CN102684608A - 一种任意阻抗人工合成材料及其设计方法 - Google Patents

一种任意阻抗人工合成材料及其设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种任意阻抗人工合成材料，任意阻抗人工合成材料包括片状基材及附着在片状基材上的多个人造微结构，多个人造微结构包括对电场产生响应的第一微结构及对磁场产生响应的第二微结构，并且第一微结构及第二微结构设置在片状基材两侧对应的位置上。改变第一微结构或第二微结构的尺寸、几何形状和/或分布，以改变任意阻抗人工合成材料的介电常数或磁导率。本发明提供的任意阻抗人工合成材料，通过改变对电场响应的第一微结构及对磁场响应的第二微结构的尺寸及几何形状，从而满足对超材料的性能要求。本发明提供的人工合成材料，结构简单，可以简便地调整人工合成材料对电场及磁场的响应，应用方便。

Description

一种任意阻抗人工合成材料及其设计方法
【技术领域】
本发明涉及一种人工合成材料，尤其涉及一种能够实现任意阻抗的人工合成材料。
【背景技术】
“人工合成材料″是指一些具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。通过在材料的关键物理尺度上的结构有序设计，可以突破某些表观自然规律的限制，从而获得超出自然界固有的普通性质的超常材料功能。
“人工合成材料″重要的三个重要特征：
(1)“人工合成材料″通常是具有新奇人工结构的复合材料；
(2)“人工合成材料″具有超常的物理性质(往往是自然界的材料中所不具备的)；
(3)“人工合成材料″性质由构成材料的本征性质及其中的人造微结构共同决定。
负折射率材料首先由俄国人菲斯拉格在1967提出，该材料的一个显著特征在于折射系数是负数，电磁波在其中的能量传播方向与它的波矢(相位传播方向)相反。这种材料具有负的折射系数的原因在于它的介电常数和磁导率都是负数。这与我们过去所熟悉的通常介质有所不同，在通常介质中，介电常数和磁导率都是正数，折射率也是正数。
2000年，Smith等人将金属丝版和SRR(Split Ring Resonators，开口谐振器)板有规律地排列在一起，制作了世界上第一块介电常数和等效磁导率同时为负数的介质。2004年，美国研究人员通过圆柱形铜柱形成的周期性结构实现负折射率。但上述实现负折射率的光子晶体中，构成光子晶体周期性排列的材料都呈负折射率。
在现有技术中，人工合成材料的用途十分广泛，例如可将其用在卫星通讯等领域。通常在应用中，只考虑由人工合成材料实现对电磁波的调制功能，而忽略了人工合成材料可能对电磁波的其他功能，例如人工合成材料对电磁波的能量损耗。但是，在某些应用领域中，如果电磁波本身的功率就较低，在通过人工合成材料调制电磁波时，由于阻抗不匹配问题，使得人工合成材料对电磁波的能量损耗过大，则使得系统不能接收足够的电磁波能量，影响了系统性能。
【发明内容】
为解决上述问题，本发明提供一种能够实现任意阻抗的人工合成材料，通过该能够实现任意阻抗的人工合成材料可以实现对入射电磁波实现阻抗匹配，使得人工合成材料减小对能量的损耗，甚至没有损耗，根据本发明的可以实现任意阻抗的人工合成材料包括片状基材及附着在所述片状基材上的多个人造微结构，所述多个人造微结构包括对电场产生响应的第一微结构。
在本发明的一种实施方式中，所述多个人造微结构包括对磁场产生响应的第二微结构。
在本发明的一种实施方式中，所述第一微结构及所述第二微结构设置在所述片状基材两侧对应的位置上。
在本发明的一种实施方式中，所述第一微结构包括第一金属线、设置在所述第一金属线端部的第二金属线以及设置于所述第二金属线端部的第三金属线。
在本发明的一种实施方式中，所述第二微包括任意曲线以及由所述任意曲线的两端形成的开口。
在本发明的一种实施方式中，改变所述第一微结构或所述第二微结构的尺寸、几何形状和/或分布，以改变所述任意阻抗人工合成材料的介电常数或磁导率。
本发明还提供了一种用于设计任意阻抗人工合成材料的方法，所述方法包括以下步骤：
S1预设所述任意阻抗人工合成材料的目标阻抗Z0；
S2设计使得所述人工合成材料包括片状基材以及人造微结构，所述人造微结构包括对电场响应的第一微结构及对磁场响应的第二微结构；
S3改变所述第一微结构的尺寸、几何形状，以改变所述任意阻抗人工合成材料的介电常数；
S4改变所述第二微结构的尺寸、几何形状，以改变所述任意阻抗人工合成材料的介电常数，进而使得所述任意阻抗人工合成材料的阻抗为Z0。
在本发明的一种实施方式中，所述第一微结构包括第一金属线、设置在所述第一金属线端部的第二金属线以及设置于所述第二金属线端部的第三金属线。
在本发明的一种实施方式中，所述第二微包括任意曲线以及由所述任意曲线的两端形成的开口。
本发明提供了一种通过人工合成材料可以根据具体应用，改变对电场响应的第一微结构及对磁场响应的第二微结构的尺寸及几何形状，从而满足对超材料的性能要求。本发明提供的人工合成材料，结构简单，可以简便地调整人工合成材料对电场及磁场的响应，应用方便。
【附图说明】
图1示出了一种片状人工合成材料的结构示意图；
图2a至图2b示出了根据本发明的人工合成材料的俯视图及仰视图；
图3a示出了第一微结构的结构示意图；
图3b示出了图3a中所示第一微结构所形成的等效电路图；
图4a示出了第二微结构的结构示意图；
图4b示出了图4a中所示第二微结构所形成的等效电路图；
图5a至图5c示出了第一微结构的其他结构示意图；
图6a至图6c示出了第二微结构的其他结构示意图；
图7示出了用于设计任意阻抗人工合成材料的方法。
【具体实施方式】
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
人工合成材料，即“超材料”，是一种可以实现对电磁波实现调制的材料。该人工合成材料例如可以实现对电磁波传播方向的调制，对电磁波极性的调制等功能。图1示出了这样一种片状人工合成材料的具体结构。由图1可知，该片状人工合成材料包括片状基材110以及附着在片状基材110上的多个人造微结构120，每个人造微结构120与其所附着的片状基材110的部分构成一个结构单元130。其中该人造微结构120及结构单元130的尺寸小于电磁波波长的十分之一。人造微结构120通常为金属微结构，由铜、银等金属形成。并且该人造微结构120可以具有不同的几何形状，在图1所示的实施方式中，该人造微结构120呈“I”字型，当然在其他实施方式中，也可以有其他的几何形状。图1中的人造微结构120包括第一金属丝121及设置于第一金属丝121两端且垂直于该第一金属丝121的第二金属丝122。
由人工合成材料领域的知识可知，人工合成材料，即“超材料”，可以实现对电磁波实现调制的材料。为了实现对电磁波实现特定的调制，通常会采取改变人造微结构的尺寸、几何形状及其在片状基材上的分布的形式来实现既定目标。然而，虽然达到了上述调制目标，但是往往使得超材料的阻抗很大，对电磁波的损耗很大，为了尽可能在不影响超材料实现既定功能，同时又有效地减低其对电磁波的损耗，本发明提出了一种新的人工合成材料，如图2所示。图2a示出了该人工合成材料的一侧的俯视图，图2b示出了该人工合成材料的仰视图。在该实施方式中，该片状人工合成材料包括片状基材210以及附着在片状基材210上的多个人造微结构220，每个人造微结构220与其所附着的片状基材210的部分构成一个结构单元230。其中该人造微结构220及结构单元230的尺寸小于电磁波波长的十分之一。人造微结构220通常为金属微结构，由铜、银等金属形成。
在本发明的人工合成材料中，人造微结构220包括图3a所示由“I”的字型衍生的第一微结构221及图4a所示的开口“口”字型的第二微结构222。参考图3a，图3a所示的第一微结构221为“I”字型衍生结构，其包括第一金属丝221a、设置于第一金属丝221a两端的第二金属丝221b以及设置与第二金属丝221b两端的第三金属丝221C。图4a所示的开口“口”字型的第二微结构222包括金属线222a以及由该金属线222a的两端形成的开口222b。图3a及图4a所示的第一微结构221及第二微结构222分别设置于片状基材210两侧相对应的位置上。
当有电磁波经过时，图3a中所示的第一微结构221可以等效成图3b中所示的电路。该电路包括并联的电感L1及电容C1、C2。电磁波经过时，变化的电场在图3b所示的等效电路中产生电荷，并且电荷在电容及电感上形成充电、放电过程，进而实现对电场的响应。
而当有电磁波经过时，图4a中所示的的第二微结构222可以等效成图4b中所示的电路。该电路包括串联的电感L2及电容C3。电磁波经过时，变化的磁场，在图3b所示的等效电路中产生电荷，并且电荷在电容及电感上形成充电、放电过程，进而实现对磁场的响应。
在具体应用中，通常情况下，会对人工合成材料的介电常数或磁导率有特定要求。例如要求人工合成材料的介电常数在1-1000范围内，为了满足该要求，通常会改变图3a中的第二微结构221的尺寸、几何形状及其在片状基材上的分布，以便使得该人工合成材料的介电常数满足要求。但是，此时该超材料的阻抗值
Figure BDA0000051045460000071
与入射电磁波所在介质的阻抗差很大，不满足阻抗匹配要求，使得该人工合成材料对电磁波的损耗非常大。为了实现阻抗匹配以减小对电磁波的损耗，此时可以改变图4a中的第二微结构222的尺寸、几何形状及其在片状基材上的分布，以改变该人工合成材料的磁导率，进而改变该超材料的阻抗值，以便使得该超材料的阻抗接近或等于入射电磁波所在介质中的阻抗，接近或实现阻抗匹配，以减小对电磁波的损耗。反之，例如要求人工合成材料的磁导率在特定区间内，为了满足该要求，通常会要求改变图4a中的第二微结构222的尺寸、几何形状及其在片状基材上的分布。但是，此时该超材料的阻抗值
Figure BDA0000051045460000072
与入射电磁波所在介质的阻抗差很大，使得该人工合成材料对电磁波的损耗非常大。为了减小对电磁波的损耗，此时可以改变图3a中的第一微结构221的尺寸、几何形状及其在片状基材上的分布，以改变该人工合成材料的介电常数，进而改变该超材料的阻抗值，以便使得该超材料的阻抗接近或等于入射电磁波所在介质中的阻抗，接近或实现阻抗匹配，，以便尽量减小该超材料对电磁波的损耗。
由上述说明可见，为了实现对电磁波的调制功能，同时不会对电磁波的功率产生大的影响，可以使得人工合成材料的人造微结构由对于电场有响应的第一微结构221及对于磁场有响应的第二微结构222组成。在具体应用中，通过分别调整对电场及对磁场有响应的第一微结构221及第二微结构222来使得该人工合成材料即能满足特定的对电磁波调制的功能，又不会使得电磁波产生较大的损耗。并且结构简单，实现容易。
在本发明的其他实施方式中，图3a中的第一微结构221也可以具有图5a至图5c中所示的几何形状，而在有电磁波通过时，其同样可以等效成对应的电路，以产生对于电场的响应。同样在本发明的其他实施方式中，图4a中的第一微结构222也可以具有图6a至图6c中的几何形状，在有电磁波通过时，其同样可以等效成图4b中的电路，以产生对于磁场的响应。
由上述说明可知，人工合成材料200可以对电场或者磁场，或者两者同时进行相应的响应。对电场的响应取决于人工合成材料的介电常数，而对磁场的响应取决于人工合成材料的磁导率。而通常可以通过改变人造微结构的具体结构来改变介电常数或磁导率，进而改变人工合成材料对电磁场的响应。在本发明中，人造微结构包括对电场产生响应的第一微结构221及对磁场产生响应的第二微结构222。在具体应用中，可以根据具体情况改变该第一及第一微结构222来改变人工合成材料对电场及磁场的响应，进而获得满足要求的超材料。
本发明同时还提供了一种设计任意阻抗的人工合成材料的方法，该方法包括图7所示的步骤：
S1预设人工合成材料的目标阻抗，例如要求人工合成材料的阻抗Z为Z0；
S2设计该人工合成材料包括片状基材以及人造微结构，选定片状基材的材料，例如为聚四氟乙烯，并且确定该人造微结构包括对电场响应的第一微结构221及对磁场响应的第二微结构222；
S3改变第一微结构221的尺寸、几何形状，以改变该人工合成材料的介电常数；
S4改变第二微结构222的尺寸、几何形状，以改变该人工合成材料的磁导率，进而使得该人工合成材料的阻抗达到目标阻抗Z0，从而设计出满足要求的人工合成材料。
本发明提供了一种通过人工合成材料可以根据具体应用，改变对电场响应的第一微结构及对磁场响应的第二微结构的尺寸及几何形状，从而满足对超材料的性能要求。本发明提供的人工合成材料，结构简单，可以简便地调整人工合成材料对电场及磁场的响应，应用方便。
在上述实施例中，仅对本发明进行了示范性描述，但是本领域技术人员在阅读本专利申请后可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本发明进行各种修改。

Claims (9)

1.一种任意阻抗人工合成材料，其特征在于，所述任意阻抗人工合成材料包括片状基材及附着在所述片状基材上的多个人造微结构，所述多个人造微结构包括对电场产生响应的第一微结构。
2.根据权利要求1所述的任意阻抗人工合成材料，其特征在于，所述多个人造微结构还包括对磁场产生响应的第二微结构。
3.根据权利要求2所述的任意阻抗人工合成材料，其特征在于，所述第一微结构及所述第二微结构设置在所述片状基材两侧对应的位置上。
4.根据权利要求2所述的任意阻抗人工合成材料，其特征在于，所述第二微包括任意曲线以及由所述任意曲线的两端形成的开口。
5.根据权利要求1所述的任意阻抗人工合成材料，其特征在于，所述第一微结构包括第一金属线、设置在所述第一金属线端部的第二金属线以及设置于所述第二金属线端部的第三金属线。
6.根据权利要求4或5所述的任意阻抗人工合成材料，其特征在于，改变所述第一微结构或所述第二微结构的尺寸、几何形状和/或分布，以改变所述任意阻抗人工合成材料的介电常数或磁导率。
7.一种用于设计任意阻抗人工合成材料的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1预设所述任意阻抗人工合成材料的目标阻抗Z0；
S2设计所述人工合成材料，所述人工合成材料包括片状基材以
及人造微结构，所述人造微结构包括对电场响应的第一微结构及对磁场响应的第二微结构；
S3改变所述第一微结构的尺寸、几何形状，以改变所述任意阻抗人工合成材料的介电常数；
S4改变所述第二微结构的尺寸、几何形状，以改变所述任意阻抗人工合成材料的介电常数，进而使得所述任意阻抗人工合成材料的阻抗为Z0。
8.根据权利要求7所述的用于设计任意阻抗人工合成材料的方法，其特征在于，所述第一微结构包括第一金属线、设置在所述第一金属线端部的第二金属线以及设置于所述第二金属线端部的第三金属线。
9.根据权利要求7所述的用于设计任意阻抗人工合成材料的方法，其特征在于，所述第二微包括任意曲线以及由所述任意曲线的两端形成的开口。
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