專利名稱：一種電磁波匯聚元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電磁波匯聚元件。
背景技術(shù)：
超材料是一種新型材料，是由非金屬材料制成的基材和附著在基材表面上或嵌入在基材內(nèi)部的多個人造微結(jié)構(gòu)構(gòu)成的。基材可以虛擬地劃分為矩形陣列排布的多個方形基材單元，每個基材單元上附著有人造微結(jié)構(gòu)從而形成一個超材料單元，整個超材料即是由數(shù)十萬、百萬甚至上億的這樣的超材料單元組成的，就像晶體是由無數(shù)的晶格按照一定的排布構(gòu)成的。每個超材料單元上的人造微結(jié)構(gòu)相同或者不完全相同。人造微結(jié)構(gòu)是組成一定幾何圖形的圓柱形或扁平狀金屬絲，例如組成圓環(huán)形、“工”形的金屬絲等。由于人造微結(jié)構(gòu)的存在，每個超材料單元具有不同于基材本身的等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率，因此所有的超材料單元構(gòu)成的超材料對電場和磁場呈現(xiàn)出特殊的響應(yīng)特性；同時(shí)，對人造微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不同的具體結(jié)構(gòu)和形狀，可改變其單元的等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率，進(jìn)而改變整個超材料的響應(yīng)特性。像透鏡能匯聚平行光一樣，人們也在尋找能夠?qū)⑵矫骐姶挪▍R攏甚至匯聚到一點(diǎn)上的元件，使能量集中，提高效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于，提供一種集中能量、提高效率的電磁波匯聚元件。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是構(gòu)造一種電磁波匯聚元件，一種電磁波匯聚元件，所述電磁波匯聚元件呈球形，所述電磁波匯聚元件由多個相互平行的超材料平板疊加組成，每一超材料平板包括片狀的基材以及設(shè)置在基材上的人造微結(jié)構(gòu)，所述電磁波匯聚元件相同極半徑處的折射率相同，并且折射率隨著極半徑的增大逐漸減小，所述電磁波匯聚元件的中心位置設(shè)置有空腔。進(jìn)一步地，所述超材料平板還包括覆蓋人造微結(jié)構(gòu)的填充層。進(jìn)一步地，每一超材料平板劃分為多個相同的超材料單元，每一超材料單元由一個人造微結(jié)構(gòu)、單元基材及單元填充層構(gòu)成。進(jìn)一步地，每一超材料平板在厚度方向上只有一個超材料單元。進(jìn)一步地，每一超材料單元的長、寬、高幾何尺寸不大于入射電磁波波長的五分之
O進(jìn)一步地，每一超材料單元的長、寬、高幾何尺寸為入射電磁波波長的十分之一。進(jìn)一步地，所述人造微結(jié)構(gòu)為由金屬線構(gòu)成的金屬微結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步地，所述人造微結(jié)構(gòu)為銅線或銀線。進(jìn)一步地，所述人造微結(jié)構(gòu)為平面雪花狀的金屬微結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步地，所有超材料平板上的金屬微結(jié)構(gòu)形狀相同，所述電磁波匯聚元件上相同極半徑處的多個金屬微結(jié)構(gòu)具有相同的幾何尺寸，且隨著極半徑的增大金屬微結(jié)構(gòu)的幾何尺寸逐漸減小。根據(jù)本發(fā)明電磁波匯聚元件，入射電磁波不管從哪個方向入射，均會向電磁波匯聚元件的中心位置匯聚，這樣在中心位置的空腔中放置有效載荷，例如光電二極管，就能實(shí)現(xiàn)高密度的光能接收。


圖1是本發(fā)明的電磁波匯聚元件過球心的剖面圖；圖2是本發(fā)明一種形式的超材料單元的透視示意圖；圖3為超材料平板的側(cè)視圖；圖4為超材料平板的正視圖。
具體實(shí)施例方式如圖1至圖4所示,本發(fā)明的電磁波匯聚元件100呈球形,所述電磁波匯聚元件100由多個相互平行的超材料平板10疊加組成，每一超材料平板10包括片狀的基材11以及設(shè)置在基材11上的多個人造微結(jié)構(gòu)12，所述電磁波匯聚元件100上相同極半徑處的折射率相同，并且折射率隨著極半徑的增大逐漸減小，所述電磁波匯聚元件的中心位置設(shè)置有空腔200。空腔200可以是圖1的方形，也可是圓形，其形狀與體積與放置在其中的有效載荷相適應(yīng)。例如方形的太陽能板，則空腔也只能是方形?？涨?00是由多片超材料平板10中挖孔整體形成。圖1中在中間兩塊超材料平板10上挖孔形成空腔200。為了制作工藝的簡單化，如圖1及圖4所示，本發(fā)明的超材料平板10為圓柱狀，多個圓柱狀的超材料平板10緊密貼合形成一個近似的球體。為了更加美觀，可以在近似的球體周邊加入填充物300(圖中畫剖面線的部分)，以使得電磁波匯聚元件100形成一個標(biāo)準(zhǔn)的球形。填充物300的材料可以與基材相同，也可以是 介電常數(shù)接近空氣的其它介質(zhì)材料。應(yīng)當(dāng)注意的是，圖1是示意性畫出了 18層超材料平板10，但是根據(jù)不同的精度可以有更多的超材料平板10，超材料平板10層數(shù)越多，則電磁波匯聚元件100的精度越高，即在極半徑的方向，折射的變化更為的連續(xù)(間隔小)。圖1雖然剖視圖，但是為了區(qū)分填充物300與超材料平板10，超材料平板10并未畫剖面線。如圖1所示，多個超材料平板10緊密貼合，相互之間可以通過雙面膠粘接，或者通過螺栓等固定連接。如圖3所示，另外，所述超材料平板10還包括覆蓋人造微結(jié)構(gòu)12的填充層15，填充層15可以空氣，也可以是其它介質(zhì)板，優(yōu)選為與基材13相同的材料制成的板狀件。如圖2所示，每一超材料平板10可以劃分為多個相同的超材料單元D，每一超材料單元D由一個人造微結(jié)構(gòu)12、單元基材V及單元填充層W構(gòu)成，每一超材料平板10在厚度方向上只有一個超材料單元D。每一超材料單元D可以是完全相同的方塊，可以是立方體，也可是長方體，每一超材料單兀D的長、寬、高幾何尺寸不大于入射電磁波波長的五分之一(通常為入射電磁波波長的十分之一)，以使得整個核心層對電磁波具有連續(xù)的電場和/或磁場響應(yīng)。優(yōu)選情況下，所述超材料單元D為邊長是入射電磁波波長十分之一的立方體。當(dāng)然，填充層的厚度是可以調(diào)節(jié)的，其最小值可以至0，也就是說不需要填充層，此種情況下，基材與人造微結(jié)構(gòu)組成超材料單元，即此時(shí)超材料單元D的厚度等于單元基材V的厚度加上人造微結(jié)構(gòu)的厚度，但是此時(shí)，超材料單元D的厚度也要滿足十分之一波長的要求，因此，實(shí)際上，在超材料單元D的厚度選定在十分之一波長的情況下，單元基材V的厚度越大，則單元填充層W的厚度越小，當(dāng)然最優(yōu)的情況下，即是如圖2所示的情況，即單元基材V的厚度等于單元填充層W的厚度，且元單元基材V的材料與填充層W的相同。已知折射率n=·^^，其中μ為相對磁導(dǎo)率，ε為相對介電常數(shù)，μ與ε合稱為電磁參數(shù)。在特定波長的電磁波入射的情況下，每一超材料單元表現(xiàn)出特定的μ與ε，這樣就可以確定出一個等效的折射率，因此，在磁導(dǎo)率一定的情況下，通過改變介電常數(shù)，我們可以得到任意折射率的超材料單元。即我們可以人為地設(shè)計(jì)電磁波匯聚元件折射率分布，使得所述電磁波匯聚元件相同極半徑處的折射率相同，并且折射率隨著極半徑的增大逐漸減小。實(shí)驗(yàn)證明，具有相同形狀的金屬微結(jié)構(gòu)，隨著幾何尺寸的增大，其介電常數(shù)會增大，在磁導(dǎo)率不變的情況下，等效折射率增大，因此，在所有超材料平板上的金屬微結(jié)構(gòu)形狀相同的情況下，通過使得所述電磁波匯聚元件上相同極半徑處的多個金屬微結(jié)構(gòu)具有相同的幾何尺寸，且隨著極半徑的增大金屬微結(jié)構(gòu)的幾何尺寸逐漸減小，即可實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的電磁波匯聚元件折射率分布。上述中，通過計(jì)算機(jī)模擬仿真即能得到合適的超材料單元。即先得到整體的折射率分布，再從整體將其分為多個超材料平板，對每個平板進(jìn)行設(shè)計(jì)，簡單可行。本發(fā)明的人造微結(jié)構(gòu)12優(yōu)選為金屬微結(jié)構(gòu)，所述金屬微結(jié)構(gòu)由一條或多條金屬線組成。金屬線本身具有一定的寬度及厚度。本發(fā)明的金屬微結(jié)構(gòu)優(yōu)選為具有各向同性的電磁參數(shù)的金屬微結(jié)構(gòu)，如圖2所述的平面雪花狀的金屬微結(jié)構(gòu)。對于具有平面結(jié)構(gòu)的人造微結(jié)構(gòu)，各向同性，是指對于在該二維平面上以任一角度入射的任一電磁波，上述人造微結(jié)構(gòu)在該平面上的電場響應(yīng)和磁場響應(yīng)均相同，也即介電常數(shù)和磁導(dǎo)率相同；對于具有三維結(jié)構(gòu)的人造微結(jié)構(gòu)，各向同性是指對于在三維空間的任一方向上入射的電磁波,每個上述人造微結(jié)構(gòu)在三維空間上的電場響應(yīng)和磁場響應(yīng)均相同。當(dāng)人造微結(jié)構(gòu)為90度旋轉(zhuǎn)對稱`結(jié)構(gòu)時(shí)，人造微結(jié)構(gòu)即具有各向同性的特征。對于二維平面結(jié)構(gòu)，90度旋轉(zhuǎn)對稱是指其在該平面上繞一垂直于該平面且過其對稱中心的旋轉(zhuǎn)軸任意旋轉(zhuǎn)90度后與原結(jié)構(gòu)重合；對于三維結(jié)構(gòu)，如果具有兩兩垂直且共交點(diǎn)(交點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)中心)的3條旋轉(zhuǎn)軸，使得該結(jié)構(gòu)繞任一旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)90度后均與原結(jié)構(gòu)重合或者與原結(jié)構(gòu)以一分界面對稱，則該結(jié)構(gòu)為90度旋轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)。圖2所示的平面雪花狀的金屬微結(jié)構(gòu)即為各向同性的人造微結(jié)構(gòu)的一種形式，所述的雪花狀的金屬微結(jié)構(gòu)具有相互垂直平分的第一金屬線121及第二金屬線122，所述第一金屬線121兩端連接有相同長度的兩個第一金屬分支1211，所述第一金屬線121兩端連接在兩個第一金屬分支1211的中點(diǎn)上，所述第二金屬線122兩端連接有相同長度的兩個第二金屬分支1221，所述第二金屬線122兩端連接在兩個第二金屬分支1221的中點(diǎn)上。本發(fā)明中，所述基材由陶瓷材料、高分子材料、鐵電材料、鐵氧材料或鐵磁材料等制得。高分子材料可選用的有聚四氟乙烯、環(huán)氧樹脂、F4B復(fù)合材料、FR-4復(fù)合材料等。例如，聚四氟乙烯的電絕緣性非常好，因此不會對電磁波的電場產(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。本發(fā)明中，所述金屬微結(jié)構(gòu)為銅線或銀線等金屬線。上述的金屬線可以通過蝕刻、電鍍、鉆刻、光刻、電子刻或離子刻的方法附著在基材上。當(dāng)然，也可以采用三維的激光加工工藝。
本發(fā)明可以廣泛應(yīng)用于太陽能電池中，以使得能量更為集中，提高能量的利用效 率。上面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實(shí)施方式
，上述的具體實(shí)施方式
僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨和權(quán)利要求所保護(hù)的范圍情況下，還可做出很多形式，這些均屬于本發(fā)明的保護(hù)之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種電磁波匯聚元件，其特征在于，所述電磁波匯聚元件呈球形，所述電磁波匯聚元件由多個相互平行的超材料平板疊加組成，每一超材料平板包括片狀的基材以及設(shè)置在基材上的人造微結(jié)構(gòu)，所述電磁波匯聚元件相同極半徑處的折射率相同，并且折射率隨著極半徑的增大逐漸減小，所述電磁波匯聚元件的中心位置設(shè)置有空腔。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁波匯聚元件，其特征在于，所述超材料平板還包括覆蓋人造微結(jié)構(gòu)的填充層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電磁波匯聚元件，其特征在于，每一超材料平板劃分為多個相同的超材料單元，每一超材料單元由一個人造微結(jié)構(gòu)、單元基材及單元填充層構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電磁波匯聚元件，其特征在于，每一超材料平板在厚度方向上只有一個超材料單元。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電磁波匯聚元件，其特征在于，每一超材料單元的長、寬、高幾何尺寸不大于入射電磁波波長的五分之一。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電磁波匯聚元件，其特征在于，每一超材料單元的長、寬、高幾何尺寸為入射電磁波波長的十分之一。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁波匯聚元件，其特征在于，所述人造微結(jié)構(gòu)為由金屬線構(gòu)成的金屬微結(jié)構(gòu)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的電磁波匯聚元件，其特征在于，所述人造微結(jié)構(gòu)為銅線或銀線。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的電磁波匯聚元件，其特征在于，所述人造微結(jié)構(gòu)為平面雪花狀的金屬微結(jié)構(gòu)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的電磁波匯聚元件，其特征在于，所有超材料平板上的金屬微結(jié)構(gòu)形狀相同，所述電磁波匯聚元件上相同極半徑處的多個金屬微結(jié)構(gòu)具有相同的幾何尺寸，且隨著極半徑的增大金屬微結(jié)構(gòu)的幾何尺寸逐漸減小。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種電磁波匯聚元件，所述電磁波匯聚元件呈球形，所述電磁波匯聚元件由多個相互平行的超材料平板疊加組成，每一超材料平板包括片狀的基材以及設(shè)置在基材上的人造微結(jié)構(gòu)，所述電磁波匯聚元件相同極半徑處的折射率相同，并且折射率隨著極半徑的增大逐漸減小，所述電磁波匯聚元件的中心位置設(shè)置有空腔。根據(jù)本發(fā)明電磁波匯聚元件，入射電磁波不管從哪個方向入射，均會向電磁波匯聚元件的中心位置匯聚，這樣在中心位置的空腔中放置有效載荷，例如光電二極管，就能實(shí)現(xiàn)高密度的光能接收。
文檔編號H01Q15/02GK103036059SQ20111030222
公開日2013年4月10日 申請日期2011年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月29日
發(fā)明者劉若鵬, 季春霖, 岳玉濤 申請人:深圳光啟高等理工研究院, 深圳光啟創(chuàng)新技術(shù)有限公司