CN102544739B - 一种具有高介电常数的超材料 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有高介电常数的超材料，包括至少一个超材料片层，每个超材料片层包括基材和附着在基材上的多个人造微结构，所述人造微结构包括相互平行的第一金属线和第二金属线，还包括至少一个一端与所述第一金属线相连、另一端为自由端且朝向第二金属线的第一金属线分支；以及至少一个一端与所述第二金属线相连、另一端为自由端且朝向第一金属线的第二金属线分支，所述第一金属线分支和所述第二金属线分支依次交错分布。具有这种人造微结构的超材料的介电常数得到了大幅的提高。

Description

一种具有高介电常数的超材料
技术领域
本发明涉及超材料领域，更具体地说，涉及一种具有高介电常数的超材料。
背景技术
介电常数是材料对电场响应的一个参数，材料在外加电场时会产生感应电荷而削弱电场，原真空中的外加电场与最终材料中电场的比值即为介电常数。
自然界中，任何一种材料在特定的条件下，都有它特定的介电常数值或者介电常数曲线。介电常数较高的材料放在电场中，场的强度会在电介质材料内有可观的下降。介电常数高的材料，如介电绝缘体，通常用来制造电容。而且在高介电常数材料中，电磁波波长很短，可以大大缩小射频及微波器件的尺寸。
随着技术日新月异的发展，人们对材料的应用要求越来越高，在某些场合，所需要的介电常数值远高于自然界已有的材料的介电常数值，现有的介电常数较高的介电绝缘体也不能达到要求，这将为技术和产品研发造成瓶颈。因此，人们转向人工制造的超材料，以期实现上述技术目的。
超材料是一种具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构材料，通过对微结构的有序排列，改变了空间中每点的相对介电常数和磁导率。超材料可以在一定范围内实现普通材料无法具备的介电常数和磁导率，从而可以有效控制电磁波的传播特性。
超材料包括由金属线构成的具有一定图案形状的的人造微结构和人造微结构所附着的基材，多个人造微结构在基材上阵列排布，基材对人造微结构起到支撑作用，可为任何与人造微结构不同的材料。这两种材料的叠加会在空间中产生一个等效介电常数与磁导率，这两个物理参数分别对应了材料整体的电场响应与磁场响应。超材料对电磁响应的特征是由人造微结构的特征所决定，而人造微结构的电磁响应很大程度上取决于其金属线的拓扑特征和超材料单元尺寸。超材料单元尺寸取决于人造微结构需要响应的电磁波，通常人造微结构的尺寸为所需响应的电磁波波长的十分之一，否则空间中由人造微结构所组成的排列在空间中不能被视为连续。
目前超材料生产工艺中通常采用如图1所示的“I”形人造微结构去改变空间中的介电常数分布。超材料可以看作由附着人造微结构的基材单元阵列排布而成，单个基材单元的尺寸通常为电磁波波长的五分之一到十分之一之间，在有限的空间中“I”形人造微结构的尺寸改变的范围有限，超材料单元的介电常数可改变的范围也是有限的。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的缺陷，提供一种具有高介电常数的超材料。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种具有高介电常数的超材料，包括至少一个超材料片层，每个超材料片层包括基材和附着在所述基材上的多个人造微结构，所述人造微结构包括相互平行的第一金属线和第二金属线，还包括至少一个一端与所述第一金属线相连另一端为自由端且朝向第二金属线的第一金属线分支，以及至少一个一端与所述第二金属线相连另一端为自由端且朝向第一金属线的第二金属线分支，所述第一金属线分支和所述第二金属线分支依次交错分布。
在本发明的优选实施方式中，还包括多个第三金属线，垂直于所述第一金属线方向的相邻的两个金属微结构通过所述第三金属线相连。
在本发明的优选实施方式中，所述第三金属线为直线或者为弯折的曲线形。
在本发明的优选实施方式中，所述第一金属线分支与所述第二金属线分支的数量相同。
在本发明的优选实施方式中，所述第一金属线分支与所述第二金属线分支的数量不同。
在本发明的优选实施方式中，所述第一金属线分支和所述第二金属线分支分别与所述第一金属线和所述第二金属线垂直。
在本发明的优选实施方式中，所述第一金属线分支和所述第二金属线分支依次交错均匀分布。
在本发明的优选实施方式中，所述基材划分为多个相同的立方体基材单元，每个基材单元上附着有一个所述人造微结构。
在本发明的优选实施方式中，所述人造微结构通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻附着于所述基材上。
在本发明的优选实施方式中，所述基材为陶瓷材料、高分子材料、聚四氟乙烯、铁电材料、铁氧材料或者铁磁材料。
实施本发明具有以下有益效果：本发明通过改变现有人造微结构的形状，在每个人造微结构中构造依次交错分布的第一金属线分支和第二金属线分支，增加了金属线的正对面积，从而提高了人造微结构的电容，进而提高了超材料的介电常数和折射率，经过仿真，结果显示，在非常宽的一段频率上，具有这种人造微结构的超材料的介电常数非常平稳，而且与具有“I”形人造微结构的超材料相比，介电常数和折射率有非常显著地提高。这种高介电常数的超材料可以应用在天线制造以及半导体制造等领域，而且该技术方案由于突破了现有技术中单位体积内介电常数受限的缺陷，对微波器件的小型化产生也会产生不可估量的作用。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
图1是现有技术中“I”形人造微结构的示意图；
图2是本发明实施例一提出的超材料的结构示意图；
图3是本发明实施例一中的人造微结构的结构示意图
图4是本发明实施例二提出的超材料的结构示意图；
图5是本发明实施例二中相邻的两个人造微结构的结构示意图；
图6是本发明实施例三提出的超材料的结构示意图；
图7是本发明实施例三中相邻的两个人造微结构的结构示意图。
具体实施方式
实施例一
如图2和图3所示，本实施例提供了一种新型的超材料，相对于现有的超材料，通过改变其中人造微结构的拓扑形状提高了超材料的介电常数。
如图2所示，超材料包括三个超材料片层1，三个超材料片层1沿垂直于基板平面的方向(z轴方向)依次堆叠，超材料片层1之间填充可连接二者的物质例如液态基板原料，其在固化后将相邻的两超材料片层1粘合，从而构成一个整体。每个超材料片层1包括基板和附着在基板上的人造微结构，基板可由FR-4、F4b、CEM1、CEM3或者TP-1等高介电常数陶瓷材料构成，也可以是高分子材料、聚四氟乙烯、铁电材料、铁氧材料或者铁磁材料等；人造微结构通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻附着于基材上。
将每个超材料片层1虚拟地划分成多个完全相同的相互紧挨着的立方体超材料单元3，这些超材料单元3以x轴方向为行、以与之垂直的y轴方向为列依次阵列排布。每个超材料单元3包括人造微结构2和人造微结构所附着的基材单元，超材料单元3的边长通常为入射电磁波波长的五分之一到十分之一之间。如图3所示，本实施例的超材料可看作是由多个超材料单元3沿x、y、z三个方向阵列排布而成。
人造微结构如图3所示，每个人造微结构包括相互平行的第一金属线a1和第二金属线a2，还包括8个一端与所述第一金属线a1相连另一端为自由端且朝向第二金属线a2的第一金属线分支b1，以及8个一端与所述第二金属线a2相连另一端为自由端且朝向第一金属线a1的第二金属线分支b2，第一金属线分支b1和第二金属线分支b2依次交错均匀分布。其中第一金属线分支b1和第二金属线分支b2分别与第一金属线a1和第二金属线a2垂直。
实施例二
如图4和图5所示，超材料包括三个超材料片层1，三个超材料片层1沿垂直于基板平面的方向(z轴方向)依次堆叠；将每个超材料片层1虚拟地划分成多个完全相同的相互紧挨着的立方体超材料单元3，这些超材料单元3以x轴方向为行、以与之垂直的y轴方向为列依次阵列排布。每个超材料单元3包括人造微结构2和人造微结构所附着的基材单元，超材料单元3的边长通常为入射电磁波波长的五分之一到十分之一之间。如图4所示，本实施例的超材料可看作是由多个超材料单元3沿x、y、z三个方向阵列排布而成。
相邻的两个人造微结构的结构示意图如图5所示，两个人造微结构通过第三金属线c相连，第三金属线c是直线形，每个人造微结构包括相互平行的第一金属线a1和第二金属线a2，还包括8个一端与所述第一金属线a1相连另一端为自由端且朝向第二金属线a2的第一金属线分支b1，以及8个一端与所述第二金属线a2相连另一端为自由端且朝向第一金属线a1的第二金属线分支b2，第一金属线分支b1和第二金属线分支b2依次交错均匀分布。其中第一金属线分支b1和第二金属线分支b2分别与第一金属线a1和第二金属线a2垂直。
实施例三
如图6和图7所示，超材料包括三个超材料片层1，三个超材料片层1沿垂直于基板平面的方向(z轴方向)依次堆叠；将每个超材料片层1虚拟地划分成多个完全相同的相互紧挨着的立方体超材料单元3，这些超材料单元3以x轴方向为行、以与之垂直的y轴方向为列依次阵列排布。每个超材料单元3包括人造微结构2和人造微结构所附着的基材单元，超材料单元3的边长通常为入射电磁波波长的五分之一到十分之一之间。如图6所示，本实施例的超材料可看作是由多个超材料单元3沿x、y、z三个方向阵列排布而成。
相邻的两个人造微结构的结构示意图如图7所示，两个人造微结构通过第三金属线c相连，第三金属线c是弯折的曲线形，每个人造微结构包括相互平行的第一金属线a1和第二金属线a2，还包括8个一端与所述第一金属线a1相连另一端为自由端且朝向第二金属线a2的第一金属线分支b1，以及8个一端与所述第二金属线a2相连另一端为自由端且朝向第一金属线a1的第二金属线分支b2，第一金属线分支b1和第二金属线分支b2依次交错均匀分布。其中第一金属线分支b1和第二金属线分支b2分别与第一金属线a1和第二金属线a2垂直。
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，还可做出很多变形，比如第一分支的数量可以与第二分支的数量不同、在第一金属线和第二金属线上可以连接上其他几何形状的金属线等均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种具有高介电常数的超材料，包括至少一个超材料片层，每个超材料片层包括基材和附着在所述基材上的多个人造微结构，所述人造微结构呈阵列排布，其特征在于，所述人造微结构包括相互平行的第一金属线和第二金属线，还包括至少一个一端与所述第一金属线相连另一端为自由端且朝向第二金属线的第一金属线分支，以及至少一个一端与所述第二金属线相连另一端为自由端且朝向第一金属线的第二金属线分支，所述第一金属线分支和所述第二金属线分支依次交错分布。
2.根据权利要求1所述的具有高介电常数的超材料，其特征在于，还包括多个第三金属线，垂直于所述第一金属线方向的相邻的两个金属微结构通过所述第三金属线相连。
3.根据权利要求2所述的具有高介电常数的超材料，其特征在于，所述第三金属线为直线或者为弯折的曲线形。
4.根据权利要求1所述的具有高介电常数的超材料，其特征在于，所述第一金属线分支与所述第二金属线分支的数量相同。
5.根据权利要求1所述的具有高介电常数的超材料，其特征在于，所述第一金属线分支与所述第二金属线分支的数量不同。
6.根据权利要求1所述的具有高介电常数的超材料，其特征在于，所述第一金属线分支和所述第二金属线分支分别与所述第一金属线和所述第二金属线垂直。
7.根据权利要求1至6任一所述的具有高介电常数的超材料，其特征在于，所述第一金属线分支和所述第二金属线分支依次交错均匀分布。
8.根据权利要求7所述的具有高介电常数的超材料，其特征在于，所述基材划分为多个相同的立方体基材单元，每个基材单元上附着有一个所述人造微结构。
9.根据权利要求8所述的具有高介电常数的超材料，其特征在于，所述人造微结构通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻附着于所述基材上。
10.根据权利要求9所述的具有高介电常数的超材料，其特征在于，所述基材为陶瓷材料、高分子材料、聚四氟乙烯、铁电材料、铁氧材料或者铁磁材料。
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Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102046102B1 (ko) * 2012-03-16 2019-12-02 삼성전자주식회사 메타물질의 코일 기반 인공원자, 이를 포함하는 메타물질 및 소자
CN102820548A (zh) * 2012-08-03 2012-12-12 深圳光启创新技术有限公司 低通透波材料及其天线罩和天线系统
CN109216931A (zh) * 2018-08-31 2019-01-15 西安电子科技大学 基于嵌套曲折结构的小型化低剖面频率选择表面
CN110504548B (zh) * 2019-07-18 2020-10-30 西安电子科技大学 基于液态金属的可散热频率选择装置
CN114221118B (zh) * 2021-12-08 2024-03-26 哈尔滨工程大学 一种宽频超材料结构

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101431171A (zh) * 2008-12-12 2009-05-13 东南大学 基于人工电磁材料的极化转换方法及极化转换器
CN101971493A (zh) * 2007-12-20 2011-02-09 D·辛哈 微天线设备

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4369557A (en) * 1980-08-06 1983-01-25 Jan Vandebult Process for fabricating resonant tag circuit constructions
DE3221500A1 (de) * 1982-06-07 1983-12-08 Max-E. Dipl.-Ing. 7320 Göppingen Reeb Identifizierungsanordnung in form eines an einem gegenstand anbringbaren gebildes und verfahren zur herstellung
US5495250A (en) * 1993-11-01 1996-02-27 Motorola, Inc. Battery-powered RF tags and apparatus for manufacturing the same
US7501954B1 (en) * 2000-10-11 2009-03-10 Avante International Technology, Inc. Dual circuit RF identification tags
US6958729B1 (en) * 2004-03-05 2005-10-25 Lucent Technologies Inc. Phased array metamaterial antenna system
US8271241B2 (en) * 2005-01-18 2012-09-18 University Of Massachusetts Lowell Chiral metamaterials
JP2006304184A (ja) * 2005-04-25 2006-11-02 Lintec Corp アンテナ回路、ｉｃインレット、ｉｃタグ及びｉｃカードならびにｉｃタグの製造方法及びｉｃカードの製造方法
CN100561797C (zh) * 2006-03-31 2009-11-18 电子科技大学 一种负折射率微波媒质材料及其制备方法
KR100723531B1 (ko) * 2006-06-13 2007-05-30 삼성전자주식회사 반도체 패키지 기판
JP5217494B2 (ja) * 2007-05-08 2013-06-19 旭硝子株式会社 人工媒質、その製造方法およびアンテナ装置
US7773033B2 (en) * 2008-09-30 2010-08-10 Raytheon Company Multilayer metamaterial isolator
US8674891B2 (en) * 2008-11-19 2014-03-18 Tyco Electronics Services Gmbh Tunable metamaterial antenna structures
CN101826657A (zh) 2009-03-06 2010-09-08 财团法人工业技术研究院 双极化天线结构、天线罩及其设计方法
US20100314040A1 (en) * 2009-06-10 2010-12-16 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Fabrication of metamaterials

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101971493A (zh) * 2007-12-20 2011-02-09 D·辛哈 微天线设备
CN101431171A (zh) * 2008-12-12 2009-05-13 东南大学 基于人工电磁材料的极化转换方法及极化转换器

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Publication number Publication date
WO2012159418A1 (zh) 2012-11-29
US9166272B2 (en) 2015-10-20
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EP2551960B1 (en) 2020-02-12
CN102544739A (zh) 2012-07-04
US20130154901A1 (en) 2013-06-20
EP2551960A4 (en) 2014-09-17

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