CN102769193B - 具有电磁波发散功能的超材料 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有电磁波发散功能的超材料，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在中间位置具有一折射率最小的第一区域，该第一区域具有一个单元格或相同折射率的多个单元格，该第一区域两侧的单元格的折射率分别沿背离该第一区域的方向逐渐增大，且所述每一单元格具有各向异性的电磁参数。根据本发明的超材料，能够实现电磁波的发散，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。

Description

具有电磁波发散功能的超材料

技术领域

本发明属于通信领域，更具体地，涉及一种具有电磁波发散功能的超材料。

背景技术

现有技术中利用发散天线可以实现电磁波的发散，发散天线不但体积比较大而且重量较重，且对于形状有很大的依赖性，很难进行灵活的设计，同时损耗很大，介质容易老化，成本较高，不利于小型化的使用。

利用透镜也可以实现电磁波的发散，但是透镜的曲面加工比较困难，并且成本高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的发散元件成本高、加工复杂等缺陷，提供一种成本低、设计简单的具有电磁波发散功能的超材料。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种具有电磁波发散功能的超材料，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在中间位置具有一折射率最小的第一区域，该第一区域具有一个单元格或相同折射率的多个单元格，该第一区域两侧的单元格的折射率分别沿背离该第一区域的方向逐渐增大，且所述每一单元格具有各向异性的电磁参数。

进一步地，同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。

进一步地，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在中间位置具有一折射率最小的第二区域，该第二区域具有一个单元格或相同折射率的多个单元格，该第二区域两侧的单元格的折射率分别沿背离该第二区域的方向逐渐增大。

进一步地，所述第一区域两侧的单元格的折射率以第一区域为中心对称分布，所述第二区域两侧的单元格的折射率以第二区域为中心对称分布。

进一步地，每一片层上位于第一区域的单元格其光轴与第二方向平行，位于第一区域同一侧的所有单元格其光轴平行，且两侧单元格的光轴相对于第一区域对称。

进一步地，每一片层沿第一方向排布的多个单元格其光轴由第一区域向两边依次旋转，并且沿第二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中处于第一区域中的单元格其光轴与第二方向平行，处于两端的两个单元格其光轴与第一方向平行。

进一步地，每一片层上的多个人造微结构具有相同的图形，并且沿第一方向排布的多个人造微结构中尺寸最小的人造微结构位于第一区域，该第一区域两侧的人造微结构分别沿背离该第一区域的方向尺寸逐渐增大。

进一步地，每一片层沿第二方向排布的多个人造微结构其尺寸相同。

进一步地，所述超材料沿第三方向排布的多个人造微结构中尺寸最小的人造微结构位于第二区域，该第二区域两侧的人造微结构的分别沿背离该第二区域的方向尺寸逐渐增大。

进一步地，所述人造微结构呈非90度旋转对称的图形。

进一步地，所述人造微结构为平面的工字形结构或平面雪花状结构。

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。

根据本发明的超材料，利用超材料所有单元格折射率的合理分布，能够实现电磁波的发散，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是本发明的第一实施例其超材料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电磁波发散示意图；

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是本发明的第二实施例其超材料功能层的电磁波发散示意图；

图6是本发明所提供的超材料功能层与阻抗匹配层的组装示意图；

图7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。

本发明利用超材料技术来构建一种具有电磁波发散功能的超材料。具体如下：

如图1所示，根据本发明的具有电磁波发散功能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2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其在中间位置具有一折射率最小的第一区域S1，该第一区域S1具有一个单元格或相同折射率的多个单元格，该第一区域S1两侧的单元格的折射率分别沿背离该第一区域S1的方向逐渐增大，且所述每一单元格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五分之一以下(通常为波长的十分之一)，以使得整个超材料对电磁波具有连续的电场和/或磁场响应。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Electromagneticparameter retrieval from inhomogeneous metamaterials，D.R.Smith，D.C.Vier，T.Koschny，C.M.Soukoulis，Physical Review E 71，036617(2005)中记载的方法。上述的第一方向是指图1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(以工字形人造微结构为例)，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，所述法线延伸至与片层的一表面(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，而能量传播方向则由折射率的非均匀分布以及各向异性的单元格光轴的分布共同决定。

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，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，k取正负1(当k等于负1时，表示负折射)。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，通过改变介电常数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发散效果。

图1所示为本发明第一实施例的超材料功能层10的结构示意图，所述人造微结构3为工字形的金属微结构，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具有相同的工字形图形，并且沿x轴方向排布的多个人造微结构3中尺寸最小的人造微结构位于第一区域S1，而沿y轴方向排布的多个人造微结构3其尺寸保持不变。图1与图3表示的实施例中，S1为一个单元格，但是，根据不同需要，第一区域S1也可以是多个具有相同尺寸的人造微结构的单元格。通过实验得到，同一图形的人造微结构在同一单元格中所表现出来的介电常数随着其尺寸增大而增大。因此，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，每一片层沿x方向排布的多个单元格其在正中间位置具有一折射率最小的单元格，该单元格两侧的单元格的折射率分别沿背离该第一区域的方向逐渐增大，而沿y方向排布的多个单元格4其折射率保持不变。

另外，如图3所示，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。并且，本实施例中，所述第一区域S1两侧的人造微结构以第一区域S1的中央位置为对称轴对称设置，以使得所述第一区域S1两侧的单元格(沿x方向排布的单元格)的折射率以第一区域S1为中心对称分布。

同时，如图3所示，本实施例中，每一片层上位于第一区域S1的单元格其光轴与y方向平行，位于第一区域S1同一侧的所有单元格其光轴平行，且两侧单元格的光轴相对于第一区域S1对称设置。第一区域S1两侧的光轴方向与y方向不平行。

本实施例中，由于每一列(x方向)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发散作用(使得电磁波始终从片层的中间位置向两侧位置偏折)，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3表示出平行的电磁波通过超材料功能层后实现发散的示意图。

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，所述人造微结构3为工字形的金属微结构，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具有相同的工字形图形，并且沿x轴方向排布的多个人造微结构3中尺寸最小的人造微结构位于第一区域S1，而沿y轴方向排布的多个人造微结构3其尺寸保持不变。图4表示的实施例中，S1为一个单元格，但是，根据不同需要，第一区域S1也可以是多个具有相同尺寸的人造微结构的单元格。

与实施例一不同的是，如图4及图5所示，本实施例中，每一片层1沿x方向排布的多个单元格4其光轴由第一区域S1向两边依次旋转，并且沿y方向排布的多个单元格其光轴平行。每一片层1沿x方向排布的多个单元格中处于第一区域S1中的单元格4其光轴与y方向平行，处于两端的两个单元格4其光轴与x方向平行。另外，本实施例中，所述超材料沿z方向排布的多个人造微结构3中尺寸最小的人造微结构3位于第二区域S2，该第二区域S2两侧的人造微结构分别沿背离该第二区域的方向尺寸逐渐增大。所述第二区域S2两侧的人造微结构3以第二区域S2的中央位置为对称轴对称设置，以使得所述第二区域S2两侧的单元格(沿z方向排布的单元格)的折射率以第二区域S2为中心对称分布。这就是说，功能层10所有片层1具有相同的折射率分布规律，但是，折射率的值并不相同。第二区域S2实际上位于最中间的那个片层100上。

本实施例中，由于功能层10在x与z方向上具有同样的折射率分布规律，因此，通过合理设计每一单元格的折射率，可以实现发散。另外，由于光轴的特殊排布，可以使得电磁波更加的发散，达到电磁波更大的区域覆盖。另外，相比于第一实施例，由于光轴是有序的依次旋转的，不会造成电磁波的分裂。

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形的金属线。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5采用的是工字形的人造微结构，工字形呈非90度旋转对称图形，工字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7所示的平面雪花状结构。当然，不管是工字形人造微结构，还是如图7所示的平面雪花状的人造微结构，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6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 (10)

1.一种具有电磁波发散功能的超材料，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在中间位置具有一折射率最小的第一区域，该第一区域具有一个单元格或相同折射率的多个单元格，该第一区域两侧的单元格的折射率分别沿背离该第一区域的方向逐渐增大，且所述每一单元格具有各向异性的电磁参数，同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；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在中间位置具有一折射率最小的第二区域，该第二区域具有一个单元格或相同折射率的多个单元格，该第二区域两侧的单元格的折射率分别沿背离该第二区域的方向逐渐增大；所述第一区域两侧的单元格的折射率以第一区域为中心对称分布，所述第二区域两侧的单元格的折射率以第二区域为中心对称分布。

2.根据权利要求1所述的具有电磁波发散功能的超材料，其特征在于，每一片层上位于第一区域的单元格其光轴与第二方向平行，位于第一区域同一侧的所有单元格其光轴平行，且两侧单元格的光轴相对于第一区域对称。

3.根据权利要求1所述的具有电磁波发散功能的超材料，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由第一区域向两边依次旋转，并且沿第二方向排布的多个单元格其光轴平行。

4.根据权利要求3所述的具有电磁波发散功能的超材料，其特征在于，每一片层沿第一方向排布的多个单元格中处于第一区域中的单元格其光轴与第二方向平行，处于两端的两个单元格其光轴与第一方向平行。

5.根据权利要求2至4任意一项所述的具有电磁波发散功能的超材料，其特征在于，每一片层上的多个人造微结构具有相同的图形，并且沿第一方向排布的多个人造微结构中尺寸最小的人造微结构位于第一区域，该第一区域两侧的人造微结构分别沿背离该第一区域的方向尺寸逐渐增大。

6.根据权利要求5所述的具有电磁波发散功能的超材料，其特征在于，每一片层沿第二方向排布的多个人造微结构其尺寸相同。

7.根据权利要求6所述的具有电磁波发散功能的超材料，其特征在于，所述超材料沿第三方向排布的多个人造微结构中尺寸最小的人造微结构位于第二区域，该第二区域两侧的人造微结构分别沿背离该第二区域的方向尺寸逐渐增大。

8.根据权利要求5所述的具有电磁波发散功能的超材料，其特征在于，所述人造微结构呈非90度旋转对称的图形。

9.根据权利要求8所述的具有电磁波发散功能的超材料，其特征在于，所述人造微结构为平面的工字形结构或平面雪花状结构。

10.根据权利要求1所述的具有电磁波发散功能的超材料，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。