專利名稱：一種偏折電磁波的超材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超材料，尤其涉及一種能偏折電磁波的超材料。
背景技術(shù)：
通訊領(lǐng)域主要依賴電磁波來進(jìn)行探測、定位、 通信等。電磁波可以通過不同的材料或元器件實現(xiàn)分離、匯聚、偏折、發(fā)散等。能實現(xiàn)電磁波偏折即使電磁波傳播方向改變的材料主要是非均勻材料，也就是不均質(zhì)從而導(dǎo)致折射率的分布不均衡的材料。材料疏密不同、材質(zhì)不同等都會使得折射率的分布有變化。現(xiàn)有技術(shù)的用于使電磁波偏折的非均勻材料通常是通過折射率不同的多層材質(zhì)疊加所形成的整體。根據(jù)將要被偏折的電磁波的頻率、波長等特性，可以設(shè)計出此非均勻材料的折射率分布，然后在各分布區(qū)域選擇具有對應(yīng)折射率的合適材料。這種偏折電磁波的材料的缺陷在于，現(xiàn)有的材料其折射率是固有的，并不是可任意設(shè)計的，當(dāng)所需的折射率分布中部分區(qū)域的折射率用現(xiàn)有的天然材料無法得到，將導(dǎo)致整個非均勻材料不能達(dá)到所需的偏折要求。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。通過在材料的關(guān)鍵物理尺度上的結(jié)構(gòu)有序設(shè)計，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。目前常規(guī)的超材料主要是通過在基材上周期排列不同的人造金屬微結(jié)構(gòu)從而達(dá)到改變超材料各點的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率的目的。然而想要改變超材料各點的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率以實現(xiàn)不同的功能，在超材料基材上排列人造金屬微結(jié)構(gòu)并不是唯一的辦法，且在超材料基材上排列人造金屬微結(jié)構(gòu)工藝復(fù)雜、實現(xiàn)困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于，針對現(xiàn)有技術(shù)的不足提出一種工藝簡單、成本低廉且易于實現(xiàn)的偏折電磁波超材料。本發(fā)明解決其技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是提供一種偏折電磁波的超材料，該超材料由多個立方體結(jié)構(gòu)單元沿三維方向疊加而成，該立方體結(jié)構(gòu)單元包括基材以及在基材中形成的一個或多個小孔；該超材料至少沿一個第一方向折射率逐漸變化。沿該第一方向排布的多個立方體結(jié)構(gòu)單元基材中的小孔體積與該立方體結(jié)構(gòu)單元體積的比值逐漸變化，且該些小孔內(nèi)填充的介質(zhì)相同，使得折射率沿該第一方向逐漸變化。沿該第一方向排布的多個立方體結(jié)構(gòu)單元基材中的小孔體積與該立方體結(jié)構(gòu)單元體積的比值相同，且該些小孔內(nèi)填充的介質(zhì)不同，使得折射率沿該第一方向逐漸變化。
該立方體結(jié)構(gòu)單元尺寸小于所需偏折的電磁波波長的五分之一。該超材料每一立方體結(jié)構(gòu)單元基材中形成一個小孔，沿該第一方向排布的多個立方體結(jié)構(gòu)單元基材中的小孔尺寸逐漸變化。
該超材料每一立方體結(jié)構(gòu)單元基材中形成多個體積相同的小孔，沿該第一方向排布的多個立方體結(jié)構(gòu)單元基材中的小孔數(shù)量逐漸變化。該些小孔內(nèi)填充介質(zhì)的折射率小于該基材的折射率，沿該第一方向排布的多個立方體結(jié)構(gòu)單元基材中的小孔體積與該立方體結(jié)構(gòu)單元體積的比值變化趨勢與該超材料整體的折射率變化趨勢相反。該些小孔內(nèi)填充介質(zhì)的折射率大于該基材的折射率，沿該第一方向排布的多個立方體結(jié)構(gòu)單元基材中的小孔體積與該立方體結(jié)構(gòu)單元體積的比值變化趨勢與該超材料整體的折射率變化趨勢相同。沿該第一方向排布的多個立方體結(jié)構(gòu)單元基材中的該些小孔填充的介質(zhì)為折射率逐漸變化的介質(zhì)。該基材由陶瓷材料、高分子材料、鐵電材料或鐵氧材料制成。 本發(fā)明采用打孔方式來改變超材料各點的電磁參數(shù)使得電磁波通過該超材料后被偏折，具有工藝簡單、成本低廉且易于實現(xiàn)的有益效果。


圖I為本發(fā)明偏折電磁波的超材料第一較佳實施例第一實施方式立方體結(jié)構(gòu)單元示意圖；圖2為由圖I所示立方體結(jié)構(gòu)單元沿X-Y-Z方向堆疊而成的超材料結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為圖2所示超材料主視圖；圖4為本發(fā)明偏折電磁波的超材料第一較佳實施例第二實施方式主視圖；圖5為本發(fā)明偏折電磁波的超材料第二較佳實施例主視圖。
具體實施例方式超材料整體可看成多個立方體結(jié)構(gòu)單元沿三維X-Y-Z方向疊加而成。由于超材料自身需對電磁波產(chǎn)生影響，因此要求立體結(jié)構(gòu)單元的尺寸小于所需響應(yīng)的電磁波波長的五分之一。優(yōu)選地，每一立方體結(jié)構(gòu)單元的尺寸相等且均為所需響應(yīng)的電磁波波長的十分之
O超材料對電磁場的響應(yīng)主要取決于各個立方體結(jié)構(gòu)單元對電磁場的響應(yīng)，當(dāng)立方體結(jié)構(gòu)單元數(shù)量足夠多時，每個立方體結(jié)構(gòu)單元對電磁場的響應(yīng)將會疊加從而從宏觀上改變?nèi)肷潆姶挪ǖ母鱾€物理特性。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可知，一束電磁波入射到介質(zhì)上后會向介質(zhì)之中折射率大的地方偏折，因此要實現(xiàn)電磁波的偏折，本發(fā)明偏折電磁波的超材料需至少沿一個方向如X方向其折射率是逐漸變化的，而Y方向和Z方向中的任一方向其折射率不變或者也逐漸變化。要使偏折的角度大，則折射率在該方向上的逐漸減小的變化率要大。本文的逐漸減小，是指下一參考點的數(shù)據(jù)小于或等于前一參考點的數(shù)據(jù)。這里的變化率大，是指三個前后排列的參考點中，第二參考點與第三參考點的差值大于第一參考點與第二參考點的差值。本文的折射率，是由公式11 = #推算得出的，其中a為一個常數(shù)，ε為一個超材料立方體結(jié)構(gòu)單元在某一電磁波頻率下的介電常數(shù)，μ為此超材料立方體結(jié)構(gòu)單元在該電磁波頻率下的磁導(dǎo)率。改變各點的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率即可最終達(dá)到本發(fā)明偏折電磁波的目的。
達(dá)到改變各點的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率并使得電磁波偏折的實施方式有多種。下面詳細(xì)論述兩種能夠達(dá)到本發(fā)明目的的實施方式。兩種實施例均以Y方向為第一方向，并且沿Y方向超材料折射率的變化趨勢是逐漸減小來說明本發(fā)明設(shè)計原理。如圖I、圖2、圖3所示，圖I為本發(fā)明偏折電磁波的超材料第一較佳實施例立方體結(jié)構(gòu)單元示意圖、圖2為本發(fā)明第一較佳實施例由立方體結(jié)構(gòu)單元沿X-Y-Z方向堆疊而成的超材料結(jié)構(gòu)示意圖、圖3為本發(fā)明第一較佳實施例主視圖。圖3中立方體結(jié)構(gòu)單元包括基材10、在基材10中形成的小孔20，小孔20可以為通孔也可以不是通孔但其都占據(jù)基材10 一定體積。本實施例中超材料立方體結(jié)構(gòu)單元基材中形成的小孔20的體積所占基材10體積的比值沿Y方向逐漸增大，沿X和Z方向保持不變從而導(dǎo)致折射率沿Y方向逐漸減小，當(dāng)電磁波通過超材料后電磁波的傳播方向即向折射率大的地方偏折。另外，小孔20中可填充介質(zhì)以改變立方體結(jié)構(gòu)單元的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率。由于本 實施例主要是通過改變小孔20占立方體結(jié)構(gòu)單元的體積大小來改變介電常數(shù)和磁導(dǎo)率，因此本實施例中填充于各小孔20的介質(zhì)是相同的但不同于基材材質(zhì)，其可為空氣、陶瓷、高分子材料、鐵電材料或鐵氧材料等。本實施例中填充的介質(zhì)為空氣。由于空氣折射率肯定小于基材折射率，因此小孔20所占立方體結(jié)構(gòu)單元的體積比值變化趨勢仍然是沿Y方向逐漸增大使得超材料整體折射率沿Y方向逐漸減小。但是當(dāng)小孔20中填充的介質(zhì)的折射率大于基材折射率時，小孔20體積越大將導(dǎo)致立方體結(jié)構(gòu)單元折射率越大，因此此時小孔20所占立方體結(jié)構(gòu)單元的體積比值變化趨勢為沿Y方向逐漸減小使得超材料整體折射率沿Y方向逐漸增大。改變小孔20占立方體結(jié)構(gòu)單元的體積有不同的實施方式。圖I、圖2、圖3所示的即為第一實施方式。圖4為改變小孔20占立方體結(jié)構(gòu)單元體積的第二實施方式主視圖。立方體結(jié)構(gòu)單元基材中上形成有多個小孔20，沿Y方向排布的多個立方體結(jié)構(gòu)單元基材中的小孔20的數(shù)量逐漸增多從而增大小孔20所占立方體結(jié)構(gòu)單元的體積比值。采用改變小孔20數(shù)量的方法來改變其所占立方體結(jié)構(gòu)的體積使得超材料整體折射率更易于調(diào)節(jié)，并能節(jié)省打孔模具的開模費用。與第一實施方式相同的是，該些小孔20內(nèi)仍可填充不同于基材材質(zhì)的介質(zhì)，本實施方式中填充介質(zhì)為空氣。由于空氣折射率肯定小于基材折射率，因此立方體結(jié)構(gòu)單元的小孔20數(shù)量變化趨勢仍然是沿Y方向逐漸增多使得超材料整體折射率沿Y方向逐漸減小。但是當(dāng)小孔20中填充的介質(zhì)的折射率大于基材折射率時，小孔20數(shù)量越多將導(dǎo)致立方體結(jié)構(gòu)單元折射率越大，因此此時立方體結(jié)構(gòu)單元的小孔20數(shù)量變化趨勢為沿Y方向逐漸減少使得超材料整體折射率沿Y方向逐漸增大?？梢韵胂蟮兀黝愋】?0的橫截面圖形不一定是圖3、圖4所表現(xiàn)出來的圓形，亦可往為方形、三角形、梯形等各類圖形，只要滿足本實施例的設(shè)計思想即沿一方向小孔20所占立方體結(jié)構(gòu)單元的體積比值逐漸變化即可。同理，若想沿X方向和Z方向均達(dá)到偏折電磁波的效果，只需應(yīng)用沿Y方向立方體結(jié)構(gòu)單元中小孔20的分布趨勢即可。圖5為本發(fā)明偏折電磁波的超材料的第二較佳實施例主視圖。本實施例中，立方體結(jié)構(gòu)單元基材中的小孔20體積所占立方體結(jié)構(gòu)單元體積的比值相同。小孔20既可以是數(shù)量相同、尺寸相同、橫截面圖案相同，也可以是數(shù)量不同、橫截面圖案不同或尺寸不同，但只需要滿足所有立方體結(jié)構(gòu)單元基材中所有的小孔20體積所占立方體結(jié)構(gòu)單元體積的比值均相同即可。本實施例中，以立方體結(jié)構(gòu)單元基材中的小孔20數(shù)量相同，均為一個，尺寸相同，橫截面圖案相同，均為圓形來作為較佳實施方式。本實施方式中，依然以Y方向為第一方向，僅描述折射率沿Y方向逐漸減小的實施方式，沿X、沿Z或者沿三者的混合方向折射率逐漸減小的實施方式可由沿Y方向折射率逐漸減小的實施方式輕易推出。由于本實施方式中，各小孔20占立方體結(jié)構(gòu)單元的體積比例相同，因此沿Y方向排布的多個立方體結(jié)構(gòu)單元的小孔20內(nèi)需填充不同的介質(zhì)以改變立方體結(jié)構(gòu)單元的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率。要達(dá)到沿Y方向折射率逐漸減小的目的需在沿Y方向一列立方體結(jié)構(gòu)單元的小孔20內(nèi)填充介電常數(shù)和磁導(dǎo)率逐漸減小的介質(zhì)。例如依次填充碘晶體、氧化銅、水晶、石英、聚苯乙烯、氯化鈉、玻璃、空氣。圖5中小孔20中的陰影表示填充的介質(zhì)，陰影密度越大表示該填充介質(zhì)折射率越大。將上述第一較佳實施例的各種實施方式和第二較佳實施例的各種實施方式結(jié)合起來能方便的組合出多種可行的實施例。例如小孔20體積所占立方體結(jié)構(gòu)單元體積不同且小孔20內(nèi)還填充有折射率不同的介質(zhì)等。 上面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例進(jìn)行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實施方式
，上述的具體實施方式
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
1.一種偏折電磁波的超材料，其特征在于該超材料由多個立方體結(jié)構(gòu)單元沿三維方向疊加而成，該立方體結(jié)構(gòu)單元包括基材以及在基材中形成的一個或多個小孔；該超材料至少沿一個第一方向折射率逐漸變化。
2.如權(quán)利要求I所述的偏折電磁波的超材料，其特征在于沿該第一方向排布的多個立方體結(jié)構(gòu)單元基材中的小孔體積與該立方體結(jié)構(gòu)單元體積的比值逐漸變化，且該些小孔內(nèi)填充的介質(zhì)相同，使得折射率沿該第一方向逐漸變化。
3.如權(quán)利要求I所述的偏折電磁波的超材料，其特征在于沿該第一方向排布的多個立方體結(jié)構(gòu)單元基材中的小孔體積與該立方體結(jié)構(gòu)單元體積的比值相同，且該些小孔內(nèi)填充的介質(zhì)不同，使得折射率沿該第一方向逐漸變化。
4.如權(quán)利要求I所述的偏折電磁波的超材料，其特征在于該立方體結(jié)構(gòu)單元尺寸小于所需偏折的電磁波波長的五分之一。
5.如權(quán)利要求2所述的偏折電磁波的超材料，其特征在于該超材料每一立方體結(jié)構(gòu)單元基材中形成一個小孔，沿該第一方向排布的多個立方體結(jié)構(gòu)單元基材中的小孔尺寸逐漸變化。
6.如權(quán)利要求2所述的偏折電磁波的超材料，其特征在于該超材料每一立方體結(jié)構(gòu)單元基材中形成多個體積相同的小孔，沿該第一方向排布的多個立方體結(jié)構(gòu)單元基材中的小孔數(shù)量逐漸變化。
7.如權(quán)利要求2所述的偏折電磁波的超材料，其特征在于該些小孔內(nèi)填充介質(zhì)的折射率小于該基材的折射率，沿該第一方向排布的多個立方體結(jié)構(gòu)單元基材中的小孔體積與該立方體結(jié)構(gòu)單元體積的比值變化趨勢與該超材料整體的折射率變化趨勢相反。
8.如權(quán)利要求2所述的偏折電磁波的超材料，其特征在于該些小孔內(nèi)填充介質(zhì)的折射率大于該基材的折射率，沿該第一方向排布的多個立方體結(jié)構(gòu)單元基材中的小孔體積與該立方體結(jié)構(gòu)單元體積的比值變化趨勢與該超材料整體的折射率變化趨勢相同。
9.如權(quán)利要求3所述的偏折電磁波的超材料,其特征在于沿該第一方向排布的多個立方體結(jié)構(gòu)單元基材中的該些小孔填充的介質(zhì)為折射率逐漸變化的介質(zhì)。
10.如權(quán)利要求I所述的偏折電磁波的超材料,其特征在于該基材由陶瓷材料、高分子材料、鐵電材料或鐵氧材料制成。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種偏折電磁波的超材料，該超材料由多個立方體結(jié)構(gòu)單元沿三維方向疊加而成，該立方體結(jié)構(gòu)單元尺寸包括基材以及在基材中形成的一個或多個小孔；該超材料至少沿一個第一方向折射率逐漸變化。本發(fā)明采用打孔方式來改變超材料各點的電磁參數(shù)使得電磁波通過該超材料后被偏折，具有工藝簡單、成本低廉且易于實現(xiàn)的有益效果。
文檔編號H01Q15/02GK102760954SQ20111011063
公開日2012年10月31日 申請日期2011年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月29日
發(fā)明者劉若鵬, 季春霖, 岳玉濤, 徐冠雄 申請人: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