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1、(10)申请公布号 CN 103036059 A (43)申请公布日 2013.04.10 CN 103036059 A *CN103036059A* (21)申请号 201110302223.X (22)申请日 2011.09.29 H01Q 15/00(2006.01) H01Q 15/02(2006.01) (71)申请人 深圳光启高等理工研究院 地址 518000 广东省深圳市南山区高新区中 区高新中一道 9 号软件大厦 申请人 深圳光启创新技术有限公司 (72)发明人 刘若鹏 季春霖 岳玉涛 (54) 发明名称 一种电磁波汇聚元件 (57) 摘要 本发明涉及一种电磁波汇聚元件， 所述。
2、电磁 波汇聚元件呈球形， 所述电磁波汇聚元件由多个 相互平行的超材料平板叠加组成， 每一超材料平 板包括片状的基材以及设置在基材上的人造微结 构， 所述电磁波汇聚元件相同极半径处的折射率 相同， 并且折射率随着极半径的增大逐渐减小， 所 述电磁波汇聚元件的中心位置设置有空腔。根据 本发明电磁波汇聚元件， 入射电磁波不管从哪个 方向入射， 均会向电磁波汇聚元件的中心位置汇 聚， 这样在中心位置的空腔中放置有效载荷， 例如 光电二极管， 就能实现高密度的光能接收。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 。
3、权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 2 页 1/1 页 2 1. 一种电磁波汇聚元件， 其特征在于， 所述电磁波汇聚元件呈球形， 所述电磁波汇聚元 件由多个相互平行的超材料平板叠加组成， 每一超材料平板包括片状的基材以及设置在基 材上的人造微结构， 所述电磁波汇聚元件相同极半径处的折射率相同， 并且折射率随着极 半径的增大逐渐减小， 所述电磁波汇聚元件的中心位置设置有空腔。 2. 根据权利要求 1 所述的电磁波汇聚元件， 其特征在于， 所述超材料平板还包括覆盖 人造微结构的填充层。 3. 根据权利要求 2 所述的电磁波汇聚元件， 其特征在于， 每一超材料平板划分为多个 相同的超材料单元，。
4、 每一超材料单元由一个人造微结构、 单元基材及单元填充层构成。 4. 根据权利要求 3 所述的电磁波汇聚元件， 其特征在于， 每一超材料平板在厚度方向 上只有一个超材料单元。 5. 根据权利要求 4 所述的电磁波汇聚元件， 其特征在于， 每一超材料单元的长、 宽、 高 几何尺寸不大于入射电磁波波长的五分之一。 6. 根据权利要求 5 所述的电磁波汇聚元件， 其特征在于， 每一超材料单元的长、 宽、 高 几何尺寸为入射电磁波波长的十分之一。 7. 根据权利要求 1 所述的电磁波汇聚元件， 其特征在于， 所述人造微结构为由金属线 构成的金属微结构。 8. 根据权利要求 7 所述的电磁波汇聚元件， 。
5、其特征在于， 所述人造微结构为铜线或银 线。 9. 根据权利要求 8 所述的电磁波汇聚元件， 其特征在于， 所述人造微结构为平面雪花 状的金属微结构。 10. 根据权利要求 9 所述的电磁波汇聚元件， 其特征在于， 所有超材料平板上的金属微 结构形状相同， 所述电磁波汇聚元件上相同极半径处的多个金属微结构具有相同的几何尺 寸， 且随着极半径的增大金属微结构的几何尺寸逐渐减小。 权 利 要 求 书 CN 103036059 A 2 1/4 页 3 一种电磁波汇聚元件 技术领域 0001 本发明涉及一种电磁波汇聚元件。 背景技术 0002 超材料是一种新型材料， 是由非金属材料制成的基材和附着在基。
6、材表面上或嵌入 在基材内部的多个人造微结构构成的。 基材可以虚拟地划分为矩形阵列排布的多个方形基 材单元， 每个基材单元上附着有人造微结构从而形成一个超材料单元， 整个超材料即是由 数十万、 百万甚至上亿的这样的超材料单元组成的， 就像晶体是由无数的晶格按照一定的 排布构成的。每个超材料单元上的人造微结构相同或者不完全相同。人造微结构是组成一 定几何图形的圆柱形或扁平状金属丝， 例如组成圆环形、“工” 形的金属丝等。 0003 由于人造微结构的存在， 每个超材料单元具有不同于基材本身的等效介电常数和 等效磁导率， 因此所有的超材料单元构成的超材料对电场和磁场呈现出特殊的响应特性 ； 同时， 对。
7、人造微结构设计不同的具体结构和形状， 可改变其单元的等效介电常数和等效磁 导率， 进而改变整个超材料的响应特性。 0004 像透镜能汇聚平行光一样， 人们也在寻找能够将平面电磁波汇拢甚至汇聚到一点 上的元件， 使能量集中， 提高效率。 发明内容 0005 本发明要解决的技术问题在于， 提供一种集中能量、 提高效率的电磁波汇聚元件。 0006 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是 ： 构造一种电磁波汇聚元件， 一种电 磁波汇聚元件， 所述电磁波汇聚元件呈球形， 所述电磁波汇聚元件由多个相互平行的超材 料平板叠加组成， 每一超材料平板包括片状的基材以及设置在基材上的人造微结构， 所述 电磁波汇聚。
8、元件相同极半径处的折射率相同， 并且折射率随着极半径的增大逐渐减小， 所 述电磁波汇聚元件的中心位置设置有空腔。 0007 进一步地， 所述超材料平板还包括覆盖人造微结构的填充层。 0008 进一步地， 每一超材料平板划分为多个相同的超材料单元， 每一超材料单元由一 个人造微结构、 单元基材及单元填充层构成。 0009 进一步地， 每一超材料平板在厚度方向上只有一个超材料单元。 0010 进一步地， 每一超材料单元的长、 宽、 高几何尺寸不大于入射电磁波波长的五分之 一。 0011 进一步地， 每一超材料单元的长、 宽、 高几何尺寸为入射电磁波波长的十分之一。 0012 进一步地， 所述人造微。
9、结构为由金属线构成的金属微结构。 0013 进一步地， 所述人造微结构为铜线或银线。 0014 进一步地， 所述人造微结构为平面雪花状的金属微结构。 0015 进一步地， 所有超材料平板上的金属微结构形状相同， 所述电磁波汇聚元件上相 同极半径处的多个金属微结构具有相同的几何尺寸， 且随着极半径的增大金属微结构的几 说 明 书 CN 103036059 A 3 2/4 页 4 何尺寸逐渐减小。 0016 根据本发明电磁波汇聚元件， 入射电磁波不管从哪个方向入射， 均会向电磁波汇 聚元件的中心位置汇聚， 这样在中心位置的空腔中放置有效载荷， 例如光电二极管， 就能实 现高密度的光能接收。 附图说。
10、明 0017 图 1 是本发明的电磁波汇聚元件过球心的剖面图 ； 0018 图 2 是本发明一种形式的超材料单元的透视示意图 ； 0019 图 3 为超材料平板的侧视图 ； 0020 图 4 为超材料平板的正视图。 具体实施方式 0021 如图 1 至图 4 所示， 本发明的电磁波汇聚元件 100 呈球形， 所述电磁波汇聚元件 100 由多个相互平行的超材料平板 10 叠加组成， 每一超材料平板 10 包括片状的基材 11 以 及设置在基材11上的多个人造微结构12， 所述电磁波汇聚元件100上相同极半径处的折射 率相同， 并且折射率随着极半径的增大逐渐减小， 所述电磁波汇聚元件的中心位置设置。
11、有 空腔 200。空腔 200 可以是图 1 的方形， 也可是圆形， 其形状与体积与放置在其中的有效载 荷相适应。例如方形的太阳能板， 则空腔也只能是方形。空腔 200 是由多片超材料平板 10 中挖孔整体形成。图 1 中在中间两块超材料平板 10 上挖孔形成空腔 200。为了制作工艺的 简单化， 如图1及图4所示， 本发明的超材料平板10为圆柱状， 多个圆柱状的超材料平板10 紧密贴合形成一个近似的球体。为了更加美观， 可以在近似的球体周边加入填充物 300( 图 中画剖面线的部分)， 以使得电磁波汇聚元件100形成一个标准的球形。 填充物300的材料 可以与基材相同， 也可以是介电常数接近。
12、空气的其它介质材料。应当注意的是， 图 1 是示意 性画出了18层超材料平板10， 但是根据不同的精度可以有更多的超材料平板10， 超材料平 板10层数越多， 则电磁波汇聚元件100的精度越高， 即在极半径的方向， 折射的变化更为的 连续 ( 间隔小 )。图 1 虽然剖视图， 但是为了区分填充物 300 与超材料平板 10， 超材料平板 10 并未画剖面线。 0022 如图1所示， 多个超材料平板10紧密贴合， 相互之间可以通过双面胶粘接， 或者通 过螺栓等固定连接。如图 3 所示， 另外， 所述超材料平板 10 还包括覆盖人造微结构 12 的填 充层 15， 填充层 15 可以空气， 也可以。
13、是其它介质板， 优选为与基材 13 相同的材料制成的板 状件。如图 2 所示， 每一超材料平板 10 可以划分为多个相同的超材料单元 D， 每一超材料 单元 D 由一个人造微结构 12、 单元基材 V 及单元填充层 W 构成， 每一超材料平板 10 在厚度 方向上只有一个超材料单元 D。每一超材料单元 D 可以是完全相同的方块， 可以是立方体， 也可是长方体， 每一超材料单元 D 的长、 宽、 高几何尺寸不大于入射电磁波波长的五分之一 (通常为入射电磁波波长的十分之一)， 以使得整个核心层对电磁波具有连续的电场和/或 磁场响应。优选情况下， 所述超材料单元 D 为边长是入射电磁波波长十分之一的。
14、立方体。 当然， 填充层的厚度是可以调节的， 其最小值可以至 0， 也就是说不需要填充层， 此种情况 下， 基材与人造微结构组成超材料单元， 即此时超材料单元D的厚度等于单元基材V的厚度 加上人造微结构的厚度， 但是此时， 超材料单元 D 的厚度也要满足十分之一波长的要求， 因 说 明 书 CN 103036059 A 4 3/4 页 5 此， 实际上， 在超材料单元D的厚度选定在十分之一波长的情况下， 单元基材V的厚度越大， 则单元填充层 W 的厚度越小， 当然最优的情况下， 即是如图 2 所示的情况， 即单元基材 V 的 厚度等于单元填充层 W 的厚度， 且元单元基材 V 的材料与填充层 。
15、W 的相同。 0023 已知折射率其中为相对磁导率， 为相对介电常数， 与合称为电 磁参数。在特定波长的电磁波入射的情况下， 每一超材料单元表现出特定的 与 ， 这样 就可以确定出一个等效的折射率， 因此， 在磁导率一定的情况下， 通过改变介电常数， 我们 可以得到任意折射率的超材料单元。即我们可以人为地设计电磁波汇聚元件折射率分布， 使得所述电磁波汇聚元件相同极半径处的折射率相同， 并且折射率随着极半径的增大逐渐 减小。 实验证明， 具有相同形状的金属微结构， 随着几何尺寸的增大， 其介电常数会增大， 在 磁导率不变的情况下， 等效折射率增大， 因此， 在所有超材料平板上的金属微结构形状相同。
16、 的情况下， 通过使得所述电磁波汇聚元件上相同极半径处的多个金属微结构具有相同的几 何尺寸， 且随着极半径的增大金属微结构的几何尺寸逐渐减小， 即可实现本发明的电磁波 汇聚元件折射率分布。 0024 上述中， 通过计算机模拟仿真即能得到合适的超材料单元。即先得到整体的折射 率分布， 再从整体将其分为多个超材料平板， 对每个平板进行设计， 简单可行。 0025 本发明的人造微结构 12 优选为金属微结构， 所述金属微结构由一条或多条金属 线组成。金属线本身具有一定的宽度及厚度。本发明的金属微结构优选为具有各向同性的 电磁参数的金属微结构， 如图 2 所述的平面雪花状的金属微结构。 0026 对于。
17、具有平面结构的人造微结构， 各向同性， 是指对于在该二维平面上以任一角 度入射的任一电磁波， 上述人造微结构在该平面上的电场响应和磁场响应均相同， 也即介 电常数和磁导率相同 ； 对于具有三维结构的人造微结构， 各向同性是指对于在三维空间的 任一方向上入射的电磁波， 每个上述人造微结构在三维空间上的电场响应和磁场响应均相 同。当人造微结构为 90 度旋转对称结构时， 人造微结构即具有各向同性的特征。 0027 对于二维平面结构， 90 度旋转对称是指其在该平面上绕一垂直于该平面且过其对 称中心的旋转轴任意旋转 90 度后与原结构重合 ； 对于三维结构， 如果具有两两垂直且共交 点 ( 交点为旋。
18、转中心 ) 的 3 条旋转轴， 使得该结构绕任一旋转轴旋转 90 度后均与原结构重 合或者与原结构以一分界面对称， 则该结构为 90 度旋转对称结构。 0028 图 2 所示的平面雪花状的金属微结构即为各向同性的人造微结构的一种形式， 所 述的雪花状的金属微结构具有相互垂直平分的第一金属线 121 及第二金属线 122， 所述第 一金属线 121 两端连接有相同长度的两个第一金属分支 1211， 所述第一金属线 121 两端连 接在两个第一金属分支1211的中点上， 所述第二金属线122两端连接有相同长度的两个第 二金属分支 1221， 所述第二金属线 122 两端连接在两个第二金属分支 12。
19、21 的中点上。 0029 本发明中， 所述基材由陶瓷材料、 高分子材料、 铁电材料、 铁氧材料或铁磁材料等 制得。高分子材料可选用的有聚四氟乙烯、 环氧树脂、 F4B 复合材料、 FR-4 复合材料等。例 如， 聚四氟乙烯的电绝缘性非常好， 因此不会对电磁波的电场产生干扰， 并且具有优良的化 学稳定性、 耐腐蚀性， 使用寿命长。 0030 本发明中， 所述金属微结构为铜线或银线等金属线。 上述的金属线可以通过蚀刻、 电镀、 钻刻、 光刻、 电子刻或离子刻的方法附着在基材上。 当然， 也可以采用三维的激光加工 工艺。 说 明 书 CN 103036059 A 5 4/4 页 6 0031 本发明可以广泛应用于太阳能电池中， 以使得能量更为集中， 提高能量的利用效 率。 0032 上面结合附图对本发明的实施例进行了描述， 但是本发明并不局限于上述的具体 实施方式， 上述的具体实施方式仅仅是示意性的， 而不是限制性的， 本领域的普通技术人员 在本发明的启示下， 在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下， 还可做出很多 形式， 这些均属于本发明的保护之内。 说 明 书 CN 103036059 A 6 1/2 页 7 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103036059 A 7 2/2 页 8 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 103036059 A 8 。