CN102809771B - 一种微波光栅 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微波光栅，包括：基材以及附着于基材的多个人造微结构，所述基材分成多个晶格，所述人造微结构置于所述晶格中形成一个单元，所述人造微结构与基材组合的等效折射率n取值范围为：沿垂直方向低折射率、高折射率交变分布，沿水平方向均匀分布。本发明通过设定特定人造微结构从而对微波光栅单元折射率加以影响，工艺简单、易于实现、成本低。

Description

一种微波光栅

技术领域

本发明涉及超材料领域，更具体地说，涉及一种微波光栅。

背景技术

从所周知，光栅是制有按一定要求或规律排列的刻槽或线条的透光或不透光(反射)的光学元件。光栅也称衍射光栅。是利用多缝衍射原理使光发生色散(分解为光谱)的光学元件。它是一块刻有大量平行等宽、等距狭缝(刻线)的平面玻璃或金属片。光栅的狭缝数量很大，一般每毫米几十至几千条。单色平行光通过光栅每个缝的衍射和各缝间的干涉，形成暗条纹很宽、明条纹很细的图样，这些锐细而明亮的条纹称作谱线。谱线的位置随波长而异，当复色光通过微波光栅后，不同波长的谱线在不同的位置出现而形成光谱。光通过光栅形成光谱是单缝衍射和多缝干涉的共同结果。

目前，超材料(metamaterial)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。

迄今发展出的“超材料”包括：“左手材料”、光子晶体、“超磁性材料”等，超材料性质往往不主要决定与构成材料的本征性质，而决定于其中的人工结构。

超材料影响电磁波主要关注以下几个方面的指标：

1)高性能。对电磁波的影响应具有较高的性能，接近所需要的影响状态。

2)低损耗。具有较高的能量影响效率，以实现节能降耗的目标。

3)尺寸小。不占用过多空间。

此外，对电磁波的影响应易于实现，设计不应太复杂，器件成本不应过高。

超材料由介质基材和设置上基材上的多个人为结构组成，可以提供各种普通材料具有和不具有的材料特性。单个人为结构大小一般小于1/10个波长，其对外加电场和/或磁场具有电响应和/或磁响应，从而具有表现出等效介电常数和/或等效磁导率，或者等效折射率和波阻抗。人为的结构的等效介电常数和等效磁导率(或等效折射率和波阻抗)由单元几何尺寸参数决定，可人为设计和控制。并且，人为结构可以具有人为设计的各向异性的电磁参数，从而产生许多新奇的现象，为实现电磁波的影响提供了可能。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种工艺简单、易于实现以及成本低的微波光栅。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种微波光栅，由至少一块片状基板组成，所述片状基板包括基材以及附着于基材的多个人造微结构，所述基材分成多个晶格，所述人造微结构置于所述晶格中形成一个单元，所述人造微结构与基材组合的等效折射率n取值范围为：沿垂直方向低折射率、高折射率交变分布，沿水平方向均匀分布。

在本发明所述的微波光栅中，所述等效折射率n在水平方向中呈周期性交变分布，在垂直方向呈周期性均匀分布。

在本发明所述的微波光栅中，在基材选定的情况下，通过改变人造微结构的图案、设计尺寸和/或人造微结构在空间中的排布获得内部的折射率分布。

在本发明所述的微波光栅中，所述基材由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制得。

在本发明所述的微波光栅中，所述低折射率取值为1≤n≤2。

在本发明所述的微波光栅中，所述高折射率取值为10≤n≤30。

在本发明所述的微波光栅中，所述的人造微结构为具有图案的附着在基材上的金属线。

在本发明所述的微波光栅中，所述金属线通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法附着在基材上。

在本发明所述的微波光栅中，所述金属线为铜线或银线。

在本发明所述的微波光栅中，所述金属线呈雪花状，“工”字型以及“工”字型的衍生型。

实施本发明的微波光栅，具有以下有益效果：

通过设定特定人造微结构从而对微波光栅单元折射率加以影响，工艺简单、易于实现、成本低。

附图说明

图1是本发明实施例一一种微波光栅结构方框图；

图2为本发明实施例二一种微波光栅结构示意图；

图3a为本发明实施例微波光栅的正视图；

图3b为本发明微波光栅折射率在垂直方向上的分布图；

图3c为本发明微波光栅微结构示意图；

图4至图6为图3c人造微结构的衍生图。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。

“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″重要的三个重要特征：

(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″性质往往不主要决定与构成材料的本征性质，而决定于其中的人工结构。

请参阅图1，在本发明实例一，一种微波光栅20，包括：基材1以及附着于基材1的多个人造微结构2，基材1分成多个晶格，人造微结构2置于晶格中形成一个单元，人造微结构2与基材1组合的等效折射率n取值范围为：沿垂直方向低折射率、高折射率交变分布，沿水平方向均匀分布。本图中，以人造微结构的大小表示折射率的大小。为了更高的效率，人造微结构2在基材1上形成周期阵列，特别是均匀性周期阵列为佳，本发明中的微波光栅20，其实是一种超材料。

依据超材料的特性，折射率越大，其反射率越高，在达到同样反射效果时，超材料可以做成薄膜，对于特定的微结构，不同频率下的折射率有一定的范围，如：在1.5GHz-3GHz范围内，对于特定微结构，其折射率可达20，所达到的反射效果很好；在15GHz-30GHz范围内，对于特定微结构，其折射率可达6以上。因此可通过设计特定的微结构，应用于微波光栅，使之具有宽频特性。该微波光栅的厚度对反射性能的影响可忽略，因此可降低微波光栅的成本且体积小。现有超材料具有柔韧性，可以根据不同需要做成不同形状，利用高折射率的超材料实现宽频微波光栅。

请参阅图2，本发明另一实施例，一种微波光栅，为了更高的效率，通常由多个超材料20片状基板层压成图2所示的超材料集合体30，图2中，超材料集合体30沿与水平面垂直的方向层叠而成。

图3a为一个片状超材料20的正视图。基材1分成若干晶格，“晶格”的概念来自固体物理，这里的“晶格”是指在超材料中每个人造微结构2所占用的尺寸。“晶格”尺寸取决于人造微结构2需要响应的折射率分布，通常人造微结构2的尺寸为所需响应的电磁波波长的十分之一。

人造微结构2置于晶格形成一个单元，所述单元在基材1选定的情况下，改变人造微结构2的图案、设计尺寸和/或人造微结构在空间中的排列通过仿真而获得折射率数值。

请参阅图3b，本发明微波光栅折射率于垂直方向上的折射率分布图，其中，折射率高的单元3与折射率低的单元4交变分布，低折射率单元4透射微波，高折射率单元3大幅阻挡微波，当折射率很高时可以看成完全反射效果，如此便可实现微波光栅结构。在本发明的微波光栅中，低折射率取值为1≤n≤2，高折射率取值为10≤n≤30。实际应用中，根据不同波长或要求，改变高折射率以及低折射率的大小及其交变的周期，即可实现各种微波光栅，其中，高折射率以及低折射率的大小及其交变的周期可以随着需求改变，以此满足各种不同需求。

超材料可以对电场或者磁场，或者两者同时进行相应。对电场的响应取决于超材料的介电常数ε，而对磁场的响应取决于超材料的磁导率μ。通过对超材料空间中每一点的介电常数ε与磁导率μ的精确控制，我们可以实现通过超材料对电磁波的影响。

超材料的电磁参数在空间中的均匀或者非均匀的分布是超材料20的重要特征之一。电磁参数在空间中的均匀分布为非均匀分布的一种特殊形式，但其具体特性，仍然是由空间中排列的各个单元结构的特性所决定。因此，通过设计空间中排列的每个结构的特性，就可以设计出整个超材料在空间中每一点的电磁特性，这种电磁材料系统将会具有众多奇异特性，对电磁波的传播可以起到特殊的引导作用。

在本发明的微波光栅中，基材1由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制得。优选地，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，作为人造微结构2附着的基材1是很好的选择。

在本发明的微波光栅中，所述的人造微结构2为一具有图案的附着在基材1上的金属线。

在本发明的微波光栅中，金属线通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法附着在基材1上。

在本发明的微波光栅中，所述金属线为铜线或银线。

如图3c所示，作为一个具体的实施例，所述金属线呈雪花状，其具有相互垂直呈“十”字的第一主线21及第二主线22，所述第一主线21的两端垂直设置有两个第一支线23，所述第一主线的两端垂直设置有两个第二支线24。所述第一主线21及第二主线22相互平分，所述两个第一支线23的中心连接在第一主线21上，所述两个第二支线24的中心连接在第二主线22上。当然还可以衍生其它的图案，如在两个第一支线和两个第二支线的两端均再加两个支线。当然，这里只是举了一个简单的例子，金属线的图案还可以为其它的，如图4-图6所示。依此类推，还可以有很多其它的衍生图案，如“工”字型以及“工”字型的衍生型；本发明并不能对此一一列举。图中只是示意，实际上第一主线、第二主线、第一支线及第二支线都是有宽度的。

上述的各例子都是可影响折射率分布的人造微结构2；另外还有许多可影响折射率分布的人造微结构2，如在许多文献中都被引用到的开口谐振环结构。另外人造微结构2还可以有很多变形图案，即：超材料上的人造微结构2还可以是三角形、四方形、不规则的闭合曲线等，本发明并不能对此一一列举。

在基材1选定的情况下，可以通过设计人造微结构2的图案、设计尺寸和/或人造微结构在空间中的排布获得想要的折射率结果。这是因为，通过设计人造微结构2的图案、设计尺寸和/或人造微结构在空间中的排布，即可设计出微波光栅20在空间中每一单元的折射率。至于怎么得到人造微结构的图案、设计尺寸和/或人造微结构在空间中的折射率排布，这个方法是多种的，举个例子，可以通过逆向的计算机仿真模拟得到，首先我们确定需要的折射率分布结果，根据此效果去设计微波光栅20整体的折射率分布，再从整体出发计算出空间中每一点的折射率分布，根据这每一点的折射率来选择相应的人造微结构的图案、设计尺寸和/或人造微结构在空间中的排布(计算机中事先存放有多种人造微结构数据)，对每个点的设计可以用穷举法，例如先选定一个具有特定图案的人造微结构，计算折射率，将得到的结果和我们想要的对比，对比再循环多次，一直到找到我们想要的折射率为止，若找到了，则完成了人造微结构2的设计参数选择；若没找到，则换一种图案的人造微结构，重复上面的循环，一直到找到我们想要的折射率为止。如果还是未找到，则上述过程也不会停止。也就是说只有找到了我们需要的折射率的人造微结构后，程序才会停止。由于这个过程都是由计算机完成的，因此，看似复杂，其实很快就能完成。

实施本发明的微波光栅，具有以下有益效果：

通过设定特定人造微结构从而对微波光栅单元折射率加以影响，工艺简单、易于实现、成本低。

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)

1.一种微波光栅，由至少一块片状基板组成，其特征在于：所述片状基板包括基材以及附着于基材的多个人造微结构，所述基材分成多个晶格，所述人造微结构置于所述晶格中形成一个单元，所述人造微结构与基材组合的等效折射率n取值范围为：沿垂直方向低折射率、高折射率周期性交变分布，沿水平方向周期性均匀分布，其中，低折射率取值为1≤n≤2，高折射率取值为10≤n≤30。

2.根据权利要求1所述的微波光栅，其特征在于，在基材选定的情况下，通过改变人造微结构的图案、设计尺寸和/或人造微结构在空间中的排布获得内部的折射率分布。

3.根据权利要求1所述的微波光栅，其特征在于，所述基材由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制得。

4.根据权利要求1所述的微波光栅，其特征在于，所述的人造微结构为具有图案的附着在基材上的金属线。

5.根据权利要求4所述的微波光栅，其特征在于，所述金属线通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法附着在基材上。

6.根据权利要求4所述的微波光栅，其特征在于，所述金属线为铜线或银线。

7.根据权利要求4所述的微波光栅，其特征在于，所述金属线呈雪花状、“工”字型以及“工”字型的衍生型。