CN102760955B - 一种发散电磁波的超材料 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种发散电磁波的超材料，该超材料由多个立方体结构单元沿三维方向叠加而成，该立方体结构单元包括基材以及在基材中形成的一个或多个小孔；该超材料至少沿一个第一方向折射率呈中间最小、两边最大的变化趋势。本发明采用打孔方式来改变超材料各点的电磁参数使得电磁波通过该超材料后被发散，具有工艺简单、成本低廉且易于实现的有益效果。

Description

一种发散电磁波的超材料

技术领域

本发明涉及一种超材料，尤其涉及一种能发散电磁波的超材料。

背景技术

现有常规材料做成的发散天线等设备能实现电磁波的发散，但是存在以下缺点：体积大，不利于小型化使用；对形状的依赖性强，很难进行灵活的设计；损耗大，介质容易老化，成本较高。

目前，超材料(metamaterial)作为一种新型材料，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。目前常规的超材料均为通过在基材上周期排列人造金属微结构以达到改变超材料各点的介电常数和磁导率的目的并最终实现超材料的各种电磁特性。。

但是超材料的核心思想是通过改变超材料各点介电常数和磁导率来整体上使超材料具有特定的电磁特性。改变超材料各点介电常数和磁导率并不一定需要在超材料基材上周期排列各种各样的人造金属微结构，且在超材料基材上排列人造金属微结构工艺复杂、实现困难。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足提出一种工艺简单、成本低廉且易于实现的发散电磁波的超材料。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是提供一种发散电磁波的超材料，其由多个立方体结构单元沿三维方向叠加而成，该立方体结构单元包括基材以及在基材中形成的一个或多个小孔；该超材料至少沿一个第一方向折射率呈中间最小、两边最大的变化趋势。

沿该第一方向排布的多个立方体结构单元基材中的小孔体积呈中间最小、两边最大的变化趋势；该些小孔内填充有折射率大于该基材折射率的介质。

沿该第一方向排布的多个立方体结构单元基材中的小孔体积呈中间最大、两边最小的变化趋势；该些小孔内填充有折射率小于该基材折射率的介质。

沿该第一方向排布的多个立方体结构单元基材中的小孔体积均相同，该些小孔内分别填充有不同的介质，该些不同的介质使得该超材料的折射率沿该第一方向呈中间最小、两边最大的变化趋势。

该立方体结构单元尺寸小于所需响应的电磁波波长的五分之一。

该超材料每一立方体结构单元基材中形成一个小孔，沿该第一方向排布的多个立方体结构单元基材中的小孔尺寸呈中间最小、两边最大的变化趋势。

该超材料每一立方体结构单元基材中形成由多个体积相同的小孔，沿该第一方向的排布的多个立方体结构单元基材中的小孔数量呈中间最少、两边最多的变化趋势。

该超材料每一立方体结构单元基材中形成一个小孔，沿该第一方向排布的多个立方体结构单元基材中的小孔尺寸呈中间最大、两边最小的变化趋势。

该超材料每一立方体结构单元基材中形成由多个体积相同的小孔，沿该第一方向的排布的多个立方体结构单元基材中的小孔数量呈中间最多、两边最少的变化趋势。

该基材由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料或铁氧材料制成。

本发明采用打孔方式来改变超材料各点的电磁参数使得电磁波通过该超材料后被发散，具有工艺简单、成本低廉且易于实现的有益效果。

附图说明

图1为本发明发散电磁波的超材料原理示意图；

图2为本发明发散电磁波的超材料第一较佳实施例第一实施方式立方体结构单元示意图；

图3为本发明发散电磁波的超材料第一较佳实施例第一实施方式由立方体结构单元沿X-Y-Z方向堆叠而成的超材料结构示意图；

图4为图3所示超材料主视图；

图5为本发明发散电磁波的超材料第一较佳实施例第二实施方式主视图；

图6为本发明发散电磁波的超材料的第二较佳实施例主视图。

具体实施方式

电磁波的发散是指平行入射的电磁波在通过超材料后，电磁波的传播方向向相对的两边发散。具体原理图请参照图1。图1中，平行入射的电磁波经过超材料A后变为发散型电磁波。

整个超材料可看成多个立方体结构单元沿三维X-Y-Z方向叠加而成，由于超材料自身需对电磁产生影响，因此要求立体结构单元的尺寸需小于所需响应的电磁波波长的五分之一。优选地，每一立方体结构单元尺寸均相同且为所需响应的电磁波波长的十分之一。

超材料对电磁场的响应主要取决于各个立方体结构单元对电磁场的响应，当立方体结构单元数量足够多时，每个立方体结构单元对电磁场的响应将会叠加从而从宏观上改变入射电磁波的各个物理特性。

本领域普通技术人员可知，一束电磁波入射到介质上后会向介质之中折射率大的地方偏折，因此要实现电磁波的发散，本发明发散电磁波的超材料需至少沿一个方向如X方向其折射率是呈中间小两边大的变化趋势，而Y方向和Z方向中的任一方向其折射率不变或者也呈中间小两边大的变化趋势。要使偏折的角度大，则折射率在该方向上的由小变大的变化率要大。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为一个超材料立方体结构单元在某一电磁波频率下的介电常数，μ为此超材料立方体结构单元在该电磁波频率下的磁导率。改变各点的介电常数和磁导率即可最终达到本发明发散电磁波的目的。

达到改变各点的介电常数和磁导率并使得电磁波发散的实施方式有多种。下面详细论述两种能够达到本发明目的的实施方式。

如图2、图3、图4所示，图2为本发明发散电磁波的超材料第一较佳实施例立方体结构单元示意图、图3为本发明第一较佳实施例由立方体结构单元沿X-Y-Z方向堆叠而成的超材料结构示意图、图4为本发明第一较佳实施例主视图。图3中立方体结构单元包括基材10、在基材10中形成的小孔20，小孔20可以为通孔也可以不是通孔但其都占据基材10一定体积。本实施例以Y方向为第一方向，超材料立方体结构单元基材中形成的小孔20的体积所占基材10体积的比值沿Y方向呈中间最大两边最小的趋势，沿X和Z方向保持不变从而导致折射率沿Y方向呈中间最小两边最大的趋势，当电磁波通过超材料后电磁波的传播方向分别向折射率大的两边偏折从而实现电磁波发散的功能。

另外，小孔20中可填充介质以改变立方体结构单元的介电常数和磁导率。由于本实施例主要是通过改变小孔20占立方体结构单元的体积大小来改变介电常数和磁导率，因此本实施例中填充于各小孔20的介质是相同的但不同于基材材质，其可为空气、陶瓷、高分子材料、铁电材料或铁氧材料等。本实施例中填充的介质为空气。由于空气折射率肯定小于基材折射率，因此小孔20所占立方体结构单元的体积比值变化趋势仍然是沿Y方向呈中间最大两边最小的趋势使得超材料整体折射率沿Y方向呈中间最小两边最大的趋势。但是当小孔20中填充的介质的折射率大于基材折射率时，小孔20体积越大将导致立方体结构单元折射率越大，因此此时小孔20所占立方体结构单元的体积比值变化趋势为沿Y方向呈中间最小两边最大的趋势使得超材料整体折射率沿Y方向呈中间最小两边最大的趋势。

改变小孔20占立方体结构单元的体积有不同的实施方式。图2、图3、图4所示的即为第一实施方式。

图5为本发明第一实施例的第二实施方式主视图。立方体结构单元基材中上形成有多个小孔20，该些小孔20的尺寸和横截面图案均相同。沿Y方向排布的多个立方体结构单元基材中的小孔20的数量呈中间最多、两边最少的趋势。与第一实施方式相同的是，该些小孔20内仍可填充不同于基材材质的介质，本实施方式中填充介质为空气。由于空气折射率肯定小于基材折射率，因此立方体结构单元的小孔20数量变化趋势仍然是沿Y方向呈中间最多、两边最少的趋势使得超材料整体折射率沿Y方向呈中间最小、两边最大的趋势。但是当小孔20中填充的介质的折射率大于基材折射率时，小孔20数量越多将导致立方体结构单元折射率越大，因此此时立方体结构单元的小孔20数量变化趋势为沿Y方向呈中间最少、两边最多的趋势使得超材料整体折射率沿Y方向呈中间最小、两边最大的趋势。采用改变小孔20数量的方法来改变其所占立方体结构的体积使得超材料整体折射率更易于调节，并能节省打孔模具的开模费用。

可以想象地，小孔20的横截面图形不一定是图4、图5所表现出来的圆形，亦可往为方形、三角形、梯形等各类图形，同一块超材料各立方体结构单元基材中形成的小孔20横截面图案也不需要全部相同，只要满足本实施例的设计思想即通过改变小孔20体积并在其内填充相同的介质使得超材料整体的折射率变化趋势为中间最小、两边最大的趋势即可。

同理，若想沿X方向和Z方向均达到发散电磁波的效果，只需应用沿Y方向立方体结构单元中小孔20的分布趋势即可。

图6为本发明发散电磁波的超材料的第二较佳实施例主视图。本实施例中，立方体结构单元基材中的小孔20体积所占立方体结构单元体积的比值相同。小孔20既可以是数量相同、尺寸相同、横截面图案相同，也可以是数量不同、横截面图案不同或尺寸不同，但只需要满足所有立方体结构单元基材中所有的小孔20体积所占立方体结构单元体积的比值均相同即可。本实施例中，以立方体结构单元基材中的小孔20数量相同，均为一个，尺寸相同，横截面图案相同，均为圆形来作为较佳实施方式。本实施方式中，依然以Y方向为第一方向，仅描述折射率沿Y方向呈中间最小、两边最大的实施方式，沿X、沿Z或者沿三者的混合方向折射率呈中间最小、两边最大的实施方式可由沿Y方向折射率呈中间最小、两边最大的实施方式轻易推出。由于本实施例中基材中的小孔20数量仅为一个且尺寸均相同，因此能极大简化打孔步骤，并且通过调节填充的各类介质的折射率使得超材料整体折射率调节简单。

由于本实施方式中，各小孔20占立方体结构单元的体积比例相同，因此沿Y方向排布的多个立方体结构单元的小孔20内需填充不同的介质以改变立方体结构单元的介电常数和磁导率。要达到沿Y方向折射率呈中间最小、两边最大的目的需在沿Y方向排布的多个立方体结构单元的小孔20内填充介电常数和磁导率呈中间最小、两边最大的介质。例如依次填充碘晶体、氧化铜、水晶、石英、聚苯乙烯、氯化钠、玻璃、空气、玻璃、氯化钠、聚苯乙烯、石英、水晶、氧化铜、碘晶体。如图6所示，小孔20中阴影表示填充的介质，阴影密度越大表示该填充介质折射率越大。由于本实施例中基材中的小孔20数量仅为一个且尺寸均相同，因此能极大简化打孔步骤，并且通过调节填充的各类介质的折射率使得超材料整体折射率调节简单。

将上述第一较佳实施例的各种实施方式和第二较佳实施例的各种实施方式结合起来能方便的组合出多种可行的实施例。例如小孔20体积所占立方体结构单元体积不同且小孔20内还填充有折射率不同的各类介质等。

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)

1.一种发散电磁波的超材料，其特征在于：该超材料由多个立方体结构单元沿三维方向叠加而成，该立方体结构单元包括基材以及在基材中形成的一个或多个小孔，小孔内填充有折射率大于该基材折射率的介质；所述立方体结构单元基材中形成的小孔的体积所占基材体积的比值沿第一方向呈中间最小两边最大的趋势，沿三维方向的另两个方向保持不变，使得该超材料至少沿一个第一方向折射率呈中间最小、两边最大的变化趋势。

2.如权利要求1所述的发散电磁波的超材料，其特征在于：沿该第一方向排布的多个立方体结构单元基材中的小孔体积呈中间最小、两边最大的变化趋势；该些小孔内填充有折射率大于该基材折射率的介质。

3.如权利要求1所述的发散电磁波的超材料，其特征在于：小孔内分别填充有不同的介质，该些不同的介质使得该超材料的折射率沿该第一方向呈中间最小、两边最大的变化趋势。

4.如权利要求1所述的发散电磁波的超材料，其特征在于：该立方体结构单元尺寸小于所需响应的电磁波波长的五分之一。

5.如权利要求2所述的发散电磁波的超材料，其特征在于：该超材料每一立方体结构单元基材中形成一个小孔，沿该第一方向排布的多个立方体结构单元基材中的小孔尺寸呈中间最小、两边最大的变化趋势。

6.如权利要求1所述的发散电磁波的超材料，其特征在于：该超材料每一立方体结构单元基材中形成有多个体积相同的小孔，沿该第一方向的排布的多个立方体结构单元基材中的小孔数量呈中间最少、两边最多的变化趋势。

7.如权利要求1所述的发散电磁波的超材料，其特征在于：该基材由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料或铁氧材料制成。