[发明专利]一种能发散电磁波的非均匀超材料有效

专利信息
申请号: 201110130300.8 申请日: 2011-05-19
公开(公告)号: CN102480016A 公开(公告)日: 2012-05-30
发明(设计)人: 刘若鹏;季春霖;岳玉涛;王今金 申请(专利权)人: 深圳光启高等理工研究院;深圳光启创新技术有限公司
主分类号: H01Q15/00 分类号: H01Q15/00
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地址: 518000 广东省深圳市*** 国省代码: 广东;44
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摘要:
搜索关键词: 一种 发散 电磁波 均匀 材料
【说明书】:

【技术领域】

发明涉及涉及超材料领域,具体地涉及一种对电磁波起发散作用的非均匀超材料。

【背景技术】

目前,超材料(metamaterial)作为一种新型材料,越来越引起人们的关注,所谓超材料,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。如,超材料可以由介质基材和设置上基材上的多个金属微结构组成,可以提供各种普通材料具有和不具有的材料特性。单个金属微结构大小一般小于1/10个波长,其对外加电场或磁场具有电响应或磁响应,从而具有表现出等效介电常数或等效磁导率,或者波阻抗。超材料性质往往不主要决定与构成材料的本征性质,而决定于其中的人造微结构,人造微结构的等效介电常数和等效磁导率(或波阻抗)由人造微结构单元的大小、形状等几何尺寸参数决定,可人为设计和控制,从而产生许多新奇的现象,为实现电磁波的发散提供了可能。

现有常规材料做成的发散天线等设备能实现电磁波的发散,但是存在以下缺点:体积大,不利于小型化使用;对形状的依赖性强,很难进行灵活的设计;损耗大,介质容易老化,成本较高。

在超材料领域,通过设计人造微结构大小、形状和排布规律,可以使超材料对电场或磁场或者两者同时进行响应,对电场的响应取决于超材料的介电常数,而对磁场的响应取决于超材料的磁导率。通过对超材料中每一个人造微结构的介电常数与磁导率进行精确控制,如通过控制超材料的人造微结构的大小呈由小到大的连续变化,可以使超材料的介电常数形成由小到大的连续变化,根据折射率与介电常数的关系n=k(eu)1/2(其中,k为比例系数、n表示折射率,e表示介电常数,u表示磁导率)可知,超材料的折射率也会随着形成由小到大的连续变化。现有技术通过该原理,使超材料的折射率形成中间小两侧大的连续变化趋势,可以使该超材料具有对电磁波的发散功能,其原理图可参看附图1,图中,平行入射的电磁波经过超材料A后变为发散型电磁波。但是,现有技术存在的问题是:要使电磁波得到发散,介电常数需要在超材料的尺度范围内连续变化,而连续变化则使得介电常数的变化范围很大,而在进行超材料的人造微结构设计时,又很难将其大小做到很大,故在实际工艺上很难实施,是亟待解决的一个技术难题。

【发明内容】

本发明为解决上述技术问题,提供一种在很小范围内改变介电常数即能发散电磁波的非均匀超材料。

本发明实现发明目的采用的技术方案是,一种能发散电磁波的非均匀超材料,所述超材料由超材料功能板组合阵列而成,所述超材料功能板由介质基板以及阵列在介质基板上的多个人造微结构组成,所述超材料功能板包括一中间位置,所述中间位置的一侧包括多个折射率呈带状分布的超材料带,所述各个超材料带内的折射率朝相同方向连续变化,所述各个超材料带内折射率小的一侧朝向所述中间位置,所述各个超材料带折射率大的一侧朝向所述超材料功能板的侧边位置,所述超材料带的交界位置处的折射率为非连续变化。

该技术方案中,所谓超材料带内折射率的连续变化系指在超材料内,由单个人造微结构及其所在介质基板组成的超材料单元的等效折射率按线性规律或连续曲线规律逐渐增大或逐渐减小,其中间不会发生折射率变化方向的改变,也不会发生折射率的突然增大或突然减小。而一旦发生折射率变化方向的改变,或发生折射率的突然增大或突然减小,即为所述的非连续变化。即,在同样的折射率变化范围内,如折射率由2变化到4,在超材料带内折射率由2逐渐变化到4,而在两个超材料带的交界位置处,折射率会由2突变到4或突变到1,则该超材料带内的变化即为连续变化,而在两个超材料带的交界位置处的变化即为非连续变化。

作为优选实施方式,所述中间位置的另一侧也包括多个折射率呈带状分布的超材料带,所述另一侧的超材料带内的折射率朝相同方向连续变化,所述另一侧的超材料带内折射率小的一侧朝向所述中间位置,所述另一侧的超材料带折射率大的一侧朝向所述超材料功能板的另一侧边位置,所述另一侧的超材料带的交界位置处的折射率为非连续变化。

作为优选实施方式之一,所述超材料带的带宽相等所述超材料带内的折射率变化范围相等。

作为优选实施方式之一,所述超材料带内的折射率变化率相等。

作为优选实施方式之一,所述各个超材料带内的折射率以所述中间位置为对称轴呈对称分布。

作为优选实施方式之一,所述超材料的电磁波入射面和出射面均设置有阻抗匹配层。

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