用于表面和波導的超材料的制作方法

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用于表面和波導的超材料的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及用于表面和波導的超材料?；パa的超材料元件提供關于表面結(jié)構(gòu)和/或波導結(jié)構(gòu)的有效的介電常數(shù)和/或?qū)Т怕??；パa的超材料諧振元件可包括“開口諧振環(huán)”(SRR)和“電LC”(ELC)超材料元件的巴比涅(Babinet)補償。在一些方法中，互補的超材料元件被嵌入平面波導的邊界面，以例如實現(xiàn)用于光束轉(zhuǎn)向/聚焦設備、天線陣饋電結(jié)構(gòu)等等的基于波導的梯度折射率透鏡。
【專利說明】用于表面和波導的超材料
[0001] 本申請是申請日為2009年08月21日，申請?zhí)枮?00980141984. 2,發(fā)明名稱為"用于表面和波導的超材料"的申請的分案申請。
[0002] 相關申請的交叉引用
[0003] 本申請要求于2008年8月22日提交的第61/091，337號臨時申請的優(yōu)先權(quán)的權(quán) 益，該申請在此處通過引用被并入。
[0004] 關于由聯(lián)邦贊助研究或開發(fā)的聲明

【技術領域】
[0005] 本技術在此處涉及人工構(gòu)造的材料，比如超材料（metamaterial)，其作用為人工的電磁材料。一些方法提供了響應于在射頻（RF)微波頻率、和/或更高頻率比如紅外線或可見光頻率上的電磁波的表面結(jié)構(gòu)和/或波導結(jié)構(gòu)。在一些方法中，電磁響應包括負折射。一些方法提供表面結(jié)構(gòu)，其包括在傳導表面上被形成圖案的超材料元件。一些方法提供波導結(jié)構(gòu)，其包括在導波結(jié)構(gòu)的中的一個或多個邊界傳導表面上被形成圖案的超材料元件（例如，平面波導、傳輸線結(jié)構(gòu)或者單個的平面導模結(jié)構(gòu)的邊界傳導帶、貼片（patch)、或平面）。
[0006] 背景和概述
[0007] 人工構(gòu)造的材料，比如超材料能夠擴展常規(guī)材料的電磁特性，并且能夠提供在常規(guī)材料中很難實現(xiàn)的新穎電磁響應。超材料能夠?qū)崿F(xiàn)復合的各向異性和/或電磁參數(shù)（比如介電常數(shù)、導磁率、折射率、以及波阻抗）的梯度，并因此實現(xiàn)電磁設備，比如隱形斗篷 (參見，例如，J. Pendry等人的第11/459728號美國專利申請"Electromagnetic cloaking method"，此處通過引用將其并入）和GRIN(梯度折射率）透鏡（參見，例如，D.R. Smith 等人的第11/658358號美國專利申請"Metamatrials"，此處通過引用將其并入）。此外，能夠設計超材料具有負介電常數(shù)和/或負導磁率，例如提供負折射的介質(zhì)或各向異性的 (indefinite)介質(zhì)（即，具有各向異性張量的介電常數(shù)和/或?qū)Т怕实慕橘|(zhì)；參見，例如， D. R. Smith等人的第10/525191號美國專利申請"Indefinite materials",此處通過引用將其并入）。
[0008] 在例如 Pozar 的 Microwave Engineering(Wiley 第 3 版）中顯不了 "負折射率" 傳輸線的基本概念，其通過交換電感的并聯(lián)電容和電容的串聯(lián)電感形成。超材料的傳輸線方法已由（UCLA 的）Itoh 和 Caloz 以及（Toronto 的）Eleftheriades 和 Balmain 進行了研究?？蓞⒁娎?Elek 等人的 "A two-dimensional uniplanar transmission-line metamatrials with a negative index of refraction，', New Journal of Physics (Vol. 7, Issue 1 pp. 163 (2005);以及第 6, 859, 114 號美國專利。
[0009] 由Caloz和Itoh所公開的傳輸線（TL)是基于交換常規(guī)TL的串聯(lián)電感和并聯(lián)電容，以便獲得負折射介質(zhì)的TL等效物。因為并聯(lián)電容和串聯(lián)電感總是存在的，所以總是有與頻率相關的TL二重性能，該二重性能引起低頻的"反向波"和較高頻率的一般正向波。出于這個原因，Caloz和Itoh將他們的超材料TL稱為"復合右/左手的" TL，或CRLH TL。 CRLHTL通過使用集中的電容器和電感器、或者等效的電路元件來形成，以產(chǎn)生在一維上作用的TL。CRLH TL概念已經(jīng)被Caloz和Itoh以及Grbic和Eleftheriades擴展到了二維結(jié)構(gòu)中。
[0010] 在 F. Falcone 等人的 "Babinet principle applied to the design of metasurfaces and metamatrials"，Phys. Rev. Lett. V93，Issuel9,197401 中，提出了使用互補的開口諧振環(huán)（CSRR)作為微帶電路元件。CSRR已被相同的團隊展示可作為微帶幾何結(jié)構(gòu)的濾波器。例如參見Marques 等人的"Ab initio analysis of frequency selective surfaces based on conventional and complementary split ring resonators，'， Journal of Optics A:Pure and Applied Optics, Volume7, Issue2, pp.S38-S43 (2005), 和 Bonache 等人的〃Microstrip Bandpass Filters With Wide Bandwidth and Compact Dimensions" (Microwave and Optical Tech. Letters (46:4，p.3432〇〇5)。還研究了使用 CSRR作為在微帶的接地平面中被形成圖案的元件。這些團隊展示了負折射率介質(zhì)的微帶等效物，其使用在接地平面中被形成圖案的CSRR和上方導體中的電容性中斷來形成。這一工作也已經(jīng)被擴展到了同面微帶線中。
[0011] 開口諧振環(huán)（SRR)實質(zhì)上響應平面外的磁場（S卩，沿著SRR的軸線被定向）。在另一方面，互補的SRR(CSRR)實質(zhì)上響應平面外的電場（S卩，沿著CSRR的軸線被定向）。CSRR 可被視為SRR的"巴比涅"二重特性（"Babinet" dual)，并且此處所公開的實施方式可包括被嵌入傳導表面的CSRR元件，例如金屬片上成形的孔縫、蝕刻、或穿孔。在一些如此處所公開的應用中，帶有被嵌入的CSRR元件的傳導表面是比如平面波導、微帶線等等的波導結(jié) 構(gòu)的邊界導體。
[0012] 雖然開口諧振環(huán)（SRR)實質(zhì)上耦合到平面外的磁場，一些超材料應用利用了實質(zhì)上耦合到平面內(nèi)的電場的元件。這些可選擇的元件可被稱為電LC(ELC)諧振器，并且不例性的配置在 D.Schurig 等人的 "Electric-field coupled resonators for negative permittivity metamaterials"，Appl.Phys.Lett88,041109(2006)中有所描述。雖然電 LC(ELC)諧振器實質(zhì)上耦合到平面內(nèi)的電場，互補的電LC(CELC)諧振器實質(zhì)上響應平面內(nèi) 的磁場。CELC諧振器可被視為ELC諧振器的"巴比涅"二重特性，并且此處所公開的實施方式可包括被嵌入傳導表面的CELC諧振器兀件（對CSRR兀件可選擇或額外的），例如金屬片上成形的孔縫、蝕刻、或穿孔。在一些如此處所公開的應用中，帶有被嵌入的CSRR和/或 CELC元件的傳導表面是比如平面波導、微帶線等等的波導結(jié)構(gòu)的邊界導體。
[0013] 此處所公開的一些實施方式利用了互補的電LC (CELC)超材料元件，以便為波導結(jié)構(gòu)提供有效的導磁率。在各種實施方式中，（相對）有效的導磁率可大于1、小于1但大于〇、或者小于0?？蛇x擇地或額外地，此處所公開的一些實施方式利用了互補的開口諧振環(huán)（CSRR)超材料元件，以便為平面波導結(jié)構(gòu)提供有效的介電常數(shù)。在各種實施方式中，（相對）有效的介電常數(shù)可大于1、小于1但大于〇、或者小于0。
[0014] 各種實施方式示例性的非限制特性包括：
[0015] ?有效的介電常數(shù)、導磁率、或折射率近似為0的結(jié)構(gòu)；
[0016] ?有效的介電常數(shù)、導磁率、或折射率小于0的結(jié)構(gòu)；
[0017] ?有效的介電常數(shù)或?qū)Т怕蕿楦飨虍愋詮埩浚?，具有正和負兩種本征值）的結(jié) 構(gòu)；
[0018] ?例如用于光束的聚焦、校正、或轉(zhuǎn)向的梯度結(jié)構(gòu)；
[0019] ?例如用于降低插入損耗的阻抗匹配結(jié)構(gòu)；
[0020] ?用于天線陣列的饋電結(jié)構(gòu)；
[0021] ?使用互補的超材料元件，比如CELC和CSRR，以實質(zhì)上獨立地分別配置表面或波導的磁響應和電響應，這例如是出于阻抗匹配、梯度設計、或者色散控制的目的；
[0022] ?使用具有可調(diào)節(jié)物理參數(shù)的互補的超材料元件，以提供具有相應的可調(diào)節(jié)電磁響應的設備（例如，以調(diào)節(jié)光束轉(zhuǎn)向設備的轉(zhuǎn)向角或光束聚焦設備的焦距）；
[0023] ?表面結(jié)構(gòu)和波導結(jié)構(gòu)，其可在RF、微波、或者甚至更高（例如，毫米、紅外、和可見光波長）的頻率下操作。
[0024] 本發(fā)明涉及一種裝置，該裝置包括：
[0025] 傳導表面，該傳導表面具有對應于傳導表面內(nèi)的相應孔縫的多個獨立的電磁響應，該多個獨立的電磁響應提供在平行于傳導表面的方向上的有效導磁率。
[0026] 所述有效導磁率可實質(zhì)上為零。
[0027] 所述有效導磁率可實質(zhì)上小于零。
[0028] 在平行于所述傳導表面的所述方向上的所述有效導磁率可以是在平行于所述傳導表面的第一方向上的第一有效導磁率，并且所述多個相應的獨立的電磁響應還可提供在平行于所述傳導表面且垂直于所述第一方向的第二方向上的第二有效導磁率。
[0029] 所述第一有效導磁率可實質(zhì)上等于所述第二有效導磁率。
[0030] 所述第一有效導磁率可實質(zhì)上不同于所述第二有效導磁率。
[0031] 所述第一有效導磁率可大于0,并且所述第二有效導磁率可小于0。
[0032] 所述傳導表面可以是波導結(jié)構(gòu)的邊界面，并且所述有效導磁率可以是實質(zhì)上在所述波導結(jié)構(gòu)內(nèi)傳播的電磁波的有效導磁率。
[0033] 本發(fā)明還涉及另一種裝置，該裝置包括：
[0034] 具有多個獨立的電磁響應的一個或多個傳導表面，該多個獨立的電磁響應對應于在一個或多個傳導表面內(nèi)的相應孔縫，該多個獨立的電磁響應提供實質(zhì)上小于〇或等于〇的有效折射率。本發(fā)明還涉及另一種裝置，該裝置包括：
[0035] 具有多個獨立的電磁響應的一個或多個傳導表面，該多個獨立的電磁響應對應于在一個或多個傳導表面內(nèi)的相應孔縫，該多個獨立的電磁響應提供空間地變化的有效折射率。
[0036] 所述一個或多個傳導表面可以是波導結(jié)構(gòu)的一個或多個邊界面，并且所述空間地變化的有效折射率可以是實質(zhì)上在所述波導結(jié)構(gòu)內(nèi)傳播的電磁波的空間地變化的有效折射率。
[0037] 所述波導結(jié)構(gòu)可以是實質(zhì)上平面的二維波導結(jié)構(gòu)。
[0038] 所述波導結(jié)構(gòu)可限定用于接收輸入電磁能的輸入端口。
[0039] 所述輸入端口可限定用于實質(zhì)上不反射輸入電磁能的輸入端口阻抗。
[0040] 所述多個相應的獨立的電磁響應還可提供有效波阻抗，該有效波阻抗可梯度地接近在所述輸入端口處的所述輸入端口阻抗。
[0041] 所述波導結(jié)構(gòu)可限定用于發(fā)射輸出電磁能的輸出端口。
[0042] 所述輸出端口可限定用于實質(zhì)上不反射輸出電磁能的輸出端口阻抗。
[0043] 所述多個相應的獨立的電磁響應還可提供有效波阻抗，該有效波阻抗可梯度地接近在所述輸出端口處的所述輸出端口阻抗。
[0044] 所述波導結(jié)構(gòu)可響應于實質(zhì)上準直的輸入電磁能束，以提供實質(zhì)上準直的輸出電磁能束，所述輸入電磁能束可限定輸入束方向，所述輸出電磁能束可限定實質(zhì)上不同于所述輸入束方向的輸出束方向。
[0045] 所述波導結(jié)構(gòu)可限定從所述輸入端口指向所述輸出端口的軸向方向，并且所述空間地變化的有效折射率可包括在所述輸入端口和所述輸出端口中間，沿著垂直于所述軸向方向的方向上的、實質(zhì)上線性的梯度。
[0046] 所述波導結(jié)構(gòu)可響應于實質(zhì)上準直的輸入電磁能束，以提供實質(zhì)上會聚的輸出電磁能束。
[0047] 所述波導結(jié)構(gòu)可限定從所述輸入端口指向所述輸出端口的軸向方向，并且所述空間地變化的有效折射率可包括在所述輸入端口和所述輸出端口中間，沿著垂直于所述軸向方向的方向上的、實質(zhì)上凹形的變化。
[0048] 所述波導結(jié)構(gòu)可響應實質(zhì)上準直的輸入電磁能束，以提供實質(zhì)上發(fā)散的輸出電磁能束。
[0049] 所述波導結(jié)構(gòu)可限定從所述輸入端口指向所述輸出端口的軸向方向，并且所述空間地變化的有效折射率可包括在所述輸入端口和所述輸出端口中間，沿著垂直于所述軸向方向的方向上的、實質(zhì)上凸形的變化。
[0050] 所述裝置還可包括：耦合到所述輸出端口的一個或多個貼片天線。
[0051] 所述裝置還可包括：耦合到所述輸入端口的一個或多個電磁發(fā)射器。
[0052] 所述裝置還可包括：耦合到所述輸入端口的一個或多個電磁接收器。
[0053] 本發(fā)明還涉及另一種裝置，該裝置包括：
[0054] 具有多個可調(diào)節(jié)的獨立的電磁響應的一個或多個傳導表面，該多個可調(diào)節(jié)的獨立的電磁響應對應于在一個或多個傳導表面內(nèi)的相應孔縫，該多個可調(diào)節(jié)的獨立的電磁響應提供一個或多個可調(diào)節(jié)的有效介質(zhì)參數(shù)。
[0055] 所述一個或多個可調(diào)節(jié)的有效介質(zhì)參數(shù)可包括可調(diào)節(jié)的有效介電常數(shù)。
[0056] 所述一個或多個可調(diào)節(jié)的有效介質(zhì)參數(shù)可包括可調(diào)節(jié)的有效導磁率。
[0057] 所述一個或多個可調(diào)節(jié)的有效介質(zhì)參數(shù)可包括可調(diào)節(jié)的有效折射率。
[0058] 所述一個或多個可調(diào)節(jié)的有效介質(zhì)參數(shù)可包括可調(diào)節(jié)的有效波阻抗。
[0059] 所述可調(diào)節(jié)的獨立的電磁響應可通過一個或多個外部輸入調(diào)節(jié)。
[0060] 所述一個或多個外部輸入可包括一個或多個電壓輸入。
[0061] 所述一個或多個外部輸入可包括一個或多個光輸入。
[0062] 所述一個或多個外部輸入可包括外部磁場。
[0063] 本發(fā)明還涉及一種方法，該方法包括：
[0064] 選擇電磁介質(zhì)參數(shù)的圖案；以及
[0065] 確定關于在一個或多個傳導表面中可放置的多個孔縫的相應物理參數(shù)，以提供有效電磁介質(zhì)參數(shù)的圖案，該圖案實質(zhì)上對應于電磁介質(zhì)參數(shù)的所選圖案。
[0066] 所述方法還可包括：銑削出所述一個或多個傳導表面中的所述多個孔縫。
[0067] 所述確定相應物理參數(shù)可包括根據(jù)回歸分析和查詢表中的一個進行確定。
[0068] 本發(fā)明還涉及另一種方法，該方法包括：
[0069] 選擇電磁功能；以及
[0070] 確定關于在一個或多個傳導表面中可放置的多個孔縫的相應物理參數(shù)，以提供電磁功能作為有效介質(zhì)響應。
[0071] 所述電磁功能可以是波導束轉(zhuǎn)向功能。
[0072] 所述波導束轉(zhuǎn)向功能可限定束偏轉(zhuǎn)角，并且所述波導束轉(zhuǎn)向功能的選擇可包括所述束偏轉(zhuǎn)角的選擇。
[0073] 所述電磁功能可以是波導束聚焦功能。
[0074] 所述波導束聚焦功能可限定焦距，并且所述波導束聚焦功能的選擇可包括所述焦距的選擇。
[0075] 所述電磁功能可以是天線陣列相移功能。
[0076] 所述確定相應物理參數(shù)可包括根據(jù)回歸分析和查詢表中的一個進行確定。
[0077] 本發(fā)明還涉及另一種方法，該方法包括：
[0078] 選擇電磁介質(zhì)參數(shù)的圖案；以及
[0079] 對于具有多個有相應的可調(diào)節(jié)物理參數(shù)的孔縫的一個或多個傳導表面，確定相應的可調(diào)節(jié)物理參數(shù)的相應值，以提供有效電磁介質(zhì)參數(shù)的圖案，該圖案實質(zhì)上對應于電磁介質(zhì)參數(shù)的所選圖案。
[0080] 所述相應的可調(diào)節(jié)物理參數(shù)可以是一個或多個控制輸入的函數(shù)，并且所述方法可包括：
[0081] 提供所述一個或多個控制輸入，所述一個或多個控制輸入對應于所述相應的可調(diào) 節(jié)物理參數(shù)的所確定的相應值。
[0082] 所述確定可包括根據(jù)回歸分析和查詢表中的一個進行確定。
[0083] 本發(fā)明還涉及另一種方法，該方法包括：
[0084] 選擇電磁功能；以及
[0085] 對于具有多個有相應的可調(diào)節(jié)物理參數(shù)的孔縫的一個或多個傳導表面，確定所述相應的可調(diào)節(jié)物理參數(shù)的相應值，以提供所述電磁功能作為有效介質(zhì)響應。
[0086] 所述相應的可調(diào)節(jié)物理參數(shù)可以是一個或多個控制輸入的函數(shù)，并且所述方法可包括：
[0087] 提供所述一個或多個控制輸入，所述一個或多個控制輸入對應于所述相應的可調(diào) 節(jié)物理參數(shù)的所確定的相應值。
[0088] 所述確定可包括根據(jù)回歸分析和查詢表中的一個進行確定。
[0089] 本發(fā)明還涉及另一種方法，該方法包括：
[0090] 將電磁能傳遞至波導結(jié)構(gòu)的輸入端口，以在波導結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生有效介質(zhì)響應，其中有效介質(zhì)響應是波導結(jié)構(gòu)的一個或多個邊界導體中的孔縫的圖案的函數(shù)。
[0091] 本發(fā)明還提供了一種用于提供在平行于傳導表面的方向上的有效導磁率的裝置，包括：
[0092] 傳導表面，其具有對應于所述傳導表面內(nèi)的限定互補的超材料元件的相應孔縫的多個獨立的電磁響應，所述多個獨立的電磁響應提供在平行于所述傳導表面的方向上的有效導磁率，
[0093] 其中所述傳導表面是波導結(jié)構(gòu)的邊界面，并且所述有效導磁率是實質(zhì)上在所述波導結(jié)構(gòu)內(nèi)傳播的電磁波的有效導磁率。
[0094] 所述有效導磁率可實質(zhì)上為零。
[0095] 所述有效導磁率可實質(zhì)上小于零。
[0096] 在平行于所述傳導表面的所述方向上的所述有效導磁率可以是在平行于所述傳導表面的第一方向上的第一有效導磁率，并且所述多個相應的獨立的電磁響應還可提供在平行于所述傳導表面且垂直于所述第一方向的第二方向上的第二有效導磁率。
[0097] 所述第一有效導磁率可實質(zhì)上等于所述第二有效導磁率。
[0098] 所述第一有效導磁率可實質(zhì)上不同于所述第二有效導磁率。
[0099] 所述第一有效導磁率可大于0,并且所述第二有效導磁率可小于0。
[0100] 本發(fā)明還提供了一種用于提供實質(zhì)上小于0或等于0的有效折射率的裝置，包括：
[0101] 具有多個獨立的電磁響應的一個或多個傳導表面，所述多個獨立的電磁響應對應于在所述一個或多個傳導表面內(nèi)的限定互補的超材料元件的相應孔縫，所述多個獨立的電磁響應提供實質(zhì)上小于0或等于0的有效折射率，
[0102] 其中所述一個或多個傳導表面是波導結(jié)構(gòu)的一個或多個邊界面，并且所述有效折射率是實質(zhì)上在所述波導結(jié)構(gòu)內(nèi)傳播的電磁波的有效折射率。
[0103] 本發(fā)明還提供了一種用于提供空間地變化的有效折射率的裝置，包括：
[0104] 具有多個獨立的電磁響應的一個或多個傳導表面，所述多個獨立的電磁響應對應于在所述一個或多個傳導表面內(nèi)的限定互補的超材料元件的相應孔縫，所述多個獨立的電磁響應提供空間地變化的有效折射率，
[0105] 其中所述一個或多個傳導表面是波導結(jié)構(gòu)的一個或多個邊界面，并且所述空間地變化的有效折射率是實質(zhì)上在所述波導結(jié)構(gòu)內(nèi)傳播的電磁波的空間地變化的有效折射率。
[0106] 所述波導結(jié)構(gòu)可以是實質(zhì)上平面的二維波導結(jié)構(gòu)。
[0107] 所述波導結(jié)構(gòu)可限定用于接收輸入電磁能的輸入端口。
[0108] 所述輸入端口可限定用于實質(zhì)上不反射輸入電磁能的輸入端口阻抗。
[0109] 所述多個相應的獨立的電磁響應還可提供有效波阻抗，該有效波阻抗可梯度地接近在所述輸入端口處的所述輸入端口阻抗。
[0110] 所述波導結(jié)構(gòu)可限定用于發(fā)射輸出電磁能的輸出端口。
[0111] 所述輸出端口可限定用于實質(zhì)上不反射輸出電磁能的輸出端口阻抗。
[0112] 所述多個相應的獨立的電磁響應還可提供有效波阻抗，該有效波阻抗可梯度地接近在所述輸出端口處的所述輸出端口阻抗。
[0113] 所述波導結(jié)構(gòu)可響應于實質(zhì)上準直的輸入電磁能束，以提供實質(zhì)上準直的輸出電磁能束，所述輸入電磁能束可限定輸入束方向，所述輸出電磁能束可限定實質(zhì)上不同于所述輸入束方向的輸出束方向。
[0114] 所述波導結(jié)構(gòu)可限定從所述輸入端口指向所述輸出端口的軸向方向，并且所述空間地變化的有效折射率可包括在所述輸入端口和所述輸出端口中間，沿著垂直于所述軸向方向的方向上的、實質(zhì)上線性的梯度。
[0115] 所述波導結(jié)構(gòu)可響應于實質(zhì)上準直的輸入電磁能束，以提供實質(zhì)上會聚的輸出電磁能束。
[0116] 所述波導結(jié)構(gòu)可限定從所述輸入端口指向所述輸出端口的軸向方向，并且所述空間地變化的有效折射率可包括在所述輸入端口和所述輸出端口中間，沿著垂直于所述軸向方向的方向上的、實質(zhì)上凹形的變化。
[0117] 所述波導結(jié)構(gòu)可響應實質(zhì)上準直的輸入電磁能束，以提供實質(zhì)上發(fā)散的輸出電磁能束。
[0118] 所述波導結(jié)構(gòu)可限定從所述輸入端口指向所述輸出端口的軸向方向，并且所述空間地變化的有效折射率可包括在所述輸入端口和所述輸出端口中間，沿著垂直于所述軸向方向的方向上的、實質(zhì)上凸形的變化。
[0119] 所述裝置還可包括：耦合到所述輸出端口的一個或多個貼片天線。
[0120] 所述裝置還可包括：耦合到所述輸入端口的一個或多個電磁發(fā)射器。
[0121] 所述裝置還可包括：耦合到所述輸入端口的一個或多個電磁接收器。
[0122] 本發(fā)明還提供了一種用于提供一個或多個可調(diào)節(jié)的有效介質(zhì)參數(shù)的裝置，包括：
[0123] 具有多個可調(diào)節(jié)的獨立的電磁響應的一個或多個傳導表面，所述多個可調(diào)節(jié)的獨立的電磁響應對應于在所述一個或多個傳導表面內(nèi)的限定互補的超材料兀件的相應孔縫，所述多個可調(diào)節(jié)的獨立的電磁響應提供一個或多個可調(diào)節(jié)的有效介質(zhì)參數(shù)，
[0124] 其中所述一個或多個傳導表面是波導結(jié)構(gòu)的一個或多個邊界面，并且所述一個或多個可調(diào)節(jié)的有效介質(zhì)參數(shù)是實質(zhì)上在所述波導結(jié)構(gòu)內(nèi)傳播的電磁波的一個或多個可調(diào) 節(jié)的有效介質(zhì)參數(shù)。
[0125] 所述一個或多個可調(diào)節(jié)的有效介質(zhì)參數(shù)可包括可調(diào)節(jié)的有效介電常數(shù)。
[0126] 所述一個或多個可調(diào)節(jié)的有效介質(zhì)參數(shù)可包括可調(diào)節(jié)的有效導磁率。
[0127] 所述一個或多個可調(diào)節(jié)的有效介質(zhì)參數(shù)可包括可調(diào)節(jié)的有效折射率。
[0128] 所述一個或多個可調(diào)節(jié)的有效介質(zhì)參數(shù)可包括可調(diào)節(jié)的有效波阻抗。
[0129] 所述可調(diào)節(jié)的獨立的電磁響應可通過一個或多個外部輸入調(diào)節(jié)。
[0130] 所述一個或多個外部輸入可包括一個或多個電壓輸入。
[0131] 所述一個或多個外部輸入可包括一個或多個光輸入。
[0132] 所述一個或多個外部輸入可包括外部磁場。
[0133] 本發(fā)明還提供了一種用于提供有效電磁介質(zhì)參數(shù)的圖案的方法，包括：
[0134] 選擇電磁介質(zhì)參數(shù)的圖案；以及
[0135] 確定關于在一個或多個傳導表面中可放置的限定互補的超材料元件的多個孔縫的相應物理參數(shù)，以提供有效電磁介質(zhì)參數(shù)的圖案，該圖案實質(zhì)上對應于電磁介質(zhì)參數(shù)的所選圖案，
[0136] 其中所述一個或多個傳導表面是波導結(jié)構(gòu)的一個或多個邊界面，并且所述有效電磁介質(zhì)參數(shù)的圖案是實質(zhì)上在所述波導結(jié)構(gòu)內(nèi)傳播的電磁波的有效電磁介質(zhì)參數(shù)的圖案。
[0137] 所述方法還可包括：銑削出所述一個或多個傳導表面中的所述多個孔縫。
[0138] 所述確定相應物理參數(shù)可包括根據(jù)回歸分析和查詢表中的一個進行確定。
[0139] 本發(fā)明另外還提供了一種用于提供電磁功能作為有效介質(zhì)響應的方法，包括：
[0140] 選擇電磁功能；以及
[0141] 確定關于在一個或多個傳導表面中可放置的限定互補的超材料元件的多個孔縫的相應物理參數(shù)，以提供所述電磁功能作為有效介質(zhì)響應，
[0142] 其中所述一個或多個傳導表面是波導結(jié)構(gòu)的一個或多個邊界面，并且所述有效介質(zhì)響應是實質(zhì)上在所述波導結(jié)構(gòu)內(nèi)傳播的電磁波的有效介質(zhì)響應。
[0143] 所述電磁功能可以是波導束轉(zhuǎn)向功能。
[0144] 所述波導束轉(zhuǎn)向功能可限定束偏轉(zhuǎn)角，并且所述波導束轉(zhuǎn)向功能的選擇可包括所述束偏轉(zhuǎn)角的選擇。
[0145] 所述電磁功能可以是波導束聚焦功能。
[0146] 所述波導束聚焦功能可限定焦距，并且所述波導束聚焦功能的選擇可包括所述焦距的選擇。
[0147] 所述電磁功能可以是天線陣列相移功能。
[0148] 所述確定相應物理參數(shù)可包括根據(jù)回歸分析和查詢表中的一個進行確定。
[0149] 本發(fā)明另外還提供了一種用于提供有效電磁介質(zhì)參數(shù)的圖案的方法，包括：
[0150] 選擇電磁介質(zhì)參數(shù)的圖案；以及
[0151] 對于具有多個有相應的可調(diào)節(jié)物理參數(shù)的限定互補的超材料元件的孔縫的一個或多個傳導表面，確定所述相應的可調(diào)節(jié)物理參數(shù)的相應值，以提供有效電磁介質(zhì)參數(shù)的圖案，該圖案實質(zhì)上對應于電磁介質(zhì)參數(shù)的所選圖案，
[0152] 其中所述一個或多個傳導表面是波導結(jié)構(gòu)的一個或多個邊界面，并且所述有效電磁介質(zhì)參數(shù)的圖案是實質(zhì)上在所述波導結(jié)構(gòu)內(nèi)傳播的電磁波的有效電磁介質(zhì)參數(shù)的圖案。
[0153] 所述相應的可調(diào)節(jié)物理參數(shù)可以是一個或多個控制輸入的函數(shù)，并且所述方法還可包括：
[0154] 提供所述一個或多個控制輸入，所述一個或多個控制輸入對應于所述相應的可調(diào) 節(jié)物理參數(shù)的所確定的相應值。
[0155] 所述確定可包括根據(jù)回歸分析和查詢表中的一個進行確定。
[0156] 本發(fā)明另外還提供了一種用于提供電磁功能作為有效介質(zhì)響應的方法，包括：
[0157] 選擇電磁功能；以及
[0158] 對于具有多個有相應的可調(diào)節(jié)物理參數(shù)的限定互補的超材料元件的孔縫的一個或多個傳導表面，確定所述相應的可調(diào)節(jié)物理參數(shù)的相應值，以提供所述電磁功能作為有效介質(zhì)響應，
[0159] 其中所述一個或多個傳導表面是波導結(jié)構(gòu)的一個或多個邊界面，并且所述有效介質(zhì)響應是實質(zhì)上在所述波導結(jié)構(gòu)內(nèi)傳播的電磁波的有效介質(zhì)響應。
[0160] 所述相應的可調(diào)節(jié)物理參數(shù)可以是一個或多個控制輸入的函數(shù)，并且所述方法還可包括：
[0161] 提供所述一個或多個控制輸入，所述一個或多個控制輸入對應于所述相應的可調(diào) 節(jié)物理參數(shù)的所確定的相應值。
[0162] 所述確定可包括根據(jù)回歸分析和查詢表中的一個進行確定。
[0163] 本發(fā)明另外還提供了一種用于在波導結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生有效介質(zhì)響應的方法，包括：
[0164] 將電磁能傳遞至波導結(jié)構(gòu)的輸入端口，以在所述波導結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生有效介質(zhì)響應，其中所述有效介質(zhì)響應是所述波導結(jié)構(gòu)的一個或多個邊界導體中的限定互補的超材料元件的孔縫的圖案的函數(shù)。
[0165] 附圖簡述
[0166] 結(jié)合附圖，參考以下示例性非限制的示意性實現(xiàn)的詳細描述，將會更好地并且更加完整地理解這些和其他的特性和優(yōu)勢，其中附圖為：
[0167] 圖1-1D描繪了導波的互補ELC(磁響應）結(jié)構(gòu)（圖1)以及有效的介電常數(shù)、導磁率、波阻抗、和折射率的相關曲線（圖1A-1D);
[0168] 圖2-2D描繪了導波的互補SRR(電響應）結(jié)構(gòu)（圖2)以及有效的介電常數(shù)、導磁率、波阻抗、和折射率的相關曲線（圖2A-2D);
[0169] 圖3-3D描繪了帶有CSRR和CELC兩種元件的導波的結(jié)構(gòu)（例如用于提供有效的負折射率）（圖3)、以及有效的介電常數(shù)、導磁率、波阻抗、和折射率的相關曲線（圖3A-3D);
[0170] 圖4-4D描繪了帶有CSRR和CELC兩種元件的導波的結(jié)構(gòu)（例如用于提供有效的負折射率）（圖4)、以及有效的介電常數(shù)、導磁率、波阻抗、和折射率的相關曲線（圖4A-4D);
[0171] 圖5-?描繪了微帶互補ELC結(jié)構(gòu)（圖5)以及有效的介電常數(shù)、導磁率、波阻抗、和折射率的相關曲線（圖5A-5D);
[0172] 圖6-6D描繪了帶有CSRR和CELC兩種元件的微帶結(jié)構(gòu)（例如用于提供有效的負折射率）（圖6)、以及有效的介電常數(shù)、導磁率、波阻抗、和折射率的相關曲線（圖6A-6D);
[0173] 圖7描繪了作為2D平面波導結(jié)構(gòu)的示例性的CSRR陣列；
[0174] 圖8-1描繪了 CSRR元件被重新得到的介電常數(shù)和導磁率，并且圖8-2描繪了被重新得到的介電常數(shù)和導磁率與CSRR元件的幾何形狀參數(shù)的依賴關系；
[0175] 圖9-1、9_2分別描繪了用于光束轉(zhuǎn)向和光束聚焦應用的平面波導結(jié)構(gòu)的2D實現(xiàn) 的場數(shù)據(jù)；
[0176] 圖10-1、10_2描繪了示例性的CELC陣列，其作為提供各向異性介質(zhì)的2D平面波導結(jié)構(gòu)；以及
[0177] 圖11-1U1-2描繪了基于波導的梯度折射率透鏡，其被利用作為貼片天線陣列的饋電結(jié)構(gòu)。圖12(a)描繪了關于由圖中所顯示的重復的晶格單元組成的超材料的、被重新得到的介電常數(shù)；圖12(b)描繪了關于由圖中所顯示的重復的晶格單元所組成的超材料的、被重新得到的導磁率；圖12(c)描繪了在重新得到的參數(shù)中的扭曲和偽影是由于空間色散，空間色散能夠被移除以找到在下部圖像中所示的類似Drude-Lorentz諧振。圖13描繪了（線上顏色）重新得到關于閉環(huán)介質(zhì)的結(jié)果。在所有情況下，轉(zhuǎn)角的曲率半徑為〇? 6mm,并且w = 0? 2mm ;圖13(a)描繪了在a = 1. 4mm時提取的介電常數(shù)；圖13(b) 描繪了關于a的若干個值提取的折射率和阻抗，顯示了低頻率區(qū)域；圖13 (c)描繪了尺寸a 與被提取的折射率和波阻抗之間的關系。圖14描繪了關于所設計的梯度折射率結(jié)構(gòu)的折射率分布；圖14(a)描繪了光束轉(zhuǎn)向元件，其基于線性折射率梯度；圖14(b)描繪了光束聚焦透鏡，其基于更高階的多項式折射率梯度。要注意在兩種設計中阻抗匹配層（IML)的存在，其被提供以改進該結(jié)構(gòu)的插入損耗。圖15描繪了被制造的樣本，其中，超材料結(jié)構(gòu)隨空間坐標而改變。圖16描繪了光束轉(zhuǎn)向透鏡的場測繪測量。透鏡具有線性的梯度，其導致入射光束按 16.2°的角度偏轉(zhuǎn)。該效應是寬帶的，正如能夠從采用了四種不同頻率的相同的圖中所看到的，所述四種不同的頻率跨越試驗裝置的X帶范圍。圖17描繪了光束聚焦透鏡的場測繪測量。透鏡具有關于中心對稱的剖面（在文中給定），這導致入射光束被聚焦到一點。再一次地，該功能是寬帶的，正如能夠從采用了四種不同頻率的相同的圖中所看到的，所述四種不同的頻率跨越試驗裝置的X帶范圍。
[0178] 詳述
[0179] 此處所公開的各種實施方式包括"互補的"超材料元件，其可被視為原始的超材料元件比如開口諧振環(huán)（SRR)和電LC諧振器（ELC)的巴比涅補償。
[0180] SRR元件作用為人工的磁偶極"原子"，其產(chǎn)生實質(zhì)上對電磁波的磁場的磁響應。其巴比涅"二重特性"，互補的開口諧振環(huán)（CSRR)作用為被嵌入傳導表面的電偶極"原子"，并且產(chǎn)生實質(zhì)上對電磁波的電場的電響應。雖然此處描述了利用各種結(jié)構(gòu)的CSRR元件的特定例子，其他的實施方式可代替以可選擇的元件。例如，具有實質(zhì)上對平面外的磁場的磁響應的、任何實質(zhì)上平面的傳導結(jié)構(gòu)（下文中被稱為"M類元件"，SRR為其例子），其可限定互補的結(jié)構(gòu)（下文中被稱為"互補的M類元件"，CSRR為其例子），該互補的結(jié)構(gòu)是在傳導表面內(nèi)實質(zhì)上等效成形的孔縫、蝕刻、空缺，等等?；パa的M類元件將具有巴比涅二重特性響應，即，實質(zhì)上對平面外的電場的電響應。（每個都限定了相應的互補的M類元件的）各種 M類元件可包括：上述開口諧振環(huán)（包括單個開口諧振環(huán)（SSRR)、雙開口諧振環(huán)（DSRR)、具有多個縫隙的開口諧振環(huán)，等等），成Q形的元件（參看C. R. Simovski和S. He的arXiv : physics/0210049)，切割線對元件（參看 G. Dolling 等人的 Opt. Lett. 30, 3198 (2005))，或者任何其他的傳導結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)實質(zhì)上響應所施加的磁場（例如通過法拉第感應）被磁極化。
[0181] ELC元件作用為人工的電偶極"原子"，其產(chǎn)生實質(zhì)上對電磁波的電場的電響應。其巴比涅"二重特性"，互補的電LC (CELC)元件作用為被嵌入傳導表面的磁偶極"原子"，并且產(chǎn)生實質(zhì)上對電磁波的磁場的磁響應。雖然此處描述了利用各種結(jié)構(gòu)中的CELC元件的特定例子，其他的實施方式可代替以可選擇的元件。例如，具有實質(zhì)上對平面內(nèi)的電場的電響應的、任何實質(zhì)上平面的傳導結(jié)構(gòu)（下文中被稱為"E類元件"，ELC元件為其例子），其可限定互補的結(jié)構(gòu)（下文中被稱為"互補的E類元件"，CELC為其例子），該互補的結(jié)構(gòu)是在傳導表面內(nèi)實質(zhì)上等效成形的孔縫、蝕刻、空缺，等等?；パa的E類元件將具有巴比涅二重特性響應，即，實質(zhì)上對平面內(nèi)的磁場的磁響應。（每個都限定了相應的互補的E類元件的）各種E類元件可包括：電容式的結(jié)構(gòu)，其耦合到方向相反的環(huán)（正如在圖1、3、4、5、6、和 10-1，以及在 D.Schurig 等人的 "Electric-field-coupled resonators for negative permittivity metamaterials"，Appl. Phys. Lett. 88,041109(2006)和 H. _T. Cen 等人的 "Complementary planar terahertz metamaterials，'，Opt. Exp. l5，l〇84(2〇〇7)中所描述的其他不例性變體）；閉環(huán)兀件（參看R. Liu等人的"Broadband gradient index optics based on non-resonant metamaterials"，未發(fā)表，見所附的附錄）；I形結(jié)構(gòu)或者"狗骨頭" 形結(jié)構(gòu)（參看 R. Liu 等人的"Broadband ground-plane cloak，'，Science 323,366(2009)); 交叉形結(jié)構(gòu)（參看之前所引證的a-T.Cen等人的文獻）；或者任何其他的傳導結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)實質(zhì)上響應于所施加的電場而被電極化。在各種實施方式中，互補的E類元件可具有實質(zhì)上對平面內(nèi)的磁場各向同性的磁響應，或者實質(zhì)上對平面內(nèi)的磁場各向異性的磁響應。
[0182] 雖然M類元件可具有實質(zhì)上（平面外的）磁響應，但是在一些方法中，M類元件可額外地具有（平面內(nèi)的）電響應，該電響應也是大幅度的，但比上述磁響應的幅度?。ɡ?如，比上述磁響應具有更小的磁化率）。在這些方法中，相應的互補的M類元件將具有大幅度（平面外的）電響應，并且額外地，（平面內(nèi)的）磁響應也是大幅度的，但是比上述電響應的幅度?。ɡ?，比上述電響應具有更小的磁化率）。相類似地，雖然E類元件可具有大幅度（平面內(nèi)的）電響應，但是在一些方法中，E類元件可額外地具有（平面外的）磁響應，該磁響應也是大幅度的，但比上述電響應的幅度小（例如，比上述電響應具有更小的磁化率）。在這些方法中，相應的互補的E類元件將具有大幅度（平面內(nèi)的）磁響應，并且額外地，（平面外的）電響應也是大幅度的，但比上述磁響應的幅度?。ɡ纾壬鲜龃彭憫?具有更小的磁化率）。
[0183] 一些實施方式提供了波導結(jié)構(gòu)，其具有被嵌入的互補的元件比如之前所描述的那些元件的一個或多個邊界傳導表面。在波導的背景中，一般與體積材料相關的量一比如，介電常數(shù)、導磁率、折射率、和波阻抗一的定量分配可關于平面波導和以互補結(jié)構(gòu)被形成圖案的微帶線而被限定。例如，在波導結(jié)構(gòu)的一個或多個邊界面中被形成圖案的一個或多個互補的M類元件，比如CSRR，其可被特征化為具有有效的介電常數(shù)。值得注意的是，有效的介電常數(shù)能夠顯示出大的正值和負值，以及包括〇和1在內(nèi)的〇和1之間的值。正如將要描述的，設備能夠至少部分地基于由M類元件所顯示出的特性范圍來開發(fā)。在數(shù)量上進行這種任務的數(shù)字技術和實驗技術表示出很好的特色。
[0184] 可選擇地或額外地，在一些實施方式中，互補的E類元件，比如CELC，以與上面所描述相同的方式在波導結(jié)構(gòu)中被形成圖案，該互補的E類元件具有可被特征化為有效導磁率的磁響應。因此，互補的E類元件能夠顯示出有效導磁率值的大的正值和負值，以及包括 0和1在內(nèi)的0和1之間變化的有效導磁率。（對于本領域中的技術人員應當清楚是，在關于互補的E類和互補的M類這兩種結(jié)構(gòu)的介電常數(shù)和導磁率的描述中，除了上下文中以其他方式描述的部分之外，本公開自始至終總是討論其實部）這是因為諧振器的這兩種類型能夠在波導的背景中實現(xiàn)，實際上能夠?qū)崿F(xiàn)任何有效材料條件，其包括負折射率（介電常數(shù)和導磁率這兩者都小于0)，允許對通過這些結(jié)構(gòu)傳播的波的相當?shù)目刂?。例如，一些實?方式可提供有效的本構(gòu)參數(shù)，其實質(zhì)上相應于變換光學介質(zhì)（正如根據(jù)變換光學的方法，例如在 J.Pendry 等人的 "electromagnetic cloaking method"，第 11/459728 號美國專利申請中所描述的）。
[0185] 使用各種互補的E類和/或M類元件的組合，能夠形成各種各樣的設備。例如，已經(jīng)由Caloz和Itoh使用CRLH TL展示的實質(zhì)上所有設備具有與此處所描述的導波超材料結(jié)構(gòu)的類似物。最近，Silvereinha和Engheta提出了一種有吸引力的稱合器，其基于創(chuàng)造其中有效折射率（或傳播常數(shù)）接近于〇 (CITE)的區(qū)域。這樣一種介質(zhì)的等效物能夠通過將互補的E類和/或M類元件的圖案形成到波導結(jié)構(gòu)的邊界面中來創(chuàng)造。圖顯示和描述了零折射率耦合器和使用被形成圖案的波導的其他設備的、示例性的示意性非限制實現(xiàn)，以及關于示例性的非限制結(jié)構(gòu)可被如何實現(xiàn)的若干描述。
[0186] 圖1顯示了示例性的、示意性非限制的、導波的互補的ELC(磁響應）結(jié)構(gòu)，并且圖 1A-1D顯示了有效折射率、波阻抗、介電常數(shù)和導磁率的相關示例性曲線。雖然被描繪的例子僅顯示了單個的CELC元件，其他的方法提供了被布置在波導結(jié)構(gòu)的一個或多個表面上的多個CELC(或其他互補的E類）元件。
[0187] 圖2顯示了示例性的、示意性非限制的、導波的互補的SRR(電響應）結(jié)構(gòu)，并且圖 2A-2D顯示了有效折射率、波阻抗、介電常數(shù)和導磁率的相關示例性曲線。雖然被描繪的例子僅顯示了單個的CSRR元件，其他的方法提供了被布置在波導結(jié)構(gòu)的一個或多個表面上的多個CSRR元件（或其他互補的M類）元件。
[0188] 圖3顯示了示例性的、示意性非限制的、導波的結(jié)構(gòu)，其帶有CSRR和CELC兩種元件（例如用于提供有效的負折射率），其中CSRR和CELC在平面波導的相對表面上被形成圖案，并且圖3A-3D顯示了有效折射率、波阻抗、介電常數(shù)和導磁率的相關示例性曲線。雖然被描繪的例子僅顯示在波導的第一邊界面上的單個CELC元件，以及在波導的第二邊界面上的單個CSRR元件，但是其他方法提供了被布置在波導結(jié)構(gòu)的一個或多個表面上的多個互補的E類和/或M類元件。
[0189] 圖4顯示了示例性的、示意性非限制的、導波的結(jié)構(gòu)，其帶有CSRR和CELC兩種元件（例如用于提供有效的負折射率），其中CSRR和CELC在平面波導的相同表面上被形成圖案，并且圖4A-4D顯示了有效折射率、波阻抗、介電常數(shù)和導磁率的相關示例性曲線。雖然被描繪的例子僅顯示在波導的第一邊界面上的單個CELC元件和單個CSRR元件，但是其他方法提供了被布置在波導結(jié)構(gòu)的一個或多個表面上的多個互補的E類和/或M類元件。
[0190] 圖5顯示了示例性的、示意性非限制的、微帶的互補的ELC結(jié)構(gòu)，并且圖5A-?顯示了有效折射率、波阻抗、介電常數(shù)和導磁率的相關示例性曲線。雖然被描繪的例子僅顯示了在微帶結(jié)構(gòu)的接地平面上的單個CELC元件，但是其他方法提供了被布置在微帶結(jié)構(gòu)的一個或兩個帶部分上、或者在微帶結(jié)構(gòu)的接地平面部分上的多個CELC (或其他互補的E類）元件。
[0191] 圖6顯示了示例性的、示意性非限制的微帶線結(jié)構(gòu)，其帶有CSRR和CELC兩種元件 (例如用于提供有效的負折射率），并且圖6A-6D顯示了有效折射率、波阻抗、介電常數(shù)和導磁率的相關示例性曲線。雖然被描繪的例子僅顯示了在微帶結(jié)構(gòu)的接地平面上的單個CSRR 元件和兩個CELC元件，其他方法提供了被布置在微帶結(jié)構(gòu)的一個或兩個帶部分上、或者在微帶結(jié)構(gòu)的接地平面部分上的多個互補的E類和/或M類元件。
[0192] 圖7示出了作為2D波導結(jié)構(gòu)使用的CSRR陣列。在一些方法中，2D波導結(jié)構(gòu)可具有一些邊界面（例如在圖7中所描繪的上部和下部的金屬平面），其使用互補的E類和/或 M類元件被形成圖案，以便實現(xiàn)比如阻抗匹配、梯度設計、或色散控制的功能。
[0193] 作為梯度設計的例子，圖7的CSRR結(jié)構(gòu)已被利用來形成梯度折射率光線轉(zhuǎn)向和光線聚焦這兩種結(jié)構(gòu)。圖8-1示出單個示例性的CSRR，以及相應于（以波導幾何結(jié)構(gòu)）CSRR 的被重新得到的介電常數(shù)和導磁率。正如圖8-2中所顯示的，通過改變CSRR設計中的參數(shù) (在這種情況下為CSRR中每處彎曲的曲率），折射率和/或阻抗能夠被微調(diào)。
[0194] 如圖7中所示CSRR結(jié)構(gòu)布局，其帶有在沿著入射的被導向光束的橫向的方向上被施加的實質(zhì)上為線性的折射率的梯度，該CSRR結(jié)構(gòu)產(chǎn)生退出光束，其被轉(zhuǎn)向的角度不同于入射光束的角度。圖9-1顯示了示例性的場數(shù)據(jù)，其采用平面波導光束轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的2D實現(xiàn)。場測繪裝置已經(jīng)在參考文獻[B. J. Justice, J. J. Mock, L. Guo, A. Degiron，D. Schurig， D. R. Smith，"Spatial mapping of the internal and external electromagnetic fields of negative index metamaterials"，Optics Express，vol. 14, p. 8694 (2006)]中進行了相當詳細的描述。同樣地，在沿著CSRR陣列內(nèi)的入射光束的橫向的方向上實現(xiàn)拋物線形的折射率梯度產(chǎn)生了聚焦透鏡，例如如圖9-2中所示。一般地說，作為（拋物線或其他形式的）凹函數(shù)的橫向折射率剖面將提供正聚焦效果，比如在圖9-2中所描繪的（相應于正焦距）；作為（拋物線或其他形式的）凸函數(shù)的橫向折射率剖面將提供負聚焦效果（相應于負焦距，例如用于接收準直的光束并且傳輸發(fā)散光束）。對于其中超材料元件包括了可調(diào) 節(jié)的超材料元件（如下面所討論的）的方法，實施方式可提供具有電磁功能（例如，光束轉(zhuǎn)向、光束聚焦，等等）的裝置，其可相應調(diào)節(jié)。因此，例如，光束轉(zhuǎn)向裝置可被調(diào)節(jié)以提供至少第一和第二偏轉(zhuǎn)角；光束聚焦裝置可被調(diào)節(jié)以提供至少第一和第二焦距，等等。使用 CELC形成的2D介質(zhì)的例子在圖10-1、10-2中示出。這里，使用平面內(nèi)CELC的各向異性來形成"各向異性介質(zhì)"，其中導磁率的第一平面內(nèi)部分為負，而另一個平面內(nèi)部分為正。這樣一種介質(zhì)產(chǎn)生來自線源的波的部分重新聚焦，正如在圖10-2中被試驗地獲得的場圖所示。大量各向異性介質(zhì)的聚焦特性之前已經(jīng)有所報道[D.R. Smith,D.Schurig,J.J.Mock, P. Kolinko, P. Rye, "Partial focusing of radiation by a slab of indefinite media"， Applied Physics Letters, vol. 84，p. 2244(2004)]。在這組圖中顯示的試驗結(jié)果驗證了該設計方法，并且顯示波導超材料元件能夠被生產(chǎn)，其帶有復雜的功能，包括各向異性和梯度。
[0195] 在圖11-1和11-2中，基于波導的梯度折射率結(jié)構(gòu)（例如具有包括了互補的E類和 /或M類元件的邊界導體，如在圖7和10-1中所示）被安排作為用于貼片天線陣列的饋電結(jié)構(gòu)。在圖11-1和11-2的示例性的實施方式中，該饋電結(jié)構(gòu)校準來自單個源的波，所述單個源隨后驅(qū)動貼片天線陣列。眾所周知這類天線配置是Rotman透鏡配置。在這種示例性的實施方式中，波導超材料提供在平面波導內(nèi)的有效梯度折射率透鏡，通過所述平面波導能夠由被定位在梯度折射率透鏡的聚集平面上的點源生成平面波，如通過圖11-2中的"饋入點"所示出的。對于Rotman透鏡天線而言，如圖11-1所示，多個饋入點能夠被放置到梯度折射率超材料透鏡的聚焦平面上，并且天線元件能夠被連接到波導結(jié)構(gòu)的輸出。從眾所周知的光學理論可知，在每個天線之間的相位差將依賴于源的饋入位置，使得能夠?qū)崿F(xiàn)相控陣光束成形。圖11-2是場圖，其顯示來自線源的場，所述線源驅(qū)動在焦點上的梯度折射率平面波導的超材料，產(chǎn)生準直的光束。雖然圖11-1和11-2的示例性的饋電結(jié)構(gòu)描繪了 Rotman透鏡類型的配置，對于該Rotman透鏡類型的配置而言，天線相位差實質(zhì)上通過饋入點的位置確定，在其他的方法中，天線相位差通過固定饋入點并且（例如通過利用可調(diào)節(jié) 的超材料元件，正如下面所討論的）調(diào)節(jié)梯度折射率透鏡的電磁特性（并因此調(diào)整相位傳播特征）來確定，而其他實施方式可組合這兩種方法（即，調(diào)節(jié)饋入點位置和透鏡參數(shù)這兩者，以漸增地實現(xiàn)所需的天線相位差）。
[0196] 在一些方法中，具有用于接收電磁能的輸入端口或輸入?yún)^(qū)域的波導結(jié)構(gòu)可包括被定位在輸入端口或輸入?yún)^(qū)域處的阻抗匹配層（ml)，例如用于通過降低或?qū)嵸|(zhì)上消除在輸入端口或輸入?yún)^(qū)域處的反射來改進輸入的插入損耗?？蛇x擇地或額外地，在一些方法中，具有用于發(fā)射電磁能的輸出端口或輸出區(qū)域的波導結(jié)構(gòu)可包括被定位在輸出端口或輸出區(qū)域處的阻抗匹配層（IML)，例如用于通過降低或?qū)嵸|(zhì)上消除在輸出端口或輸出區(qū)域處的反射來改進輸出的插入損耗。阻抗匹配層可具有波阻抗剖面，其提供了實質(zhì)上連續(xù)的波阻抗的變化，即從波導結(jié)構(gòu)的外表面（例如波導機構(gòu)靠近毗鄰的介質(zhì)或設備之處）上的初始波阻抗變化到在頂L與（例如提供比如光束轉(zhuǎn)向或光束聚焦的設備功能的）梯度折射率區(qū)域之間接口處的最終波阻抗。在一些方法中，波阻抗的實質(zhì)上連續(xù)的變化相應于實質(zhì)上連續(xù)的折射率變化（例如，比如圖8-2中所描繪的，改變一種元件的布置，根據(jù)固定一致性 (correspondence)，調(diào)節(jié)了有效折射和有效波阻抗這兩者），雖然在其他的方法中，波阻抗可實質(zhì)上獨立于折射率來改變（例如通過利用互補的E類和M類兩種元件，并且獨立地改變這兩種元件的布置，以相應地獨立微調(diào)有效折射率和有效波阻抗）。
[0197] 雖然示例性的實施方式提供了具有被改變的幾何參數(shù)（比如長度、厚度、曲率半徑、或者單位尺寸）的互補的超材料元件的空間布置，以及被相應地改變的獨立的電磁響應（例如在圖8-2中所示），在其他實施方式中，互補的超材料元件的其他物理參數(shù)被改變 (可選擇地或額外地改變幾何參數(shù)），以提供改變的獨立的電磁響應。例如，實施方式可包括互補的超材料元件（比如，CSRR或CELC),其為對包括電容性縫隙的原始超材料元件的補足物，并且互補的超材料元件可通過原始超材料元件的電容性縫隙的被改變電容來參數(shù) 化。等效地，要注意根據(jù)巴比涅原理，元件中的電容（例如以具有變化的數(shù)量的數(shù)字和/或變化的數(shù)字長度的平面指狀電容器的形式）變成其補足物中的電感（例如以具有變化的匝數(shù)量和/或變化的匝長度的曲折線電感器的形式），互補的元件可通過互補的超材料元件的被改變電感來參數(shù)化?？蛇x擇地或額外地，實施方式可包括互補的超材料元件（比如， CSRR或CELC)，其為對包括了電感性電路的原始超材料元件的補足物，并且互補的超材料元件可通過原始超材料元件的電感性電路的被改變電感來參數(shù)化。等效地，要注意根據(jù)巴比涅原理，元件中的電感（例如以具有變化的匝數(shù)量和/或變化的匝長度的曲折線電感器的形式）變成其補足物中的電容（例如以具有變化的數(shù)量的數(shù)字和/或變化的數(shù)字長度的平面指狀電容器的形式），該互補的元件可通過互補的超材料元件的被改變電容來參數(shù)化。況且，實質(zhì)上平面的超材料元件可使其電容和/或電感通過附加集中的電容器或電感器來擴充。在一些方法中，根據(jù)對關于變化的物理參數(shù)的電磁響應（參看圖8-2中的回歸曲線）的回歸分析，來確定變化的物理參數(shù)（比如幾何參數(shù)、電容、電感）。
[0198] 在一些實施方式中，互補的超材料元件是可調(diào)節(jié)的元件，其具有的可調(diào)節(jié)物理參數(shù)相應于可調(diào)節(jié)的、元件的獨立的電磁響應。例如，實施方式可包括互補的元件（比如CSRR)，其具有可調(diào)節(jié)的電容（例如，通過在CSRR的內(nèi)部和外部金屬區(qū)域之間添加變?nèi)?二極管，如在 A. Velez 和 J. Bonarche 的 "Varactor-loaded complementary split ring resonators(VLCSRR)and their application to tunable metamaterials transmission lines"IEEE Microw. Wireless Compon. Lett. 18, 28 (2008)中的）。在另一種方法中，對于具有帶中間介電基底的上部導體和下部導體（例如帶和接地平面）的波導實施方式而言，被嵌入上部導體和/或下部導體的互補的超材料元件可通過提供具有非線性介電響應（例如鐵電材料）的介電基底并且在兩個導體之間施加偏置電壓來調(diào)節(jié)。在另一種方法中，光敏材料（例如，半導體材料比如GaAs或n型硅）可被定位靠近互補的超材料元件，并且元件的電磁響應可通過有選擇地將光能施加到光敏材料上（例如導致光摻雜）來進行調(diào)節(jié)。而在另一種方法中，磁層（例如亞鐵磁或鐵磁的材料）可被定位靠近互補的超材料元件，并且元件的電磁響應可通過施加偏置磁場來調(diào)節(jié)（例如，如在J. Gollub等人的"Hybrid resonant phenomenon in a metamaterial structure with integrated resonant magnetic material"，arXiv:0810. 4871 (2008)中所描述的）。雖然此處的示例性的實施方式可利用將電磁響應與幾何參數(shù)相關聯(lián)起來的回歸分析（參看圖8-2中的回歸曲線），使用具有可調(diào) 節(jié)的元件的實施方式可利用將電磁響應與可調(diào)節(jié)物理參數(shù)相關聯(lián)起來的回歸分析，所述物理參數(shù)實質(zhì)上與電磁響應相關聯(lián)。
[0199] 在一些實施方式中，使用具有可調(diào)節(jié)物理參數(shù)的可調(diào)節(jié)的元件，可調(diào)節(jié)物理參數(shù) 可響應一個或多個外部輸入進行調(diào)節(jié)，所述外部輸入比如電壓輸入（例如有源元件的偏置電壓）、電流輸入（例如將載荷子直接注入有源元件）、光輸入（例如照射光活性材料）、或者場輸入（例如用于包括了鐵電體/鐵磁體的方法的偏置電場/磁場）。相應地，一些實施方式提供了一些方法，這些方法包括：確定可調(diào)節(jié)物理參數(shù)的相應值（例如通過回歸分析）；隨后提供和被確定的相應值有關的一個或多個控制輸入。其他的實施方式提供了自適應的或可調(diào)節(jié)的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)合并具有電路的控制單元，其被配置成確定可調(diào)節(jié)物理參數(shù)的相應值（例如通過回歸分析）和/或提供一個或多個控制輸入，所述控制輸入對應于被確定的相應值。
[0200] 雖然一些實施方式利用了將電磁響應和物理參數(shù)（包括可調(diào)節(jié)物理參數(shù)）相關聯(lián) 的回歸分析，對于其中相應的可調(diào)節(jié)物理參數(shù)是通過一個或多個控制輸入確定的實施方式而言，回歸分析可直接將電磁響應關聯(lián)到控制輸入。例如，當根據(jù)所施加的偏置電壓確定可調(diào)節(jié)物理參數(shù)是變?nèi)荻O管的可調(diào)節(jié)的電容時，回歸分析可將電磁響應關聯(lián)到該可調(diào)節(jié)的電容，或者回歸分析可將電磁響應關聯(lián)到所施加的偏置電壓。
[0201] 雖然一些實施方式提供了實質(zhì)上對電磁輻射的窄帶響應（例如關于靠近互補的超材料元件中的一個或多個諧振頻率的頻率），其他的實施方式提供了實質(zhì)上對電磁輻射的寬帶響應（例如關于實質(zhì)上小于、實質(zhì)上大于、或者另外實質(zhì)上不同于互補的超材料元件的一個或多個諧振頻率的頻率）。例如，實施方式可利用寬帶超材料元件的巴比捏補足物，比如那些在R.Liu等人的"Broadband gradiant index optics based on non-resonant metamaterials"（未公開，見所附附錄）中和/或in R. Liu等人的 "Broadband ground-plane cloak，'，Science 323,366(2009))中所描述的超材料。
[0202] 雖然前述示例性的實施方式是實質(zhì)上二維的平面實施方式，但是其他的實施方式可利用在實質(zhì)上非平面配置中和/或在實質(zhì)上三維配置中的互補的超材料元件。例如，實施方式可提供實質(zhì)上三維的層堆疊，每個層都具有傳導表面，該傳導表面帶有被嵌入的互補的超材料元件?？蛇x擇地或額外地，互補的超材料元件可被嵌入實質(zhì)上非平面的傳導表面（例如，圓柱形、球形，等等）中。例如，一種裝置可包括一個彎曲的傳導表面（或多個彎曲的傳導表面），該彎曲的傳導表面嵌入互補的超材料兀件，并且彎曲的傳導表面可具有一曲率半徑，其實質(zhì)上大于互補的超材料元件的一般長度尺度，但是比得上或者實質(zhì)上小于對應于裝置的工作頻率的波長。
[0203] 雖然在這里結(jié)合示例性的、示意性非限制的實現(xiàn)描述了上述技術，但是本發(fā)明不受本公開的限制。本發(fā)明旨在通過權(quán)利要求進行限定，并且覆蓋所有相應的和等效的布置，無論此處是否進行了具體公開。
[0204] 特此通過引用并入上面所引證的文件和其他信息來源的全部內(nèi)容。
[0205] 基于非諧振超材料的寬帶梯度折射率光學器件
[0206] R. Liu1, Q. Cheng2, J. Y. Chin2, J. J. Mock1, T. J. Cui2, D. R. Smith1
[0207] Center for Metamaterials and Integrated Plasmonics and Department of Electrical and Computer Engineering, Duke University, Box90291, Durham, NC 27708
[0208] 2The State Key Laboratory of Millimeter Waves, Department of Radio Engineering, Southeast University，Nanjing 210096，P。R。China(2008 年 11 月 27 日）
[0209] 摘要
[0210] 利用非諧振的超材料元件，我們論證了能夠被構(gòu)造的復雜的梯度折射率光學元件，其顯示出低材料損耗和大頻率帶寬。雖然結(jié)構(gòu)的范圍被限制在僅具有電響應的光學元件內(nèi)，并且介電常數(shù)總是等于或大于1，但是通過借助于非諧振元件使得仍然有大量的超材料設計的可能性。例如，能夠添加梯度的阻抗匹配層，以便大幅度降低光學元件的回波損耗，使這些光學元件基本上無反射且無損耗。在微波試驗中，我們論證了使用梯度折射率透鏡和光束轉(zhuǎn)向元件的寬帶設計理念，梯度折射率透鏡和光束轉(zhuǎn)向元件這兩者都被確認可在整個X帶（大約8-12GHZ)頻譜上工作。
[0211] 因為超材料元件的電磁響應能夠被精確地控制，它們能夠被視為大范圍的復雜電磁介質(zhì)的基礎構(gòu)建塊。迄今為止，超材料通常用諧振傳導電路構(gòu)成，這些諧振傳導電路的尺寸和空間遠小于工作波長。通過設計這些諧振元件的大的雙極響應，能夠?qū)崿F(xiàn)前所未有的范圍的有效材料響應，包括人工磁性、以及有效的介電常數(shù)和導磁率張量元件的大的正值和負值。
[0212] 借助于在這些諧振元件中固有的靈活性，超材料已被用來實現(xiàn)以使用常規(guī)材料的其他方式很難或者不可能實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)。例如，負折射率材料就引發(fā)了人們對超材料濃厚的興趣，因為負折射率不是自然界中存在的材料特性。然而，同樣引人注目的是負折射率介質(zhì)，它們僅代表著能夠開始用人工構(gòu)造的介質(zhì)實現(xiàn)。在不均勻的介質(zhì)中，材料特性以在整個空間中被控制的方式來改變，因此不均勻的介質(zhì)能夠被用來開發(fā)光學組件，并且極好地匹配通過超材料的實現(xiàn)。實際上，在大量試驗中，梯度折射率光學元件已經(jīng)在微波頻率上得到了展示。況且，因為超材料允許以前所未有的自由，以在整個空間區(qū)域中點對點地獨立控制本構(gòu)張量元件，超材料能夠被用作實現(xiàn)通過變換光學的方法所設計的結(jié)構(gòu)的技術[1]。于 2006年在微波頻率上展示的"隱身"斗篷就是超材料[2]的例子。
[0213] 雖然超材料已被成功地證明能實現(xiàn)獨特的電磁響應，但是在實際應用中，被展示的結(jié)構(gòu)通常只有邊際效應，這是由于最經(jīng)常使用的諧振元件天然有大的損耗。使用圖12中所描繪的曲線能夠示出這種情況，其中在圖12(a)和12(b)中示出了關于圖中的超材料單位晶格的有效本構(gòu)參數(shù)。根據(jù)在參考文獻[3]中所描述的有效介質(zhì)理論，重新得到的曲線會受到空間色散效應的明顯影響。為了移除空間色散因數(shù)，我們能夠運用定理[3]中的公式，并且得到

【權(quán)利要求】
1. 一種用于提供在平行于傳導表面的方向上的有效導磁率的裝置，包括：傳導表面，其具有對應于所述傳導表面內(nèi)的限定互補的超材料元件的相應孔縫的多個獨立的電磁響應，所述多個獨立的電磁響應提供在平行于所述傳導表面的方向上的有效導磁率，其中所述傳導表面是波導結(jié)構(gòu)的邊界面，并且所述有效導磁率是實質(zhì)上在所述波導結(jié) 構(gòu)內(nèi)傳播的電磁波的有效導磁率。
2. 如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述有效導磁率實質(zhì)上為零。
3. 如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述有效導磁率實質(zhì)上小于零。
4. 如權(quán)利要求1所述的裝置，其中在平行于所述傳導表面的所述方向上的所述有效導磁率是在平行于所述傳導表面的第一方向上的第一有效導磁率，并且所述多個相應的獨立的電磁響應還提供在平行于所述傳導表面且垂直于所述第一方向的第二方向上的第二有效導磁率。
5. 如權(quán)利要求4所述的裝置，其中所述第一有效導磁率實質(zhì)上等于所述第二有效導磁率。
6. 如權(quán)利要求4所述的裝置，其中所述第一有效導磁率實質(zhì)上不同于所述第二有效導磁率。
7. 如權(quán)利要求6所述的裝置，其中所述第一有效導磁率大于0,并且所述第二有效導磁率小于0。
8. -種用于提供實質(zhì)上小于0或等于0的有效折射率的裝置，包括：具有多個獨立的電磁響應的一個或多個傳導表面，所述多個獨立的電磁響應對應于在所述一個或多個傳導表面內(nèi)的限定互補的超材料元件的相應孔縫，所述多個獨立的電磁響應提供實質(zhì)上小于〇或等于〇的有效折射率，其中所述一個或多個傳導表面是波導結(jié)構(gòu)的一個或多個邊界面，并且所述有效折射率是實質(zhì)上在所述波導結(jié)構(gòu)內(nèi)傳播的電磁波的有效折射率。
9. 一種用于提供空間地變化的有效折射率的裝置，包括：具有多個獨立的電磁響應的一個或多個傳導表面，所述多個獨立的電磁響應對應于在所述一個或多個傳導表面內(nèi)的限定互補的超材料元件的相應孔縫，所述多個獨立的電磁響應提供空間地變化的有效折射率，其中所述一個或多個傳導表面是波導結(jié)構(gòu)的一個或多個邊界面，并且所述空間地變化的有效折射率是實質(zhì)上在所述波導結(jié)構(gòu)內(nèi)傳播的電磁波的空間地變化的有效折射率。
10. 如權(quán)利要求9所述的裝置，其中所述波導結(jié)構(gòu)是實質(zhì)上平面的二維波導結(jié)構(gòu)。
【文檔編號】H01P7/08GK104377414SQ201410429720
【公開日】2015年2月25日申請日期:2009年8月21日優(yōu)先權(quán)日:2008年8月22日
【發(fā)明者】戴維·R·斯密斯, 若鵬·劉, 崔鐵軍, 程強, 喬納·戈勒布申請人:杜克大學

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