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Title:
ELECTROMAGNETIC WAVE-DEFLECTING METAMATERIAL
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2012/126249
Kind Code:
A1
Abstract:
Provided is an electromagnetic wave-deflecting metamaterial. The metamaterial comprises a functional layer. The functional layer comprises multiple lamellae parallel to each other. Each lamella comprises a sheet-shaped substrate and multiple artificial microstructures arranged in an array and attached to the sheet-shaped substrate. The sheet-shaped substrate is divided into multiple unit blocks. Each artificial microstructure and the unit block occupied thereby constitute one unit cell. Each unit cell has an anisotropy electromagnetic parameter. The multiple unit cells arranged along a first direction on each lamella have a gradually reducing diffraction rate. Employment of the metamaterial allows for electromagnetic wave deflection.

Inventors:
LIU, Ruopeng (Software Building, No.9 GaoxinZhong 1st RoadHigh-Tech Industrial Estate, Nanshan Distric, Shenzhen Guangdong 7, 518057, CN)
刘若鹏 (中国广东省深圳市南山区高新区中区高新中一道9号软件大厦, Guangdong 7, 518057, CN)
XU, Guanxiong (Software Building, No.9 GaoxinZhong 1st RoadHigh-Tech Industrial Estate, Nanshan Distric, Shenzhen Guangdong 7, 518057, CN)
徐冠雄 (中国广东省深圳市南山区高新区中区高新中一道9号软件大厦, Guangdong 7, 518057, CN)
LUAN, Lin (Software Building, No.9 GaoxinZhong 1st RoadHigh-Tech Industrial Estate, Nanshan Distric, Shenzhen Guangdong 7, 518057, CN)
栾琳 (中国广东省深圳市南山区高新区中区高新中一道9号软件大厦, Guangdong 7, 518057, CN)
JI, Chunlin (Software Building, No.9 GaoxinZhong 1st RoadHigh-Tech Industrial Estate, Nanshan Distric, Shenzhen Guangdong 7, 518057, CN)
Application Number:
CN2011/082392
Publication Date:
September 27, 2012
Filing Date:
November 18, 2011
Export Citation:
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Assignee:
KUANG-CHI INSTITUTE OF ADVANCED TECHNOLOGY (Software Building, No.9 GaoxinZhong 1st RoadHigh-Tech Industrial Estate, Nanshan Distric, Shenzhen Guangdong 7, 518057, CN)
深圳光启高等理工研究院 (中国广东省深圳市南山区高新区中区高新中一道9号软件大厦, Guangdong 7, 518057, CN)
KUANG-CHI INNOVATIVE TECHNOLOGY LTD. (18B Block A, CIC International Business CenterNo.1061 of XiangMei Road, FuTian Distric, Shenzhen Guangdong 4, 518034, CN)
深圳光启创新技术有限公司 (中国广东省深圳市福田区香梅路1061号中投国际商务中心A栋18B, Guangdong 4, 518034, CN)
LIU, Ruopeng (Software Building, No.9 GaoxinZhong 1st RoadHigh-Tech Industrial Estate, Nanshan Distric, Shenzhen Guangdong 7, 518057, CN)
刘若鹏 (中国广东省深圳市南山区高新区中区高新中一道9号软件大厦, Guangdong 7, 518057, CN)
XU, Guanxiong (Software Building, No.9 GaoxinZhong 1st RoadHigh-Tech Industrial Estate, Nanshan Distric, Shenzhen Guangdong 7, 518057, CN)
徐冠雄 (中国广东省深圳市南山区高新区中区高新中一道9号软件大厦, Guangdong 7, 518057, CN)
LUAN, Lin (Software Building, No.9 GaoxinZhong 1st RoadHigh-Tech Industrial Estate, Nanshan Distric, Shenzhen Guangdong 7, 518057, CN)
International Classes:
H01Q15/08
Domestic Patent References:
WO2009078596A12009-06-25
Foreign References:
CN101587990A2009-11-25
CN101867094A2010-10-20
Other References:
See also references of EP 2688149A4
None
Attorney, Agent or Firm:
CHINA WISPRO INTELLECTUAL PROPERTY LLP. (Room A806, Zhongdi BuildingSouth of High-Tech Industrial Park, Nanshan Distric, Shenzhen Guangdong 7, 518057, CN)
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Claims:
权 利 要 求

1、一种实现电磁波偏折的超材料, 其特征在于,所述超材料包括一功能层, 所述功能层包括多个相互平行的片层, 每一所述片层包括片状基板和附着在所 述片状基板上阵列排布的多个人造微结构或在所述片状基板中形成的多个小孔, 所述片状基板包括多个单元块, 每一所述人造微结构或所述小孔与其所占据的 所述单元块构成一个单元格, 每一所述片层沿第一方向排布的多个所述单元格 的折射率逐渐变化。

2、 根据权利要求 1 所述的实现电磁波偏折的超材料, 其特征在于, 每一所 述片层沿所述第一方向排布的多个所述单元格的折射率逐渐变小, 每一所述片 层沿垂直于所述第一方向的第二方向排布的多个所述单元格的折射率相同或逐 渐减小, 所述超材料沿垂直于所述片层表面的第三方向排布的多个所述单元格 的折射率相同或逐渐减小。

3、 根据权利要求 2所述的实现电磁波偏折的超材料, 其特征在于, 每一所 述片层上的多个所述人造微结构具有相同的图案, 并且沿所述第一方向排布的 多个所述人造微结构的尺寸逐渐减小, 每一所述片层沿所述第二方向排布的多 个所述人造微结构的尺寸相同或逐渐减小, 每一所述片层沿所述第三方向排布 的多个所述人造微结构的尺寸相同或逐渐减小。

4、 根据权利要求 3 所述的实现电磁波偏折的超材料, 其特征在于, 所述人 造微结构具有非 90度旋转对称的图形, 所述人造微结构为平面的 I形结构或平 面雪花状结构。

5、 根据权利要求 2所述的实现电磁波偏折的超材料, 其特征在于, 每一所 述单元格具有各向异性的电磁参数。

6、 根据权利要求 2所述的实现电磁波偏折的超材料, 其特征在于, 每一所 述人造微结构为构成几何图形的丝线, 附着在所述片状基板上的所述丝线数量 和尺寸沿所述第一方向逐渐减小, 以使每一所述片层沿所述第一方向排布的多 个所述单元格的折射率逐渐减小。

7、 根据权利要求 6所述的实现电磁波偏折的超材料, 其特征在于, 每个所 述人造微结构完全相同, 附着在所述片状基板上的所述人造微结构的数量不完 全相同。

8、 根据权利要求 6所述的实现电磁波偏折的超材料, 其特征在于, 所述人 造微结构为平面的 "工"字形, 包括相互平行且相等的两个第一金属丝、 两端 分别连接在所述两第一金属丝上且垂直于所述第一金属丝的第二金属丝。

9、 根据权利要求 6所述的实现电磁波偏折的超材料, 其特征在于, 所述人 造微结构为 "十"字形、 具有缺口的圆环或封闭曲线。

10、 根据权利要求 6所述的实现电磁波偏折的超材料, 其特征在于, 所述人 造微结构为三维结构, 包括两两垂直且相交于一点的三根正交金属丝和分别垂 直连接在每根所述正交金属丝两端的端部金属丝。

11、 根据权利要求 2所述的实现电磁波偏折的超材料, 其特征在于, 每一所 述片层沿所述第一方向排布的多个所述单元格的光轴平行或依次旋转。

12、 根据权利要求 1所述的实现电磁波偏折的超材料, 其特征在于, 沿所述 第一方向排布的多个所述单元格中的所述小孔体积与所述单元格体积的比值逐 渐变化, 且所述小孔内填充的介质相同, 使得每一所述片层沿所述第一方向排 布的多个所述单元格的折射率逐渐变化。

13、 根据权利要求 12所述的实现电磁波偏折的超材料, 其特征在于, 每一 所述单元格中形成一所述小孔, 沿所述第一方向排布的多个所述单元格的所述 小孔的尺寸逐渐变化。

14、 根据权利要求 12所述的实现电磁波偏折的超材料, 其特征在于, 每一 所述单元格中形成多个体积相同的所述小孔, 沿所述第一方向排布的多个所述 单元格的折射率逐渐变化。

15、 根据权利要求 12所述的实现电磁波偏折的超材料, 其特征在于, 所述 小孔内填充所述介质的折射率小于所述片状基板的折射率, 沿所述第一方向排 布的多个所述单元格中的小孔体积与所述单元格体积的比值变化趋势与所述超 材料整体的折射率变化趋势相反。

16、 根据权利要求 12所述的实现电磁波偏折的超材料, 其特征在于, 所述 小孔内填充所述介质的折射率大于所述片状基板的折射率, 沿所述第一方向排 布的多个所述单元格中的小孔体积与所述单元格体积的比值变化趋势与所述超 材料整体的折射率变化趋势相同。

17、 根据权利要求 1所述的实现电磁波偏折的超材料, 其特征在于, 沿所述 第一方向排布的多个所述单元格中的所述小孔体积与所述单元格体积的比值相 同, 且所述小孔内填充的介质不同, 使得每一所述片层沿第一方向排布的多个 所述单元格的折射率逐渐变化。

18、 根据权利要求 17所述的实现电磁波偏折的超材料, 其特征在于, 沿所 述第一方向排布的多个所述单元格中的所述小孔填充的所述介质为折射率逐渐 变化的介质。

19、 根据权利要求 1所述的实现电磁波偏折的超材料, 其特征在于, 所述单 元格尺寸小于所需偏折的电磁波波长的五分之一。

20、 根据权利要求 1所述的实现电磁波偏折的超材料, 其特征在于, 所述超 材料还包括设置在功能层入射面和 /或出射面上的阻抗匹配层; 所述片状基板的 制造材料包括陶瓷材料、 高分子材料、 铁电材料或铁氧材料。

Description:
一种实现电磁波偏折的超材料

【技术领域】

本发明涉及电磁通信领域,更具体地,涉及一 种实现电磁波偏折的超材料。 【背景技术】

通讯领域主要依赖电磁波来进行探测、 定位、 通信等。 电磁波可以通过不 同的材料或元器件实现分离、 汇聚、 偏折、 发散等。 能实现电磁波偏折即使电 磁波传播方向改变的材料主要是非均匀材料, 也就是不均质从而导致折射率的 分布不均衡的材料。材料疏密不同、材质不同 等都会使得折射率的分布有变化。

现有技术的用于使电磁波偏折的非均匀材料通 常是通过折射率不同的多层 材质叠加所形成的整体。 根据将要被偏折的电磁波的频率、 波长等特性, 可以 设计出此非均匀材料的折射率分布, 然后在各分布区域选择具有对应折射率的 合适材料。

这种偏折电磁波的材料的缺陷在于, 现有的材料其折射率是固有的, 并不是 可任意设计的, 当所需的折射率分布中部分区域的折射率用现 有的天然材料无 法得到, 将导致整个非均匀材料不能达到所需的偏折要 求。

超材料是指一些具有天然材料所不具备的超常 物理性质的人工复合结构或 复合材料。 通过在材料的关键物理尺度上的结构有序设计 , 可突破某些表观自 然规律的限制, 从而获得超出自然界固有的普通的超常材料功 能。

目前常规的超材料主要是通过在基材上周期排 列不同的人造金属微结构从 而达到改变超材料各点的介电常数和磁导率的 目的。 然而想要改变超材料各点 的介电常数和磁导率以实现不同的功能, 在超材料基材上排列人造金属微结构 并不是唯一的办法, 且在超材料基材上排列人造金属微结构工艺复 杂、 实现困 难。

【发明内容】 本发明要解决的技术问题在于, 针对现有技术的非均匀材料不能任意设计因 而在有些特殊情况下无法满足电磁波偏折要求 的缺陷, 提供一种可以自由设计 也适应各种应用条件的实现电磁波偏折的超材 料。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是提 出一种实现电磁波偏折的超 材料, 其包括一功能层, 所述功能层包括多个相互平行的片层, 每一所述片层 包括片状基板和附着在所述片状基板上阵列排 布的多个人造微结构或在所述片 状基板中形成的多个小孔, 所述片状基板包括多个单元块, 每一所述人造微结 构或所述小孔与其所占据的所述单元块构成一 个单元格, 每一所述片层沿第一 方向排布的多个所述单元格的折射率逐渐变化 , 每一所述单元格具有各向异性 的电磁参数。

进一歩地, 每一所述片层沿所述第一方向排布的多个所述 单元格的折射率逐 渐变小, 每一所述片层沿垂直于所述第一方向的第二方 向排布的多个所述单元 格的折射率相同或逐渐减小, 所述超材料沿垂直于所述片层表面的第三方向 排 布的多个所述单元格的折射率相同或逐渐减小 。

进一歩地, 每一所述片层上的多个所述人造微结构具有相 同的图案, 并且沿 所述第一方向排布的多个所述人造微结构的尺 寸逐渐减小, 每一所述片层沿所 述第二方向排布的多个所述人造微结构的尺寸 相同或逐渐减小, 每一所述片层 沿所述第三方向排布的多个所述人造微结构的 尺寸相同或逐渐减小。

进一歩地, 所述人造微结构具有非 90度旋转对称的图形, 所述人造微结构 为平面的 I形结构或平面雪花状结构。

进一歩地, 每一所述人造微结构为构成几何图形的丝线, 附着在所述片状基 板上的所述丝线数量和尺寸沿所述第一方向逐 渐减小, 以使每一所述片层沿所 述第一方向排布的多个所述单元格的折射率逐 渐减小。

进一歩地, 每个所述人造微结构完全相同, 附着在所述片状基板上的所述人 造微结构的数量不完全相同。

进一歩地, 所述人造微结构为平面的 "工"字形, 包括相互平行且相等的两 个第一金属丝、 两端分别连接在所述两第一金属丝上且垂直于 所述第一金属丝 的第二金属丝。

进一歩地, 所述人造微结构为 "十"字形、 具有缺口的圆环或封闭曲线。 进一歩地, 所述人造微结构为三维结构, 包括两两垂直且相交于一点的三根 正交金属丝和分别垂直连接在每根所述正交金 属丝两端的端部金属丝。

进一歩地, 每一所述片层沿所述第一方向排布的多个所述 单元格的光轴平行 或依次旋转。

进一歩地, 沿所述第一方向排布的多个所述单元格中的所 述小孔体积与所述 单元格体积的比值逐渐变化, 且所述小孔内填充的介质相同, 使得每一所述片 层沿所述第一方向排布的多个所述单元格的折 射率逐渐变化。

进一歩地, 每一所述单元格中形成一所述小孔, 沿所述第一方向排布的多个 所述单元格的所述小孔的尺寸逐渐变化。

进一歩地, 每一所述单元格中形成多个体积相同的所述小 孔, 沿所述第一方 向排布的多个所述单元格的折射率逐渐变化。

进一歩地, 所述小孔内填充所述介质的折射率小于所述片 状基板的折射率, 沿所述第一方向排布的多个所述单元格中的小 孔体积与所述单元格体积的比值 变化趋势与所述超材料整体的折射率变化趋势 相反。

进一歩地, 所述小孔内填充所述介质的折射率大于所述片 状基板的折射率, 沿所述第一方向排布的多个所述单元格中的小 孔体积与所述单元格体积的比值 变化趋势与所述超材料整体的折射率变化趋势 相同。

进一歩地, 沿所述第一方向排布的多个所述单元格中的所 述小孔体积与所述 单元格体积的比值相同, 且所述小孔内填充的介质不同, 使得每一所述片层沿 第一方向排布的多个所述单元格的折射率逐渐 变化。

进一歩地, 沿所述第一方向排布的多个所述单元格中的所 述小孔填充的所述 介质为折射率逐渐变化的介质。

进一歩地, 所述单元格尺寸小于所需偏折的电磁波波长的 五分之一。 进一歩地,所述超材料还包括设置在功能层入 射面和 /或出射面上的阻抗匹配 层; 所述片状基板的制造材料包括陶瓷材料、 高分子材料、 铁电材料或铁氧材 料。

实施本发明的实现电磁波偏折的超材料, 具有以下有益效果: 本发明使用超 材料技术来实现电磁波偏折, 超材料是由多个片层构成的, 改变每个片层上的 人造微结构即可改变相应部位的折射率, 因此通过统一设计各个人造微结构的 具体形状和结构即可得到有序变化的折射率, 从而形成折射率非均匀的人造材 料, 进而实现电磁波的偏折。 可见, 本发明的超材料通过对人造微结构的不同 设计排布, 可以满足各种电磁波偏折条件的要求。 并且利用单元格各向异性的 特点, 通过旋转其光轴, 可以对电磁波出射时的位置进行控制。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案 , 下面将对实施例描述中所 需要使用的附图作简单地介绍, 显而易见地, 下面描述中的附图仅仅是本发明 的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲 ,在不付出创造性劳动的前提下, 还可以根据这些附图获得其他的附图。 其中:

图 1是本发明提供的实现电磁波偏折的超材料其 能层的结构示意图; 图 2是所示为折射率椭球在 xy平面的截面示意图;

图 3是本发明的第一实施例其超材料功能层的结 示意图;

图 4是本发明的第二实施例其超材料功能层的结 示意图;

图 5是本发明所提供的实现电磁波偏折的超材料 结构示意图;

图 6是本发明的人造微结构中的平面雪花状结构 示意图;

图 7为本发明实现电磁波偏折的超材料第三实施 第一实施方式立方体结构 单元示意图;

图 8为由图 7所示立方体结构单元沿 X-Y-Z方向堆叠而成的超材料结构示意 图; 图 9为图 8所示超材料主视图;

图 10为本发明实现电磁波偏折的超材料第三实施 第二实施方式主视图; 图 11为本发明实现电磁波偏折的超材料第四实施 主视图;

图 12是本发明的实现电磁波偏折的超材料的第五 施例的结构示意图; 图 13是图 12所示实施例使电磁波传播方向偏折的结构示 图;

图 14是本发明的第六实施例的人造微结构的示意 ;

图 15是本发明的第七实施例的人造微结构的示意 ;

图 16是本发明第八实施例的超材料片层的结构示 图;

图 17是图 16所示超材料片层叠加得到的实现电磁波偏折 超材料的结构 意图;

图 18是本发明第九实施例的人造微结构的结构示 图。

【具体实施方式】

结合图 1至图 6对第一实施例和第二实施例进行详细描述。

"超材料"是指一些具有天然材料所不具备的超 物理性质的人工复合结构或 复合材料。 通过在材料的关键物理尺度上的结构有序设计 , 可以突破某些表观 自然规律的限制, 从而获得超出自然界固有的普通性质的超常材 料功能。

"超材料"所具有的三个重要特征:

( 1 ) "超材料"通常是具有新奇人工结构的复合材料

(2) "超材料"具有超常的物理性质 (往往是自然界的材料中所不具备的);

(3 ) "超材料"性质由构成材料的本征性质及其中的 造微结构共同决定。 本发明利用超材料来构建一种实现电磁波偏折 的超材料。 具体如下: 如图 1所示, 根据本发明的实现电磁波偏折的超材料包括一 功能层 10, 所述 功能层 10包括多个相互平行的片层 1, 每一片层 1包括片状基板 2和附着在片 状基板上阵列排布的多个人造微结构 3, 所述片状基板 2分成多个单元块 V, 每 一人造微结构 3与其所占据的单元块 V构成一个单元格 4, 每一片层 1沿第一 方向排布的多个单元格 4其折射率逐渐减小, 所述每一单元格 4具有各向异性 的电磁参数。 每一单元块可以是完全相同的方块, 可以是立方体, 也可是长方 体, 每一单元块 V的长、 宽、 高尺寸为入射电磁波波长的十分之一至五分之 一 之间。 每一单元格 4 具有各向异性的电磁参数是指, 单元格空间中每一点的折 射率分布并不是每点都相同, 其折射率呈椭球分布, 此椭球称为折射率椭球。 对于任一给定的单元格, 可通过现有技术的模拟仿真软件和计算方法算 出其折 射率椭球, 图 1中的第一方向是指图中的 X轴方向。

对于具有平面结构的人造微结构, 各向同性, 是指对于在该二维平面上以任 一角度入射的任一电磁波, 上述人造微结构在该平面上的电场响应和磁场 响应 均相同, 也即介电常数和磁导率相同; 对于具有三维结构的人造微结构, 各向 同性是指对于在三维空间的任一方向上入射的 电磁波, 每个上述人造微结构在 三维空间上的电场响应和磁场响应均相同。 当人造微结构为 90度旋转对称结构 时, 人造微结构即具有各向同性的特征。

对于二维平面结构, 90度旋转对称是指其在该平面上绕一垂直于该 面且过 其对称中心的旋转轴任意旋转 90度后与原结构重合; 对于三维结构, 如果具有 两两垂直且共交点 (交点为旋转中心) 的 3 条旋转轴, 使得该结构绕任一旋转 轴旋转 90度后均与原结构重合或者与原结构以一分界 对称, 则该结构为 90 度旋转对称结构。

相应地, 如果人造微结构不满足平面或三维的 90度旋转对称 (非 90度旋转 对称), 则其是各向异性 (同样有二维的各向异性与三维的各向异性) 。

如图 2所示为折射率椭球的在电磁波的入射方向的 xy平面的截面示意图(以 I形人造微结构为例), 此截面为一个椭圆, ne轴表示此折射率椭球 5的光轴, 设定二维平面坐标原点 0在折射率椭球的中心上, 以 ne轴为 y轴, 与 y轴垂直 的方向为 X轴, 折射率椭球在 xy平面上的任意一点用 nx, ny表示, 做为公知 常识我们知道, 通过此折射率椭球的光的波其传播常数 k在 y轴与 X轴方向的 两个分量可以由以下两个公式表示, 即 k y =n x aVc, k x =n y ro/c; 其中, ω为电磁波 的角频率, C为光速; 通过坐标变换, 我们可以得到传播常数 k在此单元格中也 是呈椭圆分布的, 并且其椭圆与折射率椭球在此 xy平面的椭圆为相同的形状, 且位置上正交。 同理, 我们可以得到传播常数 k在三维空间中也是呈椭球分布 的, 其与折射率椭球的关系为, 形状相同且正交。 定义 k 的这个椭球为波传播 椭球 6。 可见, 波传播椭球 6与折射率椭球 5形状相同 (尺寸不一定相同), 且 波传播椭球 6的长轴方向为折射率椭球的短轴方向, 而波传播椭球 6的短轴方 向为折射率椭球的长轴方向。 图 2中的 x、 y轴仅是为了推导出波传播椭球 6所 做的定义, 与其它附图不同。

电磁波经过单元格 4后的偏折方向可通过波传播椭球画出来。 如图 2所示, 对于如图 2中所示方向入射的电磁波, 与要出射的波传播椭球 6的面上一点相 交, 做此相交点关于波传播椭球 6 的切线, 自相交点做的切线的法线方向即为 电磁波的能量 s传播方向, 因此电磁波在超材料内部能量 s沿此方向传播。 电磁 波沿此方向前进直至离开超材料时, 所述法线延伸至与电磁波分裂元件的一表 面也即出射面相交后, 自出射面上的交点继续沿与入射方向平行的方 向出射, 此出射方向为电磁波相位传播方向。 也就是说, 各向异性超材料, 能改变通过 其中的电磁波的能量传播方向, 而不改变其相位传播方向, 电磁波出射时发生 平移。 当然, 这里有一个前提, 就是超材料中的折射率分布均匀, 此处的均匀 是指, 每一单元格具有相同的折射率椭球。

对于折射率分布不均匀、 且对电磁波呈各向异性的超材料, 电磁波穿过这样 的超材料后其能量传播方向和相位传播方向都 会改变。 其中, 相位传播方向由 折射率的非均匀分布决定, 而能量传播方向由各向异性的单元格光轴的分 布决 定。

本发明的所述每一片层 1具有前、 后平行的两个表面, 因而每片层均为一厚 度均匀的片层。 本发明中所涉及的第一方向指的是每一片层 1 上阵列排布的人 造微结构 3 的列的方向, 第二方向是指上述阵列的行的方向, 以下的第三方向 是指垂直于片层表面的方向。 各附图中 (图 2除外), 第一方向、 第二方向及第 三方向分别用三维坐标系的 X轴、 y轴及 z轴方向表示。

折射率可以表示电磁波传播方向的改变, 已知折射率 n= ^, 其中 μ为磁导 率, ε为介电常数。实验证明,电磁波通过超材料 ,会向折射率大的方向偏折。 由此, 在磁导率 μ不改变的条件下, 通过改变 ε可以得到我们想要的折射率, 因此通过合理设计功能层 10中内部每一单元格的介电常数, 可以得到任意我们 想要的偏折效果。

图 3所示为本发明第一实施的超材料功能层 10的结构示意图, 所述人造微 结构 3为 I形的金属微结构, 所述功能层 10的每一片层 1上的人造微结构 3呈 矩形阵列排布, 每一片层 1上的多个人造微结构 3具有相同的 I形图案, 并且沿 y轴方向排布的多个人造微结构 3其尺寸逐渐减小,而沿 X轴方向排布的多个人 造微结构 3 其尺寸保持不变。 通过实验得到, 同一图案的金属微结构在同一单 元格中所表现出来的介电常数与其尺寸成正比 。 困此, 本实施例中, 人造微结 构尺寸的规律排布实际上是单元格 4 的介电常数的规律排布, 并且在磁导率不 变的情况下, 即可视为是单元格 4折射率的规律分布。 因此, 本实施例中, 每 一列上的多个单元格 4的折射率沿 y方向逐渐减小,而沿 X方向的多个单元格 4 其折射率保持不变。

另外, 本实施中, 沿 z轴方向排布的多个单元格 4其人造微结构 3的尺寸也 保持不变, 因此, 沿 z轴方向排布的多个单元格 4的折射率也保持不变。

同时, 本实施例中, 所有单元格 4的光轴方向平行, 且与 X轴方向具有一不 为零的夹角。 光轴的方向即波传播椭球的短轴方向, 因此, 也可以这么说, 即 波传播椭球的短轴方向与 X轴方向具有一不为零的夹角。

本实施例中, 由于每一列的单元格的折射率规律相同, 因此, 每一单元格都 对电磁波有偏折作用 (使得电磁波始终向同一个方向偏折), 电磁波通过多个单 元格后, 偏折效果得到累加, 并且由于每个单元格各向异性的特性, 使得电磁 波的出射位置可以得到控制, 即通过控制光轴与 X轴的角度, 可以控制电磁的 出射位置。 图 4所示为本发明第二实施的超材料功能层的结 示意图, 与实施例一不同 的是, 本实施例中, 每一片层 1上的单元格 4的光轴方向不平行, 呈依次旋转 形态, 如图 4所示, 片层 1折射率最大的位置其光轴方向 (图中波传播椭球的 短轴方向)与 X轴方向的夹角为 0度。 片层 1折射率最小的位置, 光轴方向与 X 轴方向的夹角为 90度。 本实施例中, 由于每一列的单元格的折射率规律相同, 因此,每一单元格都对电磁波有偏折作用(使 得电磁波始终向同一个方向偏折), 电磁波通过多个单元格后, 偏折效果得到累加, 并且由于每个单元格各向异性 的特性, 使得电磁波的出射位置可以得到控制, 例如可以使得电磁波更加的收 拢, 达到能量更为集中的目的。 即利用各向异性的偏折技术来偏折电磁波, 比 单纯的利用折射的非均匀(各向同性的非均匀 )来实现偏折, 具有附加的效果, 例如使得电磁波更加的发散、 更加的收拢或是使得电磁波偏折的同时, 实现电 磁波的分裂。

本发明的功能层 10的片状基板 2可以采用陶瓷材料、 高分子材料、 铁电材 料、 铁氧材料或铁磁材料制成。 上述的高分子材料可以是聚四氟乙烯。 聚四氟 乙烯的电绝缘性非常好, 因此不会对电磁波的电场产生干扰, 并且具有优良的 化学稳定性、 耐腐蚀性, 使用寿命长, 作为金属微结构附着的基材是很好的选 择。 当然, 上述的高分子材料也可是 FR-4、 F4b等复合材料。

本发明的人造微结构, 优选地, 采用金属微结构, 所述金属微结构为具有一 定图案的金属线。 例如, 铜线或银线等金属线。 上述的金属线可以通过蚀刻、 电镀、 钻刻、 光刻、 电子刻或离子刻的方法附着在片状基板上。 当然, 也可以 采用三维的激光加工工艺。

另外, 图 1至 4采用的是 I形的人造微结构, I形是各向异性的一种比较简单 的结构, 除此之外, 本发明的人造微结构还可以是如图 6所示的平面雪花状结 构。 当然, 不管是 I形人造微结构, 还是如图 6所示的平面雪花叛乱的人造微结 构, 只要其具有各向异性 (非旋转 90度对称的图形) 的特性即可。

我们知道, 当电磁波在同一介质传播时, 基本没有能量的损失; 而当电磁波 经过不同介质的分界面时, 会发生部分反射现象。 通常两边介质的阻抗差距越 大反射就会越大。 由于部分电磁波的反射, 沿传播方向的电磁能量就会相应损 耗, 严重影响电磁信号传播的距离和传输信号的质 量。

因此, 本发明中, 如图 5所示, 在上述的两个实施例中, 所述超材料还可以 包括设置在功能层 10入射面和 /或出射面上的阻抗匹配层。优选地, 在入射面和 出射面上都设有阻抗匹配层 (201, 202)。 本发明通过以下方法实现阻抗匹配, 即, 位于入射侧的阻抗匹配层 201 的与入射侧介质 (例如空气) 相接触的那一 侧的阻抗与入射介质的阻抗接近, 而入射侧阻抗匹配层 201的靠近功能层 10的 一侧其阻抗与功能层 10的入射侧阻抗接近, 且入射侧阻抗匹配层 201的阻抗沿 垂直于功能层的方向其阻抗连续变化。 而位于出射侧的阻抗匹配层 202 与出射 侧介质 (例如空气) 相接触的那一侧的阻抗与出射介质接近, 而出射侧阻抗匹 配层 202的靠近功能层 10的一侧其阻抗与功能层 10的出射侧阻抗接近, 且出 射侧阻抗匹配层的阻抗沿垂直于功能层的方向 其阻抗连续变化。 我们知道, 不 同介质分界面其阻抗差值越大,反射越强,因 此,通过上述的阻抗匹配层(201, 202), 可以消除阻抗突变, 进而消除电磁波经过不同介质分界面时的反射 现象 以及电磁波能量损耗问题。

上述的阻抗匹配层也可以是一种超材料, 其与功能层有类似的结构。 当然也 可以是其它具有类似功能的材料。 另外, 本文所说的阻抗指的是波阻抗。

由公式阻抗 Z= ^,我们知道只要改变磁导率与介电常数的比 , 就可以 改变阻抗。 因此, 在阻抗匹配层的磁导率均匀分布的情况下, 通过介电常数的 分布可以实现阻抗匹配层内部阻抗分布, 也就是说阻抗匹配层内部的阻抗分布 是可以人为设计的。

结合图 7至图 11对第三实施例和第四实施例进行详细描述。

超材料整体可看成多个立方体结构单元沿三维 X-Y-Z方向叠加而成。 由于超 材料自身需对电磁波产生影响, 因此要求立体结构单元的尺寸小于所需响应的 电磁波波长的五分之一。 优选地, 每一立方体结构单元的尺寸相等且均为所需 响应的电磁波波长的十分之一。

超材料对电磁场的响应主要取决于各个立方体 结构单元对电磁场的响应, 当 立方体结构单元数量足够多时, 每个立方体结构单元对电磁场的响应将会叠加 从而从宏观上改变入射电磁波的各个物理特性 。

本领域普通技术人员可知, 一束电磁波入射到介质上后会向介质之中折射 率 大的地方偏折, 因此要实现电磁波的偏折, 本发明实现电磁波偏折的超材料需 至少沿一个方向如 X方向其折射率是逐渐变化的, 而 Y方向和 Z方向中的任一 方向其折射率不变或者也逐渐变化。 要使偏折的角度大, 则折射率在该方向上 的逐渐减小的变化率要大。 本文的逐渐减小, 是指下一参考点的数据小于或等 于前一参考点的数据。 这里的变化率大, 是指三个前后排列的参考点中, 第二 参考点与第三参考点的差值大于第一参考点与 第二参考点的差值。 本文的折射 率, 是由公式 n = " 推算得出的, 其中 α为一个常数, ε为一个超材料立方体 结构单元在某一电磁波频率下的介电常数, μ为此超材料立方体结构单元在该电 磁波频率下的磁导率。 改变各点的介电常数和磁导率即可最终达到本 发明偏折 电磁波的目的。

达到改变各点的介电常数和磁导率并使得电磁 波偏折的实施方式有多种。 下 面详细论述两种能够达到本发明目的的实施方 式。 两种实施例均以 Υ方向为第 一方向, 并且沿 Υ方向超材料折射率的变化趋势是逐渐减小来 明本发明设计 原理。

如图 7、 图 8、 图 9所示, 图 7为本发明实现电磁波偏折的超材料第三实施 例立方体结构单元示意图、图 8为本发明第三实施例由立方体结构单元沿 Χ-Υ-Ζ 方向堆叠而成的超材料结构示意图、 图 9为本发明第三实施例主视图。 图 9中 立方体结构单元包括基材 11、 在基材 11中形成的小孔 20, 小孔 20可以为通孔 也可以不是通孔但其都占据基材 11一定体积。 本实施例中超材料立方体结构单 元基材中形成的小孔 20的体积所占基材 11体积的比值沿 Υ方向逐渐增大, 沿 X和 Ζ方向保持不变从而导致折射率沿 Υ方向逐渐减小, 当电磁波通过超材料 后电磁波的传播方向即向折射率大的地方偏折 。

另外, 小孔 20 中可填充介质以改变立方体结构单元的介电常 数和磁导率。 由于本实施例主要是通过改变小孔 20占立方体结构单元的体积大小来改变介电 常数和磁导率, 因此本实施例中填充于各小孔 20的介质是相同的但不同于基材 材质, 其可为空气、 陶瓷、 高分子材料、 铁电材料或铁氧材料等。 本实施例中 填充的介质为空气。 由于空气折射率肯定小于基材折射率, 因此小孔 20所占立 方体结构单元的体积比值变化趋势仍然是沿 γ方向逐渐增大使得超材料整体折 射率沿 Y方向逐渐减小。但是当小孔 20中填充的介质的折射率大于基材折射率 时, 小孔 20体积越大将导致立方体结构单元折射率越大 因此此时小孔 20所 占立方体结构单元的体积比值变化趋势为沿 Y方向逐渐减小使得超材料整体折 射率沿 γ方向逐渐增大。

改变小孔 20占立方体结构单元的体积有不同的实施方式 图 7、 图 8、 图 9 所示的即为第一实施方式。

图 10为改变小孔 20占立方体结构单元体积的第二实施方式主视 。 立方体 结构单元基材中上形成有多个小孔 20, 沿 Y方向排布的多个立方体结构单元基 材中的小孔 20的数量逐渐增多从而增大小孔 20所占立方体结构单元的体积比 值。 采用改变小孔 20数量的方法来改变其所占立方体结构的体积 得超材料整 体折射率更易于调节, 并能节省打孔模具的开模费用。 与第一实施方式相同的 是, 该些小孔 20内仍可填充不同于基材材质的介质, 本实施方式中填充介质为 空气。 由于空气折射率肯定小于基材折射率, 因此立方体结构单元的小孔 20数 量变化趋势仍然是沿 Y方向逐渐增多使得超材料整体折射率沿 Y方向逐渐减小。 但是当小孔 20中填充的介质的折射率大于基材折射率时, 小孔 20数量越多将 导致立方体结构单元折射率越大, 因此此时立方体结构单元的小孔 20数量变化 趋势为沿 Y方向逐渐减少使得超材料整体折射率沿 Y方向逐渐增大。

可以想象地, 各类小孔 20的横截面图形不一定是图 9、 图 10所表现出来的 圆形, 亦可往为方形、 三角形、 梯形等各类图形, 只要满足本实施例的设计思 想即沿一方向小孔 20所占立方体结构单元的体积比值逐渐变化即 。 同理, 若想沿 X方向和 Z方向均达到偏折电磁波的效果, 只需应用沿 Y方 向立方体结构单元中小孔 20的分布趋势即可。

图 11为本发明实现电磁波偏折的超材料的第四实 例主视图。本实施例中, 立方体结构单元基材中的小孔 20体积所占立方体结构单元体积的比值相同。 小 孔 20既可以是数量相同、 尺寸相同、 横截面图案相同, 也可以是数量不同、 横 截面图案不同或尺寸不同, 但只需要满足所有立方体结构单元基材中所有 的小 孔 20体积所占立方体结构单元体积的比值均相同 可。 本实施例中, 以立方体 结构单元基材中的小孔 20 数量相同, 均为一个, 尺寸相同, 横截面图案相同, 均为圆形来作为较佳实施方式。 本实施方式中, 依然以 Y方向为第一方向, 仅 描述折射率沿 Y方向逐渐减小的实施方式, 沿 X、 沿 Z或者沿三者的混合方向 折射率逐渐减小的实施方式可由沿 Y方向折射率逐渐减小的实施方式轻易推出。

由于本实施方式中,各小孔 20占立方体结构单元的体积比例相同,因此沿 Y 方向排布的多个立方体结构单元的小孔 20内需填充不同的介质以改变立方体结 构单元的介电常数和磁导率。 要达到沿 Y方向折射率逐渐减小的目的需在沿 Y 方向一列立方体结构单元的小孔 20 内填充介电常数和磁导率逐渐减小的介质。 例如依次填充碘晶体、 氧化铜、 水晶、 石英、 聚苯乙烯、 氯化钠、 玻璃、 空气。 图 11 中小孔 20中的阴影表示填充的介质, 阴影密度越大表示该填充介质折射 率越大。

将上述第三实施例的各种实施方式和第四实施 例的各种实施方式结合起来 能方便的组合出多种可行的实施例。 例如小孔 20体积所占立方体结构单元体积 不同且小孔 20内还填充有折射率不同的介质等。

下面, 结合图 12至图 18对第五实施例至第九实施例进行详细描述。

本发明涉及一种可以使电磁波传播方向发生偏 折的实现电磁波偏折的超材 料, 如图 12所示, 由至少一个超材料片层构成, 当超材料片层有多个时, 其沿 垂直于片层表面的方向堆叠并通过一定的组装 或连接方式构成一个立体的整体。 如图 12所示, 每个片层包括片状的基材 2和附着在所述基材 2上的多个人 造微结构 3。 片状基材 2具有前、 后两个相互平行的表面, 使得基材 2为一个等 厚的片体。 在任一平行于片状基材 2前表面的平面上, 设置两个相互垂直的方 向, 其中一个为第一方向 X, 另一个为第二方向 Y, 则垂直于基材 2表面的方 向也即超材料片层 1堆叠的方向为第三方向 Ζ。

基材 2上附着有人造微结构 3, 包括有两种情况: 一种是人造微结构 3为平 面结构, 其附着在基材 2前表面上; 另一种是人造微结构 3为三维立体结构, 其附着在片状基材 2 内部。 每个人造微结构 3通常是由银、 铜等金属丝线组成 的, 也可以由非金属丝线组成。 这些丝线连接被刻在基材 2表面或基材 2内部 并构成一定的几何图形。 将基材 2划分成很多个相等的立方体基材单元, 例如 为长、 宽、 高均为入射电磁波波长的十分之一的立方体, 每个基材单元上附着 有一定数量的人造微结构 3, 构成一个超材料单元 40。 因此每个超材料单元 40 含有一定量的构成人造微结构 3的丝线。

已知一束电磁波入射到介质上会向折射率大的 地方偏折, 因此要实现电磁波 的偏折, 本发明的实现电磁波偏折的超材料至少沿一个 方向如 X方向其折射率 是逐渐减小的,而 Υ方向和 Ζ方向中的任一方向其折射率不变或者也逐渐 小。 要使偏折的角度大, 则折射率在该方向上的逐渐减小的变化率要大 。 本文的逐 渐减小, 是指下一参考点的数据小于或等于前一参考点 的数据。 这里的变化率 大, 是指三个前后排列的参考点中, 第二参考点与第三参考点的差值大于第一 参考点与第二参考点的差值。本文的折射率, 是由公式 η = " 推算得出的, 其 中 α为一个常数, ε为一个超材料单元 40在某一电磁波频率下的介电常数, μ 为此超材料单元 40在该电磁波频率下的磁导率。

通过大量的试验和仿真得出规律, 即基材 2上的丝线密度大也即基材单元内 丝线含量高的位置该基材单元整体体现的等效 折射率大, 因此要使元件沿 X方 向折射率逐渐减小, 则应该至少沿 X方向其基材单元内的丝线含量逐渐减小。 这里的基材单元可以是常规的体积单位如立方 毫米、 立方厘米等, 也可以是任 一自定义的体积大小, 例如上述每个超材料单元 40为一个基材单元, 整个超材 料片层 1既是由数以万计的超材料单元 40构成的。

当每个超材料单元 40含有一个人造微结构 3时,当人造微结构 3的尺寸沿 X 方向逐渐减小, 则其基材单元的丝线含量也逐渐减小, 折射率也逐渐减小, 如 图 12、 图 13所示, 此时, 沿 Y方向每个超材料单元 40具有相同的尺寸大小, Y方向折射率不变。 当然, 本发明的实现电磁波偏折的超材料沿 Y方向可依与 X方向同样的原理实现折射率逐渐减小, Z方向亦然。

当各个超材料单元 40所含的人造微结构 3数量不等时,若每个人造微结构 3 的形状、 尺寸完全相同, 可以设计实现电磁波偏折的超材料使其沿 X方向各超 材料单元 40的人造微结构 3数量逐渐减小来实现丝线含量逐渐减少进而 射率 逐渐减小。 Y方向和 Z方向亦然。

本发明的人造微结构 3可以是任何形状的结构。 对于平面结构, 人造微结构 3可以是如图 12、 图 13所示的 "工"字形, 包括相互平行且相等的两个第一金 属丝 50、 两端分别连接在所述两第一金属丝 50 中点且垂直于所述第一金属丝 50的第二金属丝 51 ; 人造微结构 3也可以是 "十"字形, 如图 14所示, 包括 垂直相交的两根长金属丝 60和分别连接在每个长金属丝 60两端且与之垂直的 短金属丝 61 ; 人造微结构 3还可以是具有缺口的圆环, 如图 15所示。 当然, 其 他任意形状如封闭或者不封闭的平面曲线, 例如三角形、 四边形、 "匚"字形、 椭圆环等, 都可以作为本发明的人造微结构 3的丝线所构成的形状。

对于三维立体的人造微结构 3, 其优选实施例如图 16至图 17所示, 本实施 例的实现电磁波偏折的超材料包括多个相同超 材料片层 1,即 Z方向的折射率不 变。 对于每个超材料片层 1, 沿 X方向的折射率逐渐减小, Y方向的折射率不 变。 如图 16所示, 由于每个超材料单元 40只含有一个人造微结构 3, 且形状均 相似, 因此, 阵列排布在基材 2内部的人造微结构 3沿 X方向尺寸逐渐减小、 Y方向尺寸不变。 其中, 本实施例的人造微结构 3包括两两垂直且相交于一点 的三根正交金属丝 70和分别垂直连接在每根正交金属丝 70两端且被该正交金 属丝 70平分的端部金属丝 71。

在其他实施例中, 三维的人造微结构 3也有很多种实现方式, 例如图 18所 示的由四根金属丝相接构成的正四面体框, 还可以是其他任意三维结构如任意 空间曲线、 五棱柱框、 圆环等等。

需要说明的是, 本发明的实现电磁波偏折的超材料, 并不限定其所具有的所 有人造微结构 3必然形状相似,各个人造微结构 3可以为各不相同的任意形状, 例如该元件可以同时包括有 "工"字形和圆环形的人造微结构 3 ;

另外, 人造微结构 3并不一定如上述实施例一样比例缩小, 可以通过逐渐减 短人造微结构的某一根或几根丝线从而使超材 料单元 40的丝线含量逐渐减少从 而达到折射率逐渐减小的目的, 例如当所有人造微结构均为 "工"字形, 沿 X 方向逐渐减小每一列人造微结构的第二金属丝 51 的长度、 第一金属丝 50长度 不变, 沿 Y方向、 Z方向的各个人造微结构均相同。 这种设计也可实现折射率 沿 X方向逐渐减小、 Y方向和 Z方向折射率不变的目的;

本发明的实现电磁波偏折的超材料使用超材料 技术来实现, 超材料是由多个 超材料片层构成的, 改变每个超材料片层上的人造微结构即可改变 相应部位的 折射率, 因此通过统一设计各个人造微结构的具体形状 和结构即可得到有序变 化的折射率, 从而形成非均匀材料, 进而实现电磁波的偏折。 可见, 本发明的 实现电磁波偏折的超材料可自由设计和组合, 可以满足各种电磁波偏折条件的 要求。

上面结合附图对本发明的较佳实施例进行了描 述, 但是本发明并不局限于 上述的具体实施方式,上述的具体实施方式仅 仅是示意性的,而不是限制性的, 本领域的普通技术人员在本发明的启示下, 在不脱离本发明宗旨和权利要求所 保护的范围情况下, 还可做出很多形式, 这些均属于本发明的保护之内。