CN102479998B - 一种电磁透明的超材料 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电磁透明的超材料，其包括：基材、周期排列于该基材内部的多个人造金属微结构；当电磁波通过该超材料时该人造金属微结构等效为由三个相同的二维电路共中心点两两垂直而构成的三维电路，该二维电路由电感支路以及对称并联于该电感支路的二条相同的电容支路组成，其中共交点且两两垂直的三条该电感支路构成该三维电路的三条主轴；该三维电路对应于该电磁波的频段使得该电磁波通过该超材料时该超材料的介电常数和磁导率均基本为1。本发明采用不同于传统电磁透明材料的透波原理，使电磁波透明特性不拘于基材材质从而极大提高电磁透明材料的适用范围。
Description
技术领域
本发明涉及一种超材料，尤其涉及一种电磁透明的超材料。
背景技术
电磁透明材料是指能透过电磁波且几乎不改变电磁波的性质（包括能量）的材料。其广泛应用于航空、航天、军事装备以及无线电装备等领域，其功能为满足微波-毫米波信号的接收、传输、放大、混频、发射等性能要求或避免入射电磁波大量反射从而达到避开对方雷达探测的目的。传统的电磁透明材料是采用纤维增强树脂基复合材料，该树脂基复合材料的透明性能与纤维种类、树脂基体以及复合材料界面性能相关，纤维和树脂基体对材料透明性能的影响取决于其本身的介电特性。由于此类传统电磁透明材料其透明性能取决于其材质本身的透明特性，当外部环境较恶劣，例如高温高压时，传统电磁透明材料的物理特性与透明特性均受限制，因此其适应面窄。且传统电磁透明材料的电磁参数调节复杂，针对不同的电磁波频段需要分别调节传统电磁透明材料的成分以及组分，其需要大量的实验验证并且制作成本高。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对现有技术的上述不足，提出一种电磁透明特性不受外部环境影响且电磁参数调节简单、制作成本低的电磁透明的超材料。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种电磁透明的超材料，其包括：基材、周期排列于该基材内部的多个人造金属微结构；当电磁波通过该超材料时该人造金属微结构等效为由三个相同的二维电路共中心点两两垂直而构成的三维电路，该二维电路由电感支路以及对称并联于该电感支路的二条相同的电容支路组成，其中共交点且两两垂直的三条该电感支路构成该三维电路的三条主轴；该三维电路对应于该电磁波的频段使得该电磁波通过该超材料时该超材料的相对介电常数和相对磁导率的取值范围均为0.9至1.1。
该人造金属微结构包括共中点相互交叉的第一金属分支、第二金属分支和第三金属分支；两条第四金属分支中点位于该第二金属分支两端且与该第一金属分支等长且平行，两条第五金属分支中点位于该第三金属分支两端且与该第一金属分支等长且平行；两条第六金属分支中点位于该第一金属分支两端且与该第二金属分支等长且平行，两条第七金属分支中点位于该第三金属分支两端且与该第二金属分支等长且平行；两条第八金属分支中点位于该第二金属分支两端且与该第三金属分支等长且平行，两条第九金属分支中点位于该第一金属分支两端且与该第三金属分支等长且平行；两条该第七金属分支和两条该第八金属分支构成该人造金属微结构的第一平面，两条该第五金属分支和两条该第九金属分支构成该人造金属微结构的第二平面，两条该第四金属分支和两条该第六金属分支构成人造金属微结构的第三平面。每条该第七金属分支和每条该第八金属分支分别对称于其中点设置有至少一对第一缺口结构或每条该第七金属分支和每条该第八金属分支在其中点设置有该第一缺口结构；每条该第四金属分支和每条该第五金属分支分别对称于其中点设置有至少一对第二缺口结构或每条第四金属分支和每条第五金属分支在其中点设置有该第二缺口结构。
该第一缺口结构由各条该第七金属分支和各条该第八金属分支在端点处非相交而成。
该第七金属分支和该第八金属分支的端点处均设置有向该基材内部延伸且与该第七金属分支和该第八金属分支成相同角度的第十一金属分支。
该第二缺口结构由该第四金属分支和该第五金属分支在其中点断裂开口而成。
该断裂开口两端还连接有相对的两第十金属分支。
该第十金属分支与该第十一金属分支为直线型金属分支或圆弧形金属分支。
该第一金属分支、该第二金属分支和该第三金属分支共中心点相互垂直交叉且该第一金属分支、第二金属分支和第三金属分支长度相等。
该基材为玻璃、FR-4、F4B、环氧树脂、聚乙烯、聚丙烯、橡胶、聚丙乙烯中的一种或几种。
该人造金属微结构是通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻附着于该基材中。
本发明通过设计一种超材料的人造金属微结构并将其周期排列于基材内部使得超材料具有特定的电磁响应，当电磁波通过该超材料时其传播路径不会发生偏折、传播方向也不会发生改变。本发明采用不同于传统电磁透明材料的透波原理，使电磁波透明特性不拘于基材材质从而极大提高电磁透明材料的适用范围。进一步地，本发明人造金属微结构设计为在各方向对称，从而使得人造金属微结构具有各项同性即超材料在空间中各点的介电常数和磁导率的每一个方向的分量都不随位置变化而改变从而进一步地扩大了本发明的适用范围。更进一步地，由于调节人造金属微结构的尺寸即可调节本发明电磁透明的超材料的电磁参数，因此其具有制造成本低且电磁参数调节方便的优点。
附图说明
图1为发明一种电磁透明的超材料特定频段电磁波通过该超材料时构成等效三维电路的二维电路图；
图2为本发明一种电磁透明的超材料特定频段电磁波通过该超材料时等效三维电路图；
图3为本发明一种电磁透明的超材料基本单元的整体立体结构示意图；
图4为本发明一种电磁透明的超材料人造金属微结构立体示意图。
具体实施方式
超材料是由具有一定图案形状的人造金属微结构按照特定方式周期排列于基材上而构成。人造金属微结构不同的图案形状和排列方式使得超材料具有不同的介电常数和不同的磁导率从而使得超材料具有不同的电磁响应。
本发明利用超材料上述原理设计一种对特定频段内的电磁波呈透明特性的超材料。所谓“透明特性”是指特定频段的电磁波通过超材料时该超材料所表现出来的介电常数和磁导率均基本为1，即折射率基本为1，从而该特定频段的电磁波通过该超材料后其传播路径不会发生偏折、传播方向也不会发生改变。本发明的超材料的介电常数和磁导率均基本为1是指介电常数和磁导率在±10％浮动均为可接受范围。
本发明设计原理如下：设计一种在人造金属微结构并将其周期排列于基材内部，当电磁波通过该超材料时该人造金属微结构等效为由三个相同的二维电路两两垂直而构成的三维电路，该二维电路由电感支路以及对称并联于该电感支路的二条相同的电容支路组成，二维电路如图1所示，其中共交点且两两垂直的三条该电感支路构成该三维电路的三条主轴；三维电路如图2所示，为使图示表达简洁，图2中三条电感支路的等效电感元件未显示、各电容支路等效电容元件被一分为二。该三维电路对应于该电磁波的频段使得该电磁波通过该超材料时该超材料的介电常数和磁导率均基本为1。
下面详细论述本发明设计过程：根据实际需要确定一电磁波的频段，该频段的电磁波通过超材料时呈透明特性；设计一初始人造金属微结构并确定该初始人造金属微结构的各个金属分支的尺寸和各个金属分支之间的间隔，该些不同尺寸的金属分支和各个金属分支之间的间隔在该频段电磁波通过该初始人造金属微结构时即可等效为本发明设计原理中等效三维电路中的等效电感元件和等效电容元件，该些等效电容和等效电感使得该初始人造金属微结构整体等效为具有一谐振频段的LC谐振电路，应调节该LC谐振电路的谐振频段偏离于所需使用电磁波的频段使得相对介电常数和相对磁导率均基本为1，从而达到本发明的设计要求，该谐振频段可通过公式得到；由于在高频微波电路设计中，节点电路理论已不再适用因而需要采用分布参数电路的分析方法也就是微波网络法来分析电路，其中微波网络法中散射参数（S参数）是最重要的参数。S参数是建立在入射波、反射波关系基础上的网络参数，适于微波电路分析，以器件端口的反射信号以及从该端口传向另一端口的信号来描述电路网络，因此本领域技术人员可知通过S参数来等效描述等效电路中的LC谐振。现有的针对射频和微波应用的综合和分析工具几乎都具有用S参数进行仿真的能力，例如应用最广泛的安捷伦公司的ADS（Advanced DesignSystem）；运用上述计算机仿真软件对初始人造金属微结构进行计算机仿真得出初始人造金属微结构的初始S参数值（包括反射系数S11和透射系数S21），通过公式：计算出初始人造金属微结构的折射率n、阻抗z、介电常数、磁导率。由于本发明的目的在于使得人造金属微结构的折射率n基本等于1，因此在得到初始人造金属微结构的折射率后必须调整初始人造金属微结构各个金属分支的尺寸和/或各个金属分支之间的间隔甚至可能重新设计初始人造金属微结构，而后继续进行仿真计算直至得到需要的折射率。
运用上述设计原理和上述设计过程可得到不同的符合要求的人造金属微结构，下面选取其中一种进行详细说明。
请参照图3，图3为本发明电磁透明的超材料的基本单元的整体立体结构示意图。超材料包括多个人造金属微结构1和基材。基材被划分为多个结构单元2，人造金属微结构1则被附着于多个结构单元2中。一个人造金属微结构1和一个结构单元2构成了超材料的基本单元100，超材料整体可看成由无数基本单元100阵列排布而成。基材的材质可为多种，由于本发明需要使得电磁波通过超材料时基本不产生损耗，因此除了人造金属微结构的特殊电磁响应外，为了达到更好的效果，基材可选取电磁损耗小的各类常规材料，例如玻璃、FR-4、F4B、环氧树脂、聚乙烯、聚丙烯、橡胶、聚丙乙烯等。
在基材内部构成人造金属微结构的方法通常包括两种，一种是通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻、离子刻等将整个人造金属微结构周期排列于基材内部；另一种是采用片状基材，其中多个片状基材上按照所需人造金属微结构的立体和平面方位排列要求附着有各种形状的金属分支，该些片状基材组合后附着在各个片状基材上的各种形状的金属分支构成了所需的人造金属微结构，采用此种方法能方便的调节各类金属分支的尺寸和间隔但也需要额外的工艺使得各个金属分支端点连接紧密。本实施例中采用第一种方法制成该人造金属微结构。
接下来请参照图4，图4为本发明电磁透明的超材料的一种人造金属微结构立体示意图。图4中，人造金属微结构包括：共中点相互交叉的第一金属分支101、第二金属分支102和第三金属分支103；两条第四金属分支104中点位于第二金属分支102两端且与第一金属分支101等长且平行，两条第五金属分支105中点位于第三金属分支103两端且与第一金属分支101等长且平行；两条第六金属分支106中点位于第一金属分支101两端且与第二金属分支102等长且平行，两条第七金属分支107中点位于第三金属分支103两端且与第二金属分支102等长且平行；两条第八金属分支108中点位于第二金属分支102两端且与第三金属分支103等长且平行，两条第九金属分支109中点位于第一金属分支101两端且与第三金属分支103等长且平行；两条第七金属分支107和两条第八金属分支108构成人造金属微结构的第一平面，两条第五金属分支105和两条第九金属分支109构成人造金属微结构的第二平面，两条第四金属分支104和两条第六金属分支106构成人造金属微结构的第三平面。每条第七金属分支107和每条第八金属分支108分别对称于其中点设置有至少一对第一缺口结构或每条第七金属分支107和每条第八金属分支108在其中点设置有第一缺口结构；每条第四金属分支104和每条第五金属分支105分别对称于其中点设置有至少一对第二缺口结构或每条第四金属分支104和每条第五金属分支105在其中点设置有第二缺口结构。
当任意入射方向的电磁波通过超材料时，各个金属分支等效为等效电感，同时缺口结构等效为等效电容，各个等效电感和等效电容构成了如图2所示的等效电路图。
为了扩大等效电容，本实施例中第二缺口结构由每条第四金属分支104和每条第五金属分支105在其中点断裂开口而成，且各断裂开口处还包括相对设置的第十金属分支110。图4中，为使图示简洁仅标注一条第十金属分支110。本实施例第一缺口结构由各条第七金属分支107和各条第八金属分支108在端点处非相交而成，且各第七金属分支107和各第八金属分支108的两端均设置有向基材内部延伸且与各第七金属分支107和各第八金属分支108成相同角度的第十一金属分支111。图4中，为使图示简洁仅标注一条第十一金属分支111。
可以想象地，在能达到本发明目的的前提下，第一缺口结构可为每条第四金属分支104和每条第五金属分支105分别对称于其中点设置的至少一对断裂开口或与第二缺口结构相同；第二缺口结构可为每条第七金属分支107和每条第八金属分支108对称于其中点设置的至少一对断裂开口或与第一缺口结构相同。同时，第十金属分支110和第十一金属分支111形状可为多种，例如利用圆弧形金属分支扩大金属线面积从而增大电容，本实施例中为简化整体人造金属结构的制造工艺而采用直线型金属分支。
另外，为了扩大本发明的实用范围，本实施例中第一金属分支101、第二金属分支102、第三金属分支103共中心点相互垂直交叉且第一金属分支101、第二金属分支102和第三金属分支103长度相等。采用此种设计使得本实施例中人造金属微结构在各个方向成对称结构从而使得超材料整体的电磁响应具有各项同性，即超材料在空间中各点的介电常数和磁导率的每一个方向的分量都不随位置变化而改变。又因为本发明人造金属微结构在三维各个面均可等效为LC谐振电路，其对于任意入射方向的电磁场均可产生谐振响应，因此具有非该LC谐振电路谐振频段的电磁波通过超材料任意一点时都具有相同的透明特性。
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。
Claims (10)
1.一种电磁透明的超材料，其特征在于：包括：基材、周期排列于该基材内部的多个人造金属微结构；当电磁波通过该超材料时该人造金属微结构等效为由三个相同的二维电路共中心点两两垂直而构成的三维电路，该二维电路由电感支路以及对称并联于该电感支路的二条相同的电容支路组成，其中共交点且两两垂直的三条该电感支路构成该三维电路的三条主轴；该三维电路对应于该电磁波的频段使得该电磁波通过该超材料时该超材料的相对介电常数和相对磁导率的取值范围均为0.9至1.1。
2.如权利要求1所述的电磁透明的超材料，其特征在于：该人造金属微结构包括共中点相互交叉的第一金属分支、第二金属分支和第三金属分支；两条第四金属分支中点位于该第二金属分支两端且与该第一金属分支等长且平行，两条第五金属分支中点位于该第三金属分支两端且与该第一金属分支等长且平行；两条第六金属分支中点位于该第一金属分支两端且与该第二金属分支等长且平行，两条第七金属分支中点位于该第三金属分支两端且与该第二金属分支等长且平行；两条第八金属分支中点位于该第二金属分支两端且与该第三金属分支等长且平行，两条第九金属分支中点位于该第一金属分支两端且与该第三金属分支等长且平行；两条该第七金属分支和两条该第八金属分支构成该人造金属微结构的第一平面，两条该第五金属分支和两条该第九金属分支构成该人造金属微结构的第二平面，两条该第四金属分支和两条该第六金属分支构成人造金属微结构的第三平面；每条该第七金属分支和每条该第八金属分支分别对称于其中点设置有至少一对第一缺口结构或每条该第七金属分支和每条该第八金属分支在其中点设置有该第一缺口结构；每条该第四金属分支和每条该第五金属分支分别对称于其中点设置有至少一对第二缺口结构或每条第四金属分支和每条第五金属分支在其中点设置有该第二缺口结构。
3.如权利要求2所述的电磁透明的超材料，其特征在于：该第一缺口结构由各条该第七金属分支和各条该第八金属分支在端点处非相交而成。
4.如权利要求3所述的电磁透明的超材料，其特征在于：该第七金属分支和该第八金属分支的端点处均设置有向该基材内部延伸且与该第七金属分支和该第八金属分支成相同角度的第十一金属分支。
5.如权利要求2所述的电磁透明的超材料，其特征在于：该第二缺口结构由该第四金属分支和该第五金属分支在其中点断裂开口而成。
6.如权利要求5所述的电磁透明的超材料，其特征在于：该断裂开口两端还连接有相对的两第十金属分支。
7.如权利要求4或6所述的电磁透明的超材料，其特征在于：该第十金属分支与该第十一金属分支为直线型金属分支或圆弧形金属分支。
8.如权利要求2所述的电磁透明的超材料，其特征在于：该第一金属分支、该第二金属分支和该第三金属分支共中心点相互垂直交叉且该第一金属分支、第二金属分支和第三金属分支长度相等。
9.如权利要求1所述的电磁透明的超材料，其特征在于：该基材为玻璃、FR-4、F4B、环氧树脂、聚乙烯、聚丙烯、橡胶、聚丙乙烯中的一种或几种。
10.如权利要求1所述的电磁透明的超材料，其特征在于：该人造金属微结构是通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻附着于该基材中。
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