CN102790281B - 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，包括具有发散功能的各向异性的超材料面板，所述超材料面板包括两个区域，至少一个区域包括至少两个部分，以两个区域的相交线为分界线，每个区域内的各个部分随着离分界线的距离由近到远其折射率由小到大逐渐变化，各部分交界处的折射率非连续变化，各部分的折射率变化范围相交非空，所述超材料面板由至少一片超材料片层堆叠而成，每个超材料片层包括片状的基板和附着在基板上的多个人造微结构，每个人造微结构为非90度旋转对称结构，每个人造微结构的折射率椭球的非寻常光光轴不垂直且不平行于入射电磁波的传播方向，该超材料中的人造微结构的尺寸只需要在较小的范围内变化就可以实现发散的效果。

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，具体地涉及一种具有电磁波发散功能的各向异性的超材料。

背景技术

超材料作为一种材料设计理念以及研究前沿，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。通过对材料的关键物理结构进行有序设计，可以突破某些天然材料的限制，从而获得超出自然界固有的普通材料的超常材料特性。

超材料包括由金属线构成的具有一定图案形状的的人造微结构和人造微结构所附着的基材。多个人造微结构在基材上阵列排布，基材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，这两个物理参数分别对应了材料整体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线的拓扑特征和超材料单元尺寸。超材料单元尺寸取决于人造微结构需要响应的电磁波，通常人造微结构的尺寸为所需响应的电磁波波长的十分之一，否则空间中由人造微结构所组成的排列在空间中不能被视为连续。

人造微结构的等效介电常数和等效磁导率随超材料基本单元的几何尺寸参数的变化而变化，可人为设计和控制。由于人造微结构可以具有人为设计的电磁参数，从而超材料可以产生许多新奇的现象，为实现电磁波的发散提供了可能。

通过对超材料中每一个人造微结构的介电常数与磁导率进行精确设计，可以控制超材料的介电常数的大小呈连续的变化，当超材料的中间位置介电常数最小、向两侧介电常数连续增大时，可以使该超材料具有对电磁波发散的效果，其原理图沿中心轴的剖面图参看附图1，A表示各向异性的超材料，当超材料A的介电常数呈中间低两边高的规律变化时，电磁波入射并经过超材料后可形成图1所示的发散电磁波。但是，现有技术存在的问题是：要使电磁波得到发散，介电常数需要在超材料的尺度范围内连续变化，介电常数变化范围很大，因此要求人造微结构的尺寸也要变化很大，进行超材料的人造微结构设计时，由于人造微结构的尺寸受电磁波波长的限制，使得超材料的尺寸变化范围受限，所以很难制造大面积的超材料。

各向异性的超材料中的每个人造微结构为非90度旋转对称结构，即人造微结构上任一轴旋转90度后与微结构旋转之前不重合，如“I”形或者“I”形的衍生形如形，每个人造微结构的折射率椭球的非寻常光光轴不垂直且不平行于入射电磁波的传播方向。各向异性的超材料单元尺寸取决于人造微结构需要响应的电磁波频率，通常人造微结构的尺寸为所需响应的电磁波波长的十分之一，否则空间中由人造微结构所组成的排列在空间中不能被视为连续。

因此用各向异性的超材料实现发散时超材料的尺寸受限，只能制作出较小尺寸的超材料。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的缺陷，提供一种发散电磁波的超材料。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种发散电磁波的超材料，包括具有发散功能的各向异性的超材料面板，所述超材料面板包括两个区域，至少一个区域包括至少两个部分，以所述两个区域的相交线为分界线，每个所述区域内的所述各个部分随着离分界线的距离由近到远其折射率由小到大逐渐变化，所述各部分交界处的折射率非连续变化，所述各部分的折射率变化范围相交非空，所述超材料面板由超材料片层堆叠而成，每个超材料片层包括片状的基板和附着在基板上的多个人造微结构，每个人造微结构为非90度旋转对称结构，每个人造微结构的折射率椭球的非寻常光光轴不垂直且不平行于入射电磁波的传播方向。

在本发明的优选实施方式中，所述超材料面板的所述两个区域相对于所述分界线对称。

在本发明的优选实施方式中，所述两个区域内的所述各个部分的人造微结构相对于所述分界线对称排布，相对于分界线对称排布的所述人造微结构的折射率椭球的非寻常光光轴延长后与所述分界线相交，且所述非寻常光光轴的延长线相交形成一个夹角，所述夹角的开口方向与入射电磁波的传播方向相同。

在本发明的优选实施方式中，所述各部分的折射率变化范围相同。

在本发明的优选实施方式中，所述各人造微结构具有相同的几何形状。

在本发明的优选实施方式中，所述人造微结构的尺寸随折射率的增大而增大，所述不同部分内的人造微结构的尺寸变化范围相交非空。

在本发明的优选实施方式中，所述各区域内与所述分界线平行的一行人造微结构其尺寸相同，其对应的各个折射率椭球的非寻常光轴相互平行。

在本发明的优选实施方式中，所述超材料面板的入射面和出射面设置有阻抗匹配层。

在本发明的优选实施方式中，所述人造微结构为“I”形。

在本发明的优选实施方式中，所述人造微结构为“I”形的衍生形。

实施本发明的发散电磁波的超材料，具有以下有益效果：通过将各向异性的超材料面板划分为折射率非连续的不同部分，使得超材料面板中的人造微结构的尺寸只需要在较小的范围内变化就可以实现发散的效果，由于人造微结构尺寸受电磁波波长限制，导致人造微结构尺寸受限，所以普通各向异性超材料面板的尺寸受限，另外，由于人造微结构的尺寸只需在较小范围内变化就可以实现发散，有利于超材料产品的小型化和轻便化。

附图说明

图1目前各向异性的超材料发散电磁波的示意图；

图2是本发明提出的一种发散电磁波的超材料的工作原理图；

图3是图2中所示的超材料的一个超材料片层的结构示意图；

图4是图3中所示的超材料片层的折射率分布示意图一；

图5是图3中所示的超材料片层的折射率分布示意图二；

图6是带有阻抗匹配层的超材料片层的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细描述。

本发明涉及一种发散电磁波的超材料，下文将结合附图1至6对其具体结构和特性做进一步说明。

本实施例提供的具有发散功能的各向异性的超材料1如图2所示，超材料1由多个超材料片层2沿Z轴方向叠加在一起，超材料片层之间等间距排列组装或者相邻片层之间相贴合地堆叠为一体，每个超材料片层由片状的基板和附着在基板上的人造微结构组成，每片基板虚拟地划分为多个完全相同的相互紧挨着的立方体基材单元，这些基材单元以X轴方向为行、以与之垂直的Y轴方向为列依次阵列排布。基材单元的边长通常为入射电磁波波长的五分之一到十分之一之间。每个基材单元上附着有一个人造微结构，基材单元和附着在基材单元上的人造微结构共同构成一个超材料单元，如图2所示，本发明的超材料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。

每片超材料片层2如图3所示，人造微结构为“I”形，包括相对中心轴OO’对称的上下两个区域，位于中心轴上面的区域包括三个部分A1～A2、B1～B2和C1～C2，在不同部分内，沿X轴方向的超材料单元中的人造微结构尺寸相同，沿Y轴方向的超材料单元中的人造微结构尺寸逐渐减小，每个“I”形人造微结构为非90度旋转对称结构，每个人造微结构的折射率椭球的非寻常光光轴不垂直且不平行于辐射单元发出的电磁波的传播方向。该超材料片层的折射率分布规律如图4和图5所示，其中n11＜n12＜n13，n21＜n22＜n23，n31＜n32＜n33，(n32-n33)＝(n31-n32)＝(n22-n23)＝(n21-n22)＝(n12-n13)＝(n11-n12)，且(n13，n11)∩(n23，n21)≠φ，(n13，n11)∩(n33，n31)≠φ，(n23，n21)∩(n33，n31)≠φ，比如n11＝n21＝n31时，各部分内的折射率相交就非空，在不同部分内折射率与微结构的尺寸成正比，超材料片层的人造微结构相对于中心轴OO’对称排布，“I”形人造微结构对应的折射率椭球的非寻常光光轴与“I”形中间连接线的方向一致，相对于中心轴对称排布的人造微结构的折射率椭球的非寻常光光轴延长后相交于中心轴上的一点，且所述非寻常光光轴延长线相交形成一个夹角，所述夹角的开口方向与入射电磁波的传播方向相同如图3所示，电磁波沿X轴的方向入射，相对于中心轴OO’对称的人造微结构的折射率椭球的非寻常光光轴的夹角的开口方向朝向X轴数值增大的方向；沿X轴方向射向超材料1上的电磁波经过超材料1后呈发散状射出，如图2所示。

为了减少电磁波在超材料1上的反射，在超材料1沿X轴方向的两个面(电磁波的入射面和出射面)上可以分别附着一个阻抗匹配层，如图6所示，在电磁波的入射面附着一个阻抗匹配层D1，在电磁波的出射面上附着阻抗匹配层D2。每个阻抗匹配层D1和D2分别包括4个阻抗匹配片层，附着在入射面上的阻抗匹配层D1的不同阻抗匹配片层的折射率由空气的折射率逐渐过渡到超材料面板沿X轴方向对应的折射率，附着在出射面上的阻抗匹配层D2的不同阻抗匹配片层的折射率由超材料面板沿X轴方向的折射率逐渐过渡到空气的折射率，即沿X轴方向，折射率由空气到D1再到超材料面板逐渐过渡，同样，折射率由超材料面板到D2再到空气逐渐过渡。

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，比如人造微结构还可以是“I”形的衍生形如形，折射率的变化量(n32-n33)、(n31-n32)、(n22-n23)、(n21-n22)、(n12-n13)和(n11-n12)的值可以全部相等、也可以部分相等、还可以都不相等，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (8)

1.一种发散电磁波的超材料，其特征在于，包括具有发散功能的各向异性的超材料面板，所述超材料面板包括两个区域，至少一个区域包括至少两个部分，以所述两个区域的相交线为分界线，每个所述区域内的各部分随着离分界线的距离由近到远其折射率由小到大逐渐变化，所述各部分交界处的折射率非连续变化，所述各部分的折射率变化范围相交非空，所述超材料面板由至少一片超材料片层堆叠而成，每个超材料片层包括片状的基板和附着在基板上的多个人造微结构，每个人造微结构为非90度旋转对称结构，每个人造微结构的折射率椭球的非寻常光光轴不垂直且不平行于入射电磁波的传播方向；所述超材料面板的所述两个区域相对于所述分界线对称，所述两个区域内的所述各部分的人造微结构相对于所述分界线对称排布，相对于分界线对称排布的所述人造微结构的折射率椭球的非寻常光光轴延长后与所述分界线相交，且所述非寻常光光轴的延长线相交形成一个夹角，所述夹角的开口方向与入射电磁波的传播方向相同。

2.根据权利要求1所述的发散电磁波的超材料，其特征在于，所述各部分的折射率变化范围相同。

3.根据权利要求2所述的发散电磁波的超材料，其特征在于，所述各人造微结构具有相同的几何形状。

4.根据权利要求3所述的发散电磁波的超材料，其特征在于，所述人造微结构的尺寸随折射率的增大而增大，各部分内的人造微结构的尺寸变化范围相交非空。

5.根据权利要求4所述的发散电磁波的超材料，其特征在于，每个所述区域内与所述分界线平行的一行人造微结构其尺寸相同，其对应的各个折射率椭球的非寻常光轴相互平行。

6.根据权利要求1至5任一所述的发散电磁波的超材料，其特征在于，所述超材料面板的入射面和出射面设置有阻抗匹配层。

7.根据权利要求6所述的发散电磁波的超材料，其特征在于，所述人造微结构为“I”形

8.根据权利要求7所述的发散电磁波的超材料，其特征在于，所述人造微结构为“I”形的衍生形。