專利名稱：基于超材料的反射器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超材料領(lǐng)域，尤其涉及一種基于超材料的反射器。
背景技術(shù)：
目前使用的反射器是拋物面形狀，為了制造拋物反射面通常利用模具鑄造成型或者采用數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工的方法。第一種方法的加工工藝比較復(fù)雜，成本高，而且拋物面的形狀要比較準(zhǔn)確才能實(shí)現(xiàn)電磁波的定向傳播，所以對(duì)加工精度的要求也比較高。第二種方法采用大型數(shù)控機(jī)床進(jìn)行拋物面的加工，這種方法加工比較精確，但是制造這種大型數(shù)控機(jī)床比較困難，而且成本比較高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明實(shí)施例所要解決的技術(shù)問題在于，提供一種基于超材料的反射器，其制造工藝簡(jiǎn)單、成本較低且具有較高的精確度。為解決上述技術(shù)問題，提供了一種基于超材料的反射器，包括具有發(fā)散電磁波功能的超材料和設(shè)置在所述超材料一側(cè)表面上的反射層。進(jìn)一步地，所述超材料包括至少一個(gè)超材料片層，所述超材料片層包括基板和多個(gè)附著在所述基板上的人造微結(jié)構(gòu)，所述超材料存在一區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)的超材料的介電常數(shù)e與磁導(dǎo)率y的乘積最小，所述區(qū)域外的超材料的介電常數(shù)e與磁導(dǎo)率U的乘積從兩側(cè)向該區(qū)域方向連續(xù)減小。進(jìn)一步地，所述超材料由多個(gè)介電常數(shù)非均勻分布的超材料片層沿垂直于所述片層表面的方向堆疊形成。進(jìn)一步地，每個(gè)所述人造微結(jié)構(gòu)為由至少一根金屬絲組成的平面結(jié)構(gòu)或立體結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步地，所述金屬絲為銅絲或銀絲。進(jìn)一步地，所述金屬絲通過蝕刻、電鍍、鉆刻、光刻、電子刻或離子刻的方法附著在基板上。進(jìn)一步地，所述基板由高分子聚合物、陶瓷材料、聚四氟乙烯、鐵電材料、鐵氧材料或鐵磁材料制得。進(jìn)一步地，所述人造微結(jié)構(gòu)呈“工”形，包括第一金屬絲和分別連接在第一金屬絲兩端且垂直于所述第一金屬絲的第二金屬絲。進(jìn)一步地，所述人造微結(jié)構(gòu)包括相互垂直而連接成“十”字形的兩個(gè)第一金屬絲、分別連接在每個(gè)第一金屬絲兩端且垂直于第一金屬絲的第二金屬絲。進(jìn)一步地,所述反射層由金屬材料制成。上述技術(shù)方案至少具有如下有益效果本發(fā)明的基于超材料的反射器通過改變折射率在超材料中的分布，可達(dá)到改變電磁波的傳播路徑的目的，其制造工藝簡(jiǎn)單、成本較低且具有較高的精確度。


圖I是超材料對(duì)電磁波發(fā)散特性的示意圖。圖2是本發(fā)明的基于超材料的反射器的原理示意圖。圖3是圖2所示的超材料的第一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是圖3所示的超材料的主視圖。圖5是由圖4所示人造微結(jié)構(gòu)衍生的第二實(shí)施例的示意圖。圖6是由圖5所示人造微結(jié)構(gòu)衍生的第三實(shí)施例的示意圖。圖7是本發(fā)明所采用的超材料的第四實(shí)施例的主視圖。
具體實(shí)施例方式當(dāng)一束電磁波由一種介質(zhì)傳播到另外一種介質(zhì)時(shí)，電磁波會(huì)發(fā)生折射，當(dāng)物質(zhì)內(nèi)部的折射率分布非均勻時(shí)，電磁波就會(huì)向折射率比較大的位置偏折，電磁波的折射率與
成正比關(guān)系，因而通過改變介電常數(shù)e和/或磁導(dǎo)率y在材料中的分布，就可達(dá)到改變電磁波的傳播路徑的目的。超材料是一種以人造微結(jié)構(gòu)2為基本單元并以特定方式進(jìn)行空間排布、具有特殊電磁響應(yīng)的新型材料，包括人造微結(jié)構(gòu)2和供人造微結(jié)構(gòu)附著的基板I。人造微結(jié)構(gòu)2為由至少一根金屬絲組成的平面結(jié)構(gòu)或立體結(jié)構(gòu)，多個(gè)人造微結(jié)構(gòu)2在基板I上陣列排布，每個(gè)人造微結(jié)構(gòu)2以及其所附著的基板I所占部分即為一個(gè)單元格?；錓可為任何與人造微結(jié)構(gòu)2不同的材料，這兩種材料的疊加使每個(gè)單元格產(chǎn)生一個(gè)等效介電常數(shù)與磁導(dǎo)率，這兩個(gè)物理參數(shù)分別對(duì)應(yīng)了單元格的電場(chǎng)響應(yīng)與磁場(chǎng)響應(yīng)。超材料對(duì)電磁響應(yīng)的特征是由人造微結(jié)構(gòu)2的特征所決定，而人造微結(jié)構(gòu)2的電磁響應(yīng)很大程度上取決于其金屬絲的圖案所具有的拓?fù)涮卣骱推鋷缀纬叽?。根?jù)上述原理設(shè)計(jì)超材料空間中排列的每個(gè)人造微結(jié)構(gòu)2的圖案和幾何尺寸，就可對(duì)超材料中每一點(diǎn)的電磁參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。圖I所示為超材料對(duì)電磁波發(fā)散特性的示意圖，圖示中的具有發(fā)散功能的超材料10存在一個(gè)區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)的超材料10的介電常數(shù)e與磁導(dǎo)率U的乘積最小，該區(qū)域外的超材料10的介電常數(shù)e與磁導(dǎo)率U的乘積從兩側(cè)向該區(qū)域方向連續(xù)減小。當(dāng)一束平行電磁波入射到具有上述電磁參數(shù)分布的超材料10時(shí)，電磁波通過超材料10折射后發(fā)散射出。如圖2所示本發(fā)明的基于超材料的反射器，包括圖I所示的具有發(fā)散電磁波功能的超材料10和設(shè)置在超材料10 —側(cè)表面上的反射層20。反射層20是具有良好反射特性的反射面，比如金屬反射面等。當(dāng)一束電磁波入射到本發(fā)明的反射器上時(shí)，入射的電磁波經(jīng)過具有發(fā)散電磁波特性的超材料10并向折射率大的地方偏折，再經(jīng)過反射層20反射，最后又經(jīng)過超材料10折射并進(jìn)一步向折射率大的地方偏折，反射出的電磁波為圖2所示的發(fā)散出射的電磁波。本發(fā)明的反射器所采用的超材料10包括至少一個(gè)超材料片層3，超材料片層3包括基板I和多個(gè)附著在基板I上的人造微結(jié)構(gòu)2。實(shí)驗(yàn)證明，電磁波通過超材料10的偏折角與超材料10的厚度和折射率變化率有關(guān)，因此通過合理設(shè)計(jì)超材料10的每個(gè)超材料片層3的折射率分布以及超材料片層3的數(shù)量，就可以實(shí)現(xiàn)電磁波的各種出射效果，例如使射入的平行電磁波發(fā)散射出。進(jìn)一步的，電磁波的折射率與成正比關(guān)系，所以只要改變介電常數(shù)與磁導(dǎo)率中的至少一個(gè)，就可以改變折射率。通常，通過改變介電常數(shù)來改變折射率，因?yàn)榫哂须妶?chǎng)響應(yīng)的人造微結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，例如“工”字形、“H”形等。為了實(shí)現(xiàn)使電磁波發(fā)散的目的，本實(shí)施例中超材料10存在一區(qū)域4，該區(qū)域4內(nèi)的超材料10的介電常數(shù)e與磁導(dǎo)率U的乘積最小，該區(qū)域4外的超材料10的介電常數(shù)e與磁導(dǎo)率U的乘積從兩側(cè)向該區(qū)域方向連續(xù)減小。即本發(fā)明所采用的超材料10的區(qū)域4內(nèi)的折射率最小，該區(qū)域4外的超材料10的折射率從兩側(cè)向該區(qū)域4連續(xù)減小，當(dāng)平行入射的電磁波經(jīng)過該超材料10時(shí)，電磁波向折射率大的區(qū)域偏折，即電磁波向超材料10兩側(cè)偏折，再經(jīng)過反射層20反射后，電磁波再次經(jīng)過超材料10進(jìn)一步向超材料10的兩側(cè)偏折，經(jīng)過上述過程平行入射的電磁波發(fā)散射出。 圖3和圖4分別是本發(fā)明的基于超材料的反射器所采用的超材料10的第一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖和主視圖。在本實(shí)施例中超材料10由多個(gè)相同的介電常數(shù)非均勻分布的超材料片層3沿垂直于超材料片層3表面方向堆疊形成。每個(gè)超材料片層3包括片狀的基板I和附著在基板I上的多個(gè)人造微結(jié)構(gòu)2。本實(shí)施例中的人造微結(jié)構(gòu)2呈“工”字形，包括第一金屬絲201和分別連接在第一金屬絲201兩端且垂直于第一金屬絲201的第二金屬絲202。人造微結(jié)構(gòu)2陣列分布在基板I上。實(shí)驗(yàn)證明，相同圖案的人造微結(jié)構(gòu)2，其幾何尺寸與介電常數(shù)成正比，因此在入射電磁波確定的情況下，通過合理設(shè)計(jì)人造微結(jié)構(gòu)2的圖案和不同尺寸的人造微結(jié)構(gòu)2在超材料片層上的排布，就可以制成具有上述折射率分布規(guī)律的超材料10。如圖4所示超材料10的區(qū)域4內(nèi)“工”字形人造微結(jié)構(gòu)2的尺寸最小，該區(qū)域4外“工”字形人造微結(jié)構(gòu)2的尺寸從兩側(cè)向該區(qū)域方向連續(xù)減小。通過合理設(shè)計(jì)超材料10中的“工”字形人造微結(jié)構(gòu)2的尺寸分布，即可實(shí)現(xiàn)平行電磁波的發(fā)散反射。圖5所示實(shí)施例是圖4所示實(shí)施例中的人造微結(jié)構(gòu)2的衍生，其人造微結(jié)構(gòu)2不僅包括構(gòu)成“工”字形的第一金屬絲201和第二金屬絲202，還包括分別連接在第二金屬絲202兩端且垂直于第二金屬絲202的第三金屬絲203。圖6所示實(shí)施例則是圖5的人造微結(jié)構(gòu)2的進(jìn)一步衍生，其人造微結(jié)構(gòu)2在圖5的基礎(chǔ)上還包括分別連接在第三金屬絲203兩端且垂直于第三金屬絲203的第四金屬絲204。依此類推，本發(fā)明的對(duì)電場(chǎng)響應(yīng)的人造微結(jié)構(gòu)2還有無窮多個(gè)。第二金屬絲202的長(zhǎng)度小于第一金屬絲201，第三金屬絲203的長(zhǎng)度小于第二金屬絲202，第四金屬絲204的長(zhǎng)度小于第三金屬絲203，依此類推。圖7為本發(fā)明的所采用的超材料10的第四實(shí)施例的主視圖。在圖7所示實(shí)施例中除了人造微結(jié)構(gòu)2的幾何形狀與圖4所示實(shí)施例不同之外，人造微結(jié)構(gòu)2的排布規(guī)律等均與之相同。圖7所示實(shí)施例中人造微結(jié)構(gòu)2為“雪花”形結(jié)構(gòu)，包括相互垂直而連接成“十”字形的兩個(gè)第一金屬絲201、分別連接在每個(gè)第一金屬絲201兩端且垂直于第一金屬絲201的第二金屬絲202。人造微結(jié)構(gòu)2也可采用“王”字形，“H”形等其他軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)。應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明實(shí)施例所采用的超材料10除了采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)的人造微結(jié)構(gòu)2之夕卜，也可采用不等邊三角形、平行四邊形或不規(guī)則閉合曲線等其他非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的人造微結(jié)構(gòu)2。只要超材料10存在一個(gè)區(qū)域4，該區(qū)域4內(nèi)的超材料10的介電常數(shù)e與磁導(dǎo)率U的乘積最小，區(qū)域4外的超材料10的介電常數(shù)e與磁導(dǎo)率U的乘積從兩側(cè)向該區(qū)域4方向連續(xù)減小。通過合理設(shè)計(jì)超材料10上的人造微結(jié)構(gòu)2的幾何尺寸分布就可實(shí)現(xiàn)電磁波的發(fā)散反射。具體實(shí)施時(shí)，人造微結(jié)構(gòu)2由至少一根銅絲或者銀絲等金屬絲構(gòu)成，具有特定圖形。金屬線通過蝕刻、電鍍、鉆刻、光刻、電子刻或離子刻等多種方法附著在基板I上。其中蝕刻是較優(yōu)的制造工藝，其步驟是在設(shè)計(jì)好合適的人造微結(jié)構(gòu)2的平面圖案后，先將一張金屬箔片整體地附著在基板I上，然后通過蝕刻設(shè)備，利用溶劑與金屬的化學(xué)反應(yīng)去除掉人造微結(jié)構(gòu)2預(yù)設(shè)圖案以外的箔片部分，余下的即可得到陣列排布的人造微結(jié)構(gòu)2。基板I由由高分子聚合物、陶瓷材料、聚四氟乙烯、鐵電材料、鐵氧材料或鐵磁材料制得。本發(fā)明的基于超材料的反射器采用具有發(fā)散功能的超材料代替具有發(fā)散功能的發(fā)射鏡，通過合理設(shè)計(jì)超材料上的人造微結(jié)構(gòu)的圖案和不同幾何尺寸的人造微結(jié)構(gòu)的分布規(guī)律，就可實(shí)現(xiàn)平行電磁波的發(fā)散反射。該反射器制造工藝簡(jiǎn)單、成本較低且具有較高的精確度。
以上所述是本發(fā)明的具體實(shí)施方式
，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種基于超材料的反射器，其特征在于，包括具有發(fā)散電磁波功能的超材料和設(shè)置在所述超材料一側(cè)表面上的反射層。
2.如權(quán)利要求I所述的基于超材料的反射器，其特征在于，所述超材料包括至少一個(gè)超材料片層，所述超材料片層包括基板和多個(gè)附著在所述基板上的人造微結(jié)構(gòu)，所述超材料存在一區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)的超材料的介電常數(shù)e與磁導(dǎo)率U的乘積最小，所述區(qū)域外的超材料的介電常數(shù)e與磁導(dǎo)率U的乘積從兩側(cè)向該區(qū)域方向連續(xù)減小。
3.如權(quán)利要求2所述的基于超材料的反射器，其特征在于，所述超材料由多個(gè)介電常數(shù)非均勻分布的超材料片層沿垂直于所述片層表面的方向堆疊形成。
4.如權(quán)利要求2或3所述的基于超材料的反射器，其特征在于，每個(gè)所述人造微結(jié)構(gòu)為由至少一根金屬絲組成的平面結(jié)構(gòu)或立體結(jié)構(gòu)。
5.如權(quán)利要求4所述的基于超材料的反射器，其特征在于，所述金屬絲為銅絲或銀絲。
6.如權(quán)利要求4所述的基于超材料的反射器，其特征在于，所述金屬絲通過蝕刻、電鍍、鉆刻、光刻、電子刻或離子刻的方法附著在基板上。
7.如權(quán)利要求2或3所述的基于超材料的反射器，其特征在于，所述基板由高分子聚合物、陶瓷材料、聚四氟乙烯、鐵電材料、鐵氧材料或鐵磁材料制得。
8.如權(quán)利要求2或3所述的基于超材料的反射器，其特征在于，所述人造微結(jié)構(gòu)呈“工”形，包括第一金屬絲和分別連接在第一金屬絲兩端且垂直于所述第一金屬絲的第二金屬絲。
9.如權(quán)利要求2或3所述的基于超材料的反射器，其特征在于，所述人造微結(jié)構(gòu)包括相互垂直而連接成“十”字形的兩個(gè)第一金屬絲、分別連接在每個(gè)第一金屬絲兩端且垂直于第一金屬絲的第二金屬絲。
10.如權(quán)利要求I所述的基于超材料的反射器，其特征在于，所述反射層由金屬材料制成。
全文摘要
本發(fā)明實(shí)施例涉及一種基于超材料的反射器，包括具有發(fā)散電磁波功能的超材料和設(shè)置在所述超材料一側(cè)表面上的反射層。該超材料存在一區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)的超材料的介電常數(shù)ε與磁導(dǎo)率μ的乘積最小，區(qū)域外的超材料的介電常數(shù)ε與磁導(dǎo)率μ的乘積從兩側(cè)向該區(qū)域方向連續(xù)減小。該反射器根據(jù)改變折射率在超材料中的分布，可達(dá)到改變電磁波的傳播路徑的目的，本發(fā)明的反射器制造工藝簡(jiǎn)單、成本較低且具有較高的精確度。
文檔編號(hào)H01Q15/00GK102751577SQ20111009930
公開日2012年10月24日 申請(qǐng)日期2011年4月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月20日
發(fā)明者劉若鵬, 季春霖, 欒琳, 蔣楠楠 申請(qǐng)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