專(zhuān)利名稱(chēng)：一種超材料及超材料設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明超材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種超材料及超材料設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
超材料是近十年來(lái)發(fā)展起來(lái)的對(duì)電磁波起調(diào)制作用的一種新型人工材料，基本原理是人為設(shè)計(jì)材料的微結(jié)構(gòu)(或稱(chēng)人造“原子”)，讓這樣的微結(jié)構(gòu)具有特定的電磁特性，從而由海量數(shù)目的微結(jié)構(gòu)組成的材料宏觀(guān)上可具有人們所需要的電磁功能。與傳統(tǒng)材料技術(shù)根據(jù)自然界中已有材料的天然性質(zhì)來(lái)開(kāi)發(fā)電磁利用途徑的傳統(tǒng)材料技術(shù)不同，超材料技術(shù)是根據(jù)需要來(lái)人為設(shè)計(jì)材料的性質(zhì)并制造材料。超材料一般是由一定數(shù)量的人造微結(jié)構(gòu)附在具有一定力學(xué)、電磁學(xué)的基板上，這些具有特定圖案和材質(zhì)的微結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)經(jīng)過(guò)其身的特定頻段的電磁波產(chǎn)生調(diào)制作用?，F(xiàn)有的超材料，例如公開(kāi)號(hào)為“US7570432B1 ”的美國(guó)專(zhuān)利“METAMATERIALGRADIENT INDEX LENS”，又如公開(kāi)號(hào)為 “US2010/0225562A1 ”的美國(guó)專(zhuān)利 “BROADBANDMETAMATERIALAPPARTUS, METHODS, SYSTEMS, AND COMPUTER READABLE MEDIA”，其都是通過(guò)將相同或相近的微結(jié)構(gòu)附著于平板的基材上形成?，F(xiàn)有超材料對(duì)電磁波的響應(yīng)能力很大一部分是由微結(jié)構(gòu)決定，然而當(dāng)超材料需要對(duì)某些電磁參數(shù)范圍跨度較大的電磁波響應(yīng)以實(shí)現(xiàn)特定功能，例如對(duì)入射角度為O至90°的電磁波均具有透波效果，或者對(duì)極化角度為O至90°的電磁波均能實(shí)現(xiàn)極化轉(zhuǎn)換等時(shí)，此時(shí)若采用常規(guī)的超材料設(shè)計(jì)方法，例如仿真某種微結(jié)構(gòu)，改變其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)或尺寸等以獲得符合需要的超材料則變得相當(dāng)困難，甚至是不可實(shí)現(xiàn)，因?yàn)槲⒔Y(jié)構(gòu)對(duì)電磁波的響應(yīng)能力也存在極限值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種能擴(kuò)寬超材料 適用范圍的超材料。本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題采用的技術(shù)方案是，提出一種超材料，其包括至少一層基材以及設(shè)置于每層基材表面的多個(gè)人造微結(jié)構(gòu)；所述超材料包括多個(gè)電磁區(qū)域，入射至每一電磁區(qū)域內(nèi)的電磁波具有一種或多種電磁參數(shù)范圍；每一電磁區(qū)域內(nèi)的人造微結(jié)構(gòu)對(duì)入射至該電磁區(qū)域的電磁波產(chǎn)生預(yù)設(shè)的電磁響應(yīng)。進(jìn)一步地，入射至每一電磁區(qū)域內(nèi)的電磁波的一種或多種電磁參數(shù)的最大值與最小值的差值相等。進(jìn)一步地，入射至每一電磁區(qū)域內(nèi)的電磁波的一種或多種電磁參數(shù)的最大值與最小值的差值不等。進(jìn)一步地,所述電磁參數(shù)范圍為入射角度范圍、軸比值范圍、相位值范圍或電磁波電場(chǎng)入射角度范圍。進(jìn)一步地，每一電磁區(qū)域上的人造微結(jié)構(gòu)拓?fù)湫螤钕嗤?，尺寸不同。進(jìn)一步地，不同電磁區(qū)域上的人造微結(jié)構(gòu)拓?fù)湫螤畈煌?br> 進(jìn)一步地，所述超材料包括兩層或至少三層基材。進(jìn)一步地，每層基材厚度不同。進(jìn)一步地，每層基材厚度相同。進(jìn)一步地，每層基材緊貼設(shè)置或者每層基材間隔設(shè)置。進(jìn)一步地，所述超材料可實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波進(jìn)行透波、吸波、波束賦形、極化轉(zhuǎn)化或方向圖調(diào)制的電磁波調(diào)制功能。進(jìn)一步地，所述超材料可實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波進(jìn)行頻選透波、頻選吸波、寬頻透波或?qū)掝l吸波。進(jìn)一步地，所述超材料可實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波進(jìn)行垂直極化轉(zhuǎn)水平極化、水平極化轉(zhuǎn)垂 直極化、水平極化轉(zhuǎn)圓極化或圓極化轉(zhuǎn)水平極化。進(jìn)一步地，所述超材料可實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波進(jìn)行波束發(fā)散、波束匯聚或波束偏折。進(jìn)一步地,所述基材表面為平面。進(jìn)一步地，所述基材表面由至少兩個(gè)可展開(kāi)為平面的幾何區(qū)域組成。進(jìn)一步地，所述基材表面可展開(kāi)為平面的幾何區(qū)域內(nèi)最大高斯曲率與最小高斯曲率的比值小于100。進(jìn)一步地，所述基材表面可展開(kāi)為平面的幾何區(qū)域內(nèi)最大高斯曲率與最小高斯曲率的比值小于80。進(jìn)一步地，所述基材表面可展開(kāi)為平面的幾何區(qū)域內(nèi)最大高斯曲率與最小高斯曲率的比值小于50。進(jìn)一步地，所述基材表面可展開(kāi)為平面的幾何區(qū)域內(nèi)最大高斯曲率與最小高斯曲率的比值小于20。進(jìn)一步地，所述基材表面可展開(kāi)為平面的幾何區(qū)域內(nèi)最大高斯曲率與最小高斯曲率的比值小于10。進(jìn)一步地，每一幾何區(qū)域內(nèi)的人造微結(jié)構(gòu)拓?fù)湫螤詈统叽绮蝗嗤?。進(jìn)一步地，所述超材料還包括多個(gè)柔性基板，每一柔性基板對(duì)應(yīng)所述基材表面可展開(kāi)為平面的一個(gè)幾何區(qū)域，所述人造微結(jié)構(gòu)附著于柔性基板上，所述柔性基板貼附于基材表面或設(shè)置于多個(gè)基材之間。進(jìn)一步地，所述基材材料為陶瓷材料、鐵電材料、鐵氧材料或高分子材料。進(jìn)一步地，所述基材材料為由樹(shù)脂和增強(qiáng)纖維構(gòu)成的預(yù)浸料。進(jìn)一步地，所述增強(qiáng)纖維為玻璃纖維、石英纖維、芳綸纖維、聚乙烯纖維、碳纖維或聚酯纖維。進(jìn)一步地，所述樹(shù)脂為熱固性樹(shù)脂。進(jìn)一步地，所述熱固性樹(shù)脂包括環(huán)氧類(lèi)型、氰酸酯類(lèi)型、雙馬來(lái)酰亞胺樹(shù)脂及它們的改性樹(shù)脂體系或混合體系。進(jìn)一步地，所述樹(shù)脂為熱塑性樹(shù)脂。進(jìn)一步地，所述熱塑性樹(shù)脂包括聚酰亞胺、聚醚醚酮、聚醚酰亞胺、聚苯硫醚或聚酯。進(jìn)一步地，所述人造微結(jié)構(gòu)為導(dǎo)電材料構(gòu)成的具有幾何圖案的結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步地，所述導(dǎo)電材料為金屬或非金屬導(dǎo)電材料。
進(jìn)一步地,所述金屬為金、銀、銅、金合金、銀合金、銅合金、鋅合金或招合金。進(jìn)一步地，所述非金屬導(dǎo)電材料為導(dǎo)電石墨、銦錫氧化物或摻鋁氧化鋅。進(jìn)一步地，所述人造微結(jié)構(gòu)的幾何圖案為方片形、雪花形、工字形、六邊形、六邊環(huán)形、十字孔形、十字環(huán)形、Y孔形、Y環(huán)形、圓孔形或圓環(huán)形。本發(fā)明還提供一種超材料的設(shè)計(jì)方法，其包括步驟計(jì)算超材料各處的一種或多種電磁參數(shù)值；將超材料劃分為多個(gè)電磁區(qū) 域，每一電磁區(qū)域?qū)?yīng)一種或多種電磁參數(shù)范圍；針對(duì)每一電磁區(qū)域的一種或多種電磁參數(shù)范圍設(shè)計(jì)人造微結(jié)構(gòu)使得每一電磁區(qū)域能產(chǎn)生預(yù)設(shè)的電磁響應(yīng)。進(jìn)一步地，每一電磁區(qū)域?qū)?yīng)的一種或多種電磁參數(shù)范圍的最大值和最小值的差值相等。進(jìn)一步地，每一電磁區(qū)域?qū)?yīng)的一種或多種電磁參數(shù)范圍的最大值和最小值的差值相等。進(jìn)一步地,所述電磁參數(shù)范圍為入射角度范圍、軸比值范圍、相位值范圍或電磁波電場(chǎng)入射角度范圍。進(jìn)一步地，每一電磁區(qū)域上的人造微結(jié)構(gòu)拓?fù)湫螤钕嗤?，尺寸不同。進(jìn)一步地，不同電磁區(qū)域上的人造微結(jié)構(gòu)拓?fù)湫螤畈煌?。本發(fā)明還提供一種天線(xiàn)罩，所述天線(xiàn)罩為上述的超材料。本發(fā)明還提供一種吸波材料，其包括上述的超材料。本發(fā)明還提供一種濾波器，其包括上述的超材料。本發(fā)明還提供一種天線(xiàn)，其包括上述的超材料。本發(fā)明還提供一種極化轉(zhuǎn)換器，其包括上述的超材料。本發(fā)明將超材料劃分為多個(gè)電磁區(qū)域，每一電磁區(qū)域內(nèi)的人造微結(jié)構(gòu)僅需響應(yīng)其對(duì)應(yīng)的電磁參數(shù)范圍的電磁波，從而能夠簡(jiǎn)化超材料設(shè)計(jì)并能擴(kuò)寬超材料適用范圍。進(jìn)一步地，本發(fā)明還通過(guò)曲面展開(kāi)的方式將各電磁區(qū)域的人造微結(jié)構(gòu)貼附于曲面的基材表面，使得本發(fā)明超材料不局限于現(xiàn)有的平面形態(tài)，還可以替代各種具有復(fù)雜曲面且需要有一定電磁調(diào)制功能的結(jié)構(gòu)件，也可以貼附于各種具有復(fù)雜曲面的結(jié)構(gòu)件上實(shí)現(xiàn)需要的電磁調(diào)制功能。


圖1為本發(fā)明超材料一較佳實(shí)施方式中的立體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明超材料另一較佳實(shí)施方式中的立體結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為圖2所示超材料的部分剖視示意圖；圖4為電磁波入射至圖2所示超材料表面某點(diǎn)P的入射角度示意圖；圖5為一較佳實(shí)施例中，依據(jù)高斯曲率將超材料劃分為多個(gè)幾何區(qū)域的示意圖；圖6為圖5中幾何區(qū)域展開(kāi)為平面的示意圖；圖7為十字雪花型人造微結(jié)構(gòu)示意圖；圖8為另一人造微結(jié)構(gòu)拓?fù)湫螤畈灰鈭D；圖9為本發(fā)明超材料設(shè)計(jì)方法的步驟流程圖。
具體實(shí)施例方式請(qǐng)參照?qǐng)D1，圖1為本發(fā)明超材料一較佳實(shí)施方式中的立體結(jié)構(gòu)示意圖。圖1中，超材料包括基材10，排布于基材10表面的多個(gè)人造微結(jié)構(gòu)11。超材料上包括多個(gè)電磁區(qū)域01、02、03、04、05。圖1中，電磁區(qū)域Dl上排布有多個(gè)人造微結(jié)構(gòu)11，其他電磁區(qū)域用不同的填充圖案填充以示區(qū)分，但可知的，其他電磁區(qū)域內(nèi)也設(shè)置有多個(gè)人造微結(jié)構(gòu)。每一電磁區(qū)域?qū)?yīng)入射至該電磁區(qū)域內(nèi)的電磁波的一種或多種電磁參數(shù)范圍。圖1中，基材10表面為平面。在基材10表面設(shè)置人造微結(jié)構(gòu)的方法可為蝕刻、鉆亥IJ、雕刻、電子刻或離子刻等。請(qǐng)參照?qǐng)D2、圖3，圖2為本發(fā)明另一較佳實(shí)施方式中的立體結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為圖2所示超材料的部分剖視示意圖。由圖2、圖3可知，本實(shí)施例中超材料基材10表面為曲面，本實(shí)施例中超材料根據(jù)入射角度范圍信息劃分了 Q1-Q8共8個(gè)電磁區(qū)域。其中，電磁波 入射至本實(shí)施例超材料表面某點(diǎn)P的入射角度可由圖4所示方式得出。圖4中，由電磁波波矢K的信息與該點(diǎn)P對(duì)應(yīng)的切面的法線(xiàn)N計(jì)算出該點(diǎn)P上的電磁波入射角度Θ。依據(jù) 圖4所示入射角度計(jì)算方式得到各處的入射角度值。本實(shí)施例中，八個(gè)電磁區(qū)域是按照入射角度相差11°劃分，即入射角度為0° -11°劃分為電磁區(qū)域Q1，入射角度為12° -23°劃分為電磁區(qū)域Q2，入射角度為24° -35°劃分為電磁區(qū)域Q3，依此類(lèi)推。本實(shí)施例中，各電磁區(qū)域的入射角度最大值與最小值的差值相同以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。但是某些時(shí)候，例如已知某種人造微結(jié)構(gòu)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)入射角度為0° -30°的電磁波均具有良好的電磁響應(yīng)，則在劃分電磁區(qū)域時(shí)，可劃分為0° -30° ,31° -40° ,41° -50°，等等。具體的劃分方式可依據(jù)具體的需求來(lái)進(jìn)行設(shè)置，本發(fā)明對(duì)此不做限制。針對(duì)每一電磁區(qū)域的入射角度范圍信息設(shè)計(jì)每一電磁區(qū)域的人造微結(jié)構(gòu)形狀使得其滿(mǎn)足需求，例如吸收電磁波、透過(guò)電磁波等。由于每一電磁區(qū)域的入射角度范圍跨度較小，因此針對(duì)該電磁區(qū)域設(shè)計(jì)人造微結(jié)構(gòu)變得簡(jiǎn)單。在一優(yōu)選實(shí)施例中，每一電磁區(qū)域的人造微結(jié)構(gòu)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相同，尺寸不同。通過(guò)將相同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的人造微結(jié)構(gòu)尺寸漸變的方式使得其能滿(mǎn)足一電磁區(qū)域的電磁響應(yīng)要求，此種設(shè)計(jì)方式能簡(jiǎn)化工藝難度，降低設(shè)計(jì)成本。當(dāng)然可以想象地，也可以使得每一電磁區(qū)域內(nèi)的人造微結(jié)構(gòu)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和尺寸均不同，只要其滿(mǎn)足該電磁區(qū)域?qū)?yīng)的入射角度范圍所需的電磁響應(yīng)即可。上面描述了曲面基材的超材料按照入射角度劃分電磁區(qū)域的方式，可以想象地，當(dāng)基材表面為平面時(shí)，按照入射角度劃分電磁區(qū)域更為簡(jiǎn)單。由于可以表征電磁波的電磁參數(shù)多種多樣，圖2至圖4中，超材料需實(shí)現(xiàn)的功能為使得大角度入射的電磁波均能具有相同的電磁響應(yīng)，例如大角度吸波、大角度透波等。當(dāng)超材料需要實(shí)現(xiàn)其他功能時(shí)，則將電磁波表征為其他電磁參數(shù)，并根據(jù)該電磁參數(shù)劃分電磁區(qū)域。例如當(dāng)超材料需要實(shí)現(xiàn)波束賦形功能時(shí)，對(duì)入射至超材料表面的電磁波則用相位值表征。選取合適的相位值范圍將超材料劃分為多個(gè)電磁區(qū)域。根據(jù)最終波束賦形需要實(shí)現(xiàn)的功能，例如匯聚電磁波、發(fā)散電磁波、偏折電磁波、球面波轉(zhuǎn)為平面波等計(jì)算出超材料各處最終需要的相位，在每個(gè)電磁區(qū)域排布人造微結(jié)構(gòu)使得該電磁區(qū)域能滿(mǎn)足對(duì)應(yīng)該電磁區(qū)域的相位差。
又如當(dāng)超材料需要實(shí)現(xiàn)極化轉(zhuǎn)化時(shí)，對(duì)入射至超材料表面的電磁波則用軸比值或電磁波電場(chǎng)入射角度表征。本領(lǐng)域技術(shù)人員可知，電磁波的極化方式即為電磁波電場(chǎng)方向，極化的效果以軸比表示。電磁波電場(chǎng)入射角度的確定方式與圖4中電磁波入射角度的確定方式相似，僅需要將圖4中的波矢K方向變化為電場(chǎng)E方向即可。根據(jù)電磁波電場(chǎng)入射角度信息將超材料表面劃分為多個(gè)電磁區(qū)域。根據(jù)最終極化轉(zhuǎn)化需要實(shí)現(xiàn)的功能，例如轉(zhuǎn)化為垂直極化、轉(zhuǎn)化為水平極化、轉(zhuǎn)化為圓極化等確定出超材料各處最終需要的電場(chǎng)方向角度，在每個(gè)電磁區(qū)域排布人造微結(jié)構(gòu)使得該電磁區(qū)域能滿(mǎn)足對(duì)應(yīng)電磁區(qū)域的電場(chǎng)方向角度差。若超材料需 要滿(mǎn)足兩種或兩種以上的電磁參數(shù)，例如既需要超材料響應(yīng)電磁波角度較大，又需要滿(mǎn)足波束賦性，則可將超材料表面劃分多個(gè)能滿(mǎn)足上述兩種電磁參數(shù)的電磁區(qū)域。在曲面超材料各電磁區(qū)域上加工人造微結(jié)構(gòu)的方式可采用常規(guī)的三維激光雕刻、三維蝕刻等方式。但是三維加工的設(shè)備成本較高且工藝精度控制也不佳。本發(fā)明為解決曲面超材料各電磁區(qū)域人造微結(jié)構(gòu)的加工問(wèn)題，將曲面超材料展開(kāi)為多個(gè)幾何區(qū)域，而后在各幾何區(qū)域上加工對(duì)應(yīng)的電磁區(qū)域的人造微結(jié)構(gòu)。請(qǐng)?jiān)俅螀⒄請(qǐng)D3，在幾何區(qū)域排布對(duì)應(yīng)電磁區(qū)域的人造微結(jié)構(gòu)時(shí)，可通過(guò)先將人造微結(jié)構(gòu)排布于柔性基板12上，每一柔性基板對(duì)應(yīng)一幾何區(qū)域展開(kāi)的平面，后將多塊柔性基板貼附于基材上以達(dá)到將人造微結(jié)構(gòu)排布于基材上的效果。本實(shí)施例中采用如下方式將超材料表面劃分為多個(gè)幾何區(qū)域分析超材料表面的高斯曲率分布，將相近高斯曲率分布的部分劃分為一個(gè)幾何區(qū)域。幾何區(qū)域劃分越多，對(duì)應(yīng)幾何區(qū)域的柔性基板在貼附于基材表面時(shí)產(chǎn)生皺褶的概率越小、工藝精度越高，但是工藝成形難度越大。為平衡二者的關(guān)系，一般根據(jù)高斯曲率將超材料表面劃分為5-15個(gè)幾何區(qū)域。根據(jù)超材料整體最大高斯曲率與最小高斯曲率的比值，在劃分幾何區(qū)域時(shí)，每一幾何區(qū)域內(nèi)的最大高斯曲率與最小高斯曲率的比值一般小于100，也可為小于80，小于50或小于30等。優(yōu)選地，每一幾何區(qū)域內(nèi)的最大高斯曲率與最小高斯曲率的比值小于20。更優(yōu)選地，每一幾何區(qū)域內(nèi)的最大高斯曲率與最小高斯曲率的比值小于10。圖5示出了一較佳實(shí)施例中，依據(jù)高斯曲率將超材料劃分為多個(gè)幾何區(qū)域的示意圖。圖5中，超材料依據(jù)高斯曲率劃分為5個(gè)幾何區(qū)域J1-J5。圖6為圖5中5個(gè)幾何區(qū)域展開(kāi)的5個(gè)平面P1-P5的示意圖，優(yōu)選地，圖6中，為使得制作更為方便，將長(zhǎng)度較長(zhǎng)的幾何區(qū)域切開(kāi)成多個(gè)子平面。依據(jù)展開(kāi)后的平面剪切相應(yīng)尺寸的柔性基板，并在柔性基板上加工人造微結(jié)構(gòu)，而后將排布了人造微結(jié)構(gòu)的多個(gè)柔性基板按照上述劃分的幾何區(qū)域?qū)?yīng)貼附于基材對(duì)應(yīng)表面形成超材料。在該實(shí)施例中，人造微結(jié)構(gòu)是在柔性基板上形成，因此可采用現(xiàn)有的平板超材料制備方法而無(wú)需采用三維蝕刻、雕刻等方法從而節(jié)省成本，同時(shí)本實(shí)施例采用區(qū)域劃分的方式保證多個(gè)柔性基板相互拼接時(shí)，多個(gè)柔性基板不會(huì)發(fā)生皺褶也即人造微結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生扭曲從而保證了超材料的工藝精度。人造微結(jié)構(gòu)可為由導(dǎo)電材料構(gòu)成的具有幾何圖案的結(jié)構(gòu)，人造微結(jié)構(gòu)拓?fù)湫螤羁刹捎糜?jì)算機(jī)仿真得到，針對(duì)不同的電磁響應(yīng)需求設(shè)計(jì)不同的人造微結(jié)構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)即可。該幾何圖案可為圖7所示的十字雪花型，十字雪花型微結(jié)構(gòu)包括相互垂直平分的第一金屬線(xiàn)Pl和第二金屬線(xiàn)P2，所述第一金屬線(xiàn)Pl兩端連接有相同長(zhǎng)度的兩個(gè)第一金屬分支F1，所述第一金屬線(xiàn)Pl兩端連接在兩個(gè)第一金屬分支Fl的中點(diǎn)上，所述第二金屬線(xiàn)P2兩端連接有相同長(zhǎng)度的兩個(gè)第二金屬分支F2，所述第二金屬線(xiàn)P2兩端連接在兩個(gè)第二金屬分支F2的中點(diǎn)上，所述第一金屬分支Fl與第二金屬分支F2的長(zhǎng)度相等。該幾何圖案也可為圖8所示幾何圖形，圖7中，該幾何圖案具有相互垂直平分的第一主線(xiàn)Zl及第二主線(xiàn)Z2，第一主線(xiàn)Zl與第二主線(xiàn)Z2形狀尺寸相同，第一主線(xiàn)Zl兩端連接有兩個(gè)相同的第一直角折角線(xiàn)ZJ1，第一主線(xiàn)Zl兩端連接在兩個(gè)第一直角折角線(xiàn)ZJl的拐角處，第二主線(xiàn)Z2兩端連接有兩個(gè)第二直角折角線(xiàn)ZJ2，第二主線(xiàn)Z2兩端連接在兩個(gè)第二直角折角線(xiàn)ZJ2的拐角處，第一直角折角線(xiàn)ZJl與第二直角折角線(xiàn)ZJ2形狀尺寸相同，第一直角折角線(xiàn)ZJ1、第二直角折角線(xiàn)ZJ2的兩個(gè)角邊分別平行于水平線(xiàn)，第一主線(xiàn)Z1、第二主線(xiàn)Z2為第一直角折角線(xiàn)ZJ1、第二直角折角線(xiàn)ZJ2的角平分線(xiàn)。該幾何圖案還可為其他形狀，例如開(kāi)口圓環(huán)形、十字形、工字形、方片形、六邊形、六邊環(huán)形、十字孔形、十字環(huán)形、Y孔 形、Y環(huán)形、圓孔形、圓環(huán)形等。人造微結(jié)構(gòu)材料可為金屬導(dǎo)電材料或非金屬導(dǎo)電材料，其中金屬導(dǎo)電材料可為金、銀、銅、鋁、鋅等或者各種金合金、鋁合金、鋅合金等，非金屬導(dǎo)電材料可為導(dǎo)電石墨、銦錫氧化物或摻鋁氧化鋅等?；牟牧峡蔀樘沾刹牧?、鐵電材料、鐵氧材料或者高分子材料。其中高分子材料優(yōu)選為F4B材料、FR4材料或者PS材料。當(dāng)本發(fā)明的超材料基材為曲面材料或者需要在基材表面貼附柔性基板時(shí)，基材材料優(yōu)選為由樹(shù)脂和增強(qiáng)纖維構(gòu)成的預(yù)浸料。預(yù)浸料在未固化成型時(shí)具有一定的柔軟度和粘性，便于在加工曲面超材料時(shí)調(diào)整形狀以及便于將柔性基板粘附于其表面，并且預(yù)浸料在固化成型后機(jī)械強(qiáng)度較好。在預(yù)浸料材料中，樹(shù)脂可為熱固性樹(shù)脂，例如各類(lèi)環(huán)氧類(lèi)型、氰酸酯類(lèi)型、雙馬來(lái)酰亞胺樹(shù)脂及它們的改性樹(shù)脂體系或混合體系；也可為熱塑性樹(shù)脂，例如聚酰亞胺、聚醚醚酮、聚醚酰亞胺、聚苯硫醚或聚酯等。增強(qiáng)纖維可選取為玻璃纖維、石英纖維、芳綸纖維、聚乙烯纖維、碳纖維或聚酯纖維等。將上述超材料應(yīng)用于特定領(lǐng)域的產(chǎn)品時(shí)，該超材料可根據(jù)特定產(chǎn)品的形狀而設(shè)置，使得超材料成為該產(chǎn)品的配件；同時(shí)該超材料自身也可構(gòu)成產(chǎn)品的主要構(gòu)成部分。例如當(dāng)采用超材料制備天線(xiàn)罩時(shí)，可直接將該超材料制備成天線(xiàn)罩本體，還可在原有的普通材料制成的天線(xiàn)罩本體表面設(shè)置該超材料以增強(qiáng)原天線(xiàn)罩本體的電磁性能。根據(jù)超材料的不同功能，超材料還可制成天線(xiàn)、濾波器、極化轉(zhuǎn)換器等，從而滿(mǎn)足不同的應(yīng)用需求。本發(fā)明還提供一種超材料的設(shè)計(jì)方法，其設(shè)計(jì)步驟如圖9所示，包括S1:計(jì)算超材料各處的一種或多種電磁參數(shù)值；該電磁參數(shù)根據(jù)需要選取入射角度、相位、軸比、電磁波電場(chǎng)入射角度等；S2 :將超材料劃分為多個(gè)電磁區(qū)域，每一電磁區(qū)域?qū)?yīng)一種或多種電磁參數(shù)范圍；每一電磁區(qū)域?qū)?yīng)的一種或多種電磁參數(shù)范圍的最大值和最小值的差值相等或不等。S3 :針對(duì)每一電磁區(qū)域的一種或多種電磁參數(shù)范圍設(shè)計(jì)人造微結(jié)構(gòu)使得每一電磁區(qū)域能產(chǎn)生預(yù)設(shè)的電磁響應(yīng)。優(yōu)選地，每一電磁區(qū)域上的人造微結(jié)構(gòu)拓?fù)湫螤钕嗤?，尺寸不同。不同電磁區(qū)域上的人造微結(jié)構(gòu)拓?fù)湫螤畈煌?。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
1.一種超材料,其特征在于,包括至少一層基材以及設(shè)置于每層基材表面的多個(gè)人造微結(jié)構(gòu)；所述超材料包括多個(gè)電磁區(qū)域，入射至每一電磁區(qū)域內(nèi)的電磁波具有一種或多種電磁參數(shù)范圍；每一電磁區(qū)域內(nèi)的人造微結(jié)構(gòu)對(duì)入射至該電磁區(qū)域的電磁波產(chǎn)生預(yù)設(shè)的電磁響應(yīng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超材料，其特征在于，入射至每一電磁區(qū)域內(nèi)的電磁波的一種或多種電磁參數(shù)的最大值與最小值的差值相等。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超材料，其特征在于，入射至每一電磁區(qū)域內(nèi)的電磁波的一種或多種電磁參數(shù)的最大值與最小值的差值不等。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超材料，其特征在于，所述電磁參數(shù)范圍為入射角度范圍、軸比值范圍、相位值范圍或電磁波電場(chǎng)入射角度范圍。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超材料，其特征在于，每一電磁區(qū)域上的人造微結(jié)構(gòu)拓?fù)湫螤钕嗤?，尺寸不同?br> 6.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的超材料，其特征在于，不同電磁區(qū)域上的人造微結(jié)構(gòu)拓?fù)湫螤畈煌?br> 7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超材料，其特征在于，所述超材料包括兩層或至少三層基材。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或7所述的超材料，其特征在于，每層基材厚度不同。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或7所述的超材料，其特征在于，每層基材厚度相同。
10.根據(jù)權(quán)利要求1或7所述的超材料，其特征在于，每層基材緊貼設(shè)置或者每層基材間隔設(shè)置。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超材料，其特征在于，所述超材料可實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波進(jìn)行透波、吸波、波束賦形、極化轉(zhuǎn)化或方向圖調(diào)制的電磁波調(diào)制功能。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的超材料，其特征在于，所述超材料可實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波進(jìn)行頻選透波、頻選吸波、寬頻透波或?qū)掝l吸波。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的超材料，其特征在于，所述超材料可實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波進(jìn)行垂直極化轉(zhuǎn)水平極化、水平極化轉(zhuǎn)垂直極化、水平極化轉(zhuǎn)圓極化或圓極化轉(zhuǎn)水平極化。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的超材料，其特征在于，所述超材料可實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波進(jìn)行波束發(fā)散、波束匯聚或波束偏折。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超材料，其特征在于，所述基材表面為平面。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超材料，其特征在于，所述基材表面由至少兩個(gè)可展開(kāi)為平面的幾何區(qū)域組成。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的超材料，其特征在于，所述基材表面可展開(kāi)為平面的幾何區(qū)域內(nèi)最大高斯曲率與最小高斯曲率的比值小于100。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的超材料，其特征在于，所述基材表面可展開(kāi)為平面的幾何區(qū)域內(nèi)最大高斯曲率與最小高斯曲率的比值小于80。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的超材料，其特征在于，所述基材表面可展開(kāi)為平面的幾何區(qū)域內(nèi)最大高斯曲率與最小高斯曲率的比值小于50。
20.根據(jù)權(quán)利要求16所述的超材料，其特征在于，所述基材表面可展開(kāi)為平面的幾何區(qū)域內(nèi)最大高斯曲率與最小高斯曲率的比值小于20。
21.根據(jù)權(quán)利要求16所述的超材料，其特征在于，所述基材表面可展開(kāi)為平面的幾何區(qū)域內(nèi)最大高斯曲率與最小高斯曲率的比值小于10。
22.根據(jù)權(quán)利要求16所述的超材料，其特征在于，每一幾何區(qū)域內(nèi)的人造微結(jié)構(gòu)拓?fù)湫螤詈统叽绮蝗嗤?br> 23.根據(jù)權(quán)利要求16所述的超材料，其特征在于，所述超材料還包括多個(gè)柔性基板，每一柔性基板對(duì)應(yīng)所述基材表面可展開(kāi)為平面的一個(gè)幾何區(qū)域，所述人造微結(jié)構(gòu)附著于柔性基板上，所述柔性基板貼附于基材表面或者設(shè)置于多個(gè)基材之間。
24.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超材料,其特征在于,所述基材材料為陶瓷材料、鐵電材料、鐵氧材料或高分子材料。
25.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超材料，其特征在于，所述基材材料為由樹(shù)脂和增強(qiáng)纖維構(gòu)成的預(yù)浸料。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的超材料，其特征在于，所述增強(qiáng)纖維為玻璃纖維、石英纖維、芳綸纖維、聚乙烯纖維、碳纖維或聚酯纖維。
27.根據(jù)權(quán)利要求25所述的超材料，其特征在于，所述樹(shù)脂為熱固性樹(shù)脂。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的超材料，其特征在于，所述熱固性樹(shù)脂包括環(huán)氧類(lèi)型、氰酸酯類(lèi)型、雙馬來(lái)酰亞胺樹(shù)脂及它們的改性樹(shù)脂體系或混合體系。
29.根據(jù)權(quán)利要求25所述的超材料，其特征在于，所述樹(shù)脂為熱塑性樹(shù)脂。
30.根據(jù)權(quán)利要求29所述的超材料，其特征在于，所述熱塑性樹(shù)脂包括聚酰亞胺、聚醚醚酮、聚醚酰亞胺、聚苯硫醚或聚酯。
31.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超材料，其特征在于，所述人造微結(jié)構(gòu)為導(dǎo)電材料構(gòu)成的具有幾何圖案的結(jié)構(gòu)。
32.根據(jù)權(quán)利要求31所述的超材料，其特征在于，所述導(dǎo)電材料為金屬或非金屬導(dǎo)電材料。
33.根據(jù)權(quán)利要求32所述的超材料，其特征在于，所述金屬為金、銀、銅、金合金、銀合金、銅合金、鋅合金或招合金。
34.根據(jù)權(quán)利要求32所述的超材料，其特征在于，所述非金屬導(dǎo)電材料為導(dǎo)電石墨、銦錫氧化物或摻鋁氧化鋅。
35.根據(jù)權(quán)利要求31所述的超材料，其特征在于，所述人造微結(jié)構(gòu)的幾何圖案為方片形、雪花形、工字形、六邊形、六邊環(huán)形、十字孔形、十字環(huán)形、Y孔形、Y環(huán)形、圓孔形或圓環(huán)形。
36.一種超材料的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括步驟計(jì)算入射至超材料各處的電磁波的一種或多種電磁參數(shù)值；將超材料劃分為多個(gè)電磁區(qū)域，每一電磁區(qū)域?qū)?yīng)一種或多種電磁參數(shù)范圍；針對(duì)每一電磁區(qū)域的一種或多種電磁參數(shù)范圍設(shè)計(jì)人造微結(jié)構(gòu)使得每一電磁區(qū)域能產(chǎn)生預(yù)設(shè)的電磁響應(yīng)。
37.根據(jù)權(quán)利要求36所述的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，每一電磁區(qū)域?qū)?yīng)的一種或多種電磁參數(shù)范圍的最大值和最小值的差值相等。
38.根據(jù)權(quán)利要求36所述的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，每一電磁區(qū)域?qū)?yīng)的一種或多種電磁參數(shù)范圍的最大值和最小值的差值相等。
39.根據(jù)權(quán)利要求36所述的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述電磁參數(shù)范圍為入射角度范圍、軸比值范圍、相位值范圍或電磁波電場(chǎng)入射角度范圍。
40.根據(jù)權(quán)利要求36所述的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，每一電磁區(qū)域上的人造微結(jié)構(gòu)拓?fù)湫螤钕嗤叽绮煌?br> 41.根據(jù)權(quán)利要求36所述的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，不同電磁區(qū)域上的人造微結(jié)構(gòu)拓?fù)湫螤畈煌?br> 42.一種天線(xiàn)罩，其特征在于，所述天線(xiàn)罩為權(quán)利要求1至35任一項(xiàng)所述的超材料。
43.一種吸波材料，其特征在于，包括權(quán)利要求1至35任一項(xiàng)所述的超材料。
44.一種濾波器，其特征在于，包括權(quán)利要求1至35任一項(xiàng)所述的超材料。
45.一種天線(xiàn)，其特征在于，包括權(quán)利要求1至35任一項(xiàng)所述的超材料。
46.一種極化轉(zhuǎn)換器，其特征在于，包括權(quán)利要求1至35任一項(xiàng)所述的超材料。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種超材料，其包括至少一層基材以及設(shè)置于每層基材表面的多個(gè)人造微結(jié)構(gòu)；所述超材料包括多個(gè)電磁區(qū)域，入射至每一電磁區(qū)域內(nèi)的電磁波具有一種或多種電磁參數(shù)范圍；每一電磁區(qū)域內(nèi)的人造微結(jié)構(gòu)對(duì)入射至該電磁區(qū)域的電磁波產(chǎn)生預(yù)設(shè)的電磁響應(yīng)。本發(fā)明將超材料劃分為多個(gè)電磁區(qū)域，每一電磁區(qū)域內(nèi)的人造微結(jié)構(gòu)僅需響應(yīng)其對(duì)應(yīng)的電磁參數(shù)范圍的電磁波，從而能夠簡(jiǎn)化超材料設(shè)計(jì)并能擴(kuò)寬超材料適用范圍。
文檔編號(hào)H01Q15/24GK103001002SQ20121047037
公開(kāi)日2013年3月27日 申請(qǐng)日期2012年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月20日
發(fā)明者劉若鵬, 趙治亞, 金晶 申請(qǐng)人:深圳光啟創(chuàng)新技術(shù)有限公司