一種超材料及極化器的制造方法
【專利摘要】一種超材料及極化器，其中超材料包括兩個(gè)平行設(shè)置的折線結(jié)構(gòu)層以及位于其間的至少一個(gè)中間層，折線結(jié)構(gòu)層包括基材及附著于其上的平行分布的帶狀折線結(jié)構(gòu)，折線結(jié)構(gòu)為由導(dǎo)電材料制成的沿軸線周期性變化的折線圖案，中間層包括基材及附著于其上的周期分布的各向異性結(jié)構(gòu)，每個(gè)各向異性結(jié)構(gòu)由導(dǎo)電材料制成，彼此之間間隔設(shè)置。依據(jù)本發(fā)明的超材料能夠達(dá)到擴(kuò)展帶寬的效果，使得能夠在寬頻范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)圓極化。
【專利說(shuō)明】一種超材料及極化器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及超材料【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]超材料泛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。超材料擁有一些特別的性質(zhì)，例如能夠讓光、電磁波改變它們的通常性質(zhì)，而這樣的效果是傳統(tǒng)材料無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。超材料的性質(zhì)和功能主要來(lái)自于其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，其中的微結(jié)構(gòu)的大小尺度與所作用的波長(zhǎng)數(shù)量級(jí)相當(dāng)，因此得以對(duì)波施加影響。
[0003]超材料的特別性質(zhì)使它具有廣泛的應(yīng)用前景，例如用于制作極化器。電磁波的極化是指空間某固定位置的場(chǎng)矢量(電場(chǎng)、磁場(chǎng))隨時(shí)間變化的特性。通常用電場(chǎng)強(qiáng)度E矢量的末端隨時(shí)間變化的軌跡來(lái)描述電磁波的極化。由E矢量的兩個(gè)正交分量間的幅度和相位關(guān)系可以判斷電磁波的極化方式。如果一個(gè)周期內(nèi)，E矢量?jī)H在一個(gè)方向振動(dòng)，這就稱為線極化波；如果E矢量的端點(diǎn)軌跡是一個(gè)橢圓(或圓)，這就稱為橢圓(或圓)極化波。在一些應(yīng)用場(chǎng)合，需要將線極化波轉(zhuǎn)變成圓極化波(或者需要將圓極化波轉(zhuǎn)變成線極化波)，即需要使用極化器。能夠在寬頻范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)圓極化是極化器的一個(gè)重要的研究方向。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]依據(jù)本發(fā)明的一方面提供一種超材料，包括第一折線結(jié)構(gòu)層、第二折線結(jié)構(gòu)層和至少一個(gè)中間層，其中，第一折線結(jié)構(gòu)層包括第一基材及附著于其上的平行分布的帶狀第一折線結(jié)構(gòu)，第一折線結(jié)構(gòu)為由導(dǎo)電材料制成的沿軸線周期性變化的折線圖案；第二折線結(jié)構(gòu)層與第一折線結(jié)構(gòu)層平行設(shè)置，包括第二基材及附著于其上的平行分布的帶狀第二折線結(jié)構(gòu)，第二折線結(jié)構(gòu)為由導(dǎo)電材料制成的沿軸線周期性變化的折線圖案；中間層位于第一折線結(jié)構(gòu)層與第二折線結(jié)構(gòu)層之間，包括第三基材及附著于其上的周期分布的各向異性結(jié)構(gòu)，每個(gè)各向異性結(jié)構(gòu)由導(dǎo)電材料制成，彼此之間間隔設(shè)置。
[0005]依據(jù)本發(fā)明的另一方面提供一種基于超材料的極化器，包括兩塊拼接的板狀超材料，所使用的板狀超材料具有以上描述的結(jié)構(gòu)，兩塊板狀超材料的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)互不連通，且兩塊板狀超材料上的折線結(jié)構(gòu)的軸線相對(duì)于兩塊板狀超材料之間的拼接線對(duì)稱。
[0006]依據(jù)本發(fā)明的超材料，由于采用在折線結(jié)構(gòu)層之間夾持一層或多層各向異性結(jié)構(gòu)的方式，能夠達(dá)到擴(kuò)展帶寬的效果，使得能夠在寬頻范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)圓極化。進(jìn)一步的依據(jù)本發(fā)明的極化器，由于采用兩塊對(duì)稱拼接的板狀超材料，使得能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)兩種不同的極化效果，例如左旋和右旋。
[0007]以下結(jié)合附圖，對(duì)依據(jù)本發(fā)明的具體示例進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。簡(jiǎn)明起見，各實(shí)施例中的同類結(jié)構(gòu)將使用相同的標(biāo)記。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0008]圖1是實(shí)施例1中超材料的局部透視結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是實(shí)施例1中超材料的局部立體不意圖；
圖3是實(shí)施例1中超材料的部分正視7]^意圖；
圖4是實(shí)施例1中超材料的圓極化仿真軸比結(jié)果圖；
圖5是實(shí)施例2中超材料的局部透視結(jié)構(gòu)示意圖；
圖6是實(shí)施例2中超材料的圓極化仿真軸比結(jié)果圖；
圖7是實(shí)施例3中超材料的局部透視結(jié)構(gòu)示意圖；
圖8是實(shí)施例3中超材料的圓極化仿真軸比結(jié)果圖；
圖9是實(shí)施例4中超材料的局部透視結(jié)構(gòu)示意圖；
圖10是實(shí)施例4中超材料的圓極化仿真軸比結(jié)果圖；
圖11是實(shí)施例5中極化器的正視示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0009]實(shí)施例1
依據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式的超材料100可參考圖1、圖2和圖3，包括:第一折線結(jié)構(gòu)層110，其包括第一基材及附著于其上的平行分布的帶狀第一折線結(jié)構(gòu)111，第一折線結(jié)構(gòu)為由導(dǎo)電材料制成的沿軸線周期性變化的幾字形圖案；清楚起見，圖1和圖2中僅示出了超材料上一個(gè)周期的幾字單元，在實(shí)際材料上，參考圖3，沿軸線方向該幾字單元連續(xù)延伸形成帶狀折線結(jié)構(gòu)，沿垂直于軸線方向該帶狀折線結(jié)構(gòu)重復(fù)平行分布；優(yōu)選地，折線結(jié)構(gòu)的幾字形圖案的頂部寬度可與底部寬度不同，以獲得更好的各向異性特性；
第二折線結(jié)構(gòu)層120，與第一折線結(jié)構(gòu)層110平行設(shè)置，其包括第二基材及附著于其上的平行分布的帶狀第二折線結(jié)構(gòu)121，第二折線結(jié)構(gòu)為由導(dǎo)電材料制成的沿軸線周期性變化的幾字形圖案；本實(shí)施例中，第二折線結(jié)構(gòu)與第一折線結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)；
兩個(gè)中間層130，位于第一折線結(jié)構(gòu)層110與第二折線結(jié)構(gòu)層120之間，其包括第三基材及附著于其上的周期分布的幾字形圖案131，每個(gè)幾字形圖案由導(dǎo)電材料制成，彼此之間間隔設(shè)置。
[0010]依據(jù)本發(fā)明的超材料中所采用的基材可選自陶瓷材料、高分子材料、鐵電材料、鐵氧材料或鐵磁材料等，各層的基材可以相同也可以不同，具體材料可根據(jù)應(yīng)用需要進(jìn)行選擇。例如所選高分子材料可以是聚四氟乙烯，以獲得良好的電絕緣性，因此不會(huì)對(duì)電磁波的電場(chǎng)產(chǎn)生干擾，并且具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、耐腐蝕性，使用壽命長(zhǎng)。所選高分子材料也可是FR-4、F4b等復(fù)合材料。本實(shí)施例中優(yōu)選F4b作為金屬微結(jié)構(gòu)附著的基材，其介電常數(shù)為
2.2左右，每層的厚度可選擇為例如0.4_。本實(shí)施例中第一折線結(jié)構(gòu)111、第二折線結(jié)構(gòu)121以及中間層的各向異性結(jié)構(gòu)131采用銅質(zhì)微結(jié)構(gòu)，當(dāng)然，也可以采用其他具有良好導(dǎo)電性的金屬微結(jié)構(gòu)，微結(jié)構(gòu)的單層厚度可選擇為例如0.018mm。
[0011]由于位于表面的折線結(jié)構(gòu)層具有頻率選擇表面(FSS)的特性，因此可根據(jù)實(shí)際情況通過(guò)調(diào)整微結(jié)構(gòu)的形狀尺寸等參數(shù)調(diào)整相應(yīng)的工作頻率，并且由于中間層的各向異性結(jié)構(gòu)擴(kuò)展了頻率帶寬，因此能夠在寬頻范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)低軸比的圓極化。采用本實(shí)施例的超材料作為圓極化器，進(jìn)行CST仿真獲得的軸比(增益)結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出，這種復(fù)合結(jié)構(gòu)能在寬頻范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)圓極化，且效果良好，在某些頻點(diǎn)甚至能達(dá)到0.9dB,這種層疊架構(gòu)為極化器的設(shè)計(jì)開辟了一條新途徑。
[0012]本實(shí)施例中，第一和第二折線結(jié)構(gòu)為幾字形圖案,在其他實(shí)施例中，也可以采用其他沿軸線周期性變化的折線圖案。由于幾字形圖案具有優(yōu)異的各向異性特點(diǎn)，其水平與垂直線條分別體現(xiàn)了強(qiáng)電容與強(qiáng)電感作用，能很好地使電磁波水平與垂直分量相伴發(fā)生超前或延遲，很適合圓極化與線極化設(shè)計(jì)，因而是特別優(yōu)選地。
[0013]本實(shí)施例中，中間層有兩個(gè)，在其他實(shí)施例中，也可以只采用一個(gè)中間層或更多的中間層，具體可根據(jù)阻抗匹配以及極化的要求進(jìn)行配置。
[0014]本實(shí)施例中，中間層同樣采樣幾字形圖案作為各向異性結(jié)構(gòu)，不過(guò)高度低于折線結(jié)構(gòu)層的幾字形圖案，在其他實(shí)施例中，也可以采用其他圖案的各向異性結(jié)構(gòu)，例如豎條形、橫條形、工字形等，只要具有各向異性的性質(zhì)即可，所稱各向異性的性質(zhì)是指旋轉(zhuǎn)90°后的圖形與原圖形不重合。
[0015]本實(shí)施例中，兩個(gè)中間層的各向異性結(jié)構(gòu)彼此--對(duì)應(yīng)，重疊設(shè)置，在其他實(shí)施例中，也可以不一一對(duì)應(yīng)，例如間隔或錯(cuò)開分布等。
[0016]實(shí)施例2
依據(jù)本發(fā)明的另一種實(shí)施方式的超材料200可參考圖5，與實(shí)施例1相比區(qū)別在于，中間層為一個(gè)，且所使用的各向異性結(jié)構(gòu)為間隔設(shè)置的橫條形圖案。
[0017]采用本實(shí)施例的超材料作為圓極化器，進(jìn)行CST仿真獲得的軸比結(jié)果如圖6所示。由圖6可以看出，本實(shí)施例超材料在21GHZ時(shí)極化效果最好，軸比達(dá)到0.5dB。
[0018]實(shí)施例3
依據(jù)本發(fā)明的另一種實(shí)施方式的超材料300可參考圖7，與實(shí)施例1相比區(qū)別在于，中間層為一個(gè)，且所使用的各向異性結(jié)構(gòu)為間隔設(shè)置的豎條形圖案。
[0019]采用本實(shí)施例的超材料作為圓極化器，進(jìn)行CST仿真獲得的軸比結(jié)果如圖8所示。由圖8可以看出，本實(shí)施例超材料在39GHZ時(shí)極化效果最好，軸比為1.2dB。
[0020]實(shí)施例4
依據(jù)本發(fā)明的另一種實(shí)施方式的超材料400可參考圖9，與實(shí)施例1相比區(qū)別在于，所使用的各向異性結(jié)構(gòu)是與折線結(jié)構(gòu)層相同的幾字形圖案。
[0021]采用本實(shí)施例的超材料作為圓極化器，進(jìn)行CST仿真獲得的軸比結(jié)果如圖10所示。由圖10可以看出，本實(shí)施例超材料在39GHZ時(shí)極化效果最好，軸比接近0.2dB。
[0022]實(shí)施例5
依據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式的基于超材料的極化器500可參考圖11，包括兩塊拼接的板狀超材料501，本實(shí)施例中的板狀超材料采用實(shí)施例4中所描述的結(jié)構(gòu)，當(dāng)然，在其他實(shí)施例中，也可采用諸如實(shí)施例1-3等結(jié)構(gòu)的超材料。兩塊板狀超材料的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)互不連通，且兩塊板狀超材料上的折線結(jié)構(gòu)的軸線相對(duì)于兩塊板狀超材料之間的拼接線對(duì)稱。例如優(yōu)選地，兩塊板狀超材料上的折線結(jié)構(gòu)的軸線與拼接線之間成45度角，這樣可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)產(chǎn)生具有左旋圓極化和右旋圓極化效果的圓極化器。兩塊板狀超材料也可采用其他角度拼接在一起以達(dá)到所需要的橢圓極化的效果。
[0023]采用本實(shí)施例，能夠簡(jiǎn)單的在同一個(gè)系統(tǒng)中同時(shí)實(shí)現(xiàn)兩種不同的極化，例如實(shí)現(xiàn)同時(shí)產(chǎn)生具有左旋圓極化和右旋圓極化效果的圓極化器，這在已有技術(shù)中是難以做到的。拼接后的極化器的極化效果與實(shí)施例4類似，不再贅述。
[0024]以上應(yīng)用具體個(gè)例對(duì)本發(fā)明的原理及實(shí)施方式進(jìn)行了闡述，應(yīng)該理解，以上實(shí)施方式只是用于幫助理解本發(fā)明，而不應(yīng)理解為對(duì)本發(fā)明的限制。對(duì)于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明的思想，可以對(duì)上述【具體實(shí)施方式】進(jìn)行變化。
【權(quán)利要求】
1.一種超材料，其特征在于，包括: 第一折線結(jié)構(gòu)層(110)，所述第一折線結(jié)構(gòu)層包括第一基材及附著于其上的平行分布的帶狀第一折線結(jié)構(gòu)(111)，所述第一折線結(jié)構(gòu)為由導(dǎo)電材料制成的沿軸線周期性變化的折線圖案； 第二折線結(jié)構(gòu)層(120)，與第一折線結(jié)構(gòu)層平行設(shè)置，所述第二折線結(jié)構(gòu)層包括第二基材及附著于其上的平行分布的帶狀第二折線結(jié)構(gòu)(121)，所述第二折線結(jié)構(gòu)為由導(dǎo)電材料制成的沿軸線周期性變化的折線圖案； 至少一個(gè)中間層(130)，位于第一折線結(jié)構(gòu)層與第二折線結(jié)構(gòu)層之間，所述中間層包括第三基材及附著于其上的周期分布的各向異性結(jié)構(gòu)(131)，每個(gè)各向異性結(jié)構(gòu)由導(dǎo)電材料制成，彼此之間間隔設(shè)置。
2.如權(quán)利要求1所述的超材料，其特征在于，所述各向異性結(jié)構(gòu)(131)選自豎條形、橫條形、工字形、幾字形。
3.如權(quán)利要求1所述的超材料，其特征在于，所述中間層(130)有兩個(gè)或超過(guò)兩個(gè)。
4.如權(quán)利要求3所述的超材料，其特征在于，所述中間層(130)有兩個(gè)，所述各向異性結(jié)構(gòu)(131)為幾字形，且兩個(gè)中間層的幾字形結(jié)構(gòu)重疊設(shè)置。
5.如權(quán)利要求1所述的超材料，其特征在于，所述第一折線結(jié)構(gòu)(111)、第二折線結(jié)構(gòu)(121)以及各向異性結(jié)構(gòu)(131)為銅質(zhì)微結(jié)構(gòu)。
6.如權(quán)利要求1所述的超材料，其特征在于，所述第一折線結(jié)構(gòu)(111)和第二折線結(jié)構(gòu)(121)為沿軸線延伸的連續(xù)的幾字形圖案。
7.如權(quán)利要求6所述的超材料，其特征在于，所述第一折線結(jié)構(gòu)(111)和第二折線結(jié)構(gòu)(121)的幾字形圖案的頂部寬度與底部寬度不同。
8.如權(quán)利要求1所述的超材料，其特征在于，所述第一基材、第二基材和第三基材的材料為F4b。
9.一種基于超材料的極化器(500)，其特征在于，包括兩塊拼接的板狀超材料(501)，所述板狀超材料具有權(quán)利要求1-8任意一項(xiàng)所述的結(jié)構(gòu)，兩塊板狀超材料的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)互不連通，且兩塊板狀超材料上的折線結(jié)構(gòu)的軸線相對(duì)于兩塊板狀超材料之間的拼接線對(duì)稱。
10.如權(quán)利要求9所述的極化器，其特征在于，所述兩塊板狀超材料上的折線結(jié)構(gòu)的軸線與拼接線之間成45度角。
【文檔編號(hào)】H01Q15/00GK104253302SQ201310266313
【公開日】2014年12月31日 申請(qǐng)日期:2013年6月28日 優(yōu)先權(quán)日:2013年6月28日
【發(fā)明者】不公告發(fā)明人 申請(qǐng)人:深圳光啟創(chuàng)新技術(shù)有限公司