CN102904030B - 一种增强远场场强的系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种增强远场场强的系统，包括：多个波源及超材料，超材料分成三区段，第一区段与第三区段折射率分布以第二区段成对称关系，且第一区段与第三区段折射率分布满足以下公式：A为波源之振幅，n₀为第二区段的折射率，d为超材料的厚度，S为波源垂直于超材料平面上的第一区段起始单元与波源的直线距离，y₀为超材料在垂直方向上第一区段起始位置，y_i为超材料垂直方向上距离y₀的距离；且y₁取值范围为：若y_i-y₀＞s/2；则y₁＝y_i-y₀-s/2；若y_i-y₀＜s/2；则y₁＝y_i-y₀+s/2。本发明提供的超材料具有增强远场场强的效果。

Description

一种增强远场场强的系统

技术领域

本发明涉及超材料领域，更具体地说，涉及一种增强远场场强的系统。

背景技术

众所周知，电磁波为横波，电磁波的磁场、电场及其行进方向三者互相垂直，振幅沿传播方向的垂直方向作周期性交变，其强度与距离的平方成反比，波本身带动能量，任何位置之能量功率与振幅的平方成正比，其速度等于光速c(每秒3×10的8次方米)，在空间传播的电磁波，距离最近的电场(磁场)强度方向相同，其量值最大两点之间的距离，就是电磁波的波长λ，电磁每秒钟变动的次数便是频率f，三者之间的关系可通过公式c＝λf。

电磁波经过不同介质时，会发生折射、反射、绕射、散射及吸收等等。电磁波的传播有沿地面传播的地面波，还有从空中传播的空中波以及天波。波长越长其衰减也越少，电磁波的波长越长也越容易绕过障碍物继续传播，电能、磁能随着电场与磁场的周期变化以电磁波的形式向空间传播出去，不需要介质也能向外传递能量，这就是一种辐射。

电磁波发射有近场与远场之分，电磁波的近场暂时地储存能量，与输入阻抗的虚部有关。电磁波的远场是指由天线发射出延伸至整个空间的电磁场，远场运输能量，与天线的辐射电阻有关。电磁场场强的大小，也就是传递过来的电磁波的强弱，直接关系到接收地点信号的强弱。

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。

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，提供一种体积小、简单、易于实现以及成本低的增强远场场强的系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种增强远场场强的系统，包括多个波源及超材料，所述超材料包括基材以及多个人造微结构，所述基材分成多个晶格，一个人造微结构置于一个晶格中形成一个单元，所述超材料分成三个区段，第二区段折射率均匀分布，第一区段与第三区段折射率分布以第二区段成对称关系，且所述第一区段与第三区段折射率分布满足以下公式：

$n_i=n_0+A\×1/d\×(\sqrt{{y_i}^2+s^2}-\sqrt{{y_1}^2+s^2});$

A为波源之振幅，n₀为所述第二区段的折射率，d为超材料的厚度，S为波源垂直于超材料平面上的第一区段起始单元与所述波源的直线距离，y₀为所述超材料在垂直方向上第一区段中部起始位置，y_i为所述超材料垂直方向上距离y₀的距离；且y₁取值范围为：

若y_i-y₀＞s/2；则y₁＝y_i-y₀-s/2；

若y_i-y₀＜s/2；则y₁＝y_i-y₀+s/2。

在本发明所述的增强远场场强的系统中，所述超材料由多个片状基板层叠形成，每个片状基板均由基材以及多个人造微结构组成，所有的人造微结构在空间中形成周期阵列。

在本发明所述的增强远场场强的系统中，所述所有的人造微结构在空间中呈均匀性的周期阵列。

在本发明所述的增强远场场强的系统中，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所述的折射率。

在本发明所述的增强远场场强的系统中，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。

在本发明所述的增强远场场强的系统中，所述的波源数目为5个。

在本发明所述的增强远场场强的系统中，所述的人造微结构为具有图案的附着在基材上的金属线。

在本发明所述的增强远场场强的系统中，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。

在本发明所述的增强远场场强的系统中，所述金属线为铜线或银线。

在本发明所述的增强远场场强的系统中，所述金属线呈二维雪花状，其具有相互垂直呈“十”字的第一主线及第二主线，所述第一主线的两端各垂直设置一个第一支线，所述第二主线的两端各垂直设置一个第二支线。

在本发明所述的增强远场场强的系统中，所述第一主线及第二主线相互平分，所述第一支线的中心连接在第一主线上，所述第二支线的中心连接在第二主线上。

实施本发明的增强远场场强的系统，具有以下有益效果：

1.体积小，不占用过多的空间；

2.简单、易于实现、低成本、能有效增强远场场强。

附图说明

图1是本发明实施例一种增强远场场强的系统结构方框图；

图2是本发明实施例超材料的组合图；

图3是本发明实施例增强远场场强的系统的截面图；

图4是本发明实施例增强远场场强的系统折射率的示意图；

图5为一个人造微结构的示意图；

图6至图8为图5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、图3、图4，在本发明实例中，一种增强远场场强的系统，包括多个波源10及超材料20，所述超材料包括基材以及多个人造微结构，基材1以及多个人造微结构2，一个基材1以及多个人造微结构2组成一个超材料20，超材料分成多个晶格，一个人造微结构2置于一个晶格中形成一个单元，增强远场场强的系统20分成三个区段，第二区段D2折射率均匀分布，第一区段D1与第三区段D3折射率分布以第二区段D2成对称关系，且第一区段D1与第三区段D3折射率分布满足以下公式：

$n_i=n_0+A\×1/d\×(\sqrt{{y_i}^2+s^2}-\sqrt{{y_1}^2+s^2});$

A为波源10之振幅，n₀为第二区段D2的折射率，d为超材料20的厚度，S为波源10垂直于超材料20平面上的第二区段D2起始单元与波源10的直线距离，y₀为超材料20在垂直方向上第二区段起始位置201，y_i为超材料20垂直方向上距离y₀的距离；且y₁取值范围为：

若y_i-y₀＞s/2；则y₁＝y_i-y₀-s/2；

若y_i-y₀＜s/2；则y₁＝y_i-y₀+s/2；

此处，以超材料长度为Y轴，以超材料宽度为X轴，优选地，波源数目为5个。

请参阅图2，为了更高的效率，由三片增强远场场强的系统层叠起来组成超材料组合体30用来增强远场强的效果，图中只是举例，实际应用中，由于应用的需要，可以四片、五片、六片等增强远场场强的系统20加以层叠，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。

图2为本发明实施例增强远场场强的系统20的截面图，虽然仅用一个超材料20也可以实现汇聚效果，实际上为了更好的折射效果，通常由以上所述的多个超材料20组成一个增强远场场强的系统组合体30来应用的。

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，所述单元的折射率在基材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。

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增强远场场强的系统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，就可以设计出整个增强远场场强的系统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。

在本发明的超材料中，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，选用FR4、F4B、聚四氟乙烯，这类材料电绝缘性非常好，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。

在本发明的增强远场场强的系统中，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。

在本发明的增强远场场强的系统中，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。

在本发明的增强远场场强的系统中，所述金属线为铜线或银线。

如图5所示，作为一个具体的实施例，所述金属线呈二维雪花状，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。在这个实施例中，各向同性的情况为：

第一主线与第二主线长度相同；第一分支与第二分支长度也相同。

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6-图8所示。其中图6-图8为上述图案的衍生，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4个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，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分布结果(即：应满足实施例一中所示的公式)，或者说，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，即可设计出增强远场场强的系统20在空间中每一区段最大与最小的折射率，从而决定每一区段的折射率，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，根据此结果去设计增强远场场强的系统整体的折射率分布结果，再从整体出发计算出空间中每一点的折射率分布，根据每一点的折射率分布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，计算折射率分布结果，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分布结果为止。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分布结果的人造微结构后，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。

实施本发明的增强远场场强的系统，具有以下有益效果：

1.体积小，不占用过多的空间；

2.简单、易于实现、低成本、能有效增强远场场强。

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 (11)

1.一种增强远场场强的系统，其特征在于，包括：多个波源及超材料，所述超材料包括基材以及多个人造微结构，所述基材分成多个晶格，一个人造微结构置于一个晶格中形成一个单元，所述增强远场场强的系统分成三个区段，第二区段折射率均匀分布，第一区段与第三区段折射率分布以第二区段成对称关系，且所述第一区段与第三区段折射率分布满足以下公式：

$n_i=n_o+A\×1/d\×(\sqrt{{y_i}^2+s^2}-\sqrt{{y_1}^2+s^2});$

A为波源之振幅，n₀为所述第二区段的折射率，d为超材料的厚度，S为波源垂直于超材料平面上的第一区段起始单元与所述波源的直线距离，y₀为所述超材料在垂直方向上第一区段中部起始位置，y_i为所述超材料垂直方向上距离y₀的距离；且y₁取值范围为：

若y_i-y₀>s/2；则y₁＝y_i-y₀-s/2；

若y_i-y₀<s/2；则y₁＝y_i-y₀+s/2。

2.根据权利要求1所述的增强远场场强的系统，其特征在于，所述增强远场场强的系统由多个片状基板层叠形成，每个片状基板均由基材以及多个人造微结构组成，所有的人造微结构在空间中形成周期阵列。

3.根据权利要求2所述的增强远场场强的系统，其特征在于，所述所有的人造微结构在空间中呈均匀性的周期阵列。

4.根据权利要求1所述的增强远场场强的系统，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所述的折射率。

5.根据权利要求1所述的增强远场场强的系统，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。

6.根据权利要求1所述的增强远场场强的系统，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。

7.根据权利要求1所述的增强远场场强的系统，其特征在于，所述的波源数目为5个。

8.根据权利要求6所述的增强远场场强的系统，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。

9.根据权利要求6所述的增强远场场强的系统，其特征在于，所述金属线为铜线或银线。

10.根据权利要求6所述的增强远场场强的系统，其特征在于，所述金属线呈二维雪花状，其具有相互垂直呈“十”字的第一主线及第二主线，所述第一主线的两端各垂直设置一个第一支线，所述第二主线的两端各垂直设置一个第二支线。

11.根据权利要求10所述的增强远场场强的系统，其特征在于，所述第一主线及第二主线相互平分，所述第一支线的中心连接在第一主线上，所述第二支线的中心连接在第二主线上。