CN102790273B - 实现电磁波全方位辐射的超材料 - Google Patents

Abstract

本发明实施例涉及一种实现电磁波全方位辐射的超材料，该超材料包括两个紧密贴合的具有发散电磁波功能的超材料面板，两个超材料面板的折射率分布不同。在超材料面板的入射面折射率呈环状分布且相同半径处的折射率相同，超材料面板包括一个圆形区域和多个环形区域，在各个区域内折射率随着半径的增大连续增大，且存在两个相邻的区域，其中靠近圆心的区域的最大折射率大于另一个区域的最小折射率，在两个超材料面板的交界处透射的电磁波和反射的电磁波的能量相同。本发明的超材料可对电磁波源的辐射角度进行调制，以实现360度全方位的电磁波辐射，该超材料体积较小、重量轻、使用方便灵活、成本较低、制造工艺简单、适于大规模生产。

Description

实现电磁波全方位辐射的超材料

技术领域

本发明涉及超材料领域，尤其涉及一种实现电磁波全方位辐射的超材料。

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发散是利用发散天线完成的，发明人在实施本发明过程中，发现现有技术的发散天线至少存在如下技术问题：发散天线不但体积比较大而且较重，不利于小型化的使用；对于形状也有很大的依赖性，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，提供一种实现电磁波全方位辐射的超材料，其体积较小、重量轻、使用方便灵活、成本较低。

为解决上述技术问题，提供了一种实现电磁波全方位辐射的超材料，包括：紧密贴合的第一超材料面板和第二超材料面板，所述第一超材料面板和第二超材料面板均包括至少一个超材料片层，所述超材料片层包括片状的基板和设置在所述基板上的多个人造微结构，所述超材料片层包括多个区域，所述多个区域包括一个圆形区域和多个与圆形区域同心的环形区域，每个区域内折射率随着半径的增大连续增大且相同半径处的折射率相同，构成同一超材料面板的超材料片层的折射率分布均相同，两个超材料面板的折射率分布不同，第一超材料面板和第二超材料面板的多个区域中均至少存在两个相邻的区域，所述两个相邻的区域中靠近圆心的区域的最大折射率大于另一个区域的最小折射率，在两个超材料面板的交界处透射的电磁波和反射的电磁波的能量相同。

上述技术方案至少具有如下有益效果：本发明的超材料包括两个具有发散电磁波功能的超材料面板，在两面板的交界处透射的电磁波和反射的电磁波的能量相同。该超材料可对电磁波源的辐射角度进行调制，以实现360度全方位的电磁波辐射，该超材料体积较小、重量轻、使用方便灵活、成本较低、制造工艺简单、适于大规模生产。

附图说明

图1是本发明的实现电磁波全方位辐射的超材料发散电磁波的示意图。

图2是本发明的实现电磁波全方位辐射的超材料的结构示意图。

图3是图2所示的第一超材料面板在yz平面上的折射率分布图。

图4是图2所示的第二超材料面板在yz平面上的折射率分布图。

图5是图2所示的第一超材料面板和第二超材料面板的折射率随半径变化的示意图。

图6是图2所示的第一人造微结构衍生的第二实施例的结构示意图。

图7是图2所示的第二人造微结构衍生的第三实施例的结构示意图。

具体实施方式

超材料是一种以人造微结构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，包括人造微结构和供人造微结构附着的基板1。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，多个人造微结构在基板1上阵列排布，每个人造微结构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的特征所决定，而人造微结构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进行设置。

本发明的超材料用于实现电磁波源30的全方位辐射，如图1所示为该超材料发散电磁波的示意图。本实施例中该超材料包括：紧密贴合的具有电磁波发散功能的第一超材料面板10和第二超材料面板20，第一超材料面板10和第二超材料面板20均由至少一个超材料片层构成。电磁波源30发出的球面形式的电磁波射入到超材料后在第一超材料面板10和第二超材料面板20的分界处时，一部分电磁波大角度发散射出，另一部分电磁波经反射后往反方向大角度发散射出，以实现电磁波源30的全方位辐射。

要使电磁波源30全方位辐射，超材料须具备两个条件，其一是构成超材料的第一超材料面板10和第二超材料面板20均具有发散电磁波的功能。作为公知常识我们可知，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，通过设计超材料中每一点的电磁参数，就可对超材料的折射率分布进行调整，进而达到改变电磁波的传播路径的目的。而超材料对电磁响应的特征是由人造微结构的特征所决定，而人造微结构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。根据上述原理设计第一超材料面板10所附着的第一人造微结构12的形状、几何尺寸以及分布，就可对第一超材料面板10中每一点的电磁参数进行设计，进而实现第一超材料面板10对电磁波的发散功能；同理可设计第二超材料面板20所附着的第二人造微结构22的形状、几何尺寸以及分布，对第二超材料面板20中每一点的电磁参数进行设计，进而实现第二超材料面板20对电磁波的发散功能。

作为使电磁波源30全方位辐射的较佳的实施例，须具备另一个条件，即在第一超材料面板10和第二超材料面板20的交界处透射的电磁波和反射的电磁波的能量相同。作为公知常识可知，为了使两超材料面板交界处透射的电磁波和反射的电磁波的能量相同，第一超材料面板10和第二超材料面板20在交界处的折射率分别为N1和N2，且N1和N2存在如下关系：

${\left(\frac{N1-N2}{N1+N2}\right)}^2=\frac{1}{2}---\left(1\right)$

根据上述原理设计附着在第一超材料面板10上的第一人造微结构12和附着在第二超材料面板20上的第二人造微结构22，并通过计算和仿真得出其介电常数和磁导率，然后不断调整第一人造微结构12和第二人造微结构22的形、尺寸以及其分别在第一超材料面板10和第二超材料面板20分布，直到其介电常数和磁导率的满足上述折射率分布即可实现电磁波的全方位辐射。

图2所示为本发明的超材料的较佳实施例。本实施例中超材料包括：紧密贴合的第一超材料面板10和第二超材料面板20。为了清楚起见下面分别对第一超材料面板10和第二超材料面板20的结构进行详细说明。本实施例中第一超材料面板10包括多个第一超材料片层13，具体实施时，第一超材料片层13的数目可依据需求来进行设计。每个第一超材料片层13包括片状的基板1和附着在基板1上的多个第一人造微结构12，每个第一人造微结构12以及其所附着的基板1所占部分即为一个超材料单元。每个第一超材料片层13由多个超材料单元阵列形成，整个第一超材料面板10可看作是由多个超材料单元沿X、Y、Z三个方向阵列排布而成。本发明所采用的第一超材料面板10中，每个超材料单元的边长为入射电磁波波长的1/5到1/10之间。每个第一超材料片层13的折射率分布均相同，这里仅对一个第一超材料片层13的折射率分布规律进行详细说明。第一超材料片层13包括：一个圆形区域和多个与圆形区域同心的环形区域，圆形区域和环形区域内折射率随着半径的增大连续增大且相同半径处的折射率相同；多个区域中至少存在两个相邻的区域，且两个相邻的区域中靠近圆心的区域的最大折射率大于另一个区域的最小折射率。即，如图1所示存在的两个相邻的第一区域及第二区域，第一区域内超材料的折射率随着半径的增大从n1连续增大到n2，第二区域内超材料折射率随着半径的增大从n3连续增大到n4，且n2＞n3，两区域相邻处存在折射率跳变。如图2所示第一超材料面板10由多个折射率分布规律相同的第一超材料片层13堆叠形成，所以第一超材料面板10的在yz平面的折射率呈环状分布。为了更直观的表示第一超材料片层13在yz面上折射率折射率分布规律，将折射率相同的超材料单元连成一条线，并用线的疏密来表示折射率的大小，线越密折射率越大，则符合以上规律的第一超材料片层13的折射率分布如图3所示，图中第一超材料片层13包括3个区域，沿半径增大的方向第一区域的折射率从a₁连续增大到a_n，第二区域的折射率从b₁连续增大到b_n，第三区域的折射率从c₁连续增大到c_n，且a_n≥b₁，b_n≥c₁。

同理，如图2所示第二超材料面板20包括多个第二超材料片层23，具体实施时，第二超材料片层23的数目可依据需求来进行设计。每个第二超材料片层23包括片状的基板1和附着在基板1上的多个第二人造微结构22，每个第二人造微结构22以及其所附着的基板1所占部分即为一个超材料单元。每个第二超材料片层23由多个超材料单元阵列形成，整个第二超材料面板20可看作是由多个超材料单元沿X、Y、Z三个方向阵列排布而成。本实施例的第二超材料面板20，每个超材料单元的边长为入射电磁波波长的1/5到1/10之间。每个第二超材料片层23的折射率分布均相同，这里仅对一个第二超材料片层23的折射率分布规律进行详细说明。第二超材料片层23包括：一个圆形区域和多个与圆形区域同心的环形区域，圆形区域和环形区域内折射率随着半径的增大连续增大且相同半径处的折射率相同；多个区域中至少存在两个相邻的区域，且两个相邻的区域中靠近圆心的区域的最大折射率大于另一个区域的最小折射率。即，如图1所示存在的两个相邻的第三区域及第四区域，第三区域内超材料的折射率随着半径的增大从m1连续增大到m2，第四区域内超材料折射率随着半径的增大从m3连续增大到m4，且m2＞m3，两区域相邻处存在折射率跳变。如图2所示第二超材料面板20由多个折射率分布规律相同的第二超材料片层23堆叠形成，所以第二超材料面板20的在yz平面的折射率呈环状分布。为了更直观的表示第二超材料片层23在yz面上折射率折射率分布规律，将折射率相同的超材料单元连成一条线，并用线的疏密来表示折射率的大小，线越密折射率越大，则符合以上规律的第二超材料片层23的折射率分布如图4所示，图中第二超材料片层23包括3个区域，沿半径增大的方向第一区域的折射率从A₁连续增大到A_n，第二区域的折射率从B₁连续增大到B_n，第三区域的折射率从D₁连续增大到D_n，且A_n≥B₁，B_n≥D₁。

图5是图2所示的第一超材料面板10和第二超材料面板20的折射率随半径变化的示意图。如图5所示第一超材料面板10包括3个区域，第一区域内沿半径增大的方向每个超材料单元的折射率依次为a₁、a₂、a₃......a_n；第二区域内沿半径增大的方向每个超材料单元的折射率依次为b₁、b₂、b₃......b_n；第三区域内沿半径增大的方向每个超材料单元的折射率依次为c₁、c₂、c₃......c_n；且各个折射率满足：

a₁≤a₂≤a₃≤……≤a_n    (2)

b₁≤b₂≤b₃≤……≤b_n    (3)

c₁≤c₂≤c₃≤……≤c_n    (4)

其中a_n＞b₁，b_n＞c₁，n为不小于2的自然数，式(2)(3)(4)均不同时取等号。

与第一超材料面板10相对应，第二超材料面板20包括3个区域，第一区域内沿半径增大的方向每个超材料单元的折射率依次为A₁、A₂、A₃......A_n；第二区域内沿半径增大的方向每个超材料单元的折射率依次为B₁、B₂、B₃......B_n；第三区域内沿半径增大的方向每个超材料单元的折射率依次为D₁、D₂、D₃......D_n；且各个折射率满足：

A₁≤A₂≤A₃≤……≤A_n    (5)

B₁≤B₂≤B₃≤……≤B_n    (6)

D₁≤D₂≤D₃≤……≤D_n    (7)

其中A_n＞B₁，B_n＞D₁，n为不小于2的自然数，式(5)(6)(7)均不同时取等号。

在两超材料面板的交界处，第一超材料面板10和第二超材料面板20对应的超材料单元的折射率a₁和A₁、a₂和A₂、a₃和A₃，......，c_n-1和D_n-1、c_n和D_n均满足上述关系式(1)。

实验证明，相同图案的人造微结构，其几何尺寸与介电常数成ε正比，因此在入射电磁波确定的情况下，通过合理设计第一人造微结构12和第二人造微结构22的拓扑图案、尺寸以及其在第一超材料片层13和第二超材料片层23上的排布，就可以对第一超材料面板10和第二超材料面板20的折射率分布进行调节以满足上述折射率关系，进而实现电磁波源30的全方位辐射。

实现上述折射率分布关系的第一人造微结构12和第二人造微结构22有很多种可实现方式，对于平面结构的第一人造微结构12和第二人造微结构22，其几何形状可以是轴对称也可以非轴对称；对于三维结构，其可以是非90度旋转对称的任意三维图形。

如图2所示平面的第一人造微结构12和第二人造微结构22均附着在片状基材1的表面上。图中第一人造微结构12呈“工”字形，包括竖直的第一金属丝1201和分别连接在第一金属丝1201两端且垂直于第一金属丝1201的第二金属丝1202。第一超材料面板10由多个相同的第一超材料片层13构成，每个第一超材料片层13的yz平面上包括一个圆形区域和多个与圆形区域同心的环形区域，每个区域内“工”字形的第一人造微结构12的尺寸随着半径的增大连续增大，且相同半径处的第一人造微结构12的尺寸相同；多个区域中至少存在两个相邻的第一区域和第二区域，这两个相邻区域内第一人造微结构12的尺寸变化范围交集为非空，即沿着半径增大的方向至少依次存在两个相邻的第一区域和第二区域，第一区域内最大的第一人造微结构12的尺寸大于第二区域内最小的第一人造微结构12的尺寸。

图中第二人造微结构22呈“雪花”形，包括相互垂直而连接成“十”字形的两个第四金属丝2201和分别连接在每个第四金属丝2201两端且垂直于第四金属丝2201的第五金属丝2202。第二超材料面板20由多个相同的第二超材料片层23构成，每个第二超材料片层23的yz平面上包括一个圆形区域和多个与圆形区域同心的环形区域，每个区域内“雪花”形的第二人造微结构22的尺寸随着半径的增大连续增大，且相同半径处的第二人造微结构22的尺寸相同；多个区域中至少存在两个相邻的第一区域和第二区域，这两个相邻区域内第二人造微结构22的尺寸变化范围交集为非空，即沿着半径增大的方向至少依次存在两个相邻的第一区域和第二区域，第一区域内最大的第二人造微结构22的尺寸大于第二区域内最小的第二人造微结构22的尺寸。

需要说明的是，由于实际上超材料单元是一个立方体而非一个点，因此上述圆形、环形只是近似描述，实际上的折射率相同或基本相同的超材料单元是在一个锯齿形圆周上分布的。其具体设计类似于计算机用方形像素点绘制圆形、椭圆形等平滑曲线时进行描点的编程模式(例如OpenGL)，当像素点相对于曲线很小时曲线显示为光滑，而当像素点相对于曲线较大时曲线显示有锯齿。

图6所示实施例是图3所示“工”字形的第一人造微结构12的衍生，图6中的衍生的人造微结构不仅包括构成“工”字形的第一金属丝1201和第二金属丝1202，还包括分别连接在第二金属丝1202两端且垂直于第二金属丝1202的第三金属丝1203。依此类推，以“工”字形为基本结构还可以衍生出多种不同结构的人造微结构。

图7所示实施例是图3所示“雪花”形第二人造微结构22的衍生，图7中的衍生的人造微结构除了第四金属丝2201和第五金属丝2202外，还包括分别连接在每个第五金属丝2202两端且垂直于第五金属丝2202的第六金属丝2203。依此类推，以“雪花”形为基本结构还可以衍生出多种不同结构的人造微结构。

应当理解，本发明实施例的实现电磁波全方位辐射的超材料可以采用“王”字形或“十”字形等对称结构的人造微结构，也可采用其他非对称结构的人造微结构，只要每个第一超材料片层13和第二超材料片层23在yz面上的折射率分布以及两超材料面板的交界处的折射率满足上述关系式，通过对第一人造微结构12和第二人造微结构22的形状、尺寸和排布进行设置即可实现电磁波源30的全方位辐射。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。

上述实施例中第一人造微结构12和第二人造微结构22均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。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。例如可采用聚四氟乙烯、环氧树脂、FR-4、F4B等高分子材料。

本发明的超材料的入射面和/或出射面还设置有阻抗匹配层，阻抗匹配层的一侧的阻抗与空气阻抗相同，另一侧的阻抗与第一超材料面板10和第二超材料面板20的阻抗相同，中间的阻抗连续变化形成一阻抗渐变层，消除了空气与第一超材料面板10和第二超材料面板20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，只要在空气与两超材料面板间形成阻抗渐变层即可满足阻抗匹配的目的。

本发明的超材料在第一超材料面板10和第二超材料面板20的yz平面的折射率分布呈“环形”，在每个圆形区域和环形区域内折射率随着半径的增大折射率连续增大，相邻的两个区域的交界处存在折射率的跳变。本发明每个超材料面板的折射率梯度都较大，具有较强的偏折能力，且通过设计使得两超材料面板的交界处透射的电磁波和反射的电磁波的能量相同，可实现电磁波源30全方位的辐射。

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 (11)

1.一种实现电磁波全方位辐射的超材料，其特征在于，包括：紧密贴合的第一超材料面板和第二超材料面板，所述第一超材料面板和第二超材料面板均包括至少一个超材料片层，所述超材料片层包括片状的基板和设置在所述基板上的多个人造微结构，所述超材料片层包括多个区域，所述多个区域包括一个圆形区域和多个与圆形区域同心的环形区域，每个区域内折射率随着半径的增大连续增大且相同半径处的折射率相同，构成同一超材料面板的超材料片层的折射率分布均相同，两个超材料面板的折射率分布不同，第一超材料面板和第二超材料面板的多个区域中均至少存在两个相邻的区域，所述两个相邻的区域中靠近圆心的区域的最大折射率大于另一个区域的最小折射率，在两个超材料面板的交界处透射的电磁波和反射的电磁波的能量相同； 

所述第一超材料面板附着有第一人造微结构，第一超材料面板的每个所述区域内的第一人造微结构的尺寸随着半径的增大连续增大且相同半径处的第一人造微结构的尺寸相同，多个区域中至少存在两个相邻的区域，所述两个相邻区域内第一人造微结构的尺寸变化范围交集为非空；所述第二超材料面板附着有第二人造微结构，第二超材料面板的每个所述区域内的第二人造微结构的尺寸随着半径的增大连续增大且相同半径处的第二人造微结构的尺寸相同，多个区域中至少存在两个相邻的区域，所述两个相邻区域内第二人造微结构的尺寸变化范围交集为非空。 

2.如权利要求1所述的实现电磁波全方位辐射的超材料，其特征在于，所述第一超材料面板由多个具有第一种折射率分布的超材料片层堆叠形成。 

3.如权利要求2所述的实现电磁波全方位辐射的超材料，其特征在于，所述第二超材料面板由多个具有第二种折射率分布的超材料片层堆叠形成。 

4.如权利要求3所述的实现电磁波全方位辐射的超材料，其特征在于，在所述第一超材料面板和第二超材料面板的交界处，第一超材料面板的折射率N1和第二超材料面板的折射率N2存在如下关系： 

。

5.如权利要求1至4任一项所述的实现电磁波全方位辐射的超材料，其特征在于，每个所述第一人造微结构和第二人造微结构均为由至少一根金属丝组成的平面结构或立体结构。 

6.如权利要求5所述的实现电磁波全方位辐射的超材料，其特征在于，所述金属丝为铜丝或银丝。 

7.如权利要求6所述的实现电磁波全方位辐射的超材料，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。 

8.如权利要求1所述的实现电磁波全方位辐射的超材料，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。 

9.如权利要求1至4任一项所述的实现电磁波全方位辐射的超材料，其特征在于，所述第一人造微结构为“工”字形、“十”字形、“王”字形、三角形或不规则曲线。 

10.如权利要求1至4任一项所述的实现电磁波全方位辐射的超材料，其特征在于，所述第二人造微结构为“工”字形、“十”字形、“王”字形、三角形或不规则曲线。 

11.如权利要求1所述的实现电磁波全方位辐射的超材料，其特征在于，在所述超材料的入射面和/或出射面设置有阻抗匹配层。