專利名稱：一種具有非均勻材料分布的超材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超材料領(lǐng)域，具體地涉及超材料的介質(zhì)基板。背景技術(shù)：
超材料一般由多個(gè)超材料功能板層疊或按其他規(guī)律陣列組合而成，超材料功能板包括介質(zhì)基板以及陣列在介質(zhì)基板上的多個(gè)人造微結(jié)構(gòu)，現(xiàn)有超材料的介質(zhì)基板為均一材料的有機(jī)或無(wú)機(jī)基板，如FR4、TPl等等。陣列在介質(zhì)基板上的多個(gè)人造微結(jié)構(gòu)具有特定的電磁特性，能對(duì)電場(chǎng)或磁場(chǎng)產(chǎn)生電磁響應(yīng)，通過(guò)對(duì)人造微結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和排列規(guī)律進(jìn)行精確設(shè)計(jì)和控制，可以使超材料呈現(xiàn)出各種一般材料所不具有的電磁特性，如能匯聚、發(fā)散和偏折電磁波等?，F(xiàn)有的介質(zhì)基板作為人造微結(jié)構(gòu)的固定基板，由于整體上具有均一的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率，所以對(duì)電場(chǎng)或磁場(chǎng)不會(huì)產(chǎn)生特有的響應(yīng)，即對(duì)整個(gè)超材料而言，介質(zhì)基板不具有電磁調(diào)制功能。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有超材料的介質(zhì)基板缺乏功能作用的缺點(diǎn)，提供一種介質(zhì)基板具有非均勻材料分布的超材料，通過(guò)改變介質(zhì)基板局部材料來(lái)改變超材料的局部介電常數(shù)，使超材料在功能上得到應(yīng)用拓展。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)發(fā)明目的采用的技術(shù)方案是，一種具有非均勻材料分布的超材料，包括多個(gè)陣列的超材料功能板，所述超材料功能板包括介質(zhì)基板以及陣列在介質(zhì)基板上的多個(gè)人造微結(jié)構(gòu)，所述介質(zhì)基板由多個(gè)不同材料的基板單元組成。超材料作為一種對(duì)電磁波具有特殊響應(yīng)和調(diào)制特性的新材料，是由多個(gè)超材料功能板陣列組合而成，人造微結(jié)構(gòu)及其所在的介質(zhì)基板可看作是組成超材料功能板的基本結(jié)構(gòu)單元，超材料功能板的性質(zhì)主要取決于多個(gè)基本結(jié)構(gòu)單元的電磁性質(zhì)和陣列規(guī)律。單個(gè)基本結(jié)構(gòu)單元的電磁特性主要由該基本結(jié)構(gòu)單元的等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率決定，而單個(gè)基本結(jié)構(gòu)單元的等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率又由人造微結(jié)構(gòu)及其所在的介質(zhì)基板所共同決定。現(xiàn)有對(duì)超材料功能板的設(shè)計(jì)都是通過(guò)改變?nèi)嗽煳⒔Y(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)或大小來(lái)改變單個(gè)基本結(jié)構(gòu)單元的等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率，最后將多個(gè)基本結(jié)構(gòu)單元按照一定的規(guī)律進(jìn)行排布，可以使超材料功能板形成某些特定的電磁特性，如對(duì)電磁波的匯聚、發(fā)散、偏折和平移等電磁調(diào)制功能。本發(fā)明為拓展超材料功能板的功能設(shè)計(jì)方式，通過(guò)將介質(zhì)基板設(shè)計(jì)為由多個(gè)不同材料的基板單元組成。在不同的基板單元內(nèi)，由于材料不同，其介電常數(shù)也將不同，這樣，對(duì)于陣列在某個(gè)基板單元內(nèi)的多個(gè)基本結(jié)構(gòu)單元而言，其等效介電常數(shù)也將不同，即介質(zhì)基板在整體上呈現(xiàn)出介電常數(shù)的非均勻分布，進(jìn)而使超材料在功能上得到應(yīng)用拓展。具體實(shí)施時(shí)，所述基板單元的形狀可根據(jù)需要進(jìn)行任意設(shè)計(jì)，以擬改變其介電常數(shù)的目標(biāo)區(qū)域形狀而定，作為具體實(shí)施方式
，可以將基板單元設(shè)計(jì)為多個(gè)回形結(jié)構(gòu)或圓環(huán)形結(jié)構(gòu)，多個(gè)回形結(jié)構(gòu)或圓環(huán)形結(jié)構(gòu)組成介質(zhì)基板后，由于不同的基板單元為不同的材料，所以整個(gè)介質(zhì)基板的介電常數(shù)呈非均勻的分布。作為具體實(shí)施方式
，多個(gè)回形結(jié)構(gòu)或圓環(huán)形結(jié)構(gòu)基本單元的介電常數(shù)大小可按梯度增加或減小，也可以呈大小交替分布。本發(fā)明在具體實(shí)施時(shí)，需要根據(jù)整個(gè)介質(zhì)基板的介電常數(shù)分布選擇不同的基材作為基板單元的材料，根據(jù)介電常數(shù)大小的不同可以靈活地從各種陶瓷基材、塑料樹脂基材或復(fù)合材料基材中選擇，因此具有廣泛的材料選擇性。本發(fā)明的有益效果是，通過(guò)將介質(zhì)基板設(shè)計(jì)為由多個(gè)不同材料的基板單元組成， 使介質(zhì)基板的介電常數(shù)呈非均勻分布，通過(guò)設(shè)計(jì)基板單元的大小、形狀以及排布規(guī)律可以在整體上對(duì)介質(zhì)基板的介電常數(shù)進(jìn)行任意靈活的設(shè)計(jì)，進(jìn)而使超材料具有更為豐富的功能應(yīng)用。

圖1，超材料的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2，實(shí)施例1的介質(zhì)基板的平面視圖。圖3，圖2的A-A剖視圖。圖4，實(shí)施例2的介質(zhì)基板的平面視圖。圖5，圖4的B-B剖視圖。
具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。超材料的結(jié)構(gòu)示意圖參看附圖1，包括多個(gè)層疊超材料功能板100，超材料功能板 100包括介質(zhì)基板101以及陣列在介質(zhì)基板上的多個(gè)人造微結(jié)構(gòu)102，人造微結(jié)構(gòu)102與其所在的介質(zhì)基板可以看成一個(gè)超材料基本結(jié)構(gòu)單元，類似于晶體中的晶格。附圖1是超材料微觀結(jié)構(gòu)的局部放大示意圖，實(shí)際的超材料是由物質(zhì)分子數(shù)數(shù)量級(jí)的基本結(jié)構(gòu)單元按照人為設(shè)計(jì)的排布規(guī)律陣列而成。附圖1中的人造微結(jié)構(gòu)102的結(jié)構(gòu)為“工”字型結(jié)構(gòu)，作為具體實(shí)施方式
，還可以采用工字衍生型。本發(fā)明采用以下實(shí)施例實(shí)施實(shí)施例1將介質(zhì)基板101設(shè)計(jì)為包括有多個(gè)不同材料的回形基板單元103，介質(zhì)基板的平面視圖參看附圖2，圖3為圖2的A-A剖視圖，其中，各個(gè)回形基板單元103采用不同的材料，各種材料的介電常數(shù)的大小由外圍向中心遞增，圖3中用不同填充密度表示了不同材料，其中，填充密度大的表示材料的介電常數(shù)大，填充密度小的表示材料的介電常數(shù)小。由于單個(gè)基本結(jié)構(gòu)單元的電磁特性主要由該基本結(jié)構(gòu)單元的等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率決定，而單個(gè)基本結(jié)構(gòu)單元的等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率又由人造微結(jié)構(gòu)102及其所在的介質(zhì)基板101所共同決定，所以，當(dāng)各個(gè)回形基板單元103采用不同的材料時(shí)，相當(dāng)于改變了介質(zhì)基板101上各個(gè)不同回形基板單元103內(nèi)的介電常數(shù)，各個(gè)回形基板單元103內(nèi)的基本結(jié)構(gòu)單元的等效介電常數(shù)隨著其所屬回形基板單元103的不同也將被改變，最終使超材料功能板100在不同區(qū)域內(nèi)具有不同的介電常數(shù)分布，從而為超材料的功能設(shè)計(jì)提供了更靈活的設(shè)計(jì)方式。
本實(shí)施例中，要使回形基板單元103的介電常數(shù)的大小由外圍向中心遞增，可以靈活地從陶瓷基材、塑料樹脂基材或復(fù)合材料基材選擇合適的材料，使不同回形基板單元 103按照介電常數(shù)的大小采用不同的材料進(jìn)行排列，從而在整體上使超材料具有非均勻的介電常數(shù)分布。應(yīng)當(dāng)理解，本實(shí)施例中回形基板單元103的大小和數(shù)量可以根據(jù)需要任意設(shè)計(jì)， 以滿足超材料的電磁特性要求。并且，本實(shí)施例中各個(gè)回形基板單元103的介電常數(shù)大小由外圍向中心遞增只是為了便于說(shuō)明本發(fā)明而例舉的特例，具體實(shí)施時(shí)，各個(gè)回形基板單元103的介電常數(shù)大小的排布規(guī)律也需要根據(jù)預(yù)定的超材料電磁特性而定，本發(fā)明的要旨也在于通過(guò)各個(gè)回形基板單元103采用不同的材料為超材料的電磁特性提供一種設(shè)計(jì)途徑，并通過(guò)該設(shè)計(jì)途徑與超材料功能板上人造微結(jié)構(gòu)排布規(guī)律的設(shè)計(jì)進(jìn)行組合，以達(dá)到擴(kuò)展超材料的功能設(shè)計(jì)途徑的目的。實(shí)施例2作為本發(fā)明的另一種變形，本實(shí)施例將介質(zhì)基板101設(shè)計(jì)為包括有多個(gè)不同材料的圓環(huán)形基板單元104，介質(zhì)基板的平面視圖參看附圖4，圖5為圖4的B-B剖視圖，其中， 各個(gè)圓環(huán)形基板單元104采用兩種不同的材料，兩種材料的介電常數(shù)呈大小交替分布，圖5 中用不同填充密度表示了不同材料，其中，填充密度大的表示材料的介電常數(shù)大，填充密度小的表示材料的介電常數(shù)小。由于單個(gè)基本結(jié)構(gòu)單元的電磁特性主要由該基本結(jié)構(gòu)單元的等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率決定，而單個(gè)基本結(jié)構(gòu)單元的等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率又由人造微結(jié)構(gòu)102及其所在的介質(zhì)基板101所共同決定，所以，當(dāng)各個(gè)圓環(huán)形基板單元104采用不同的材料時(shí)，相當(dāng)于改變了介質(zhì)基板101上各個(gè)不同基板單元內(nèi)的介電常數(shù)，各個(gè)圓環(huán)形基板單元104內(nèi)的基本結(jié)構(gòu)單元的等效介電常數(shù)隨著其所屬圓環(huán)形基板單元104的不同也將被改變，最終使超材料功能板100在不同區(qū)域內(nèi)具有不同的介電常數(shù)分布，從而為超材料的功能設(shè)計(jì)提供了更靈活的設(shè)計(jì)方式。本實(shí)施例中，要使圓環(huán)形基板單元104的介電常數(shù)呈大小交替分布，可以選擇兩種不同的材料，并使不同圓環(huán)形基板單元104采用不同的材料交替排列，從而在整體上使超材料具有非均勻的介電常數(shù)分布。應(yīng)當(dāng)理解，本實(shí)施例中圓環(huán)形基板單元104的大小和數(shù)量可以根據(jù)需要任意設(shè)計(jì)，以滿足超材料的電磁特性要求。并且，本實(shí)施例中各個(gè)圓環(huán)形基板單元104的介電常數(shù)大小交替排列只是為了便于說(shuō)明本發(fā)明而例舉的特例，具體實(shí)施時(shí)，各個(gè)圓環(huán)形基板單元 104的介電常數(shù)大小的排布規(guī)律也需要根據(jù)預(yù)定的超材料電磁特性而定，本發(fā)明的要旨也在于通過(guò)各個(gè)圓環(huán)形基板單元104采用不同的材料為超材料的電磁特性提供一種設(shè)計(jì)途徑，并通過(guò)該設(shè)計(jì)途徑與超材料功能板上人造微結(jié)構(gòu)排布規(guī)律的設(shè)計(jì)進(jìn)行組合，以達(dá)到擴(kuò)展超材料的功能設(shè)計(jì)途徑的目的。最后需要說(shuō)明的是，本發(fā)明中的回形基板單元或圓環(huán)形基板單元均只是具體實(shí)施方式
之一，基板單元的區(qū)域形狀可以根據(jù)需要進(jìn)行任意設(shè)計(jì)。在上述實(shí)施例中，僅對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了示范性描述，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員在閱讀本專利申請(qǐng)后可以在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種修改。
權(quán)利要求
1.一種具有非均勻材料分布的超材料，包括多個(gè)陣列的超材料功能板，所述超材料功能板包括介質(zhì)基板以及陣列在介質(zhì)基板上的多個(gè)人造微結(jié)構(gòu)，其特征在于所述介質(zhì)基板由多個(gè)不同材料的基板單元組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有非均勻材料分布的超材料，其特征在于所述介質(zhì)基板包括有多個(gè)回形結(jié)構(gòu)的基板單元。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有非均勻材料分布的超材料，其特征在于所述多個(gè)回形結(jié)構(gòu)的基板單元的介電常數(shù)按梯度增大或減小。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有非均勻材料分布的超材料，其特征在于所述多個(gè)回形結(jié)構(gòu)的基板單元的介電常數(shù)的大小交替分布。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有非均勻材料分布的超材料，其特征在于所述介質(zhì)基板包括有多個(gè)圓環(huán)形結(jié)構(gòu)的基板單元。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的具有非均勻材料分布的超材料，其特征在于所述多個(gè)圓環(huán)形結(jié)構(gòu)的基板單元的介電常數(shù)按梯度增大或減小。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的具有非均勻材料分布的超材料，其特征在于所述多個(gè)圓環(huán)形結(jié)構(gòu)的基板單元的介電常數(shù)的大小交替分布。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7任一所述的具有非均勻材料分布的超材料，其特征在于所述基板單元的材料為陶瓷基材、塑料樹脂基材或復(fù)合材料基材。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的具有非均勻材料分布的超材料，其特征在于所述人造微結(jié)構(gòu)為金屬人造微結(jié)構(gòu)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的具有非均勻材料分布的超材料，其特征在于所述金屬人造微結(jié)構(gòu)為工字型或工字衍生型。
全文摘要
本發(fā)明提供一種具有非均勻材料分布的超材料，包括多個(gè)陣列的超材料功能板，所述超材料功能板包括介質(zhì)基板以及陣列在介質(zhì)基板上的多個(gè)人造微結(jié)構(gòu)，所述介質(zhì)基板由多個(gè)不同材料的基板單元組成。其有益效果是，通過(guò)將介質(zhì)基板設(shè)計(jì)為由多個(gè)不同材料的基板單元組成，使介質(zhì)基板的介電常數(shù)呈非均勻分布，通過(guò)設(shè)計(jì)基板單元的大小、形狀以及排布規(guī)律可以在整體上對(duì)介質(zhì)基板的介電常數(shù)進(jìn)行任意靈活的設(shè)計(jì)，進(jìn)而使超材料具有更為豐富的功能應(yīng)用。
文檔編號(hào)H01Q15/00GK102480011SQ20111010904
公開日2012年5月30日 申請(qǐng)日期2011年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月28日
發(fā)明者劉若鵬, 孫豪文, 繆錫根, 趙治亞 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