超材料，其特征在于，每一片层沿垂直于第一方向的第二方向排布的多个人造微结构其尺寸相同或逐渐减小，所述超材料沿垂直于片层表面的第三方向排布的多个人造微结构其尺寸相同或逐渐减小。

5.根据权利要求4所述的实现电磁波偏折的超材料，其特征在于，所述人造微结构具有非90度旋转对称的图形。

6.根据权利要求5所述的实现电磁波偏折的超材料，其特征在于，所述人造微结构为平面的I形结构或平面雪花状结构。

7.根据权利要求1所述的实现电磁波偏折的超材料，其特征在于，每一片层沿第一方向排布的多个单元格其光轴平行。

8.根据权利要求1所述的实现电磁波偏折的超材料，其特征在于，每一片层沿第一方向排布的多个单元格其光轴依次旋转。

9.根据权利要求1所述的实现电磁波偏折的超材料，其特征在于，所述超材料还包括设置在功能层入射面和/或出射面上的阻抗匹配层。