專(zhuān)利名稱(chēng)：一種發(fā)散電磁波的超材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超材料領(lǐng)域，更具體地說(shuō)，涉及一種發(fā)散電磁波的超材料。
背景技術(shù)：
目前,超材料(metamaterial)作為一種材料設(shè)計(jì)理念以及研究前沿,越來(lái)越引起人們的關(guān)注，所謂超材料，是指一些具有天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的人工復(fù)合結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料。通過(guò)在材料的關(guān)鍵物理尺度上的結(jié)構(gòu)有序設(shè)計(jì)，可突破某些表觀自然規(guī)律的限制，從而獲得超出自然界固有的普通的超常材料功能。迄今發(fā)展出的“超材料”包括“左手材料”、光子晶體、“超磁性材料”等，超材料性質(zhì)往往不主要決定與構(gòu)成材料的本征性質(zhì),而決定于其中的人工結(jié)構(gòu)。 實(shí)現(xiàn)電磁波的發(fā)散主要關(guān)注以下幾個(gè)方面的指標(biāo)I)高性能。電磁波的發(fā)散應(yīng)具有較高的性能，接近所需要的發(fā)散狀態(tài)。2)低損耗。具有較高的能量發(fā)散效率，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目標(biāo)。3)尺寸小。不占用過(guò)多空間。此外，電磁波的發(fā)散方法應(yīng)易于實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)不應(yīng)太復(fù)雜，器件成本不應(yīng)過(guò)高。超材料由介質(zhì)基材和設(shè)置上基材上的多個(gè)金屬微結(jié)構(gòu)組成，可以提供各種普通材料具有和不具有的材料特性。單個(gè)金屬微結(jié)構(gòu)大小一般小于1/10個(gè)波長(zhǎng)，其對(duì)外加電場(chǎng)和/或磁場(chǎng)具有電響應(yīng)和/或磁響應(yīng)，從而具有表現(xiàn)出等效介電常數(shù)和/或等效磁導(dǎo)率，或者等效折射率和波阻抗。金屬微結(jié)構(gòu)的等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率(或等效折射率和波阻抗)由單元幾何尺寸參數(shù)決定，可人為設(shè)計(jì)和控制。并且，金屬微結(jié)構(gòu)可以具有人為設(shè)計(jì)的電磁參數(shù)，從而產(chǎn)生許多新奇的現(xiàn)象，為實(shí)現(xiàn)電磁波的發(fā)散提供了可能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題在于，提供一種體積小、簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)以及成本低的對(duì)電磁波進(jìn)行發(fā)散的超材料。本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是構(gòu)造一種發(fā)散電磁波的超材料，包括介質(zhì)基板以及若干人造微結(jié)構(gòu)，所述介質(zhì)基板分成若干晶格，所述人造微結(jié)構(gòu)置于所述晶格中，所述超材料存在一個(gè)以上的區(qū)段，所述區(qū)段中部若為若干人造微結(jié)構(gòu)與介質(zhì)基板，所述的若干人造微結(jié)構(gòu)與所述介質(zhì)基板等效介電常數(shù)e與等效磁導(dǎo)率y之乘積為最低值，或，所述區(qū)段中部若為介質(zhì)基板，所述介質(zhì)基板本身的介電常數(shù)e與磁導(dǎo)率y之乘積為最低值，其它各處的等效介電常數(shù)e與等效磁導(dǎo)率y乘積值自中部起為從小到大呈漸變趨勢(shì)。在本發(fā)明所述的一種發(fā)散電磁波的超材料中，所述人造微結(jié)構(gòu)在所述的晶格中呈周期性均勻分布。在本發(fā)明所述的一種發(fā)散電磁波的超材料中，所述等效介電常數(shù)e與等效磁導(dǎo)率U通過(guò)在介質(zhì)基板選定的情況下，通過(guò)改變?nèi)嗽煳⒔Y(jié)構(gòu)的圖案、設(shè)計(jì)尺寸和/或人造微結(jié)構(gòu)在空間中的排列通過(guò)仿真而獲得數(shù)值，所述的圖案為“工”字型或“工”字型的衍生型。在本發(fā)明所述的一種發(fā)散電磁波的超材料中，所述人造微結(jié)構(gòu)附著在介質(zhì)基板上的金屬線(xiàn)，所述金屬線(xiàn)為銅線(xiàn)或銀線(xiàn)。在本發(fā)明所述的一種發(fā)散電磁波的超材料中，所述金屬線(xiàn)通過(guò)蝕刻、電鍍、鉆刻、光刻、電子刻或粒子刻的方法附著在介質(zhì)基板上。在本發(fā)明所述的一種發(fā)散電磁波的超材料中，所述的介質(zhì)基板由陶瓷材料、環(huán)氧樹(shù)脂或聚四氟乙烯制得。實(shí)施本發(fā)明的發(fā)散電磁波超材料，具有以下有益效果
I.體積小，不占用過(guò)多的空間；2.簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、低成本，通過(guò)超材料對(duì)電磁波加以發(fā)散，不依賴(lài)電磁波發(fā)散設(shè)備的種類(lèi)及形狀；3.具有廣泛的應(yīng)用前景，超材料通過(guò)對(duì)電磁波的發(fā)散，所以可以使電磁波從一個(gè)方向轉(zhuǎn)為另外一個(gè)方向、可發(fā)散電磁波波束、可用于生成各種奇異的現(xiàn)象。


圖I是本發(fā)明第一實(shí)施例一種電磁波發(fā)散超材料結(jié)構(gòu)方框圖；圖2是本發(fā)明第二實(shí)施例一種電磁波發(fā)散超材料結(jié)構(gòu)方框圖；圖3是本發(fā)明第一實(shí)施例另一電磁波發(fā)散超材料結(jié)構(gòu)方框圖；圖4是本發(fā)明第二實(shí)施例另一電磁波發(fā)散超材料結(jié)構(gòu)方框圖；圖中各標(biāo)號(hào)對(duì)應(yīng)的名稱(chēng)為10介質(zhì)基板,20人造微結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施例方式為詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容、構(gòu)造特征、所實(shí)現(xiàn)目的及效果，以下結(jié)合實(shí)施方式并配合附圖詳予說(shuō)明。電磁波的折射率跟物質(zhì)的介電常數(shù)e和磁導(dǎo)率U的乘積有關(guān)系，當(dāng)一束電磁波由一種介質(zhì)傳播到另外一種介質(zhì)時(shí)，電磁波會(huì)發(fā)生折射，而且折射率越大的位置偏折角度越大，當(dāng)物質(zhì)內(nèi)部的折射率分布非均勻時(shí)，電磁波就會(huì)向折射率比較大的位置偏折，通過(guò)改變折射率在材料中的分布，可以改變電磁波的傳播路徑。超材料可以對(duì)電場(chǎng)或者磁場(chǎng)，或者兩者同時(shí)進(jìn)行相應(yīng)。對(duì)電場(chǎng)的響應(yīng)取決于超材料的介電常數(shù)e，而對(duì)磁場(chǎng)的響應(yīng)取決于超材料的磁導(dǎo)率U。通過(guò)對(duì)超材料空間中每一點(diǎn)的介電常數(shù)e與磁導(dǎo)率U的精確控制，我們可以實(shí)現(xiàn)通過(guò)超材料對(duì)電磁波的發(fā)散。超材料的電磁參數(shù)在空間中的均勻或者非均勻的分布是超材料的重要特征之一。電磁參數(shù)在空間中的均勻分布為非均勻分布的一種特殊形式，但其具體特性，仍然是由空間中排列的各個(gè)單元結(jié)構(gòu)的特性所決定。因此，通過(guò)設(shè)計(jì)空間中排列的每個(gè)結(jié)構(gòu)的特性，就可以設(shè)計(jì)出整個(gè)新型超材料在空間中每一點(diǎn)的電磁特性。這種電磁材料系統(tǒng)將會(huì)具有眾多奇異特性，對(duì)電磁波的傳播可以起到特殊的引導(dǎo)作用。請(qǐng)參閱圖I及圖3，在本發(fā)明實(shí)例一中，一種發(fā)散電磁波的超材料，包括介質(zhì)基板10以及若干人造微結(jié)構(gòu)20，其中，若干人造微結(jié)構(gòu)20附著在介質(zhì)基板10上，根據(jù)要發(fā)散的電磁波的波長(zhǎng)X，可將金屬基板20分成若干晶格，其長(zhǎng)度和寬度不能超過(guò)波長(zhǎng)\的1/10，將若干人造微結(jié)構(gòu)20置于晶格中。在圖I中電磁波平行入射，電磁波通過(guò)所述超材料時(shí)，通過(guò)區(qū)段中部為若干人造微結(jié)構(gòu)20與介質(zhì)基板10組合體時(shí)，若干人造微結(jié)構(gòu)20與介質(zhì)基板10等效介電常數(shù)e與等效磁導(dǎo)率U之乘積為最低值，其它各處的等效介電常數(shù)e與等效磁導(dǎo)率U乘積值自中部起為從小到大呈漸變趨勢(shì)。若一束電磁波通過(guò)上述的超材料，會(huì)發(fā)生光束變大的現(xiàn)象，即，該束電磁波內(nèi)部的各波段自中部起均向折射率高的地方偏轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)了電磁波的發(fā)散，電磁波光束變大了。相類(lèi)似，在圖3中，電磁波以集合的趨勢(shì)入射，通過(guò)區(qū)段中部為若干人造微結(jié)構(gòu)20與介質(zhì)基板10，若干人造微結(jié)構(gòu)20與介質(zhì)基板10等效介電常數(shù)e與等效磁導(dǎo)率U之乘積為最低值，其它各處的等效介電常數(shù)e與等效磁導(dǎo)率U乘積值自中部起為從小到大呈漸變趨勢(shì)，電磁波內(nèi)部的各波段自中部起均向折射率高的地方偏轉(zhuǎn)，故集合趨勢(shì)的電磁波漸向中部發(fā)散，最后平行發(fā)射出去，從宏觀看，電磁波光束又變大了。
請(qǐng)參閱圖2及圖4，在本發(fā)明的實(shí)施例二中，一種發(fā)散電磁波的超材料，包括介質(zhì)基板10以及若干人造微結(jié)構(gòu)20,結(jié)構(gòu)與實(shí)施例一大部分相同，不同的是若干人造微結(jié)構(gòu)20間留有空隙，在圖2中，電磁波以平行的方式入射，通過(guò)所述超材料時(shí)，通過(guò)區(qū)段中部為介質(zhì)基板10本身，介質(zhì)基板10介電常數(shù)e與磁導(dǎo)率U之乘積為最低值，其它各處的等效介電常數(shù)e與等效磁導(dǎo)率y乘積值自中部起為從小到大呈漸變趨勢(shì)。若一束電磁波通過(guò)上述的超材料，會(huì)發(fā)生光束變大的現(xiàn)象，即該束電磁波內(nèi)部的各波段自中部起均向折射率高的地方偏轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)了電磁波的發(fā)散。相類(lèi)似，在圖4中，電磁波以集合的方式入射，通過(guò)所述超材料時(shí)，通過(guò)區(qū)段中部為介質(zhì)基板10本身，介質(zhì)基板10介電常數(shù)e與磁導(dǎo)率U之乘積為最低值，其它各處的等效介電常數(shù)e與等效磁導(dǎo)率y乘積值自中部起為從小到大呈漸變趨勢(shì)，電磁波內(nèi)部的各波段自中部起均向折射率高的地方偏轉(zhuǎn)，故集合趨勢(shì)的電磁波漸向中部發(fā)散，最后平行發(fā)射出去，從宏觀看，電磁波光束又變大了。人造微結(jié)構(gòu)20在所述的晶格中呈周期性均勻分布為較佳的選擇，人造微結(jié)構(gòu)20附著在介質(zhì)基板10上的金屬線(xiàn)，其尺寸不能超過(guò)介質(zhì)基板10的晶格，所述金屬線(xiàn)為銅線(xiàn)或銀線(xiàn)。金屬線(xiàn)通過(guò)蝕刻、電鍍、鉆刻、光刻、電子刻或粒子刻的方法附著在介質(zhì)基板10上。介質(zhì)基板10由陶瓷材料、環(huán)氧樹(shù)脂或聚四氟乙烯制得，視實(shí)際情況，可以將多個(gè)人造微結(jié)構(gòu)的介質(zhì)基板堆疊組合封裝，也可以隔一個(gè)晶格相隔排列加以封裝，以達(dá)到想要的效果。若干人工人造微結(jié)構(gòu)20通過(guò)可由人工仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)，即可由人工對(duì)具有特定電磁特性的人造微結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)于人造微結(jié)構(gòu)20與介質(zhì)基板10的等效介電常數(shù)e與等效磁導(dǎo)率U乘積值之大小設(shè)計(jì)方法如下第一步，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真和實(shí)驗(yàn)測(cè)試，對(duì)若干不同幾何參數(shù)的單元結(jié)構(gòu)(包括人造微結(jié)構(gòu)以及介質(zhì)基板)在一定范圍內(nèi)的電磁特性進(jìn)行測(cè)量，存儲(chǔ)測(cè)量得到的電磁響應(yīng)曲線(xiàn)，確定各種不同的單元結(jié)構(gòu)之介電常數(shù)以及磁導(dǎo)率并貯存于一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)中；第二步，根據(jù)需要的偏轉(zhuǎn)折射率確定相應(yīng)的介電常數(shù)以及磁導(dǎo)率，要求介電常數(shù)以及磁導(dǎo)率的乘積呈小至大漸變趨勢(shì)；第三步，根據(jù)上述的介電常數(shù)以及磁導(dǎo)率從數(shù)據(jù)庫(kù)中選擇超材料相應(yīng)點(diǎn)的單元結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明中，對(duì)人造微結(jié)構(gòu)2的具體圖案沒(méi)有要求，因?yàn)橹灰浞衔覀冏罱K的調(diào)制效果，即可行。一般情況下，人造微結(jié)構(gòu)在空間中呈周期陣列，優(yōu)選地，所有的人造微結(jié)構(gòu)在空間中呈均勻性的周期陣列。人造微結(jié)構(gòu)2可為“工”字型，“王”字型等，鑒于此，人造微結(jié)構(gòu)2在超材料空間調(diào)制器上的組合是無(wú)限的?？梢允侨嗽煳⒔Y(jié)構(gòu)的圖案相同，但是其設(shè)計(jì)尺寸不同；也可以是圖案和設(shè)計(jì)尺寸均不相同。這個(gè)根據(jù)具體需要會(huì)有所不同，都是計(jì)算機(jī)仿真后的結(jié)果，也就是說(shuō)整個(gè)超材料空間調(diào)制器中人造微結(jié)構(gòu)的圖案、設(shè)計(jì)尺寸及空間排布都是通過(guò)計(jì)算機(jī)逆向得到的，因?yàn)檎麄€(gè)超材料空間調(diào)制器中人造微結(jié)構(gòu)的數(shù)量龐大，因此如果正向設(shè)計(jì)，是根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該想到，上述的方法是用軟件程序的方法實(shí)現(xiàn)的，該軟件程序可以存在于硬盤(pán)、軟盤(pán)、U盤(pán)以及光盤(pán)中。本發(fā)明的所述基材I可以由陶瓷材料、環(huán)氧樹(shù)脂或聚四氟乙烯制得。作為一個(gè)實(shí)施例，選用聚四氟乙烯來(lái)制成基材1，聚四氟乙烯的電絕緣性非常好，因此不會(huì)對(duì)電磁波的電場(chǎng)產(chǎn)生干擾，并且具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、耐腐蝕性、使用壽命長(zhǎng)，作為人造微結(jié)構(gòu)2附著的基材是很好的選擇，作為一個(gè)實(shí)施例，所述金屬線(xiàn)為銅線(xiàn)或銀線(xiàn)，銅與銀的導(dǎo)電性能好，對(duì)電場(chǎng)的響應(yīng)更加靈敏。本發(fā)明利用人造微結(jié)構(gòu)的有序排列，通過(guò)對(duì)介質(zhì)基板以及人造微結(jié)構(gòu)的等效介電常數(shù)e以及等效磁導(dǎo)率U的乘積非均勻分布，實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的折射率分布的呈小至大漸變趨勢(shì)，從而達(dá)到電磁波發(fā)散的效果。實(shí)施本發(fā)明的發(fā)散電磁波超材料，具有以下有益效果I.體積小，不占用過(guò)多的空間；2.簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、低成本，通過(guò)超材料對(duì)電磁波加以發(fā)散，不依賴(lài)電磁波發(fā)散設(shè)備的種類(lèi)及形狀；3.具有廣泛的應(yīng)用前景，超材料通過(guò)對(duì)電磁波的發(fā)散，所以可以使電磁波從一個(gè)方向轉(zhuǎn)為另外一個(gè)方向、可發(fā)散電磁波波束、可用于生成各種奇異的現(xiàn)象。上面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實(shí)施方式
，上述的具體實(shí)施方式
僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員 在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨和權(quán)利要求所保護(hù)的范圍情況下，還可做出很多形式，這些均屬于本發(fā)明的保護(hù)之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種發(fā)散電磁波的超材料，其特征在于，包括介質(zhì)基板以及若干人造微結(jié)構(gòu)，所述介質(zhì)基板分成若干晶格，所述人造微結(jié)構(gòu)置于所述晶格中，所述超材料存在ー個(gè)以上的區(qū)段，所述區(qū)段中部若為若干人造微結(jié)構(gòu)與介質(zhì)基板，所述的若干人造微結(jié)構(gòu)與所述介質(zhì)基板等效介電常數(shù)ε與等效磁導(dǎo)率μ之乘積為最低值，或，所述區(qū)段中部若為介質(zhì)基板，所述介質(zhì)基板本身的介電常數(shù)ε與磁導(dǎo)率μ之乘積為最低值，其它各處的等效介電常數(shù)ε與等效磁導(dǎo)率μ乘積值自中部起為從小到大呈漸變趨勢(shì)。
2.如權(quán)利要求I所述的發(fā)散電磁波的超材料，其特征在于，所述人造微結(jié)構(gòu)在所述的晶格中呈周期性均勻分布。
3.如權(quán)利要求I所述的發(fā)散電磁波的超材料，其特征在于，所述等效介電常數(shù)ε與等效磁導(dǎo)率μ通過(guò)在介質(zhì)基板選定的情況下，通過(guò)改變?nèi)嗽煳⒔Y(jié)構(gòu)的圖案、設(shè)計(jì)尺寸和/或人造微結(jié)構(gòu)在空間中的排列通過(guò)仿真而獲得數(shù)值，所述的圖案為“エ”字型或“エ”字型的衍生型。
4.如權(quán)利要求I至3任ー權(quán)利要求所述的發(fā)散電磁波的超材料，其特征在于，所述人造微結(jié)構(gòu)為附著在介質(zhì)基板上的金屬線(xiàn)，所述金屬線(xiàn)為銅線(xiàn)或銀線(xiàn)。
5.如權(quán)利要求4所述的發(fā)散電磁波的超材料，其特征在干，所述金屬線(xiàn)通過(guò)蝕刻、電鍍、鉆刻、光刻、電子刻或離子刻的方法附著在介質(zhì)基板上。
6.如權(quán)利要求I所述的發(fā)散電磁波的超材料，其特征在于，所述的介質(zhì)基板由陶瓷材料、環(huán)氧樹(shù)脂或聚四氟こ烯制得。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種發(fā)散電磁波的超材料，包括介質(zhì)基板以及若干人造微結(jié)構(gòu)，所述介質(zhì)基板分成若干晶格，所述人造微結(jié)構(gòu)置于所述晶格中，所述超材料存在一個(gè)以上的區(qū)段，所述區(qū)段中部若為若干人造微結(jié)構(gòu)與介質(zhì)基板，所述的若干人造微結(jié)構(gòu)與所述介質(zhì)基板等效介電常數(shù)ε與等效磁導(dǎo)率μ之乘積為最低值，或，所述區(qū)段中部若為介質(zhì)基板，所述介質(zhì)基板本身的介電常數(shù)ε與磁導(dǎo)率μ之乘積為最低值，其它各處的等效介電常數(shù)ε與等效磁導(dǎo)率μ乘積值自中部起為從小到大呈漸變趨勢(shì)。本發(fā)明的發(fā)散電磁波的超材料體積小、簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、成本低、具有廣泛的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)G02B3/00GK102683870SQ201110061868
公開(kāi)日2012年9月19日 申請(qǐng)日期2011年3月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月15日
發(fā)明者劉若鵬, 季春霖, 徐冠雄, 李岳峰 申請(qǐng)人:深圳光啟創(chuàng)新技術(shù)有限公司, 深圳光啟高等理工研究院