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环瓷洌沟米罱K超材料響應(yīng)電磁波的效果降低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
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，提出一種能使得電磁波入射到超材料功能層上時(shí)產(chǎn)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(shù)問題采用的技術(shù)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折射率分布不相同的第一至第M層匹配超材料片層，每一匹配超材料片層包括基材以及周期排布于所述基材上的多個(gè)人造微結(jié)構(gòu)；所述第一至第M層匹配超材料片層中第i層匹配超材料片層上，以其中心點(diǎn)為圓心，半徑為r處的折射率為：其中，nmin為第一至第M層匹配超材料片層所具有的相同的最小折射率值，nmain(r)為所述超材料功能層的折射率分布。進(jìn)一步地，所述每一匹配超材料片層還包括覆蓋于所述人造微結(jié)構(gòu)上的覆蓋層。進(jìn)一步地，所述每一匹配超材料片層還包括密封所述片層的密封物，所述密封物對(duì)電磁波無響應(yīng)。進(jìn)一步地，所述密封物為泡沫。進(jìn)一步地，所述覆蓋層與所述基材的材質(zhì)和厚度均相同。進(jìn)一步地，所述覆蓋層與所述基材的材質(zhì)為高分子材料、陶瓷材料、鐵電材料、鐵氧材料或鐵磁材料。進(jìn)一步地，所述人造微結(jié)構(gòu)為由銅線或銀線構(gòu)成的金屬微結(jié)構(gòu)，所述金屬微結(jié)構(gòu)通過蝕刻、電鍍、鉆刻、光刻、電子刻或離子刻的方法附著于所述基材表面。進(jìn)一步地，所述金屬微結(jié)構(gòu)呈平面雪花狀，所述金屬微結(jié)構(gòu)具有相互垂直平分的第一金屬線及第二金屬線，所述第一金屬線與第二金屬線的長度相同，所述第一金屬線兩端連接有相同長度的兩個(gè)第一金屬分支，所述第一金屬線兩端連接在兩個(gè)第一金屬分支的中點(diǎn)上，所述第二金屬線兩端連接有相同長度的兩個(gè)第二金屬分支，所述第二金屬線兩端連接在兩個(gè)第二金屬分支的中點(diǎn)上，所述第一金屬分支與第二金屬分支的長度相等。進(jìn)一步地，所述平面雪花狀的金屬微結(jié)構(gòu)的每個(gè)第一金屬分支及每個(gè)第二金屬分支的兩端還連接有完全相同的第三金屬分支，相應(yīng)的第三金屬分支的中點(diǎn)分別與第一金屬分支及第二金屬分支的端點(diǎn)相連。進(jìn)一步地，所述平面雪花狀的金屬微結(jié)構(gòu)的第一金屬線與第二金屬線均設(shè)置有兩個(gè)彎折部，所述平面雪花狀的金屬微結(jié)構(gòu)繞垂直于第一金屬線與第二金屬線交點(diǎn)的軸線向任意方向旋轉(zhuǎn)90度的圖形都與原圖重合。本發(fā)明利用超材料原理設(shè)置多層匹配超材料片層，使得超材料在沿著電磁波入射方向的折射率漸變，減小折射率突變，從而減小電磁波被反射帶來的增益損失。附圖說明圖1為本發(fā)明中構(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)明中一層匹配超材料片層的剖視圖；圖3為平面雪花狀的金屬微結(jié)構(gòu)的示意圖；圖4為圖3所示的平面雪花狀的金屬微結(jié)構(gòu)的一種衍生結(jié)構(gòu)；圖5為圖3所示的平面雪花狀的金屬微結(jié)構(gòu)的一種變形結(jié)構(gòu)；圖6為平面雪花狀的金屬微結(jié)構(gòu)的拓?fù)湫螤钛葑兊牡谝浑A段；圖7為平面雪花狀的金屬微結(jié)構(gòu)的拓?fù)湫螤钛葑兊牡诙A段。具體實(shí)施方式如圖1所示，圖1為構(gòu)成超材料的基本單元的立體結(jié)構(gòu)示意圖。超材料的基本單元包括人造微結(jié)構(gòu)2以及該人造微結(jié)構(gòu)附著的基材1。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)入射電磁波電場和/或磁場產(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)。本發(fā)明中，人造微結(jié)構(gòu)2上還覆蓋有覆蓋層3，覆蓋層3、人造微結(jié)構(gòu)2以及基材1構(gòu)成本發(fā)明超材料的基本單元。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小于入射電磁波波長的五分之一，優(yōu)選為入射電磁波波長的十分之一。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，從而超材料功能層上的折射率分布可確定為nmain(r)，本發(fā)明中，nmain(r)為r的函數(shù)，即以超材料功能層中心點(diǎn)為圓心，超材料功能層上半徑為r處的折射率相同。nmain(r)函數(shù)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(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。當(dāng)自由空間直接入射到超材料功能層表面的電磁波會(huì)由于折射率的突變而發(fā)生反射，造成一部分能量損失。本發(fā)明為解決上述問題，沿著電磁波的入射方向依次排布有第一至第M層匹配超材料片層。每層匹配超材料片層包括基材以及在基材上周期排布的人造金屬微結(jié)構(gòu)，優(yōu)選地，為封裝人造金屬微結(jié)構(gòu)，還在人造金屬微結(jié)構(gòu)上覆蓋有覆蓋層，所述覆蓋層的材質(zhì)和厚度均與所述基材的材質(zhì)和厚度相同。如圖2所示，圖2為本發(fā)明其中一層匹配超材料片層的剖視圖。圖2中，匹配超材料片層20包括相對(duì)的兩塊相同材質(zhì)的基材201，基材邊側(cè)被對(duì)電磁波無響應(yīng)的其他物質(zhì)，例如泡沫材料等密封，兩基材之間設(shè)置有金屬層202。金屬層202由多個(gè)人造金屬微結(jié)構(gòu)周期排布于兩基材相對(duì)表面的任一表面構(gòu)成。匹配超材料片層通過采用和超材料功能層相同的結(jié)構(gòu)構(gòu)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?cè)斐傻碾姶挪ǚ瓷洹?duì)應(yīng)折射率分布規(guī)律為nmain(r)的超材料功能層，第一至第M層匹配超材料片層中第i層匹配超材料片層的折射率分布為：其中，nmin為第一至第M層匹配超材料片層所具有的相同的最小折射率值，nmain(r)為所述超材料功能層的折射率分布。第一至第M層匹配超材料片層的中心點(diǎn)與超材料功能層的中心點(diǎn)在同一軸線上。本實(shí)施例中，第一至第M匹配超材料片層以及超材料功能層具有相同的厚度D，均由0.4毫米厚度的兩塊基材及0.018毫米厚度的金屬層構(gòu)成。各片層總厚度D為0.818毫米。確定各匹配超材料片層的折射率分布后，需要在各超材料片層虛擬劃分的超材料基本單元中排布人造金屬微結(jié)構(gòu)以改變超材料基本單元的折射率，各個(gè)超材料基本單元中的人造金屬微結(jié)構(gòu)的尺寸以及拓?fù)鋱D案均會(huì)影響到超材料基本單元的折射率值。各層上的人造金屬微結(jié)構(gòu)以及不同層上的人造金屬微結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋱D案可以相同也可以不同，只要該人造金屬微結(jié)構(gòu)使得其附著的超材料單元的折射率符合超材料片層的折射率分布即可。人造金屬微結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D案和尺寸的選取可通過計(jì)算機(jī)仿真實(shí)現(xiàn)，也可通過在建立的人造金屬微結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫中選取。各超材料片層可根據(jù)自身的折射率分布要求選擇所需要的人造金屬微結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D案和尺寸。下面論述幾種能改變超材料基本單元折射率的人造金屬微結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋱D案。如圖3所示，圖3為能對(duì)電磁波產(chǎn)生響應(yīng)以改變超材料基本單元折射率的第一較佳實(shí)施方式的人造金屬微結(jié)構(gòu)的幾何形狀拓?fù)鋱D案。圖3所示為平面雪花狀的金屬微結(jié)構(gòu)的示意圖，所述的雪花狀的金屬微結(jié)構(gòu)具有相互垂直平分的第一金屬線J1及第二金屬線J2，所述第一金屬線J1與第二金屬線J2的長度相同，所述第一金屬線J1兩端連接有相同長度的兩個(gè)第一金屬分支F1，所述第一金屬線J1兩端連接在兩個(gè)第一金屬分支F1的中點(diǎn)上，所述第二金屬線J2兩端連接有相同長度的兩個(gè)第二金屬分支F2，所述第二金屬線J2兩端連接在兩個(gè)第二金屬分支F2的中點(diǎn)上，所述第一金屬分支F1與第二金屬分支F2的長度相等。圖4是圖3所示的平面雪花狀的金屬微結(jié)構(gòu)的一種衍生結(jié)構(gòu)。其在每個(gè)第一金屬分支F1及每個(gè)第二金屬分支F2的兩端均連接有完全相同的第三金屬分支F3，并且相應(yīng)的第三金屬分支F3的中點(diǎn)分別與第一金屬分支F1及第二金屬分支F2的端點(diǎn)相連。依此類推，本發(fā)明還可以衍生出其它形式的金屬微結(jié)構(gòu)。圖5是圖3所示的平面雪花狀的金屬微結(jié)構(gòu)的一種變形結(jié)構(gòu)，此種結(jié)構(gòu)的金屬微結(jié)構(gòu)，第一金屬線J1與第二金屬線J2不是直線，而是彎折線，第一金屬線J1與第二金屬線J2均設(shè)置有兩個(gè)彎折部WZ，但是第一金屬線J1與第二金屬線J2仍然是垂直平分，通過設(shè)置彎折部的朝向與彎折部在第一金屬線與第二金屬線上的相對(duì)位置，使得圖5所示的金屬微結(jié)構(gòu)繞垂直于第一金屬線與第二金屬線交點(diǎn)的軸線向任意方向旋轉(zhuǎn)90度的圖形都與原圖重合。另外，還可以有其它變形，例如，第一金屬線J1與第二金屬線J2均設(shè)置多個(gè)彎折部WZ。確定金屬微結(jié)構(gòu)形狀和折射率分布后，下面詳細(xì)描述通過各個(gè)超材料單元上的人造金屬微結(jié)構(gòu)形狀和尺寸的演變獲得整個(gè)超材料折射率分布的過程，該過程可通過計(jì)算機(jī)仿真得到，具體步驟如下：(1)確定金屬微結(jié)構(gòu)的附著基材。本明中，所述基材和覆蓋層采用相同的FR-4復(fù)合材料制成，所述的FR-4復(fù)合材料制成具有一個(gè)預(yù)定的介電常數(shù)，例如介電常數(shù)為3.3的FR-4復(fù)合材料。(2)確定超材料單元的尺寸。超材料單元的尺寸的尺寸由各超材料片層所需響應(yīng)的電磁波的中心頻率得到，利用頻率得到其波長，再取小于波長的五分之一的一個(gè)數(shù)值作為超材料單元D的長度CD與寬度KD。本發(fā)明中，所述超材料單元D為如圖1所示的長CD與寬KD均為2.5mm、厚度HD為0.818mm的方形小板。(3)確定金屬微結(jié)構(gòu)的材料及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。本發(fā)明中，金屬微結(jié)構(gòu)的材料為銅，金屬微結(jié)構(gòu)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為圖3所示的平面雪花狀的金屬微結(jié)構(gòu)，其線寬W各處一致；此處的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，是指拓?fù)湫螤钛葑兊幕拘螤睢?4)確定金屬微結(jié)構(gòu)的拓?fù)湫螤顓?shù)。如圖3所示，本發(fā)明中，平面雪花狀的金屬微結(jié)構(gòu)的拓?fù)湫螤顓?shù)包括金屬微結(jié)構(gòu)的線寬W，第一金屬線J1的長度a，第一金屬分支F1的長度b。(5)確定金屬微結(jié)構(gòu)的拓?fù)湫螤畹难葑兿拗茥l件。本發(fā)明中，金屬微結(jié)構(gòu)的拓?fù)湫螤畹难葑兿拗茥l件有，金屬微結(jié)構(gòu)之間的最小間距WL(即如圖3所示，金屬微結(jié)構(gòu)與超材料單元的長邊或?qū)掃叺木嚯x為WL/2)，金屬微結(jié)構(gòu)的線寬W，超材料單元的尺寸；由于加工工藝限制，WL大于等于0.1mm，同樣，線寬W也是要大于等于0.1mm。本發(fā)明中，WL取0.1mm，W取0.3mm，超材料單元的尺寸為長與寬為2.5mm，厚度為0.818mm，此時(shí)金屬微結(jié)構(gòu)的拓?fù)湫螤顓?shù)只有a和b兩個(gè)變量。金屬微結(jié)構(gòu)的拓?fù)湫螤畹耐ㄟ^如圖6至圖7所示的演變方式，對(duì)應(yīng)于某一特定頻率(例如15GHZ)，可以得到一個(gè)連續(xù)的折射率變化范圍。具體地，所述金屬微結(jié)構(gòu)的拓?fù)湫螤畹难葑儼▋蓚€(gè)階段(拓?fù)湫螤钛葑兊幕拘螤顬閳D3所示的金屬微結(jié)構(gòu))：第一階段：根據(jù)演變限制條件，在b值保持不變的情況下，將a值從最小值變化到最大值，此演變過程中的金屬微結(jié)構(gòu)均為“十”字形(a取最小值時(shí)除外)。本實(shí)施例中，a的最小值即為0.3mm(線寬W)，a的最大值為(CD-WL)，即2.5-0.1mm，則a的最大值為2.4mm。因此，在第一階段中，金屬微結(jié)構(gòu)的拓?fù)湫螤畹难葑內(nèi)鐖D6所示，即從邊長為W的正方形JX1，逐漸演變成最大的“十”字形拓?fù)湫螤頙D1，在最大的“十”字形拓?fù)湫螤頙D1中，第一金屬線J1與第二金屬線J2長度均為2.4mm，寬度W均為0.3mm。在第一階段中，隨著金屬微結(jié)構(gòu)的拓?fù)湫螤畹难葑?，與其對(duì)應(yīng)的超材料單元的折射率連續(xù)增大((對(duì)應(yīng)天線一特定頻率)，并可得超材料單元的折射率的最小值nmin。第二階段：根據(jù)演變限制條件，當(dāng)a增加到最大值時(shí)，a保持不變；此時(shí)，將b從最小值連續(xù)增加到最大值，此演變過程中的金屬微結(jié)構(gòu)均為平面雪花狀。本實(shí)施例中，b的最小值即為0.3mm(線寬W)，b的最大值為(CD-WL-2W)，即2.5-0.1-2*0.3mm，則b的最大值為1.8mm。因此，在第二階段中，金屬微結(jié)構(gòu)的拓?fù)湫螤畹难葑內(nèi)鐖D7所示，即從最大的“十”字形拓?fù)湫螤頙D1，逐漸演變成最大的平面雪花狀的拓?fù)湫螤頙D2，此處的最大的平面雪花狀的拓?fù)湫螤頙D2是指，第一金屬分支J1與第二金屬分支J2的長度b已經(jīng)不能再伸長，否則第一金屬分支與第二金屬分支將發(fā)生相交，b的最大值為1.8mm。此時(shí)，第一金屬線與第二金屬線長度均為2.4mm，寬度均為0.3mm，第一金屬分支及第二金屬分支的長度均為1.8mm，寬度為0.3mm。在第二階段中，隨著金屬微結(jié)構(gòu)的拓?fù)湫螤畹难葑?，與其對(duì)應(yīng)的超材料單元的折射率連續(xù)增大(對(duì)應(yīng)天線一特定頻率)，因此可得一超材料單元的折射率的最大值nmax。通過上述演變得到超材料單元的折射率變化范圍(nmin-nmax)滿足設(shè)計(jì)需要。如果上述演變得到超材料單元的折射率變化范圍不滿足設(shè)計(jì)需要，例如最大值太小，則變動(dòng)WL與W，重新仿真，直到得到我們需要的折射率變化范圍。本發(fā)明中，所述基材和覆蓋層由陶瓷材料、高分子材料、鐵電材料、鐵氧材料或鐵磁材料等制得。高分子材料可選用的有F4B復(fù)合材料、FR-4復(fù)合材料等。優(yōu)選地，本發(fā)明中，所述基材和覆蓋層采用相同的FR-4復(fù)合材料。人造金屬微結(jié)構(gòu)的材質(zhì)可選用銅或銀，所述金屬微結(jié)構(gòu)通過蝕刻、電鍍、鉆刻、光刻、電子刻或離子刻的方法附著于基材表面上。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)。