CN111555034A - 宽频梯度相位设计方法及超材料 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了宽频梯度相位设计方法和超材料。该宽频梯度相位设计方法，应用于超材料，所述超材料包括介质基板以及在介质基板上排列成阵列的多个第一人造微结构；所述多个第一人造微结构的每一者都包括第一外框图案和嵌套在所述第一外框图案内部的至少一个内框图案，所述至少一个内框图案与第一外框图案的形状相同；所述宽频梯度相位设计方法包括：使所述多个第一人造微结构的多个第一外框图案的形状彼此相同、且外轮廓尺寸逐渐变化；以及使所述多个第一人造微结构的多个所述至少一个内框图案的形状彼此相同、且外轮廓尺寸逐渐变化，以获得所述超材料对电磁波的相位梯度响应。该超材料采用简化的结构设计参数以实现连续变化的相位梯度响应。
Description
技术领域
本发明涉及超材料领域，更具体地，涉及一种宽频梯度相位设计方法及超材料。
背景技术
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特性的超常材料功能。
超材料反射器是采用超材料形成反射面以反射电磁波的反射器。在超材料反射器中，可以利用关键物理尺度的变化调制相位，即使采用平板状反射面也可以获得相位梯度分布，从而对电磁波产生汇聚或分散的效果。
超材料反射器包括介质基板以及位于介质基板上的多个第一人造微结构。超材料反射器的多个第一人造微结构的结构有序设计是影响电磁参数的重要因素。根据斯涅尔反射定律，超材料反射器表面的多个第一人造微结构的相位梯度可以形成额外的平行波矢分量，从而对电磁波的反射进行相位调制。如果超材料反射器表面的多个第一人造微结构的相位差按照抛物面分布，就可以将平行入射的电磁波反射并且汇聚在焦点位置上。
然而，在超材料反射器的设计上还存在着挑战，不仅人造微结构的结构参数复杂，而且相位梯度连续性差。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的在于在超材料中采用简化的结构设计参数以实现连续性好的相位梯度响应。
根据本发明的一方面，提供一种宽频梯度相位设计方法，应用于超材料，所述超材料包括介质基板以及在介质基板上排列成阵列的多个第一人造微结构；所述介质基板分成多个晶格，所述第一人造微结构置于所述晶格中，每个所述晶格的尺寸不变；所述多个第一人造微结构的每一者都包括第一外框图案和嵌套在所述第一外框图案内部的至少一个内框图案，所述至少一个内框图案与第一外框图案的形状相同；其特征在于，所述宽频梯度相位设计方法包括：
使所述多个第一人造微结构的多个第一外框图案的形状彼此相同、且外轮廓尺寸逐渐变化；以及
使所述多个第一人造微结构的多个所述至少一个内框图案的形状彼此相同、且外轮廓尺寸逐渐变化，以获得所述超材料对电磁波的相位梯度响应。
较佳地，所述多个第一人造微结构的图案由导电线条或镂空线槽构成，所述宽频梯度相位设计方法还包括：
使所述多个第一人造微结构的多个第一外框图案的导电线条或镂空线槽的宽度相同；以及
使所述多个第一人造微结构的多个所述至少一个内框图案的导电线条或镂空线槽的宽度相同。
较佳地，所述超材料还包括在介质基板上排列成阵列的多个第二人造微结构，所述第二人造微结构置于所述晶格中；所述多个第二人造微结构的图案由导电线条或镂空线槽构成，所述多个第二人造微结构的每一者都包括第二外框图案；所述宽频梯度相位设计方法还包括：
使所述多个第二人造微结构的多个第二外框图案的形状彼此相同、导电线条或镂空线槽的宽度彼此相同、且外轮廓尺寸逐渐变化。
较佳地，所述多个第一人造微结构的图案由导电线条或镂空线槽构成，所述宽频梯度相位设计方法还包括：
使所述多个第一人造微结构的多个第一外框图案的导电线条或镂空线槽的宽度逐渐变化；以及
使所述多个第一人造微结构的多个所述至少一个内框图案的导电线条或镂空线槽的宽度逐渐变化。
较佳地，所述超材料还包括在介质基板上排列成阵列的多个第二人造微结构，所述第二人造微结构置于所述晶格中；所述多个第二人造微结构的图案由导电线条或镂空线槽构成，所述多个第二人造微结构的每一者都包括第二外框图案；所述宽频梯度相位设计方法还包括：
使所述多个第二人造微结构的多个第二外框图案的形状彼此相同、导电线条或镂空线槽的宽度逐渐变化、且外轮廓尺寸逐渐变化。
较佳地，还包括：通过设置所述第一外框图案的导电线条或镂空线槽的宽度、所述第一外框图案的外轮廓尺寸、所述内框图案的外轮廓尺寸、所述内框图案的导电线条或镂空线槽的宽度、所述内框图案的数量、所述第二外框图案的导电线条或镂空线槽的宽度、所述第二外框图案的外轮廓尺寸中的至少一个结构参数，使得所述超材料对电磁波具有连续变化的相位梯度响应。
根据本发明的另一方面，提供一种超材料，其特征在于，包括：
介质基板；以及
在介质基板上排列成阵列的多个第一人造微结构；所述介质基板分成多个晶格，所述第一人造微结构置于所述晶格中，每个所述晶格的尺寸不变；
其中，所述多个第一人造微结构的每一者都包括第一外框图案和嵌套在所述第一外框图案内部的至少一个内框图案，所述至少一个内框图案与第一外框图案的形状相同；所述多个第一人造微结构的多个第一外框图案的形状彼此相同、且外轮廓尺寸逐渐变化，并且所述多个第一人造微结构的多个所述至少一个内框图案的形状彼此相同、且外轮廓尺寸逐渐变化，以获得所述超材料对电磁波的相位梯度响应。
较佳地，所述多个第一人造微结构的图案由导电线条或镂空线槽构成，所述多个第一人造微结构的多个第一外框图案的形状彼此相同、导电线条或镂空线槽的宽度彼此相同，且外轮廓尺寸逐渐变化，并且所述多个第一人造微结构的多个所述至少一个内框图案的形状彼此相同、导电线条或镂空线槽的宽度彼此相同、且外轮廓尺寸逐渐变化，以获得所述超材料对电磁波的相位梯度响应。
较佳地，还包括：
在介质基板上排列成阵列的多个第二人造微结构，所述第二人造微结构置于所述晶格中；所述多个第二人造微结构的每一者都包括第二外框图案；
所述多个第二人造微结构的多个第二外框图案的形状彼此相同、导电线条或镂空线槽的宽度彼此相同、且外轮廓尺寸逐渐变化。
较佳地，所述多个第一人造微结构的图案由导电线条或镂空线槽构成，所述多个第一人造微结构的多个第一外框图案的形状彼此相同、导电线条或镂空线槽的宽度逐渐变化、且外轮廓尺寸逐渐变化，并且所述多个第一人造微结构的多个所述至少一个内框图案的形状彼此相同、导电线条或镂空线槽的宽度逐渐变化、且外轮廓尺寸逐渐变化，以获得所述超材料对电磁波的相位梯度响应。
较佳地，还包括：
附着在介质基板上的多个第二人造微结构，所述第二人造微结构置于所述晶格中；所述多个第二人造微结构的图案由导电线条或镂空线槽构成，所述多个第二人造微结构的每一者都包括第二外框图案；
所述多个第二人造微结构的多个第二外框图案的形状彼此相同、导电线条或镂空线槽的宽度逐渐变化、且外轮廓尺寸逐渐变化。
较佳地，所述多个第一人造微结构的图案由导电线条或镂空线槽构成，每个所述第一外框图案的导电线条或镂空线槽的宽度与每个所述内框图案的导电线条或镂空线槽的宽度相同。
根据本发明提供的超材料，其中，多个第一人造微结构在介质基板上排列成阵列。所述多个第一人造微结构的形状和线条宽度彼此相同，只需要第一外框图案的外轮廓尺寸渐变就可以产生相位差。该超材料的多个第一人造微结构采用单一拓扑形状，可以获得连续变化的相位梯度。因此，该超材料只需要仿真单一拓扑形状和少量的结构参数，从而可以减少结构设计的难度，并且可以实现宽工作频带且相位梯度响应特性良好。
在优选的实施例中，第一人造微结构包括第一外框图案以及嵌入的至少一个内框图案。在第一外框图案内部嵌入内框图案的数量渐变可以产生附加的相位差。该超材料的设计可以引入附加的相位差，从而获得陡峭的相位梯度，在应用于平板天线时可以减小天线尺寸。
在优选实施例中，除第一人造微结构之外，还包括第二人造微结构，第二人造微结构包括第二外框图案，且无嵌套在第二外框图案内的内框图案，使得超材料的梯度相位的最大值和最小值的范围更宽。
本发明提出的上述宽频梯度相位设计方法和超材料，采用简化的结构设计参数获得宽频带超材料的相位梯度响应，可以满足超材料反射面卫星天线、超材料天线罩等产品设计需要，例如用作卫星接收系统的平板天线。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1示出根据现有技术的超材料反射器的截面示意图；
图2示出根据现有技术的超材料反射器中人造微结构的拓扑形状渐变示意图；
图3和图4分别示出根据本发明第一实施例的超材料及人造微结构；
图5和图6分别示出根据本发明第二实施例的超材料及人造微结构；
图7和图8分别示出根据本发明第三实施例的超材料及人造微结构；
图9分别示出根据本发明第四实施例的超材料；
图10和图11分别示出根据本发明第五实施例的超材料及人造微结构；
图12a和图12b示出根据本发明实施例的超材料在一系列结构参数下的反射系数S11和相位参数随频率变化的曲线图；以及
图13a和图13b示出根据本发明实施例的超材料在另一系列结构参数下的反射系数S11和相位参数随频率变化的曲线图。
具体实施方式
以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，可能未示出某些公知的部分。为了简明起见，可以在一幅图中描述经过数个步骤后获得的结构。
在本申请中，术语“线框”表示由外轮廓线围绕的中空形状。
应当理解，在描述器件的结构时，当将一层、一个区域称为位于另一层、另一个区域“上面”或“上方”时，可以指直接位于另一层、另一个区域上面，或者在其与另一层、另一个区域之间还包含其它的层或区域。并且，如果将器件翻转，该一层、一个区域将位于另一层、另一个区域“下面”或“下方”。
如果为了描述直接位于另一层、另一个区域上面的情形，本文将采用“A直接在B上面”或“A在B上面并与之邻接”的表述方式。在本申请中，“A直接位于B中”表示A位于B中，而非A位于B中形成的掺杂区中。
在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。
本发明可以各种形式呈现，以下将描述其中一些示例。
图1示出根据现有技术的超材料反射器的截面示意图。如图所示，该超材料反射器110包括介质基板111以及位于介质基板111上的导电层，导电层图案化形成排列成阵列的多个第一人造微结构112。
在上述的超材料反射器中，将导电层图案化形成排列成阵列的多个第一人造微结构。多个第一人造微结构的结构参数存在着差异以产生折射率变化。
图2示出根据现有技术的超材料反射器中人造微结构的拓扑形状渐变示意图。
超材料反射器100包括在介质基板111上排列的多个不同拓扑形状的人造微结构，包括：方块形状的人造微结构1121、十字形状的人造微结构1122、以及平面雪花形状的人造微结构1123。十字形状的人造微结构1122彼此垂直等分的第一主线条和第二主线条。平面雪花形状的人造微结构1123可以看作是十字形状的人造微结构1122的变形，在第一主线条和第二主线条各自的顶端分别包括垂直等分的分支线条。
在该超材料反射器中，将不同形状的人造微结构排列在介质基板111上，利用人造微结构1121、1122、1123的拓扑形状的渐变获得电磁波的折射率梯度响应。人造微结构的拓扑形状的渐变，不仅包括人造微结构的形状变化，例如从方块形状、十字形状至平面雪花形状的形状变化，而且包括人造微结构的尺寸变化，例如十字形状的主线条长度的变化，以及平面雪花形状的分支线条长度的变化。在介质基板的不同位置，多个第一人造微结构的拓扑形状渐变从而产生预定的折射率变化。
根据现有技术的超材料反射器的设计需要同时仿真多种拓扑形状的多个结构参数。进一步地，在人造微结构的形状变化的区域则难以获得连续变化的折射率。因此，该超材料反射器的主要缺点是设计和制造困难，工作频带窄且折射率梯度响应特性差。
图3和图4分别示出根据本发明第一实施例的超材料10及人造微结构。
超材料10包括介质基板11以及在介质基板11上排列成阵列的多个第一人造微结构12；介质基板11分成多个晶格，所述第一人造微结构置于所述晶格中，每个所述晶格的尺寸不变。
如图3和图4所示，第一人造微结构12包括正六边形线框的第一外框图案121和正六边形线框的内框图案122。内框图案122与第一外框图案121的形状相同且嵌套在第一外框图案121的内部，并且彼此隔开距离D。在其它实施例中，第一人造微结构12包括嵌套在第一外框图案121内部的两个内框图案122或三个内框图案122等。
每个所述第一外框图案121的导电线条或镂空线槽的宽度与每个所述内框图案122的导电线条或镂空线槽的宽度相同。
每个第一外框图案121的形状为外轮廓线围绕的中空形状；每个内框图案122的形状为外轮廓线围绕的中空形状。
优选的，超材料10还包括在介质基板11上排列成阵列的多个第二人造微结构14，所述第二人造微结构14也置于所述晶格中。第二人造微结构14与第一人造微结构12的区别在于第二人造微结构14包括第二外框图案，且没有嵌套在第二外框图案内部的内框图案。
在介质基板11的不同位置，多个第一人造微结构12的拓扑形状彼此相同或相似。即，多个第一人造微结构12的第一外框图案121的外轮廓尺寸(即，宽度W1和高度H1)逐渐变化但线条宽度T1彼此相同。优选地，在一个第一人造微结构12内，其内框图案122的线条宽度T2与第一外框图案121的线条宽度T1相同。由于单元晶格尺寸的限制，多个第一人造微结构12的第一外框图案121的外轮廓尺寸的最大值小于单元晶格尺寸。对于超材料10还具有多个第二人造微结构14的实施方式，每个第二人造微结构14的第二外框图案与每个第一人造微结构12的第一外框图案或内框图案的拓扑形状彼此相同或相似，以便于仿真设计。
根据该实施例的超材料，采用导电线条图案形成多个第一人造微结构。在替代的实施例中，还可以采用镂空线槽图案形成多个第一人造微结构。根据巴比涅特定理，采用镂空线槽图案的人造微结构是采用导电线条图案的人造微结构的互补图案。
第一外框图案121、内框图案122和第二外框图案都可以是导电线条图案或者导电层中的镂空线槽图案。多个第二人造微结构14的多个第二外框图案的形状彼此相同、导电线条或镂空线槽的宽度彼此相同、且外轮廓尺寸逐渐变化，可以产生相位差。
进一步地，多个第一人造微结构12的多个第一外框图案121的形状彼此相同、导电线条或镂空线槽的宽度彼此相同、且外轮廓尺寸逐渐变化，并且所述多个第一人造微结构12的多个内框图案122的形状彼此相同、导电线条或镂空线槽的宽度彼此相同、且外轮廓尺寸逐渐变化，可以产生附加的相位差，因此可以获得超材料10对电磁波的相位梯度响应。
在特定频段，所述多个第一人造微结构的多个第一外框图案的形状彼此相同、导电线条或镂空线槽的宽度彼此相同，且外轮廓尺寸逐渐增大，所述多个第一人造微结构的多个所述至少一个内框图案的形状彼此相同、导电线条或镂空线槽的宽度彼此相同、且外轮廓尺寸逐渐增大，并且所述多个第二人造微结构的第二外框图案的形状彼此相同、导电线条或镂空线槽的宽度彼此相同、且外轮廓尺寸逐渐增大，以使得所述超材料10对电磁波进行响应的相位逐渐减小。
具体分析，在该实施例中，多个第二人造微结构的导电线条或镂空线槽的宽度彼此相同，只需要多个第二外框图案的外轮廓尺寸逐渐变化就可以产生相位差。进一步地，在多个第一人造微结构的多个第一外框图案内部分别嵌套多个内框图案，并且多个内框图案的外轮廓尺寸逐渐变化就可以产生附加的相位差，因此可以获得超材料10对电磁波的相位梯度响应。例如，多个第二人造微结构仅包括多个第二外框图案，多个第二外框图案的外轮廓尺寸从初始值逐渐增大，直到接近阵列的单元晶格尺寸。然后，多个第一人造微结构的多个第一外框图案内部分别嵌套多个内框图案，多个内框图案的外轮廓尺寸从初始值逐渐增大，直到接近阵列的单元晶格尺寸，依此拓扑变换，以实现大角度的相位角范围。
超材料10的设计只需要仿真单一拓扑形状和少量的结构参数，从而可以减少结构设计的难度。进一步地，超材料10的多个第二人造微结构14采用单一拓扑形状，可以获得连续变化的相位梯度。因此，该超材料10可以实现宽工作频带且相位梯度响应特性良好。再进一步地，设计第二人造微结构14与第一人造微结构12的组合人造微结构阵列，可以使超材料10的梯度相位的最小值和最大值的范围更宽，即梯度相位角范围值更大。
图5和图6分别示出根据本发明第二实施例的超材料20及人造微结构。第二实施例的超材料20与第一实施例的超材料10类似。
超材料20包括在介质基板11上排列成阵列的多个第一人造微结构22。该阵列例如是棋盘排布、三角网格排布、六边形网格排布任意一种的阵列。优选地，超材料20还包括附着在介质基板11上的多个第二人造微结构24，第二实施例的第二人造微结构24与第一实施例的第二人造微结构14的区别仅在于图案形状不同。
如图5和图6所示，第一人造微结构22包括圆形线框的第一外框图案221和圆形线框的内框图案222。内框图案222与第一外框图案221的形状相同且嵌套在第一外框图案221的内部，并且彼此隔开距离D。
在介质基板11的不同位置，多个第一人造微结构22的拓扑形状彼此相同或相似。即，多个第一人造微结构22的第一外框图案221的外轮廓尺寸(即，直径W1)逐渐变化但线条宽度T1彼此相同。优选地，在一个第一人造微结构22内，其内框图案222的线条宽度T2与第一外框图案221的线条宽度T1相同。由于单元晶格尺寸的限制，多个第一人造微结构22的第一外框图案221的外轮廓尺寸的最大值小于单元晶格尺寸。
图7和图8分别示出根据本发明第三实施例的超材料30及人造微结构。第三实施例的超材料30也与第一实施例的超材料10类似。
超材料30包括在介质基板11上按照单元晶格尺寸排列成阵列的多个第一人造微结构32。优选地，超材料30还包括附着在介质基板11上的多个第二人造微结构34，第三实施例的第二人造微结构34与第一实施例的第二人造微结构14的区别仅在于图案形状不同。
如图7和图8所示，第一人造微结构32包括Y字形线框的第一外框图案321和Y字形线框的内框图案322。内框图案322与第一外框图案321的形状相同且嵌套在第一外框图案321的内部，并且彼此隔开距离D。
在介质基板11的不同位置，多个第一人造微结构32的拓扑形状彼此相同或相似。即，多个第一人造微结构32的第一外框图案321的外轮廓尺寸(即，宽度W1和高度H1)逐渐变化且线条宽度T1彼此相同。优选地，在一个第一人造微结构32内，其内框图案322的线条宽度T2与第一外框图案321的线条宽度T1相同。由于单元晶格尺寸的限制，多个第一人造微结构32的第一外框图案321的外轮廓尺寸的最大值小于单元晶格尺寸。
图9示出根据本发明第四实施例的超材料40。该超材料40包括介质基板11，以及分别在介质基板11彼此相对的第一表面和第二表面上形成的两个层面的多个人造微结构42和43。为了清楚起见，在图9将介质基板11、多个人造微结构42、多个人造微结构43分离示出。
如图9所示，在超材料40中，多个第一人造微结构42在介质基板11的第一表面上按照单元晶格尺寸排列成阵列，多个第一人造微结构43在介质基板11的第二表面上按照单元晶格尺寸排列成阵列。多个人造微结构42是采用导电层图案化形成的线条图案，多个人造微结构43是在导电层中形成的镂空槽图案。优选地，镂空槽图案是线条图案的互补图案。
图10和图11分别示出根据本发明第五实施例的超材料50及人造微结构。第五实施例的超材料50与第一实施例的超材料10类似。
超材料50包括在介质基板11上排列成阵列的多个第一人造微结构52。优选地，超材料50还包括附着在介质基板11上的多个第二人造微结构54，第五实施例的第二人造微结构54与第一实施例的第二人造微结构14的区别仅在于图案形状不同。
如图10和图11所示，第一人造微结构52包括十字形线框的第一外框图案521和十字形线框的内框图案522。内框图案522与第一外框图案521的形状相同且嵌套在第一外框图案521的内部，并且彼此隔开距离D。在其它实施例中，第一外框图案521和内框图案522还可以是除十字形线框之外的其它形状。
在介质基板11的不同位置，多个第一人造微结构52的拓扑形状彼此相同或相似。即，多个第一人造微结构52的第一外框图案521的外轮廓尺寸(即，宽度W1和高度H1)和线条宽度T1均逐渐变化。优选地，在一个第一人造微结构52内，其内框图案522的线条宽度T2与第一外框图案521的线条宽度T1相同。
第一外框图案521、内框图案522和第二外框图案都可以是导电线条图案或者导电层中的镂空线槽图案。多个第二人造微结构54的多个第二外框图案的形状彼此相同、导电线条或镂空线槽的宽度逐渐变化、且外轮廓尺寸逐渐变化，可以产生相位差。
进一步地，多个第一人造微结构52的多个第一外框图案521的形状彼此相同、导电线条或镂空线槽的宽度逐渐变化、且外轮廓尺寸逐渐变化，并且所述多个第一人造微结构52的多个内框图案522的形状彼此相同、导电线条或镂空线槽的宽度逐渐变化、且外轮廓尺寸逐渐变化，可以产生附加的相位差，因此可以获得超材料50对电磁波的相位梯度响应。
该超材料50的采用两种结构参数(外轮廓尺寸和线框的线条宽度)，可以获得连续变化的设计灵活度高的相位梯度。因此，该超材料可以实现宽工作频带且相位梯度响应特性良好。
本发明实施例还提供了一种宽频梯度相位设计方法，应用于超材料，所述超材料包括介质基板以及在介质基板上排列成阵列的多个第一人造微结构；所述介质基板分成多个晶格，所述第一人造微结构置于所述晶格中，每个所述晶格的尺寸不变；所述多个第一人造微结构的每一者都包括第一外框图案和嵌套在所述第一外框图案内部的至少一个内框图案，所述至少一个内框图案与第一外框图案的形状相同。所述宽频梯度相位设计方法包括：
使所述多个第一人造微结构的多个第一外框图案的形状彼此相同、且外轮廓尺寸逐渐变化；以及
使所述多个第一人造微结构的多个所述至少一个内框图案的形状彼此相同、且外轮廓尺寸逐渐变化，以获得所述超材料对电磁波的相位梯度响应。
进一步地，在第一种实施例中，所述使所述多个第一人造微结构的多个第一外框图案的形状彼此相同、且外轮廓尺寸逐渐变化；以及使所述多个第一人造微结构的多个所述至少一个内框图案的形状彼此相同、且外轮廓尺寸逐渐变化，以获得所述超材料对电磁波的相位梯度响应的步骤包括：
使所述多个第一人造微结构的多个第一外框图案的形状彼此相同、导电线条或镂空线槽的宽度彼此相同、且外轮廓尺寸逐渐变化；以及
使所述多个第一人造微结构的多个所述至少一个内框图案的形状彼此相同、导电线条或镂空线槽的宽度彼此相同、且外轮廓尺寸逐渐变化，以获得所述超材料对电磁波的相位梯度响应。
进一步地，所述超材料还包括在介质基板上排列成阵列的多个第二人造微结构，所述第二人造微结构置于所述晶格中；所述多个第二人造微结构的每一者都包括第二外框图案；所述宽频梯度相位设计方法还包括：
使所述多个第二人造微结构的多个第二外框图案的形状彼此相同、导电线条或镂空线槽的宽度彼此相同、且外轮廓尺寸逐渐变化，以获得所述超材料对电磁波的相位梯度响应。
进一步地，在第二种实施例中，所述使所述多个第一人造微结构的多个第一外框图案的形状彼此相同、且外轮廓尺寸逐渐变化；以及使所述多个第一人造微结构的多个所述至少一个内框图案的形状彼此相同、且外轮廓尺寸逐渐变化，以获得所述超材料对电磁波的相位梯度响应的步骤包括：
使所述多个第一人造微结构的多个第一外框图案的形状彼此相同、导电线条或镂空线槽的宽度逐渐变化、且外轮廓尺寸逐渐变化；以及
使所述多个第一人造微结构的多个所述至少一个内框图案的形状彼此相同、导电线条或镂空线槽的宽度逐渐变化、且外轮廓尺寸逐渐变化，以获得所述超材料对电磁波的相位梯度响应。
进一步地，所述超材料还包括在介质基板上排列成阵列的多个第二人造微结构，所述第二人造微结构置于所述晶格中；所述多个第二人造微结构的每一者都包括第二外框图案；所述宽频梯度相位设计方法还包括：
使所述多个第二人造微结构的多个第二外框图案的形状彼此相同、导电线条或镂空线槽的宽度逐渐变化、且外轮廓尺寸逐渐变化，以获得所述超材料对电磁波的相位梯度响应。
进一步地，所述宽频梯度相位设计方法还包括：通过设置所述第一外框图案的导电线条或镂空线槽的宽度、所述第一外框图案的外轮廓尺寸、所述内框图案的外轮廓尺寸、所述内框图案的导电线条或镂空线槽的宽度、所述内框图案的数量、所述第二外框图案的导电线条或镂空线槽的宽度、所述第二外框图案的外轮廓尺寸中的至少一个结构参数，使所述超材料对电磁波具有连续变化的相位梯度响应。
除上述实施例说明外，较佳地，在上述超材料中，多个第一人造微结构的第一外框图案都为导电线条图案或导电层中的镂空线槽图案；
每个内框图案为导电线条图案或导电层中的镂空线槽图案；
多个第二人造微结构的第二外框图案都为导电线条图案或导电层中的镂空线槽图案。
较佳地，在上述超材料中，多个第一人造微结构的第一外框图案和内框图案的形状都为选自十字形线框、Y形线框、工字形线框、多边形线框、圆形线框的任意一种；
多个第一人造微结构的第二外框图案的形状都为选自十字形线框、Y形线框、工字形线框、多边形线框、圆形线框的任意一种。
较佳地，在上述超材料中，多个第一人造微结构按照至少两个层面排列成阵列，所述至少两个层面分别位于介质基板的两个表面；
在介质基板的一个表面上，每个第一人造微结构的第一外框图案和内框图案以及每个第二人造微结构的第二外框图案都为导电线条图案；
在介质基板的另一个表面上，每个第一人造微结构的第一外框图案和内框图案以及每个第二人造微结构的第二外框图案都为导电层中的镂空线槽图案。
较佳地，在上述超材料中，每个第一外框图案和第二外框图案的形状都为外轮廓线围绕的中空形状；每个内框图案的形状为外轮廓线围绕的中空形状。
较佳地，在上述超材料中，多个第一人造微结构的阵列为棋盘排布、三角网格排布、六边形网格排布中的任意一种；
多个第二人造微结构的阵列为棋盘排布、三角网格排布、六边形网格排布中的任意一种。
图12a和图12b示出根据本发明实施例的超材料在一系列结构参数下的反射系数S11幅度和相位参数随频率变化的曲线图，图13a和图13b示出根据本发明实施例的超材料在另一系列结构参数下的反射系数S11幅度和相位参数随频率变化的曲线图。
在该超材料的仿真计算时，对于介质基板上形成不同结构尺寸的人造微结构分别计算出反射系数S11幅度和相位参量。如图所示，多个第一人造微结构的结构参数的变化包括人造微结构内部的内框图案的数量以及人造微结构的导电线条或镂空线槽宽度T1。从图中的人造微结构的仿真结果可以看到，对于相同的导电线条或镂空线槽宽度T1，随着人造微结构的外轮廓尺寸X的逐渐增大，在2GHz至5GHz的宽频带中，该超材料对电磁波进行响应的相位逐渐减小。由此可见，在根据本发明实施例的超材料中，改变人造微结构的外轮廓尺寸，可以产生宽频梯度相位响应的有益技术效果。
在上述的实施例中，描述了超材料包括单个介质基板以及位于介质基板表面上的单层或双层人造微结构。在替代的实施例中，超材料还可以包括多个介质基板以及位于多个介质基板表面上的多层人造微结构。此外，在超材料中，人造微结构的第一外框图案和第二外框图案不限于上述实施例列举的形状，例如还可以是工字形、多边形等。
以上对本发明的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本发明的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本发明的范围之内。
Claims (12)
1.一种宽频梯度相位设计方法，应用于超材料，所述超材料包括介质基板以及在介质基板上排列成阵列的多个第一人造微结构；所述介质基板分成多个晶格，所述第一人造微结构置于所述晶格中，每个所述晶格的尺寸不变；所述多个第一人造微结构的每一者都包括第一外框图案和嵌套在所述第一外框图案内部的至少一个内框图案，所述至少一个内框图案与第一外框图案的形状相同；其特征在于，所述宽频梯度相位设计方法包括：
使所述多个第一人造微结构的多个第一外框图案的形状彼此相同、且外轮廓尺寸逐渐变化；以及
使所述多个第一人造微结构的多个所述至少一个内框图案的形状彼此相同、且外轮廓尺寸逐渐变化，以获得所述超材料对电磁波的相位梯度响应。
2.根据权利要求1所述的宽频梯度相位设计方法，其特征在于，所述多个第一人造微结构的图案由导电线条或镂空线槽构成，所述宽频梯度相位设计方法还包括：
使所述多个第一人造微结构的多个第一外框图案的导电线条或镂空线槽的宽度相同；以及
使所述多个第一人造微结构的多个所述至少一个内框图案的导电线条或镂空线槽的宽度相同。
3.根据权利要求2所述的宽频梯度相位设计方法，其特征在于，所述超材料还包括在介质基板上排列成阵列的多个第二人造微结构，所述第二人造微结构置于所述晶格中；所述多个第二人造微结构的图案由导电线条或镂空线槽构成，所述多个第二人造微结构的每一者都包括第二外框图案；所述宽频梯度相位设计方法还包括：
使所述多个第二人造微结构的多个第二外框图案的形状彼此相同、导电线条或镂空线槽的宽度彼此相同、且外轮廓尺寸逐渐变化。
4.根据权利要求1所述的宽频梯度相位设计方法，其特征在于，所述多个第一人造微结构的图案由导电线条或镂空线槽构成，所述宽频梯度相位设计方法还包括：
使所述多个第一人造微结构的多个第一外框图案的导电线条或镂空线槽的宽度逐渐变化；以及
使所述多个第一人造微结构的多个所述至少一个内框图案的导电线条或镂空线槽的宽度逐渐变化。
5.根据权利要求4所述的宽频梯度相位设计方法，其特征在于，所述超材料还包括在介质基板上排列成阵列的多个第二人造微结构，所述第二人造微结构置于所述晶格中；所述多个第二人造微结构的图案由导电线条或镂空线槽构成，所述多个第二人造微结构的每一者都包括第二外框图案；所述宽频梯度相位设计方法还包括：
使所述多个第二人造微结构的多个第二外框图案的形状彼此相同、导电线条或镂空线槽的宽度逐渐变化、且外轮廓尺寸逐渐变化。
6.根据权利要求3或5所述的宽频梯度相位设计方法，其特征在于，还包括：通过设置所述第一外框图案的导电线条或镂空线槽的宽度、所述第一外框图案的外轮廓尺寸、所述内框图案的外轮廓尺寸、所述内框图案的导电线条或镂空线槽的宽度、所述内框图案的数量、所述第二外框图案的导电线条或镂空线槽的宽度、所述第二外框图案的外轮廓尺寸中的至少一个结构参数，使得所述超材料对电磁波具有连续变化的相位梯度响应。
7.一种超材料，其特征在于，包括：
介质基板；以及
在介质基板上排列成阵列的多个第一人造微结构；所述介质基板分成多个晶格，所述第一人造微结构置于所述晶格中，每个所述晶格的尺寸不变；
其中，所述多个第一人造微结构的每一者都包括第一外框图案和嵌套在所述第一外框图案内部的至少一个内框图案，所述至少一个内框图案与第一外框图案的形状相同；所述多个第一人造微结构的多个第一外框图案的形状彼此相同、且外轮廓尺寸逐渐变化，并且所述多个第一人造微结构的多个所述至少一个内框图案的形状彼此相同、且外轮廓尺寸逐渐变化，以获得所述超材料对电磁波的相位梯度响应。
8.根据权利要求7所述的超材料，其特征在于：所述多个第一人造微结构的图案由导电线条或镂空线槽构成，所述多个第一人造微结构的多个第一外框图案的形状彼此相同、导电线条或镂空线槽的宽度彼此相同，且外轮廓尺寸逐渐变化，并且所述多个第一人造微结构的多个所述至少一个内框图案的形状彼此相同、导电线条或镂空线槽的宽度彼此相同、且外轮廓尺寸逐渐变化，以获得所述超材料对电磁波的相位梯度响应。
9.根据权利要求8所述的超材料，其特征在于，还包括：
在介质基板上排列成阵列的多个第二人造微结构，所述第二人造微结构置于所述晶格中；所述多个第二人造微结构的每一者都包括第二外框图案；
所述多个第二人造微结构的多个第二外框图案的形状彼此相同、导电线条或镂空线槽的宽度彼此相同、且外轮廓尺寸逐渐变化。
10.根据权利要求7所述的超材料，其特征在于：所述多个第一人造微结构的图案由导电线条或镂空线槽构成，所述多个第一人造微结构的多个第一外框图案的形状彼此相同、导电线条或镂空线槽的宽度逐渐变化、且外轮廓尺寸逐渐变化，并且所述多个第一人造微结构的多个所述至少一个内框图案的形状彼此相同、导电线条或镂空线槽的宽度逐渐变化、且外轮廓尺寸逐渐变化，以获得所述超材料对电磁波的相位梯度响应。
11.根据权利要求10所述的超材料，其特征在于，还包括：
附着在介质基板上的多个第二人造微结构，所述第二人造微结构置于所述晶格中；所述多个第二人造微结构的图案由导电线条或镂空线槽构成，所述多个第二人造微结构的每一者都包括第二外框图案；
所述多个第二人造微结构的多个第二外框图案的形状彼此相同、导电线条或镂空线槽的宽度逐渐变化、且外轮廓尺寸逐渐变化。
12.根据权利要求7所述的超材料，其特征在于：所述多个第一人造微结构的图案由导电线条或镂空线槽构成，每个所述第一外框图案的导电线条或镂空线槽的宽度与每个所述内框图案的导电线条或镂空线槽的宽度相同。
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