一种非均匀超材料

摘要

本发明提供一种非均匀超材料，包括多个阵列的超材料功能板，所述超材料功能板包括介质基板以及阵列在介质基板上的多个人造微结构，所述介质基板由多个不同材料的基板单元组成，所述多个基板单元的厚度呈非均匀分布，所述介质基板的介电常数呈非均匀分布。其有益效果是，通过将介质基板设计为由不同材料和不同厚度的基板单元组成，使超材料具有非均匀的介电常数分布，为超材料提供更为丰富的功能应用。

权利要求

1.一种非均匀超材料，包括多个阵列的超材料功能板，所述超材料功能板包括介质基板以及阵列在介质基板上的多个人造微结构，其特征在于：所述介质基板由多个不同材料的基板单元组成，且所述介质基板包括有多个回形结构或者圆环形结构的基板单元，各个回形结构的基板单元或者圆环形结构的基板单元的厚度在介质基板的横截面上由周边向中心增大、减小、或者交替分布。

2.根据权利要求1所述的非均匀超材料，其特征在于：所述多个回形结构的基板单元的介电常数按梯度增大或减小。

3.根据权利要求1所述的非均匀超材料，其特征在于：所述多个回形结构的基板单元的介电常数呈大小交替分布。

4.根据权利要求1所述的非均匀超材料，其特征在于：所述多个圆环形结构的基板单元的介电常数按梯度增大或减小。

5.根据权利要求1所述的非均匀超材料，其特征在于：所述多个圆环形结构的基板单元的介电常数呈大小交替分布。

6.根据权利要求1至5任一所述的非均匀超材料，其特征在于：所述基板单元的材料为陶瓷基材、塑料树脂基材或复合材料基材。

7.根据权利要求6所述的非均匀超材料，其特征在于：所述人造微结构为金属人造微结构。

8.根据权利要求7所述的非均匀超材料，其特征在于：所述金属人造微结构为工字型或工字衍生型。

说明书

一种非均匀超材料

【技术领域】

[0001] 本发明涉及超材料领域，具体地涉及一种具有非均匀介电常数的超材料。【背景技术】

[0002] 超材料一般由多个超材料功能板层叠或按其他规律阵列组合而成，超材料功能板包括介质基板以及阵列在介质基板上的多个人造微结构，现有超材料的介质基板为均一材质的有机或无机基板，如FR4、TP1等等。阵列在介质基板上的多个人造微结构具有特定的电磁特性，能对电场或磁场产生电磁响应，通过对人造微结构的结构和排列规律进行精确设计和控制，可以使超材料呈现出各种一般材料所不具有的电磁特性，如能汇聚、发散和偏折电磁波等。现有的介质基板作为人造微结构的固定基板，由于整体上具有均一的介电常数和磁导率，所以对电场或磁场不会产生特有的响应，即对整个超材料而言，介质基板不具有电磁调制功能。【发明内容】

[0003] 本发明所要解决的技术问题是：克服现有超材料的介质基板缺乏功能作用的缺点，提供一种介质基板具有非均匀介电常数分布的超材料，通过改变介质基板局部的介电常数使超材料在功能上得到应用拓展。

[0004] 本发明实现发明目的采用的技术方案是，一种非均匀超材料，包括多个阵列的超材料功能板，所述超材料功能板包括介质基板以及阵列在介质基板上的多个人造微结构，所述介质基板由多个不同材料的基板单元组成，所述多个基板单元的厚度呈非均匀分布。

[0005] 超材料作为一种对电磁波具有特殊响应和调制特性的新材料，是由多个超材料功能板阵列组合而成，人造微结构及其所在的介质基板可看作是组成超材料功能板的基本结构单元，超材料功能板的性质主要取决于多个基本结构单元的电磁性质和阵列规律。单个基本结构单元的电磁特性主要由该基本结构单元的等效介电常数和等效磁导率决定，而单个基本结构单元的等效介电常数和等效磁导率又由人造微结构及其所在的介质基板所共同决定。现有对超材料功能板的设计都是通过改变人造微结构的结构或大小来改变单个基本结构单元的等效介电常数和等效磁导率，最后将多个基本结构单元按照一定的规律进行排布，可以使超材料功能板形成某些特定的电磁特性，如对电磁波的汇聚、发散、偏折和平移等电磁调制功能。

[0006] 本发明为拓展超材料功能板的功能设计方式，通过将介质基板设计为由多个不同材料的基板单元组成，同时各个基板单元的厚度呈非均匀分布。一方面，由于材料不同，所以各个基板单元内的介电常数不同，另一方面，由于各个基板单元的厚度不同，对于各个基板单元内的超材料基本结构单元而言，其介质基板的比例将不同，该比例的改变会改变超材料基本结构单元的等效介电常数。因此，通过采用本发明的超材料介质基板，可以改变整个超材料的局部介电常数使超材料在功能上得到应用拓展。

[0007] 具体实施时，所述基板单元的形状可根据需要进行任意设计，以拟改变其介电常数的目标区域形状而定，作为具体实施方式，可以将基板单元设计为多个回形结构或圆环形结构，多个回形结构或圆环形结构组成介质基板后，由于不同的基板单元为不同的材料且具有不同的厚度，所以整个介质基板的介电常数呈非均匀的分布。

[0008] 作为具体实施方式，多个回形结构或圆环形结构基本单元的介电常数大小可按梯度增加或减小，也可以呈大小交替分布。

[0009] 本发明的有益效果是，通过将介质基板设计为由不同材料和不同厚度的基板单元组成，使超材料具有非均匀的介电常数分布，为超材料提供更为丰富的功能应用。【附图说明】

[0010] 图1，超材料的结构示意图。

[0011] 图2，实施例1的介质基板的平面视图。

[0012] 图3，图2的A-A剖视图。

[0013] 图4，实施例2的介质基板的平面视图。

[0014] 图5，图4的B-B剖视图。【具体实施方式】

[0015] 下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

[0016] 超材料的结构示意图参看附图1，包括多个层叠超材料功能板100，超材料功能板100包括介质基板101以及阵列在介质基板上的多个人造微结构102，人造微结构102与其所在的介质基板可以看成一个超材料基本结构单元，类似于晶体中的晶格。附图1是超材料微观结构的局部放大示意图，实际的超材料是由物质分子数数量级的基本结构单元按照人为设计的排布规律阵列而成。附图1中的人造微结构102的结构为“工”字型结构，作为具体实施方式，还可以采用工字衍生型。

[0017] 本发明采用以下实施例实施：

[0018] 实施例1

[0019] 将介质基板101设计为包括有多个回形基板单元103，介质基板的平面视图参看附图2，图3为图2的A-A剖视图，其中，各个回形基板单元103采用不同的材料，各种材料的的介电常数的大小由周边向中心递增，图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电常数大，填充密度小的表示材料的介电常数小，同时各个回形基板单元103的厚度也由周边向中心递增。由于超材料的电磁特性是由多个超材料基本结构单元的等效介电常数和等效磁导率决定，而单个基本结构单元的等效介电常数和等效磁导率又由人造微结构102及其所在的介质基板101所共同决定，所以，当各个回形基板单元103采用不同的材料时，相当于改变了介质基板101上各个不同回形基板单元103内的介电常数，各个回形基板单元103内的基本结构单元的等效介电常数随着其所属回形基板单元103的不同也将被改变，最终使超材料功能板100在不同区域内具有不同的介电常数分布。同时，将各个回形基板单元103的厚度设计为由周边向中心递增，相对于各个回形基板单元103内的超材料基本结构单元而言，回形基板单元103的厚度不同，超材料基本结构单元内介质基板101的占有比例将不同，因此各个回形基板单元103内的超材料基本结构单元表现出来的等效介电常数也会不同。

[0020] 由此可知，通过改变回形基板单元103的厚度和选择不同的材料，可以使超材料的介电常数呈非均匀分布，从而达到为超材料的功能设计提供了更灵活的设计方式的目的。

[0021] 本实施例中，要使回形基板单元103的介电常数的大小由外围向中心递增，可以灵活地从陶瓷基材、塑料树脂基材或复合材料基材选择合适的材料，使不同回形基板单元103按照介电常数的大小采用不同的材料进行排列，从而在整体上使超材料具有非均匀的介电常数分布。

[0022] 应当理解，本实施例中回形基板单元103的大小、数量以及厚度可以根据需要任意设计，以满足超材料的电磁特性要求。并且，本实施例中各个回形基板单元103的介电常数大小由外围向中心递增只是为了便于说明本发明而例举的特例，具体实施时，各个回形基板单元103的介电常数大小的排布规律也需要根据预定的超材料电磁特性而定，本发明的要旨也在于通过各个回形基板单元103采用不同的材料和不同厚度为超材料的电磁特性提供一种设计途径，并通过该设计途径与超材料功能板上人造微结构排布规律的设计进行组合，以达到扩展超材料的功能设计途径的目的。

[0023] 实施例2

[0024] 作为本发明的另一种变形，本实施例将介质基板101设计为包括有多个不同材料的圆环形基板单元104，介质基板的平面视图参看附图4，图5为图4的B-B剖视图，其中，各个圆环形基板单元104采用两种不同的材料，两种材料的介电常数呈大小交替分布，图5中用两种不同的填充密度表示了该两种不同材料，其中，填充密度大的表示材料的介电常数大，填充密度小的表示材料的介电常数小，同时各个圆环形基板单元104的厚度也呈厚薄交替分布。由于超材料的电磁特性是由多个超材料基本结构单元的等效介电常数和等效磁导率决定，而单个基本结构单元的等效介电常数和等效磁导率又由人造微结构102及其所在的介质基板101所共同决定，所以，当各个圆环形基板单元104采用不同的材料时，相当于改变了介质基板101上各个不同基板单元内的介电常数，各个圆环形基板单元104内的基本结构单元的等效介电常数随着其所属圆环形基板单元104的不同也将被改变，最终使超材料功能板100在不同区域内具有不同的介电常数分布。同时，将各个圆环形基板单元104的厚度设计为厚薄交替分布，相对于各个圆环形基板单元104内的超材料基本结构单元而言，圆环形基板单元104的厚度不同，超材料基本结构单元内介质基板101的占有比例将不同，因此各个圆环形基板单元104内的超材料基本结构单元表现出来的等效介电常数也会不同。

[0025] 本实施例中，要使圆环形基板单元104的介电常数呈大小交替分布，一方面，可以选择两种不同的材料，并使两种不同材料的圆环形基板单元104交替排列，从而在整体上使超材料具有非均匀的介电常数分布，同时，为更好地使圆环形基板单元104的介电常数呈大小交替分布，将各个圆环形基板单元104的厚度设计为厚薄交替分布，使厚度的交替分布与材料的交替分布产生的对介电常数的效果叠加，设计将更为灵活。

[0026] 应当理解，本实施例中圆环形基板单元104的大小、数量和厚度可以根据需要任意设计，以满足超材料的电磁特性要求。并且，本实施例中各个圆环形基板单元104的介电常数大小交替排列只是为了便于说明本发明而例举的特例，具体实施时，各个圆环形基板单元104的介电常数大小的排布规律也需要根据预定的超材料电磁特性而定，本发明的要旨也在于通过各个圆环形基板单元104采用不同的材料和不同的厚度为超材料的电磁特性提供一种设计途径，并通过该设计途径与超材料功能板上人造微结构排布规律的设计进行组合，以达到扩展超材料的功能设计途径的目的。

[0027] 最后需要说明的是，本发明中的回形基板单元或圆环形基板单元均只是具体实施方式之一，基板单元的区域形状可以根据需要进行任意设计。

[0028] 在上述实施例中，仅对本发明进行了示范性描述，但是本领域技术人员在阅读本专利申请后可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本发明进行各种修改。