專利名稱：一種阻抗匹配元件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及超材料領域，尤其涉及一種用于減小超材料對電磁波反射的阻抗匹配元件。
背景技術：
光，作為電磁波的一種，其在穿過玻璃的時候，因為光線的波長遠大于原子的尺寸，因此我們可以用玻璃的整體參數，例如折射率，而不是組成玻璃的原子的細節(jié)參數來描述玻璃對光線的響應。相應的，在研究材料對其他電磁波響應的時候，材料中任何尺度遠小于電磁波波長的結構對電磁波的響應也可以用材料的整體參數，例如介電常數ε和磁導 率μ來描述。通過設計材料每點的結構使得材料各點的介電常數和磁導率都相同或者不同從而使得材料整體的介電常數和磁導率呈一定規(guī)律排布，規(guī)律排布的磁導率和介電常數即可使得材料對電磁波具有宏觀上的響應，例如匯聚電磁波、發(fā)散電磁波等。該類具有規(guī)律排布的磁導率和介電常數的材料我們稱之為超材料。然而超材料改變的是進入其內部的電磁波的電磁響應，對入射到超材料表面的電磁波仍然會因為折射率的突變造成電磁波被反射，使得最終超材料響應電磁波的效果降低。

發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的技術問題在于，針對現有技術的上述不足，提出一種結構簡單、依附于超材料功能層上、能使得電磁波入射到超材料功能層上時產生的反射電磁波減少的阻抗匹配元件。本發(fā)明解決其技術問題采用的技術方案是提出一種阻抗匹配元件，用于超材料功能層，所述阻抗匹配元件包括第一至第M層均勻阻抗匹配層以及第一至第N層漸變阻抗匹配層；所述第一至第M層均勻阻抗匹配層包括相對的兩片基材以及與所述兩片基材構成密封腔且對電磁波無響應的填充物，所述第一至第N層漸變阻抗匹配層包括相對的兩片基材以及由周期附著于所述兩片基材之間的多個人造金屬微結構構成的金屬層；所述第一均勻阻抗匹配層折射率等于空氣折射率，所述第M層均勻阻抗匹配層折射率等于所述超材料功能層折射率最小值。進一步地，所述超材料功能層以中心點為圓心，半徑r處的折射率為n(r)，所述第一至第N層漸變阻抗匹配層以各自的中心點為圓心，半徑r處的折射率為n (r) j = nmin+ (j/(N+l)) * (n (r) _nmin)其中，j代表第一至第N漸變阻抗匹配層的序號數值，第N漸變阻抗匹配層緊貼超材料功能層，Hfflin為超材料功能層所具有的最小折射率值。進一步地，所述第一至第M層均勻阻抗匹配層的厚度變化規(guī)律為等比變化，所述第一層均勻阻抗匹配層的厚度最大，所述第M層均勻阻抗匹配層的厚度最小。進一步地，所述第一至第M層均勻阻抗匹配層的厚度變化規(guī)律為等差變化，所述第一層均勻阻抗匹配層的厚度最大，所述第M層均勻阻抗匹配層的厚度最小。 進一步地，所述第一至第M層均勻阻抗匹配層、所述第一至第N層漸變阻抗匹配層以及所述超材料功能層的厚度滿足規(guī)律nfdi+nfc^+......+n^Dd^D+n^^d,,+n (r) ^D+n (r) 2*D+....... (r) N*D+n (r) *A*D = K/2 λ其中，Iitl為空氣折射率值，Cl1至七為第一至第M均勻阻抗匹配層各層厚度，Ii1至Ii0lri)為第二至第(M-I)均勻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為第一至第N漸變阻抗匹配層以及超材料功能層中每層所具有的相同厚度，IiOO1至n (r)N為第一至第N漸變阻抗匹配層的折射率分布值，A為超材料功能層的層數，K為正整數，λ為入射電磁波波長。進一步地，所述填充物為泡沫?！みM一步地，所述第一至第M層均勻阻抗匹配層的基材為高分子材料、陶瓷材料、鐵電材料、鐵氧材料或者鐵磁材料。進一步地，所述第一至第N層漸變阻抗匹配層的基材為高分子材料、陶瓷材料、鐵電材料、鐵氧材料或者鐵磁材料。進一步地，所述第一至第M層均勻阻抗匹配層的總厚度為所響應電磁波波長的十分之一至五分之一O進一步地，所述人造金屬微結構的材質為銀或者銅。本發(fā)明通過構建兩類阻抗匹配層，使得電磁波入射到超材料功能層時先通過該兩類阻抗匹配層，從而減小阻抗的突變，進而減小電磁波發(fā)生的反射現象。本發(fā)明各層阻抗匹配層結構簡單、且各類阻抗匹配層采用相類似的結構設計、便于規(guī)?；a。


圖I為構成超材料的基本單元的立體結構示意圖；圖2為本發(fā)明一種阻抗匹配元件立體結構示意圖；圖3為本發(fā)明阻抗匹配元件中均勻阻抗匹配層的剖視圖；圖4為本發(fā)明阻抗匹配元件中漸變阻抗匹配層的剖視圖。
具體實施例方式如圖I所示，圖I為構成超材料的基本單元的立體結構示意圖。圖I中，超材料的基本單元包括人造微結構I以及該人造微結構附著的基材2。本發(fā)明中，人造微結構為人造金屬微結構，人造金屬微結構具有能對入射電磁波電場和/或磁場產生響應的平面或立體拓撲結構，改變每個超材料基本單元上的人造金屬微結構的圖案和/或尺寸即可改變每個超材料基本單元對入射電磁波的響應。多個超材料基本單元按一定規(guī)律排列即可使得超材料對電磁波具有宏觀的響應。由于超材料整體需對入射電磁波有宏觀電磁響應因此各個超材料基本單元對入射電磁波的響應需形成連續(xù)響應，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，我們人為的將超材料整體劃分為多個超材料基本單元，但應知此種劃分方法僅為描述方便，不應看成超材料由多個超材料基本單元拼接或組裝而成，實際應用中超材料是將人造金屬微結構周期排布于基材上即可構成，工藝簡單且成本低廉。周期排布即指上述我們人為劃分的各個超材料基本單元上的人造金屬微結構能對入射電磁波產生連續(xù)的電磁響應。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到所要的效果，其對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構而改變基材每點的折射率從而達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，以超材料功能層得中心點為圓心，半徑為r處的折射率為n(r)。n(r)函數因超材料功能層的功能和制造工藝不同而不同但都必然存在一個最大的折射率值nmax和一個最小的折射率值nmin，由于技術的限制，nfflax很難達到無限大，Iimin也很難達到無限接近于空 氣，即數值為I的最小折射率。因此，當從自由空間直接入射到超材料表面的電磁波會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)明為解決上述技術問題而提出的一種阻抗匹配元件，應用于超材料功能層30上。圖2中，阻抗匹配元件包括第一至第M層均勻阻抗匹配層10以及第一至第N層漸變阻抗匹配層20，且圖2中僅示出4層均勻阻抗匹配層10以及3層漸變阻抗片層20，功能層30包括2層折射率分布相同的功能層30。如圖3所示，圖3為均勻阻抗匹配層10的剖視圖。從圖3可知，每一均勻阻抗匹配層10均包括相對的兩塊材質相同的基材101，基材邊側被對電磁波無響應的其他物質，例如泡沫材料等密封。密封的基材形成一內部空腔102，內部空腔內的空氣與基材使得均勻阻抗匹配層具有一個折射率值。由于第一至第M層均勻阻抗匹配層的基材均相同，不同之處在于其內部空腔的大小，因此可用各均勻阻抗匹配層的厚度變化來描述各均勻阻抗匹配層的折射率變化。厚度越厚時，內部空腔越大，對應的阻抗匹配層的折射率值越小。第一至第M層均勻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均勻阻抗匹配層的厚度為Cl1，其折射率等于空氣折射率，第二層均勻阻抗匹配層的厚度為d2，d2 = (1/2)，第三層均勻阻抗匹配層的
厚度為d3，d3= (1/4)*^......以此類推，最后一層即第M層均勻阻抗匹配層的厚度
為dm，dm = (1/2""1)*+，且第M層均勻阻抗匹配層的折射率值等于超材料功能層上的最小值nfflin0可以想象地，在滿足第一均勻阻抗匹配層折射率等于空氣折射率，第M層均勻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，中間各層均勻阻抗匹配層的厚度
變化亦可采用其他方式，例如等差方式，即Cl1 = (1/2) *d2 = (1/3) *d3 .......(I/
m)*dm。同時，由于第一至第M層均勻阻抗匹配層仍然是整個超材料的構成部分，因此第一至第M層均勻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層均勻阻抗匹配層對入射電磁波的響應與超材料其他部分對入射電磁波的響應構成連續(xù)的電磁響應。如圖4所示，圖4為漸變阻抗匹配層20的剖視圖。圖4中，漸變阻抗匹配層20包括相對的兩塊相同材質的基材201，基材邊側被對電磁波無響應的其他物質，例如泡沫材料等密封，與均勻阻抗匹配層不同的是，兩基材之間設置有金屬層202。金屬層202由多個人造金屬微結構周期排布于一基材表面構成。均勻的阻抗匹配層雖然解決了由空氣折射率到超材料功能層最小折射率的突變問題，但是超材料功能層上其他折射率的突變問題沒有解決。漸變阻抗匹配層通過采用和超材料功能層相同的結構構造但是不同的折射率梯度變化，使折射率由空氣漸變到超材料功能層上各區(qū)域折射率的變化梯度逐漸減少以減少折射率突變造成的電磁波反射。對應折射率分布規(guī)律為n (r)的超材料功能層，第一至第N層漸變阻抗匹配層以各自的中心點為圓心，半徑r處的折射率為n (r) j = nmin+ (j/(N+l))* (n (r) _nmin)其中，j代表第一至第N漸變阻抗匹配層的序號數值，第N漸變阻抗匹配層緊貼超材料功能層，nmin為超材料功能層所具有的最小折射率值。第一至第N層漸變阻抗匹配層的中心點與超材料功能層的中心點在同一軸線上。本實施例中，第一至第N漸變阻抗匹配層以及超材料功能層具有相同的厚度D，且均由O. 4毫米厚度的兩塊基材及O. 018毫米厚度的金屬層構成?？偤穸菵為O. 818毫米。
經實驗可知，當同時使用第一至第M均勻阻抗匹配層和第一至第N漸變阻抗匹配層時，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倍時，入射電磁波被反射最小。即no^di+n^d^......n (r) ^D+n (r) 2*D+....... (r) N*D+n (r) *A*D = K/2 λ其中，Iitl為空氣折射率值，Cl1至七為第一至第M均勻阻抗匹配層各層厚度，Ii1至H^1)為第二至第(M-I)均勻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為第一至第N漸變阻抗匹配層以及超材料功能層中每層所具有的相同厚度，IiOO1至11(1^即為上述n(r)j中代入j的數值以后所計算出來的第一至第N漸變阻抗匹配層的折射率分布值，A為超材料功能層的層數，K為正整數，λ為入射電磁波波長。上面結合附圖對本發(fā)明的實施例進行了描述，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，本領域的普通技術人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨和權利要求所保護的范圍情況下，還可做出很多形式，這些均屬于本發(fā)明的保護之內。
權利要求
1.一種阻抗匹配元件，用于超材料功能層，其特征在于所述阻抗匹配元件包括第一至第M層均勻阻抗匹配層以及第一至第N層漸變阻抗匹配層；所述第一至第M層均勻阻抗匹配層包括相對的兩片基材以及與所述兩片基材構成密封腔且對電磁波無響應的填充物，所述第一至第N層漸變阻抗匹配層包括相對的兩片基材以及由周期附著于所述兩片基材之間的多個人造金屬微結構構成的金屬層；所述第一均勻阻抗匹配層折射率等于空氣折射率，所述第M層均勻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.如權利要求I所述的阻抗匹配元件，其特征在于所述超材料功能層以中心點為圓心，半徑r處的折射率為n (r)，所述第一至第N層漸變阻抗匹配層以各自的中心點為圓心，半徑r處的折射率為 n (r) j = nmin+ (j / (N+l)) * (n (r) _nmin) 其中，j代表第一至第N漸變阻抗匹配層的序號數值，第N漸變阻抗匹配層緊貼超材料功能層，nfflin為超材料功能層所具有的最小折射率值。
3.如權利要求I所述的阻抗匹配元件，其特征在于所述第一至第M層均勻阻抗匹配層的厚度變化規(guī)律為等比變化，所述第一層均勻阻抗匹配層的厚度最大，所述第M層均勻阻抗匹配層的厚度最小。
4.如權利要求I所述的阻抗匹配元件，其特征在于所述第一至第M層均勻阻抗匹配層的厚度變化規(guī)律為等差變化，所述第一層均勻阻抗匹配層的厚度最大，所述第M層均勻阻抗匹配層的厚度最小。
5.如權利要求3或4所述的阻抗匹配元件，其特征在于所述第一至第M層均勻阻抗匹配層、所述第一至第N層漸變阻抗匹配層以及所述超材料功能層的厚度滿足規(guī)律 nfdi+nfc^+......+n (m-D +nmin*dm+n (r) ^D+n (r) 2*D+....... (r) N*D+n (r) *A*D = K/2 λ 其中，n0為空氣折射率值，Cl1至dm為第一至第M均勻阻抗匹配層各層厚度，H1至Ii0lri)為第二至第(M-I)均勻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為第一至第N漸變阻抗匹配層以及超材料功能層中每層所具有的相同厚度，IiOO1至11(1·)N為第一至第N漸變阻抗匹配層的折射率分布值，A為超材料功能層的層數，K為正整數，λ為入射電磁波波長。
6.如權利要求I所述的阻抗匹配元件，其特征在于所述填充物為泡沫。
7.如權利要求I所述的阻抗匹配元件，其特征在于所述第一至第M層均勻阻抗匹配層的基材為高分子材料、陶瓷材料、鐵電材料、鐵氧材料或者鐵磁材料。
8.如權利要求I所述的阻抗匹配元件，其特征在于所述第一至第N層漸變阻抗匹配層的基材為高分子材料、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層均勻阻抗匹配層的總厚度為所響應電磁波波長的十分之一至五分之一。
10.如權利要求I所述的阻抗匹配元件，其特征在于所述人造金屬微結構的材質為銅或者銀。
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，所述阻抗匹配元件包括第一至第M層均勻阻抗匹配層以及第一至第N層漸變阻抗匹配層；所述第一至第M層均勻阻抗匹配層包括相對的兩片基材以及與所述兩片基材構成密封腔且對電磁波無響應的填充物，所述第一至第N層漸變阻抗匹配層包括相對的兩片基材以及由周期附著于所述兩片基材之間的多個人造微結構構成的金屬層；所述第一均勻阻抗匹配層折射率等于空氣折射率，所述第M層均勻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的反射現象，具有結構簡單、便于規(guī)?；a的有益效果。
文檔編號H01Q15/00GK102956984SQ20111025442
公開日2013年3月6日 申請日期2011年8月31日 優(yōu)先權日2011年8月31日
發(fā)明者劉若鵬, 季春霖, 岳玉濤, 尹小明 申請人:深圳光啟高等理工研究院, 深圳光啟創(chuàng)新技術有限公司