專利名稱：一種阻抗匹配元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超材料領(lǐng)域，尤其涉及一種用于減小超材料對(duì)電磁波反射的阻抗匹配元件。
背景技術(shù)：
光，作為電磁波的一種，其在穿過玻璃的時(shí)候，因?yàn)楣饩€的波長遠(yuǎn)大于原子的尺寸，因此我們可以用玻璃的整體參數(shù)，例如折射率，而不是組成玻璃的原子的細(xì)節(jié)參數(shù)來描述玻璃對(duì)光線的響應(yīng)。相應(yīng)的，在研究材料對(duì)其他電磁波響應(yīng)的時(shí)候，材料中任何尺度遠(yuǎn)小于電磁波波長的結(jié)構(gòu)對(duì)電磁波的響應(yīng)也可以用材料的整體參數(shù)，例如介電常數(shù)ε和磁導(dǎo)率μ來描述。通過設(shè)計(jì)材料每點(diǎn)的結(jié)構(gòu)使得材料各點(diǎn)的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率都相同或者不同從而使得材料整體的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率呈一定規(guī)律排布，規(guī)律排布的磁導(dǎo)率和介電常數(shù)即可使得材料對(duì)電磁波具有宏觀上的響應(yīng)，例如匯聚電磁波、發(fā)散電磁波等。該類具有規(guī)律 排布的磁導(dǎo)率和介電常數(shù)的材料我們稱之為超材料。然而超材料改變的是進(jìn)入其內(nèi)部的電磁波的電磁響應(yīng)，對(duì)入射到超材料表面的電磁波仍然會(huì)因?yàn)檎凵渎实耐蛔冊(cè)斐呻姶挪ū环瓷?，使得最終超材料響應(yīng)電磁波的效果降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提出一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于規(guī)模化生產(chǎn)、能有效減少電磁波從自由空間入射到超材料功能層所發(fā)生的反射現(xiàn)象的阻抗匹配元件。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是，提出一種阻抗匹配元件，其用于超材料功能層，所述超材料功能層上折射率分布不均勻且具有最大折射率nmax與最小折射率nfflin,所述阻抗匹配元件包括第一至第M層阻抗匹配層；所述第一至第M層阻抗匹配層包括相對(duì)的兩片基材以及與所述兩片基材構(gòu)成密封腔的密封物；所述第一阻抗匹配層折射率等于空氣折射率，所述第M層阻抗匹配層折射率等于所述超材料功能層折射率最小值。進(jìn)一步地，所述第一至第M層阻抗匹配層的厚度變化規(guī)律為等比變化，所述第一層阻抗匹配層的厚度最大，所述第M層阻抗匹配層的厚度最小。進(jìn)一步地，所述第一至第M層阻抗匹配層的厚度變化規(guī)律為等差變化，所述第一層阻抗匹配層的厚度最大，所述第M層阻抗匹配層的厚度最小。進(jìn)一步地，所述第一至第M層阻抗匹配層以及所述超材料功能層的厚度滿足規(guī)律n0 * di+ri! * d2+......+ -。(!(『丄)+]!— * dm+n (r) * A * D = Κ/2λ其中，η0為空氣折射率值，Cl1至dm為第一至第M阻抗匹配層各層厚度，H1至II0lri)為第二至第(M-I)層阻抗匹配層的等效折射率值，nmin為超材料功能層的最小折射率值，D為每層超材料功能層所具有的相同厚度，A為超材料功能層的層數(shù)，K為正整數(shù)，λ為入射電磁波波長。進(jìn)一步地，所述密封物為泡沫。進(jìn)一步地，所述密封物的材質(zhì)與基材材質(zhì)相同。進(jìn)一步地，所述密封物為聚四氟乙烯。進(jìn)一步地,所述基材為聞分子材料、陶瓷材料、鐵電材料、鐵氧材料或者鐵磁材料。進(jìn)一步地，所述第一至第M層阻抗匹配層的總厚度為所響應(yīng)電磁波波長的十分之
一至五分之一O進(jìn)一步地，所述第一至第M層阻抗匹配層的總厚度為所響應(yīng)電磁波波長的十分之
O本發(fā)明通過在兩層基材中間填充不同體積的空氣以形成不同折射率的阻抗匹配層，能有效減少自由空間入射到超材料功能層時(shí)所產(chǎn)生的反射現(xiàn)象，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于規(guī)?；a(chǎn)的有益效果。


圖I為構(gòu)成超材料的基本單元的立體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明一種阻抗匹配元件立體結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明阻抗匹配元件中阻抗匹配層的剖視具體實(shí)施例方式如圖I所示，圖I為構(gòu)成超材料的基本單元的立體結(jié)構(gòu)示意圖。圖I中，超材料的基本單元包括人造微結(jié)構(gòu)I以及該人造微結(jié)構(gòu)附著的基材2。本發(fā)明中，人造微結(jié)構(gòu)為人造金屬微結(jié)構(gòu)，人造金屬微結(jié)構(gòu)具有能對(duì)入射電磁波電場(chǎng)和/或磁場(chǎng)產(chǎn)生響應(yīng)的平面或立體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，改變每個(gè)超材料基本單元上的人造金屬微結(jié)構(gòu)的圖案和/或尺寸即可改變每個(gè)超材料基本單元對(duì)入射電磁波的響應(yīng)。多個(gè)超材料基本單元按一定規(guī)律排列即可使得超材料對(duì)電磁波具有宏觀的響應(yīng)。由于超材料整體需對(duì)入射電磁波有宏觀電磁響應(yīng)因此各個(gè)超材料基本單元對(duì)入射電磁波的響應(yīng)需形成連續(xù)響應(yīng)，這要求每一超材料基本單元的尺寸為入射電磁波的十分之一至五分之一，優(yōu)選為入射電磁波的十分之一。本段描述中，我們?nèi)藶榈膶⒊牧险w劃分為多個(gè)超材料基本單元，但應(yīng)知此種劃分方法僅為描述方便，不應(yīng)看成超材料由多個(gè)超材料基本單元拼接或組裝而成，實(shí)際應(yīng)用中超材料是將人造金屬微結(jié)構(gòu)周期排布于基材上即可構(gòu)成，工藝簡(jiǎn)單且成本低廉。周期排布即指上述我們?nèi)藶閯澐值母鱾€(gè)超材料基本單元上的人造金屬微結(jié)構(gòu)能對(duì)入射電磁波產(chǎn)生連續(xù)的電磁響應(yīng)。我們知道，常規(guī)的能匯聚電磁波的凸透鏡或者能發(fā)散電磁波的凹透鏡均是由其不均勻的厚度達(dá)到所要的效果，其對(duì)加工和制造工藝要求很高且占用體積大。然而通過超材料的原理，我們可以在任意的平板形狀的基材上周期排布人造微結(jié)構(gòu)而改變基材每點(diǎn)的折射率從而達(dá)到和凸透鏡或者凹透鏡同樣甚至更優(yōu)的效果，但是其厚度更薄、形狀可控且成本低廉、加工制造要求不高。利用上述原理制成的超材料功能層由于厚度是均勻的，因此超材料功能層上各區(qū)域的折射率值必然不相同，且各區(qū)域上每點(diǎn)的折射率值分布符合特定的n(r)函數(shù)的分布規(guī)律。n(r)函數(shù)因超材料功能和制造工藝不同而不同但都必然存在一個(gè)最大的折射率值nmax和一個(gè)最小的折射率值nmin，由于技術(shù)的限制，nmax很難達(dá)到無限大，nmin也很難達(dá)到無限接近于空氣的最小折射率。因此，當(dāng)從自由空間直接入射到超材料表面的電磁波會(huì)由于折射率的突變而發(fā)生反射，造成一部分能量損失。如圖2所示，圖2為本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題而提出的一種阻抗匹配元件，應(yīng)用于超材料功能層30上。圖2中，阻抗匹配元件包括第一至第M層阻抗匹配層10至lm。如圖3所示，圖3為一層阻抗匹配層的剖視圖。從圖3可知，每一阻抗匹配層均包括相對(duì)的兩塊材質(zhì)相同的基材101，基材邊側(cè)被密封物103密封，密封物可為對(duì)電磁波無響應(yīng)的泡沫、聚四氟乙烯等，也可為與基材材質(zhì)相同的物質(zhì)。密封的基材形成一內(nèi)部空腔102，內(nèi)部空腔內(nèi)的空氣與基材使得阻抗匹配層具有一個(gè)折射率值。由于第一至第M層阻抗匹配層的基材均相同，不同之處在于其內(nèi)部空腔的大小，因此可用各阻抗匹配層的厚度變化來描述各阻抗匹配層的折射率變化。厚度越厚時(shí)，內(nèi)部空腔越大，對(duì)應(yīng)的阻抗匹配層的折射率值越小。第一至第M層阻抗匹配層厚度的變化規(guī)律可為等比變化，即與空氣接觸的第一層阻抗匹配層的厚度為Cl1，其折射率等于空氣折射率，第二層阻抗匹配層的厚度為(12，(12= (1/2) ^d1, 第三層阻抗匹配層的厚度為d3，d3= (1/4) * Cl1......以此類推，最后一層即第M層
阻抗匹配層的厚度Sdm，dm= (1/2"1-1) * Cl1，且第M層阻抗匹配層的折射率值等于超材料功能層上的最小值nmin?？梢韵胂蟮?，在滿足第一阻抗匹配層折射率等于空氣折射率，第M層阻抗匹配層折射率等于超材料功能層上的最小值nmin的條件下，中間各層阻抗匹配層的厚度變化亦可采用其他方式，例如等差方式，即Cl1 = (1/2) * d2 = (1/3) * d3 .......(1/m) * dm。同時(shí)，由于第一至第M層阻抗匹配層仍然是整個(gè)超材料的構(gòu)成部分，因此第一至第M層阻抗匹配層的總厚度仍然需要保證為入射電磁波波長的五分之一至十分之一，優(yōu)選為入射電磁波波長的十分之一，以使得第一至第M層阻抗匹配層對(duì)入射電磁波的響應(yīng)與超材料其他部分對(duì)入射電磁波的響應(yīng)構(gòu)成連續(xù)的電磁響應(yīng)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)可知，當(dāng)使用第一至第M阻抗匹配層時(shí)，所有的阻抗匹配層與超材料功能層的總光程為入射電磁波半波長的整數(shù)倍時(shí)，入射電磁波被反射最小。即n0 * di+ri! * d2+......* dm+n (r) * A * D = Κ/2 λ其中，η0為空氣折射率值，Cl1至Cl111為第一至第M阻抗匹配層各層厚度，Ii1至Ii0lri)為第二至第(M-I)阻抗匹配層的等效折射率值，nmin為超材料功能層的最小折射率值，D為每層超材料功能層所具有的相同厚度，A為超材料功能層的層數(shù)，K為正整數(shù)，λ為入射電磁波波長。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
1.一種阻抗匹配元件，用于超材料功能層，其特征在于所述超材料功能層上折射率分布不均勻且具有最大折射率nmax與最小折射率nmin，所述阻抗匹配元件包括第一至第M層阻抗匹配層；所述第一至第M層阻抗匹配層包括相對(duì)的兩片基材以及與所述兩片基材構(gòu)成密封腔的密封物；所述第一阻抗匹配層折射率等于空氣折射率，所述第M層阻抗匹配層折射率等于所述超材料功能層折射率最小值。
2.如權(quán)利要求I所述的阻抗匹配元件，其特征在于所述第一至第M層阻抗匹配層的厚度變化規(guī)律為等比變化，所述第一層阻抗匹配層的厚度最大，所述第M層阻抗匹配層的厚度最小。
3.如權(quán)利要求I所述的阻抗匹配元件，其特征在于所述第一至第M層阻抗匹配層的厚度變化規(guī)律為等差變化，所述第一層阻抗匹配層的厚度最大，所述第M層阻抗匹配層的厚度最小。
4.如權(quán)利要求2或3所述的阻抗匹配元件，其特征在于所述第一至第M層阻抗匹配層以及所述超材料功能層的厚度滿足規(guī)律n0 'k Ci^n1 女 d2+......+η (m-i)dO11-D+η— * dm+n (r) * A * D = K/2 λ 其中，Iitl為空氣折射率值，Cl1至dm為第一至第M阻抗匹配層各層厚度，H1至Ii0rt)為第二至第(M-I)層阻抗匹配層的等效折射率值，nmin為超材料功能層的最小折射率值，D為每層超材料功能層所具有的相同厚度，A為超材料功能層的層數(shù)，K為正整數(shù)，λ為入射電磁波波長。
5.如權(quán)利要求I所述的阻抗匹配元件，其特征在于所述密封物為泡沫。
6.如權(quán)利要求I所述的阻抗匹配元件，其特征在于所述密封物的材質(zhì)與基材材質(zhì)相同。
7.如權(quán)利要求I所述的阻抗匹配元件，其特征在于所述密封物為聚四氟乙烯。
8.如權(quán)利要求I所述的阻抗匹配元件，其特征在于所述基材為高分子材料、陶瓷材料、鐵電材料、鐵氧材料或者鐵磁材料。
9.如權(quán)利要求I所述的阻抗匹配元件，其特征在于所述第一至第M層阻抗匹配層的總厚度為所響應(yīng)電磁波波長的十分之一至五分之一。
10.如權(quán)利要求9所述的阻抗匹配元件，其特征在于所述第一至第M層阻抗匹配層的總厚度為所響應(yīng)電磁波波長的十分之一。
全文摘要
本發(fā)明公開一種阻抗匹配元件，其用于超材料功能層，所述超材料功能層上折射率分布不均勻且具有最大折射率nmax與最小折射率nmin，所述阻抗匹配元件包括第一至第M層阻抗匹配層；所述第一至第M層阻抗匹配層包括相對(duì)的兩片基材以及與所述兩片基材構(gòu)成密封腔的密封物；所述第一阻抗匹配層折射率等于空氣折射率，所述第M層阻抗匹配層折射率等于所述超材料功能層折射率最小值。本發(fā)明阻抗匹配元件能有效減少電磁波從自由空間入射到超材料功能層上時(shí)所產(chǎn)生的反射現(xiàn)象，從而提高超材料功能層轉(zhuǎn)化電磁波的增益，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于規(guī)模化生產(chǎn)的有益效果。
文檔編號(hào)H01Q15/00GK102956983SQ20111025441
公開日2013年3月6日 申請(qǐng)日期2011年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月31日
發(fā)明者劉若鵬, 季春霖, 岳玉濤, 洪運(yùn)南 申請(qǐng)人:深圳光啟高等理工研究院, 深圳光啟創(chuàng)新技術(shù)有限公司