專利名稱：一種調(diào)制電磁波波束橫截面的超材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于超材料領(lǐng)域，具體地涉及一種調(diào)制電磁波波束橫截面的超材料。
背景技術(shù)：
電磁波波束橫截面指的是垂直于電磁場傳播方向上的電磁場分布情況，例如以功率下降3分貝為例，橫截面可以是圓形，橢圓或者其他幾何圖形。現(xiàn)有技術(shù)中，為了得到一些特定的橫截面圖形，需要設(shè)計(jì)不同的天線或者天線陣列，包括波導(dǎo)開口的形狀，此種方式往往設(shè)計(jì)困難，或者加工困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種調(diào)制電磁波波束橫截面的超材料，該超 材料設(shè)計(jì)加工簡單，可以簡單得到特定的波束橫截面。本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的方案是一種調(diào)制電磁波波束橫截面的超材料，所述超材料包括基材以及附著在基材上的多個(gè)人造微結(jié)構(gòu)，所述超材料能夠使得通過其的電磁波的波束橫截面發(fā)生改變。進(jìn)一步地，所述基材由多個(gè)相互平行的片狀基板堆疊形成，每個(gè)片狀基板上均附著有多個(gè)人造微結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步地，所述片狀基板由陶瓷、高分子材料、聚四氟乙烯、鐵電材料、鐵氧材料或鐵磁材料制得。進(jìn)一步地，所述人造微結(jié)構(gòu)為金屬微結(jié)構(gòu)，所述的每個(gè)金屬微結(jié)構(gòu)為一具有圖案的附著在片狀基板上的金屬線。進(jìn)一步地，所述金屬線通過蝕刻、電鍍、鉆刻、光刻、電子刻或離子刻的方法附著在片狀基板上。進(jìn)一步地，所述金屬線為銅線或銀線。進(jìn)一步地，所述金屬線呈二維雪花狀，其具有相互垂直呈“十”字的第一主線及第二主線，所述第一主線的兩端垂直設(shè)置有兩個(gè)第一支線，所述第一主線的兩端垂直設(shè)置有兩個(gè)第二支線。進(jìn)一步地，所述第一主線及第二主線相互平分，所述兩個(gè)第一支線的中心連接在第一主線上，所述兩個(gè)第二支線的中心連接在第二主線上。根據(jù)本發(fā)明的根據(jù)本發(fā)明的調(diào)制電磁波波束橫截面的超材料，可以在不改變?cè)吹那闆r下，通過設(shè)計(jì)超材料的結(jié)構(gòu)，從而獲得所需要的電磁波波束橫截面。


圖I是本發(fā)明的超材料一個(gè)實(shí)施例片狀基板介電常數(shù)的平面分布圖；圖2為利用具有圖I所示的片狀基板11介電常數(shù)的平面分布將圓形的波束橫截面轉(zhuǎn)換成橢圓的橫截面的示意圖3是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例金屬微結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例超材料的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為圖2所示圖案衍生得到的一個(gè)金屬微結(jié)構(gòu)的圖案；圖6為圖2所示圖案變形得到的一個(gè)金屬微結(jié)構(gòu)的圖案；圖7為圖2所示圖案變形得到的另一個(gè)金屬微結(jié)構(gòu)的圖案。
具體實(shí)施例方式“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(jì)，可以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性質(zhì)的超常材料功能。
“超材料"具有的三個(gè)重要特征(I) “超材料"通常是具有新奇人工結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料；(2) “超材料"具有超常的物理性質(zhì)(往往是自然界的材料中所不具備的)；(3) “超材料"性質(zhì)由構(gòu)成材料的本征性質(zhì)及其中的人造微結(jié)構(gòu)共同決定。本發(fā)明提供了一種調(diào)制電磁波波束橫截面的超材料10，所述超材料10包括基材I以及附著在基材I上的多個(gè)人造微結(jié)構(gòu)2，在磁導(dǎo)率一定的情況下，通過設(shè)計(jì)超材料10內(nèi)部的介電常數(shù)的分布，使得通過所述超材料的電磁波的波束橫截面發(fā)生改變。介電常數(shù)的分布變了，波束的橫截面也必然會(huì)發(fā)生變化。因此，我們可以在不改變?cè)吹那闆r下，獲得所需要的波束橫截面。從而應(yīng)用于天線中，避免了現(xiàn)有的波導(dǎo)設(shè)計(jì)復(fù)雜的問題。本發(fā)明中所述基材I由多個(gè)相互平行的片狀基板11堆疊形成，每個(gè)片狀基板11上均附著有多個(gè)人造微結(jié)構(gòu)。如圖I所示，為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例，片狀基板11介電常數(shù)的平面(xy平面)分布圖，其中x、y軸分別為片狀基板11的兩個(gè)邊所在的直線方向。原點(diǎn)O為兩個(gè)邊的交點(diǎn)。圖2為利用具有圖I所示的片狀基板11介電常數(shù)的平面分布將圓形的波束橫截面100轉(zhuǎn)換成橢圓的橫截面200的示意圖。當(dāng)然上面只是一個(gè)示例，在磁導(dǎo)率均勻分布的情況下，通過設(shè)計(jì)超材料10內(nèi)部的介電常數(shù)的不同分布，可以實(shí)現(xiàn)通過所述超材料的電磁波不同的波束橫截面，實(shí)現(xiàn)不同的應(yīng)用，滿足天線的功能需要。本發(fā)明中所述片狀基板11由陶瓷、高分子材料、聚四氟乙烯、鐵電材料、鐵氧材料或鐵磁材料等制得。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，作為人造微結(jié)構(gòu)附著的基材是很好的選擇。當(dāng)然也可選用FR-4a、F4b等復(fù)合材料。作為一個(gè)實(shí)施例，所述的人造微結(jié)構(gòu)2為金屬微結(jié)構(gòu)，所述的每個(gè)金屬微結(jié)構(gòu)為一具有圖案的附著在片狀基板上的金屬線。作為一個(gè)實(shí)施例，所述金屬線通過蝕刻、電鍍、鉆刻、光刻、電子刻或離子刻的方法附著在片狀基板上。當(dāng)然，也可以是三維激光加工等其它可行的加工方法。作為一個(gè)實(shí)施例，所述金屬線為銅線或銀線。銅與銀的導(dǎo)電性能好，對(duì)電場的響應(yīng)更加靈敏。如圖3所示，作為一個(gè)具體的實(shí)施例，所述金屬線呈二維雪花狀，其具有相互垂直呈“十”字的第一主線21及第二主線22，所述第一主線21的兩端垂直設(shè)置有兩個(gè)第一支線23，所述第一主線的兩端垂直設(shè)置有兩個(gè)第二支線24。所述第一主線21及第二主線22相互平分，所述兩個(gè)第一支線23的中心連接在第一主線21上，所述兩個(gè)第二支線24的中心連接在第二主線22上。圖中只是示意，實(shí)際上第一主線、第二主線、第一支線及第二支線都是有寬度的。如圖4所示，同一平面內(nèi)金屬微結(jié)構(gòu)呈4X6的矩陣排列，并且在電磁波的入射方向上排布有6層出塊片狀基板)，這只是個(gè)示意性表示，根據(jù)不同需要可以有不同的平面排列，并且在電磁波入射方向上金屬微結(jié)構(gòu)的排布也可以有其它層數(shù)。通過合理設(shè)計(jì)金屬微結(jié)構(gòu)的尺寸大小以及在片狀基板上的分布，即可以實(shí)現(xiàn)如圖I所示的片狀基板11介電常數(shù)的平面分布，從而達(dá)到圖2所述的功用。當(dāng)然，這里只是舉了一個(gè)簡單的例子，金屬線還可以有其它的圖案(或拓?fù)浣Y(jié)構(gòu))，如圖5-圖7所示。其中圖5為上述圖案的衍生，即在兩個(gè)第一支線和兩個(gè)第二支線的兩端均再加兩個(gè)支線，依此類推，還可以有很多其它的衍生圖案；其中圖6至圖7為上述圖案的變形；上述的4個(gè)例子都是對(duì)電場響應(yīng)的金屬微結(jié)構(gòu)(即可以影響電磁波的介電?！ぁ?shù))。金屬微結(jié)構(gòu)還可以有很多變形圖案，本發(fā)明并不能對(duì)此一一列舉。在基材選定的情況下，可以通過設(shè)計(jì)金屬微結(jié)構(gòu)的圖案、設(shè)計(jì)尺寸和/或金屬微結(jié)構(gòu)在空間中的排布獲得超材料內(nèi)部的介電常數(shù)分布。超材料內(nèi)部的介電常數(shù)分布，例如，可以通過逆向的計(jì)算機(jī)仿真模擬得到，首先根據(jù)入射電磁波的波束橫截面，以及我們確定需要的出射電磁波的波束橫截面，去設(shè)計(jì)超材料內(nèi)部每一點(diǎn)的介電常數(shù)，根據(jù)這每一點(diǎn)的介電常數(shù)來選擇相應(yīng)的金屬微結(jié)構(gòu)的圖案、設(shè)計(jì)尺寸(計(jì)算機(jī)中事先存放有多種金屬微結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù))，對(duì)每個(gè)點(diǎn)的設(shè)計(jì)可以用窮舉法，例如先選定一個(gè)具有特定圖案的金屬微結(jié)構(gòu)，計(jì)算介電常數(shù)，將得到的結(jié)果和我們想要的對(duì)比，對(duì)比再循環(huán)多次，一直到找到我們想要的介電常數(shù)為止，若找到了，則完成了金屬微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)選擇；若沒找到，則換一種圖案的金屬微結(jié)構(gòu)，重復(fù)上面的循環(huán)，一直到找到我們想要的介電常數(shù)為止。如果還是未找到，則上述過程也不會(huì)停止。也就是說只有找到了我們需要的電磁參數(shù)的金屬微結(jié)構(gòu)后，程序才會(huì)停止。由于這個(gè)過程都是由計(jì)算機(jī)完成的，因此，看似復(fù)雜，其實(shí)很快就能完成。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
1.一種調(diào)制電磁波波束橫截面的超材料，其特征在于，所述超材料包括基材以及附著在基材上的多個(gè)人造微結(jié)構(gòu)，所述超材料能夠使得通過其的電磁波的波束橫截面發(fā)生改變。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的調(diào)制電磁波波束橫截面的超材料，其特征在于，所述基材由多個(gè)相互平行的片狀基板堆疊形成，每個(gè)片狀基板上均附著有多個(gè)人造微結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的調(diào)制電磁波波束橫截面的超材料，其特征在于，所述片狀基板由陶瓷、高分子材料、聚四氟乙烯、鐵電材料、鐵氧材料或鐵磁材料制得。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的調(diào)制電磁波波束橫截面的超材料，其特征在于，所述人造微結(jié)構(gòu)為金屬微結(jié)構(gòu)，所述的每個(gè)金屬微結(jié)構(gòu)為一具有圖案的附著在片狀基板上的金屬線。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的調(diào)制電磁波波束橫截面的超材料，其特征在于，所述金屬線通過蝕刻、電鍍、鉆刻、光刻、電子刻或離子刻的方法附著在片狀基板上。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的調(diào)制電磁波波束橫截面的超材料，其特征在于，所述金屬線為銅線或銀線。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的調(diào)制電磁波波束橫截面的超材料，其特征在于，所述金屬線呈二維雪花狀，其具有相互垂直呈“十”字的第一主線及第二主線，所述第一主線的兩端垂直設(shè)置有兩個(gè)第一支線，所述第一主線的兩端垂直設(shè)置有兩個(gè)第二支線。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的調(diào)制電磁波波束橫截面的超材料，其特征在于，所述第一主線及第二主線相互平分，所述兩個(gè)第一支線的中心連接在第一主線上，所述兩個(gè)第二支線的中心連接在第二主線上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種調(diào)制電磁波波束橫截面的超材料，所述超材料包括基材以及附著在基材上的多個(gè)人造微結(jié)構(gòu)，所述超材料能夠使得通過其的電磁波的波束橫截面發(fā)生改變。根據(jù)本發(fā)明的調(diào)制電磁波波束橫截面的超材料，可以在不改變?cè)吹那闆r下，獲得所需要的電磁波波束橫截面。
文檔編號(hào)H01Q15/00GK102904026SQ20111012776
公開日2013年1月30日 申請(qǐng)日期2011年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月17日
發(fā)明者劉若鵬, 徐冠雄, 季春霖 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