專利名稱：一種發(fā)散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，尤其涉及一種能發(fā)散電磁波的超材料。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有常規(guī)材料做成的發(fā)散天線等設(shè)備能實現(xiàn)電磁波的發(fā)散，但是存在以下缺點體積大，不利于小型化使用；對形狀的依賴性強(qiáng)，很難進(jìn)行靈活的設(shè)計；損耗大，介質(zhì)容易老化，成本較高。目前,超材料(metamaterial)作為一種新型材料,越來越引起人們的關(guān)注，所謂超材料，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)的超材料均為通過在基材上周期排列人造金屬微結(jié)構(gòu)以達(dá)到改變超材料各點的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率的目的并最終實現(xiàn)超材料的各 種電磁特性。。但是超材料的核心思想是通過改變超材料各點介電常數(shù)和磁導(dǎo)率來整體上使超材料具有特定的電磁特性。改變超材料各點介電常數(shù)和磁導(dǎo)率并不一定需要在超材料基材上周期排列各種各樣的人造金屬微結(jié)構(gòu)，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)的發(fā)散電磁波的超材料。本發(fā)明解決其技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是提供一種發(fā)散電磁波的超材料，其由多個立方體結(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呈中間最小、兩邊最大的變化趨勢。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呈中間最小、兩邊最大的變化趨勢；該些小孔內(nèi)填充有折射率大于該基材折射率的介質(zhì)。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呈中間最大、兩邊最小的變化趨勢；該些小孔內(nèi)填充有折射率小于該基材折射率的介質(zhì)。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均相同，該些小孔內(nèi)分別填充有不同的介質(zhì)，該些不同的介質(zhì)使得該超材料的折射率沿該第一方向呈中間最小、兩邊最大的變化趨勢。該立方體結(jié)構(gòu)單元尺寸小于所需響應(yīng)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呈中間最小、兩邊最大的變化趨勢。該超材料每一立方體結(jié)構(gòu)單元基材中形成由多個體積相同的小孔，沿該第一方向的排布的多個立方體結(jié)構(gòu)單元基材中的小孔數(shù)量呈中間最少、兩邊最多的變化趨勢。
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呈中間最大、兩邊最小的變化趨勢。該超材料每一立方體結(jié)構(gòu)單元基材中形成由多個體積相同的小孔，沿該第一方向的排布的多個立方體結(jié)構(gòu)單元基材中的小孔數(shù)量呈中間最多、兩邊最少的變化趨勢。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發(fā)散，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)明發(fā)散電磁波的超材料原理示意圖；圖2為本發(fā)明發(fā)散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3為本發(fā)明發(fā)散電磁波的超材料第一較佳實施例第一實施方式由立方體結(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4為圖3所示超材料主視圖；圖5為本發(fā)明發(fā)散電磁波的超材料第一較佳實施例第二實施方式主視圖；圖6為本發(fā)明發(fā)散電磁波的超材料的第二較佳實施例主視圖。
具體實施例方式電磁波的發(fā)散是指平行入射的電磁波在通過超材料后，電磁波的傳播方向向相對的兩邊發(fā)散。具體原理圖請參照圖I。圖I中，平行入射的電磁波經(jīng)過超材料A后變?yōu)榘l(fā)散型電磁波。整個超材料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產(chǎn)生影響，因此要求立體結(jié)構(gòu)單元的尺寸需小于所需響應(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)單元尺寸均相同且為所需響應(yīng)的電磁波波長的十分之一。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)電磁波的發(fā)散，本發(fā)明發(fā)散電磁波的超材料需至少沿一個方向如X方向其折射率是呈中間小兩邊大的變化趨勢，而Y方向和Z方向中的任一方向其折射率不變或者也呈中間小兩邊大的變化趨勢。要使偏折的角度大，則折射率在該方向上的由小變大的變化率要大。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)，e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)，U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)明發(fā)散電磁波的目的。達(dá)到改變各點的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率并使得電磁波發(fā)散的實施方式有多種。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。
如圖2、圖3、圖4所示，圖2為本發(fā)明發(fā)散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3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4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。本實施例以Y方向為第一方向，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方向呈中間最大兩邊最小的趨勢，沿X和Z方向保持不變從而導(dǎo)致折射率沿Y方向呈中間最小兩邊最大的趨勢，當(dāng)電磁波通過超材料后電磁波的傳播方向分別向折射率大的兩邊偏折從而實現(xiàn)電磁波發(fā)散的功能。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方向呈中間最大兩邊最小的趨勢使得超材料整體折射率沿Y方向呈中間最小兩邊最大的趨勢。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方向呈中間最小兩邊最大的趨勢使得超材料整體折射率沿Y方向呈中間最小兩邊最大的趨勢。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2、圖3、圖4所示的即為第一實施方式。圖5為本發(fā)明第一實施例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，該些小孔20的尺寸和橫截面圖案均相同。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)量呈中間最多、兩邊最少的趨勢。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方向呈中間最多、兩邊最少的趨勢使得超材料整體折射率沿Y方向呈中間最小、兩邊最大的趨勢。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方向呈中間最少、兩邊最多的趨勢使得超材料整體折射率沿Y方向呈中間最小、兩邊最大的趨勢。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?？梢韵胂蟮?，小孔20的橫截面圖形不一定是圖4、圖5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，同一塊超材料各立方體結(jié)構(gòu)單元基材中形成的小孔20橫截面圖案也不需要全部相同，只要滿足本實施例的設(shè)計思想即通過改變小孔20體積并在其內(nèi)填充相同的介質(zhì)使得超材料整體的折射率變化趨勢為中間最小、兩邊最大的趨勢即可。同理，若想沿X方向和Z方向均達(dá)到發(fā)散電磁波的效果，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6為本發(fā)明發(fā)散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方向呈中間最小、兩邊最大的實施方式，沿X、沿Z或者沿三者的混合方向折射率呈中間最小、兩邊最大的實施方式可由沿Y方向折射率呈中間最小、兩邊最大的實施方式輕易推出。由于本實施例中基材中的小孔20數(shù)量僅為一個且尺寸均相同，因此能極大簡化打孔步驟,并且通過調(diào)節(jié)填充的各類介質(zhì)的折射率使得超材料整體折射率調(diào)節(jié)簡單。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方向折射率呈中間最小、兩邊最大的目的需在沿Y方向排布的多個立方體結(jié)構(gòu)單元的小孔20內(nèi)填充介電常數(shù)和磁導(dǎo)率呈中間最小、兩邊最大的介質(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、玻璃、氯化鈉、聚苯乙烯、石英、水晶、氧化銅、碘晶體。如圖6所示，小孔20中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。由于本實施例中基材中的小孔20數(shù)量僅為一個且尺寸均相同，因此能極大簡化打孔步驟，并且通過調(diào)節(jié)填充的各類介質(zhì)的折射率使得超材料整體折射率調(diào)節(jié)簡單。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各類介質(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
1.一種發(fā)散電磁波的超材料，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呈中間最小、兩邊最大的變化趨勢。
2.如權(quán)利要求I所述的發(fā)散電磁波的超材料，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呈中間最小、兩邊最大的變化趨勢；該些小孔內(nèi)填充有折射率大于該基材折射率的介質(zhì)。
3.如權(quán)利要求I所述的發(fā)散電磁波的超材料，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呈中間最大、兩邊最小的變化趨勢；該些小孔內(nèi)填充有折射率小于該基材折射率的介質(zhì)。
4.如權(quán)利要求I所述的發(fā)散電磁波的超材料，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均相同，該些小孔內(nèi)分別填充有不同的介質(zhì)，該些不同的介質(zhì)使得該超材料的折射率沿該第一方向呈中間最小、兩邊最大的變化趨勢。
5.如權(quán)利要求I所述的發(fā)散電磁波的超材料，其特征在于該立方體結(jié)構(gòu)單元尺寸小于所需響應(yīng)的電磁波波長的五分之一。
6.如權(quán)利要求2所述的發(fā)散電磁波的超材料，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呈中間最小、兩邊最大的變化趨勢。
7.如權(quán)利要求2所述的發(fā)散電磁波的超材料，其特征在于該超材料每一立方體結(jié)構(gòu)單元基材中形成由多個體積相同的小孔，沿該第一方向的排布的多個立方體結(jié)構(gòu)單元基材中的小孔數(shù)量呈中間最少、兩邊最多的變化趨勢。
8.如權(quán)利要求3所述的發(fā)散電磁波的超材料，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呈中間最大、兩邊最小的變化趨勢。
9.如權(quán)利要求3所述的發(fā)散電磁波的超材料，其特征在于該超材料每一立方體結(jié)構(gòu)單元基材中形成由多個體積相同的小孔，沿該第一方向的排布的多個立方體結(jié)構(gòu)單元基材中的小孔數(shù)量呈中間最多、兩邊最少的變化趨勢。
10.如權(quán)利要求I所述的發(fā)散電磁波的超材料,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)明涉及一種發(fā)散電磁波的超材料，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呈中間最小、兩邊最大的變化趨勢。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發(fā)散，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H01Q15/02GK102760955SQ20111011154
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