ES2574406T3 - Metamaterial y antena de metamaterial - Google Patents

Abstract

Un metamaterial para ser usado con una fuente de radiación, el metamaterial está dispuesto en una dirección de propagación de ondas electromagnéticas emitidas a partir de la fuente de radiación, en donde una línea que conecta la fuente de radiación a un punto en una primera superficie del metamaterial y una línea perpendicular al metamaterial forman un ángulo θ entre los mismos, el cual corresponde únicamente a una superficie curva en el metamaterial; cada punto en la superficie curva al cual el ángulo θcorresponde únicamente tiene un mismo índice refractivo; los índices refractivos del metamaterial disminuyen gradualmente en la medida que el ángulo θ aumenta; y las ondas electromagnéticas que se propagan a través del metamaterial salen en paralelo a partir de una segunda superficie del metamaterial.

Description

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Metamaterial y antena de metamaterial Campo de la invencion

La presente invencion en general se relaciona al campo de tecnologfas electromagneticas, y mas particularmente, a un metamaterial y una antena de metamaterial.

Antecedentes de la invencion

En opticas convencionales, se puede usar un lente para refractar una onda esferica, la cual se irradia a partir de un punto de fuente de luz ubicado en un foco del lente, dentro de una onda plana. Actualmente, el efecto convergente de los lentes se logra por virtud de la propiedad refractiva de la forma esferica de los lentes. Como se muestra en la Fig. 1, una onda esferica emitida a partir de un radiador 30, converge por lentes 40 esfericos y existe en la forma de una onda plana. El inventor ha encontrado en el proceso de hacer esta invencion que, la antena de lentes tiene al menos los siguientes problemas tecnicos: los lentes 40 esfericos son voluminosos y pesados, lo cual no es favorable para miniaturizacion; el desempeno de los lentes 40 esfericos depende en gran medida en la forma de los mismos, y la propagacion direccional de la antena se puede lograr solo cuando los lentes 40 esfericos tienen una forma precisa; y se ocasionan serias interferencias y perdidas a las ondas electromagneticas, las cuales reducen la energfa electromagnetica. Ademas, para la mayorfa de los lentes, las transiciones abruptas de los indices refractivos siguen una simple linea que es perpendicular a una superficie de los lentes. Consecuentemente, las ondas electromagneticas que se propagan mediante los lentes sufren de refraccion, difraccion y reflexion considerables, las cuales tienen un efecto serio en los rendimientos de los lentes.

El documento de la tecnica anterior US2010 165473 describe un lente plano con estructura de metamaterial. Resumen de la invencion

En vista de los problemas anteriormente mencionados que la tecnica anterior sufre de refraccion, difraccion y reflexion considerables y tiene rendimientos de metamaterial pobres, un objetivo de la presente invencion es proporcionar un metamaterial y una antena de metamaterial que tenga rendimientos superiores.

Para lograr el objetivo anteriormente mencionado, la presente invencion proporciona un metamaterial. Una linea que conecta una fuente de radicacion a un punto en una primera superficie del metamaterial y una linea perpendicular al metamaterial que forma un angulo 0 entre los mismos, el cual solo corresponde a una superficie curva en el metamaterial. Cada punto de la superficie curva al cual corresponde el angulo 0, tiene un mismo indice refractivo. Los indices refractivos del metamaterial disminuyen gradualmente en la medida que aumenta el angulo 0. Las ondas electromagneticas que se propagan mediante el metamaterial salen en paralelo a partir de una segunda superficie del metamaterial.

Preferiblemente, la distribucion del indice refractivo de la superficie curva satisface:

imagen1

donde, S(0) es una longitud de arco de una generatriz de la superficie curva, F es una distancia a partir de la fuente de radiacion al metamaterial, d es un espesor del metamaterial; y nmax es el indice maximo refractivo del metamaterial.

Preferiblemente, el metamaterial comprende al menos una capa de lamina de metamaterial, cada una de las cuales comprende una lamina como un substrato y una diversidad de microestructuras hechas por el hombre unidas al substrato.

Preferiblemente, cada una de las microestructuras hechas por el hombre es una estructura bidimensional (2D) o tridimensional (3D) consistente de al menos un alambre de metal que tiene un patron geometrico.

Preferiblemente, cada una de las microestructuras hechas por el hombre tiene una forma de “I”, una forma de “cruz” o una forma de copo de nieve.

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donde 5 es un decimal predefinido.

Preferiblemente, cuando se toma una linea que pasa a traves de un centro de la primera superficie del metamaterial y perpendicular al metamaterial, como un eje de abscisa y cuando se toma una linea que pasa a traves del centro de la primera superficie del metamaterial y paralela a la primera superficie es como un eje de ordenada, se representa una ecuacion de parabola donde se ubica el arco parabolico como:

imagen3

Preferiblemente, el angulo 0 de cada punto (x, y) del arco parabolico, satisface la siguiente expresion relacional:

2dy

2d(F + x)-x2 '

Preferiblemente, cuando la generatriz de la superficie curva es un arco eliptico, se toma la linea que pasa a traves del centro de la primera superficie del metamaterial y perpendicular al metamaterial, como un eje de abscisa y cuando la linea que pasa a traves del centro de la primera superficie del metamaterial y paralela a la primera superficie se toma como el eje de ordenada, se representa una ecuacion de una elipse donde se ubica el arco eliptico como:

0 (x,y) = tan 1

imagen4

donde a, b y c satisfacen la siguiente relacion:

d2 {FiznO -cf

sen 6 b1 d

V«2(0)-sen W)

Preferiblemente, un centro de la elipse donde se ubica el arco eliptico esta localizado en la segunda superficie y tiene coordenadas (d, c).

Preferiblemente, un punto de la primera superficie que corresponde al angulo 0, tiene un angulo de refraccion 0', y un indice n(0) refractivo del punto satisface:

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send

= r(«n

dxO

xd +s

cosO

donde, s es una distancia a partir de la fuente de radiacion al metamaterial, d es un espesor del metamaterial; y nmax es el maximo fndice refractivo del metamaterial.

Preferiblemente, una lfnea perpendicular de una lfnea que conecta la fuente de radiacion a un punto en la primera superficie del metamaterial, intersecta con la segunda superficie del metamaterial en un centro del circulo del arco circular, y un segmento de lfnea perpendicular entre el centro del circulo y un punto en la primera superficie del metamaterial es un radio del arco circular.

Preferiblemente, el metamaterial se proporciona con una capa de emparejamiento de impedancia en dos lados del mismo respectivamente.

Para lograr el objetivo anteriormente mencionado, la presente invencion proporciona adicionalmente una antena de metamaterial, la cual comprende un metamaterial y una fuente de radiacion dispuestos en un foco del metamaterial. Una lfnea que conecta la fuente de radiacion a punto en una primera superficie del metamaterial y una lfnea perpendicular al metamaterial forma un angulo 0 ente los mismos, el cual corresponde unicamente a una superficie curva en el metamaterial. Cada punto en la superficie curva al cual el angulo 0 corresponde unicamente, tiene el mismo fndice refractivo. Los indices refractivos en el metamaterial disminuyen gradualmente en la medida que aumenta el angulo 0. Las ondas electromagneticas que se propagan a traves del metamaterial, salen en paralelo a partir de una segunda superficie del metamaterial.

Preferiblemente, la distribucion del fndice refractivo del la superficie curva satisface:

imagen6

donde, S(0) es una longitud de arco de la parabolica, F es una distancia a partir de la fuente de radiacion al metamaterial; d es un espesor del metamaterial; y nmax es el maximo fndice refractivo del metamaterial.

Preferiblemente, el metamaterial comprende al menos una capa de lamina del metamaterial, cada una de las cuales comprende un substrato como una lamina y una diversidad de microestructuras hechas por el hombre unidas al substrato.

Preferiblemente, cuando la generatriz de la superficie curva es un arco elfptico, una lfnea que pasa a traves de un centro de la primera superficie del metamaterial y perpendicular al metamaterial se toma como un eje de abscisa y una lfnea que pasa a traves del centro de la primera superficie del metamaterial y paralela a la primera superficie se toma como un eje de ordenada, una ecuacion de una elipse donde se ubica el arco elfptico se representa como:

(x-df [ (y-c)2_1

a

b2

donde a, b y c satisfacen la siguiente relacion:

d2 (FtanO c)2

+ .i - ;

a b

sen 6 _b2 d

4n2(0) -sen2(6) ^ Fian6-c

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donde 6 es un decimal predefinido.

Preferiblemente, cuando la linea que pasa a traves del centro de la primera superficie del metamaterial y perpendicular al metamaterial se toma como un eje de abscisa y la linea que pasa a traves del centro de la primera superficie del metamaterial y paralela a la primera superficie se toma como un eje de ordenada, una ecuacion de una parabola donde se ubica el arco parabolico se representa como:

y(x) = tan 9(——x2 +x + F)

2d '

Las soluciones tecnicas de la presente invencion tienen los siguiente beneficios: al disenar transiciones abruptas de los indices refractivos del metamaterial para seguir una superficie curva, se puede reducir significativamente la refraccion, difraccion y reflexion en los puntos de transicion abruptos. Como resultado, se alivian los problemas ocasionados por las interferencias, los cuales ademas mejoran los rendimientos del metamaterial y la antena del metamaterial.

Breve descripcion de los dibujos

En lo sucesivo, la presente invencion sera descrita ademas con referencia a los dibujos adyacentes y las realizaciones de esta. En los dibujos adyacentes:

La Fig. 1 es una vista esquematica que ilustra un lente esferico convencional en el cual convergen las ondas electromagneticas;

La Fig. 2 es una vista esquematica que ilustra un metamaterial de acuerdo con una realizacion de la presente invencion en la cual convergen las ondas electromagneticas;

La Fig. 3 es una vista esquematica que ilustra una forma de una superficie curva en el metamaterial 10 que se muestra en la Fig. 2 al cual corresponde unicamente un angulo 0;

La Fig. 4 es una vista lateral del metamaterial 10 que se muestra en la Fig. 3;

La Fig. 5 es una vista esquematica que ilustra una generatriz m de la superficie curva Cm que se muestra en la Fig. 3 cuando es un arco parabolico;

La Fig. 6 es una vista esquematica que ilustra variaciones de los indices refractivos de la Fig. 5;

La Fig. 7 es una vista esquematica que ilustra coordenadas del arco parabolico de la Fig. 5;

La Fig. 8 es un diagrama que ilustra la distribucion del indice refractivo del metamaterial de la Fig. 5 en un plano yx;

La Fig. 9 es una vista esquematica que ilustra la generatriz m de la superficie curva Cm que se muestra en la Fig. 3

cuando es un arco elfptico;

La Fig. 10 es una vista esquematica que ilustra la construccion de la generatriz m de la superficie curva Cm que se muestra en la Fig. 3 cuando la generatriz m es un arco circular; y

La Fig. 11 es un diagrama que ilustra la distribucion del indice refractivo del metamaterial de la Fig. 9 en el plano yx. Descripcion detallada de la invencion

La Fig. 2 es una vista esquematica que ilustra un metamaterial de acuerdo con una realizacion de la presente invencion en la cual convergen las ondas electromagneticas. El metamaterial 10 esta dispuesto en una direccion de propagacion de ondas electromagneticas emitidas a partir de una fuente de radiacion.

Como puede conocerse como sentido comun, el indice refractivo de la onda electromagnetica es proporcional a

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onda electromagnetica se desviara hacia un sitio que tiene un gran fndice refractivo. Al disenar los parametros electromagneticos del metamaterial en cada punto, la distribucion del fndice refractivo del metamaterial se puede ajustar de forma que se logre el proposito de cambiar el camino de propagacion de la onda electromagnetica. De acuerdo con el principio anteriormente mencionado, la distribucion del fndice refractivo del metamaterial 10 se puede disenar de tal forma que una onda electromagnetica divergente en la forma de una onda esferica que se emite a partir de la fuente 20 de radiacion se convierta en una onda electromagnetica plana adecuada para transmision de larga distancia.

La Fig. 3 es una vista esquematica que ilustra una forma de una superficie curva en el metamaterial 10 que se muestra en la Fig. 2 a la cual corresponde unicamente un angulo 0. Como se muestra, una lfnea que conecta la fuente 20 de radiacion a un punto en una primera superficie A del metamaterial 10 y una lfnea L que pasa a traves de un centro O de una primera superficie A del metamaterial 10 y perpendicular al metamaterial 10, forman un angulo 0 entre los mismos, el cual corresponde unicamente a una superficie curva Cm en el metamaterial 10. Cada punto en la superficie curva Cm al cual el angulo 0 corresponde unicamente, tiene un mismo mdice refractivo. Los indices refractivos del metamaterial 10 disminuyen gradualmente en la medida que aumenta el angulo 0. Las ondas electromagneticas que se propagan a traves del metamaterial, salen en paralelo a partir de una segunda superficie B del metamaterial.

Como se muestra en la Fig. 3, una generatriz de la superficie curva Cm es un arco m, y la superficie curva Cm se obtiene mediante la rotacion del arco m alrededor de la lfnea L. La Fig. 4 es una vista lateral del metamaterial 10. El espesor del metamaterial 10 es como se muestra por d, y L representa una lfnea perpendicular al metamaterial. Una vista de seccion transversal de una superficie curva que tiene un mismo fndice refractivo esta en la forma de dos arcos, los cuales son simetricos con relacion a la lfnea L. El arco que se muestra por una lfnea punteada es una generatriz de una superficie curva virtual en el metamaterial 10. Con el fin de describir mas claramente que los puntos en la misma superficie curva tienen el mismo fndice refractivo, se dilucidara tambien la superficie curva virtual (la cual no existe actualmente, y se dilucida solo para conveniencia de la descripcion) en el metamaterial.

La Fig. 5 es una vista esquematica que ilustra la generatriz m de la superficie curva Cm que se muestra en la Fig. 3 cuando es un arco parabolico. Como se muestra, una lfnea que conecta la fuente de radiacion a un punto O1 en la primera superficie del metamaterial y la lfnea L que pasa a traves del centro O de la primera superficie y perpendicular al metamaterial 10, forma un angulo 01 entre los mismos, el cual corresponde a un arco parabolico ml; y cada punto en una superficie virtual curva, la cual se obtiene mediante la rotacion del arco parabolico ml tiene un mismo fndice refractivo. Igualmente, una lfnea que conecta la fuente de radiacion en un punto 02 en la primera superficie del metamaterial y la lrnea L, forman un angulo 02 entre los mismos, el cual corresponde a un arco parabolico m2; y cada punto en una superficie curva virtual la cual se obtiene mediante la rotacion del arco parabolico m2 tiene un mismo fndice refractivo.

La distribucion del fndice refractivo de la superficie curva virtual satisface:

imagen8

Como se muestra en la Fig. 6, S(0) es una longitud de arco de la generatriz (el arco parabolico m) de la superficie curva virtual, F es una distancia a partir de la fuente 20 de radiacion al metamaterial 10, d es un espesor del metamaterial 10; y nmax es el maximo fndice refractivo del metamaterial.

La longitud de arco S(0) del arco parabolico satisface:

imagen9

donde 6 es un decimal log(|tan0|Wl + tan2f?) + <5

predefinido (por ejemplo, 0.0001),

|tan0| + 5

converja cuando el angulo 0 se acerque a 0.

y puede asegurar que el radio

Como se muestra en la Fig. 7, cuando la lfnea L que pasa a traves del centro de la primera superficie del metamaterial 10 y perpendicular al metamaterial 10 se toma como un eje de abscisa y una lfnea que pasa a traves del centro O de la primera superficie del metamaterial 10 y paralela a la primera superficie se toma como un eje de

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ordenada, una linea que conecta la fuente de radiacion a un cierto punto O' en la superficie A y el eje X forman un angulo 0 entre los mismos. El angulo 0 y cada punto (x, y) del arco parabolico m, satisfacen la siguiente expresion relacional:

imagen10

Suponiendo que una ecuacion de una parabola donde se ubica el arco parabolico m es: y(x) = ax2 + bx + c. La parabola pasa a traves de un punto (0, F tan 0), por ejemplo, y(0) = c = F tan 0. Con el fin de hacer que la onda electromagnetica salga en paralelo despues de pasar a traves del metamaterial, una linea tangente del arco parabolico debe ser paralela con el eje X cuando la onda electromagnetica se propaga a traves de la segunda superficie B del metamaterial; por ejemplo, se debe asegurar que y’(d) = 0. Debido a y’(x) = 2ax + b , y’(d) = 2ad + b = 0. Ademas, se debe tambien asegurar que la onda electromagnetica se propague en una direccion tangente correspondiente al angulo 0 cuando se alcanza la primera superficie A del metamaterial, asf que y’(0) = tan 0. Se puede derivar de las condiciones anteriormente mencionadas que la ecuacion de la parabola es

y(x) = tan0(——x2 + x + F)

2d . De este modo, se puede obtener una expresion relacionar entre el angulo 0 y

cada punto (x, y) en el arco parabolico como

imagen11

El angulo 0 corresponde unicamente a una superficie curva en el metamaterial, el cual se obtiene mediante la rotacion de una generatriz m alrededor de la linea L (el eje X); y cada punto en la superficie curva al cual el angulo 0 corresponde unicamente tiene un mismo indice refractivo.

El metamaterial se puede usar para convertir la onda electromagnetica emitida a partir de la fuente de radiacion dentro de una onda plana. Los indices refractivos del metamaterial disminuyen a partir de nmax a nmin en la medida que aumenta el angulo 0, como se muestra en la Fig. 7. Un arco que se muestra por una linea punteada es una generatriz de una superficie virtual curva en el metamaterial, y los indices refractivos en una superficie curva igual son identicos entre si. Se apreciara que, el metamaterial de la presente invencion puede usarse tambien para converger una onda plana a un foco (por ejemplo, un caso contrario del que se muestra en la Fig. 2). En este caso, no hay necesidad de cambiar la construccion del metamaterial siempre que la fuente de radiacion en la definicion del angulo 0 se pueda localizar en el lado de la primera superficie A y localizarse en una posicion de la fuente de radiacion virtual correspondiente al foco del metamaterial. Diversas aplicaciones que adoptan el principio de la presente invencion deben todas estar dentro del alcance de la presente invencion.

El metamaterial tiene una diversidad de microestructuras hechas por el hombre dispuestas en este, las cuales hacen que los indices refractivos del metamaterial disminuyan gradualmente en la medida que aumenta el angulo 0. La diversidad de microestructuras hechas por el hombre tienen la misma forma geometrica, y disminuyen en tamano gradualmente en la medida que aumenta el angulo 0.

Con el fin de representar mas intuitivamente la distribucion del indice refractivo de cada capa de lamina de metamaterial en un plano YX, las unidades que pueden tener el mismo indice refractivo estan conectadas para formar una linea, y la magnitud del indice refractivo se representa por la densidad de las lfneas. Una densidad superior de las lfneas representa un indice refractivo mas grande. La distribucion del indice refractivo del metamaterial satisface todas las anteriores expresiones relacionales como se muestra en la Fig. 8.

La generatriz de la superficie curva Cm puede tambien tener algunas de las otras formas de curva, por ejemplo pero no se limita a, un arco elfptico. En lo consecuente, se dilucidara un caso en el cual una generatriz de la superficie curva Cm es un arco elfptico como un ejemplo.

La generatriz de la superficie curva Cm como se muestra en la Fig. 3 es un arco elfptico m, y la superficie curva Cm de obtiene mediante la rotacion del arco elfptico m alrededor de la linea L. Una vista de seccion transversal de una superficie curva que tiene el mismo indice refractivo esta en la forma de dos arcos elfpticos, los cuales son simetricos con relacion a la linea L. El arco elfptico que se muestra por una linea punteada es una generatriz de una superficie virtual curva en el metamaterial 10. Con el fin de describir mas claramente que los puntos en la misma superficie curva tienen el mismo indice refractivo, se dilucidara tambien la superficie curva virtual (la cual no existe actualmente, y de dilucida solo para conveniencia de descripcion) en el metamaterial. Para el arco elfptico, como se muestra en la Fig. 5, una linea que conecta la fuente de radiacion a un punto O1 en la primera superficie del

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metamaterial y la linea L que pasa a traves del centro O de la primera superficie y perpendicular al metamaterial 10, forman un angulo 01 entre los mismos, el cual corresponde a un arco m1 elfptico; y cada punto en una superficie virtual curva el cual se obtiene mediante la rotacion del arco ml elfptico tiene un mismo fndice de referencia. Igualmente, una linea que conecta la fuente de radiacion a un punto 02 en la primera superficie del metamaterial y la lmea L forman un angulo 02 entre los mismos, el cual corresponde a un arco m2 elfptico; y cada punto en una superficie curva virtual el cual se obtiene mediante la rotacion del arco m2 elfptico tiene el mismo fndice refractivo.

La distribucion del fndice refractivo de la superficie curva virtual satisface:

«(0) =

l

ml

F0------

cosy

Como se muestra en la Fig. 6, S(0) es una longitud de arco de la generatriz (el arco m elfptico) de la superficie curva virtual, F es una distancia a partir de la fuente 20 de radiacion al metamaterial 10; d es un espesor del metamaterial 10; y Hmax es el maximo fndice refractivo del metamaterial.

Como se muestra en la Fig. 9, cuando la linea L que pasa a traves del centro O de la primera superficie del metamaterial 10 y perpendicular al metamaterial 10 se toma como un eje de abscisa y la linea que pasa a traves del centro 0 de la primera superficie del metamaterial 10 y paralela a la primera superficie se toma como un eje de ordenada, una lmea que conecta la fuente de radicacion a un punto O' en la superficie A y el eje X forma un angulo 0 entre los mismos. Una ecuacion de una elipse donde se localiza el arco m elfptico que se muestra por una linea {x-df (y-c)2

= 1

solida es: a~ b~ . Un centro de la elipse se localiza en la segunda superficie B, y tiene

coordenadas (d, c) La elipse pasa a traves de un punto (0, Ftan 0); por ejemplo, y(0) = Ftan 0. Mediante la ecuacion

d2 + (F tan6 -cf _ ^

de la elipse, se puede obtener que o2 b1 . Con el fin de hacer que la onda electromagnetica

salga en paralelo despues de pasar a traves del metamaterial, una linea tangente del arco parabolico debe estar paralela con el eje X cuando la onda electromagnetica se propaga a traves de la segunda superficie B del metamaterial; por ejemplo, se debe asegurar que y(d)=0. Una ecuacion tangencial en cualquier punto (x, y) en la dy _ b2 x-d

elipse es dx a v — c , de manera que se puede obtener que y(d) = 0.

El punto 0’ en la primera superficie A correspondiente al angulo 0 tiene un angulo de refraccion 0’ y un fndice

„(0)=5-^

refractivo n(0); y este se puede conocer a partir de la ley Snell que Sen0'. La onda electromagnetica se

propaga en una direccion tangente correspondiente al angulo 0' de refraccion cuando se alcanza la primera superficie A del metamaterial 10 (como se muestra en la Fig. 9). Esto es, en el punto donde el arco m elfptico se aproxima infinitamente al punto O', y(0+) = tan 0'. De este modo, la siguiente expresion relacional se puede obtener:

y (0+) = tan0' =

sen 6

b2

— sen2($) a F taT1 ^ c

El angulo 0 corresponde unicamente a una superficie curva en el metamaterial, la cual se obtiene mediante la rotacion de la generatriz alrededor de la linea L (el eje X); y cada punto en la superficie curva a la cual el angulo 0

n

[0, —).

corresponde unicamente tiene un mismo fndice refractivo. El angulo 0 oscila entre 2 .

Se apreciara que, cuando a=b en la elipse, la elipse se vuelve un verdadero cfrculo; y en este caso, el arco elfptico correspondiente se vuelve un arco circular, y la superficie curva se forma mediante la rotacion del arco circular alrededor de la linea L (el eje X).

Cuando la generatriz de la superficie curva es un arco circular, el arco que se muestra en la Fig. 4 es un arco circular, y una vista esquematica de la construccion del arco circular se muestra en la Fig. 10. Los arcos circulares que se muestran por lfneas punteadas en la Fig. 10 son generatrices de las superficies curvas en el metamaterial. Con el fin de describir mas claramente esos puntos en la misma superficie curva que tienen el mismo fndice refractivo, la superficie curva virtual (la cual no existe actualmente, y se dilucida solo para conveniencia de la descripcion) en el metamaterial sera tambien dilucidada. Una linea perpendicular de una linea que conecta la fuente

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de radicacion a un punto en la primera superficie A del metamaterial, intersecta con la segunda superficie B del metamaterial 10 en un centro del cfrculo del arco circular, y un segmento de lfnea perpendicular entre el centro del cfrculo y un punto en la primera superficie A del metamaterial es un radio del arco circular. El metamaterial tiene el maximo fndice refractivo en el centro del mismo.

Una lmea que conecta la fuente de radiacion a un punto C' en la primera superficie A del metamaterial y la lmea L forman un angulo 03 entre los mismos, un segmento de lfnea perpendicular V3 de la lfnea que conecta la fuente de radiacion al punto C' intersecta con la otra superficie del metamaterial en un punto O3, y la correspondiente superficie curva en el metamaterial tiene una generatriz m3, la cual es un arco circular que se obtiene mediante la rotacion alrededor del punto O3 con el segmento de lfnea perpendicular V3 como un radio. Con el fin de describir mas claramente que los puntos en la misma superficie curva tienen el mismo fndice refractivo, la superficie curva virtual en el metamaterial de dilucidara tambien. La Fig. 10 ilustra arcos circulares ml, m2 los cuales son generatrices de dos superficies curvas en el metamaterial. El arco ml circular corresponde a un angulo 0i y un punto A' en la primera superficie del metamaterial. Un segmento de lfnea Vi de una lfnea que conecta la fuente de radiacion con el punto A' intersecta con la otra superficie del metamaterial 10 en un punto Oi, y una superficie exterior de la superficie curva virtual tiene una generatriz mi, la cual es un arco circular que se obtiene mediante la rotacion alrededor del punto Oi con el segmento de lfnea perpendicular Vi como un radio. Del mismo modo, el arco m2 circular corresponde a un angulo 02 y un punto B' en la primera superficie. Un segmento V2 de lfnea perpendicular de una lfnea que conecta la fuente de radiacion al punto B' intersecta con la segunda superficie B del metamaterial i0 en un punto O2 y una superficie exterior de la superficie virtual curva tiene una generatriz m2, la cual es un arco circular que se obtiene mediante la rotacion alrededor del punto O2 con el segmento V2 de lfnea perpendicular como un radio. Como se muestra en la Fig. 5, los arcos mi, m2, m3 circulares estan distribuidos simetricamente con relacion a la lfnea L.

Para cualquier punto D' en la primera superficie A, una lmea que conecta la fuente de radiacion al punto D' en la primera superficie A y la lfnea perpendicular al metamaterial 10 forman un angulo 0 entre los mismos, el cual abarca

n

t ro, 7).

entre 2 .

La regla del fndice n(0) refractivo del metamaterial vana con el angulo 0, satisface:

//v, sen0 . , 5 ,

n(6) =-------(«v xd + s-----------)

dxtf cost?

donde, s es una distancia a partir de la fuente de radiacion al metamaterial i0; d es un espesor del metamaterial i0; y nmax es el maximo rndice refractivo del metamaterial. El angulo 0 corresponde unicamente a una superficie curva en el metamaterial, y cada punto en la superficie curva al cual el angulo 0 corresponde unicamente, tiene un mismo fndice refractivo.

Como se muestra en la Fig. i0, una lfnea que conecta la fuente de radiacion a un cierto punto en la primera superficie A y la lmea perpendicular al metamaterial 10 forman un angulo 0 entre los mismos, un segmento V de lfnea perpendicular de la lfnea que conecta la fuente de radiacion al punto en la primera superficie A intersecta con la segunda superficie B del metamaterial en un punto Om y una generatriz m es un arco circular que se obtiene mediante la rotacion alrededor del punto Om con el segmento V de lmea perpendicular como un radio. El angulo 0 corresponde unicamente a una superficie curva en el metamaterial, el cual se obtiene mediante la rotacion de la generatriz m alrededor de la lfnea L; y cada punto en la superficie curva al cual el angulo 0 corresponde unicamente tiene un mismo fndice refractivo.

El metamaterial se puede usar para convertir la onda electromagnetica emitida a partir de la fuente de radiacion en una onda plana. Los indices refractivos del metamaterial disminuyen a partir de nmax a nmin en la medida que aumenta el angulo.

El metamaterial se puede usar para convertir la onda electromagnetica emitida a partir de la fuente de radiacion en una onda plana. Los indices refractivos del metamaterial disminuyen a partir de nmax a nmin en la medida que el angulo 0 aumenta, como se muestra en la Fig. 10. El arco elfptico que se muestra por una lfnea solida en la elipse es una generatriz de una superficie virtual curva en el metamaterial, y cada punto en la misma superficie curva tiene un mismo fndice refractivo. Se apreciara que, el metamaterial de la presente invencion puede usarse tambien para converger una onda plana a un foco (por ejemplo, un caso contrario del que se muestra en la Fig. 2). En este caso, no hay necesidad de cambiar la construccion del metamaterial siempre que la fuente de radiacion este ubicada en un lado de la segunda superficie B; y el principio sea el mismo excepto que la fuente de radiacion en la definicion del angulo 0 debe localizarse en el lado de la primer superficie A y localizado en una posicion de la fuente de radiacion

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virtual correspondiente al foco del metamaterial. Diversas aplicaciones que adoptan el principio de la presente invencion deben todas estar dentro del alcance de la presente invencion.

En disenos de estructura practicos, el metamaterial puede estar disenado para estar formado por una diversidad de capas de lamina de metamaterial, cada una de las cuales comprende un substrato similar a una lamina y una diversidad de microestructuras hechas por el hombre o estructuras de poro hechas por el hombre unidas al substrato. La distribucion del fndice refractivo general de la diversidad de capas de lamina del metamaterial combinadas en conjunto, deben satisfacer o aproximadamente satisfacer las ecuaciones anteriormente mencionadas de manera que los indices refractivos en una misma superficie curva sean identicos entre si, y la generatriz de la superficie curva este disenada como un arco elfptico o un arco parabolico. Por supuesto, en los disenos practicos, puede ser relativamente diffcil disenar la generatriz de la superficie curva como un arco elfptico exacto o un arco parabolico exacto, de manera que la generatriz de la superficie curva pueda estar disenada como un arco elfptico aproximado, un arco parabolico aproximado o una forma escalonada como sea necesario y se pueden escoger grados de exactitud como sean necesarios. Con el avance continuo de las tecnologfas, se actualizan continuamente las formas de diseno, y puede haber un mejor proceso de diseno para el metamaterial para lograr la distribucion del fndice refractivo proporcionado por la presente invencion.

Cada una de las microestructuras hechas por el hombre es una estructura bidimensional (2D) o tridimensional (3D) consistente de un alambre de metal y que tiene un patron geometrico, y puede ser de, por ejemplo pero no esta limitado a, una forma de “cruz”, una forma de copo de nieve 2D o una forma de copo de nieve 3D. El alambre de metal puede ser un alambre de cobre o un alambre de plata, y puede estar unido en el substrato mediante grabado, galvanoplastia, perforacion, fotolitograffa, grabado de electrones o grabado de iones. La diversidad de microestructuras hechas por el hombre en el metamaterial hacen que los indices refractivos del metamaterial disminuyan en la medida que aumenta el angulo 0. Dado que se conoce una onda electromagnetica incidente, al disenar apropiadamente los patrones de topologfa de las microestructuras hechas por el hombre y el diseno de la disposicion de las microestructuras hechas por el hombre de diferentes dimensiones dentro de un componente convergente de onda electromagnetica, la distribucion del fndice refractivo del metamaterial se puede ajustar para convertir una onda electromagnetica divergente de la forma de una onda esferica en una onda electromagnetica plana.

Con el fin de representar mas intuitivamente la distribucion del fndice refractivo de cada una de las capas de lamina de metamaterial en un plano YX, las unidades que tienen el mismo fndice refractivo estan conectadas para formar una lfnea, y la magnitud del fndice refractivo se representa por la densidad de las lfneas. Una densidad superior de las lfneas representa un fndice refractivo grande. La distribucion del fndice refractivo del metamaterial que satisface todas las expresiones relacionadas anteriores es como se muestra en la Fig. 11.

La presente invencion se ha dilucidado en detalle tomando el arco parabolico y el arco elfptico como ejemplos. Como un ejemplo no limitante, la presente invencion puede aplicarse adicionalmente a otros tipos de curvas tales como curvas irregulares. Los casos que satisfacen el principio de distribucion del fndice refractivo de la presente invencion caen todos dentro del alcance de la presente invencion.

La presente invencion proporciona ademas una antena de metamaterial. Como se muestra en la Fig. 2 y la Fig. 3, la antena de metamaterial comprende el metamaterial 10 y una fuente 20 de radiacion dispuesta en un foco del metamaterial 10. La estructura y las variaciones del fndice refractivo del metamaterial 10 se ha descrito anteriormente, y en consecuencia no sera descritas adicionalmente en este documento.

El metamaterial anteriormente mencionado puede estar en la forma que se muestra en la Fig. 3, y por supuesto, puede tambien estar hecho dentro otras formas deseadas tales como una forma anular tanto como las reglas de variacion del fndice refractivo anteriormente mencionadas pueden satisfacer.

En aplicaciones practicas, con el fin de lograr mejores rendimientos del metamaterial y reducir la reflexion, se puede disponer una capa de emparejamiento de impedancia en cada uno de los dos lados del metamaterial. Los detalles de la capa de emparejamiento de impedancia se pueden encontrar en los documentos de tecnicas anteriores, y en consecuencia no seran descritos en este documento.

Al disenar las transiciones abruptas de los indices refractivos del metamaterial para seguir una superficie curva de acuerdo con la presente invencion, se pueden reducir significativamente la refraccion, difraccion y reflexion en los puntos de transicion abruptos. Como resultado, se alivian los problemas causados por las interferencias, lo cual mejora adicionalmente los rendimientos del metamaterial.

ordinarias en la tecnica pueden idear muchas otras implementaciones de acuerdo con las ensenanzas de la presente invencion sin apartarse del espfritu y del alcance reivindicados en la presente invencion, y todas las implementaciones deben caer dentro del alcance de la presente invencion.

Claims (15)

1. 5

   10

   15

   20

   25

   30

   35

   40

   1. Un metamaterial para ser usado con una fuente de radiacion, el metamaterial esta dispuesto en una direccion de propagacion de ondas electromagneticas emitidas a partir de la fuente de radiacion, en donde una linea que conecta la fuente de radiacion a un punto en una primera superficie del metamaterial y una linea perpendicular al metamaterial forman un angulo 0 entre los mismos, el cual corresponde unicamente a una superficie curva en el metamaterial; cada punto en la superficie curva al cual el angulo 0 corresponde unicamente tiene un mismo mdice refractivo; los indices refractivos del metamaterial disminuyen gradualmente en la medida que el angulo 0 aumenta; y las ondas electromagneticas que se propagan a traves del metamaterial salen en paralelo a partir de una segunda superficie del metamaterial.
2. 2. El metamaterial de la reivindicacion 1, en donde la distribucion del indice refractivo de la superficie curva satisface:

   imagen1

   donde, S(0) es una longitud de arco de una generatriz de la superficie curva, F es una distancia a partir de la fuente de radiacion al metamaterial; d es un espesor del metamaterial; y nmax es el maximo indice refractivo del metamaterial.
3. 3. El metamaterial de la reivindicacion 2, en donde el metamaterial comprende al menos una capa de lamina de metamaterial, cada una de las cuales comprende un substrato como una lamina y una diversidad de microestructuras hechas por el hombre unidas al substrato.
4. 4. El metamaterial de la reivindicacion 3, en donde cada una de las microestructuras hechas por el hombre es una estructura bidimensional (2D) o tridimensional (3D) que tiene un patron geometrico.
5. 5. El metamaterial de la reivindicacion 4, en donde cada una de las microestructuras hechas por el hombre es de una forma de “cruz” o de una forma de copo de nieve.
6. 6. El metamaterial de la reivindicacion 2, en donde cuando la generatriz de la superficie curva es un arco parabolico, la longitud del arco parabolico s(0) del arco parabolico satisface:

   imagen2

   donde 6 es un decimal predefinido.
7. 7. El metamaterial de cualquiera de la reivindicacion 2 a la reivindicacion 6, en donde cuando una linea que pasa a traves de un centro de la primera superficie del metamaterial y perpendicular al metamaterial, se toma como un eje de abscisa y una linea que pasa a traves del centro de la primera superficie del metamaterial y paralela a la primera superficie, se toma como un eje de ordenada, una ecuacion de una parabola donde se ubica el arco parabolico se representa como:

   jp(x) = tan9(-^:X2 + jc + /’)
8. 8. El metamaterial de la reivindicacion 7, en donde el angulo 0 y cada punto (x, y) del arco parabolico satisface la siguiente expresion relacional:

   imagen3
9. 9. El metamaterial de la reivindicacion 2, en donde cuando la generatriz de la superficie curva es un arco elfptico, se toma la linea que pasa a traves del centro de la primera superficie del metamaterial y perpendicular al metamaterial

   5

   10

   15

   20

   25

   30

   como un eje de abscisa y se toma la linea que pasa a traves del centro de la primera superficie del metamaterial y paralela a la primera superficie como un eje de ordenada, se representa una ecuacion de una elipse donde se ubica el arco eliptico como:

   (x-df , (y-Q2 a2

   donde a, b y c satisfacen las siguientes relaciones:

   imagen4

   d1 | (FtanQ-c)2 _1 a2 + b2 ”,

   sen 6 _b1 d

   sln2(0) -sen (0) ^FtanO-c
10. 10. El metamaterial de la reivindicacion 9, en donde un centro de la elipse donde se ubica el arco eliptico en la segunda superficie y tiene coordenadas (d, c).
11. 11. El metamaterial de la reivindicacion 9, donde un punto en la primera superficie correspondiente al angulo 0 tiene un angulo de refraccion 0', y un mdice refractivo n(0) del punto satisface:

    imagen5
12. 12. El metamaterial de la reivindicacion 1, en donde cuando la generatriz de la superficie curva es un arco circular, la distribucion del indice refractivo de la superficie curva satisface:

    imagen6

    donde, s es una distancia a partir de la fuente de radiacion al metamaterial; d es un espesor del metamaterial; y nmax es el maximo indice refractivo del metamaterial.
13. 13. El metamaterial de la reivindicacion 12, en donde una linea perpendicular de una linea que conecta la fuente de radiacion a un punto en la primera superficie del metamaterial, intersecta con la segunda superficie del metamaterial en un centro del cfrculo del arco circular, y un segmento de linea perpendicular entre el centro del cfrculo y un punto en la primera superficie del metamaterial es un radio del arco circular.
14. 14. El metamaterial de la reivindicacion 12, en donde el metamaterial se proporciona con una capa de emparejamiento de impedancia en dos lados del mismo respectivamente.
15. 15. Una antena de metamaterial, que comprende un metamaterial de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14 y una fuente de radiacion dispuesta en un foco del metamaterial.