一种宽频低色散超材料
技术领域
本发明涉及超材料领域,更具体地说,涉及一种宽频低色散超材料。
背景技术
材料的折射率随频率变化的特性即为色散,目前常用的超材料通常采用如图1所示的开口谐振环结构(SRR)。图6是对其做的仿真(折射率参数),可以看出,对于0-5GHZ范围内入射电磁波其折射率是比较稳定的(低色散),但是,在某些领域(例如微波天线),需要在更宽的频段内实现低色散特性,即更宽频段内的折射率的平稳变化。
发明内容
本发明要解决的技术问题是,针对现有的超材料无法实现更宽频段内的低色散特性的缺陷,提供一种在更宽的频段内实现低色散特性的宽频低色散超材料。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:一种宽频低色散超材料,包括第一基板及附着在第一基板一侧表面上的多个人造微结构,所述人造微结构为由导电材料制成的丝线,所述人造微结构具有相交的第一主线及第二主线,所述第一主线两端连接有两个第一支线,所述第二主线两端连接有两个第二支线,每一所述第一支线的两端向里弯折延伸出两个第一折线,每一所述第二支线的两端向里弯折延伸出两个第二折线。
进一步地,所述第一主线及第二主线相互垂直平分,所述第一主线与第二主线的长度相同,所述两个第一支线长度相同,所述第一主线两端连接在两个第一支线的中点上,所述两个第二支线长度相同,所述第二主线两端连接在两个第二支线的中点上,所述第一支线与第二支线的长度相等。
进一步地,所述第一折线与第一支线所成的夹角为θ1,所述第二折线与第二支线所成的夹角为θ2,且有,
θ1=θ2;θ1≤45°。
进一步地,所述第一折线与第一支线所成的夹角θ1及所述第二折线与第二支线所成的夹角θ2均为45度。
进一步地,所述人造微结构各处的厚度相同,其厚度为H2,0.01mm≤H2≤0.5mm;
所述人造微结构各处的线宽相同,其线宽为W,0.08mm≤W≤0.3mm;
所述第一折线与第二折线的距离为d1,0.08mm≤d1≤0.3mm;
所述第一折线的末端与第一主线平齐,所述第二折线的末端与第二主线平齐,所述第一折线与第二折线等长;
所述第一折线的末端与第一主线的距离为d2,0.08mm≤d2≤0.3mm;
所述第二折线的末端与第二主线的距离为d3,0.08mm≤d3≤0.3mm;
并且,相邻两个人造微结构之间的间隔为WL,0.08mm≤WL≤0.3mm;
相邻两个人造微结构之间的距离为L,1mm≤L≤30mm。
进一步地,所述宽频低色散超材料还包括覆盖在多个人造微结构上的第二基板。
进一步地,所述第一基板与第二基板厚度相同,其厚度为H1,0.1mm≤H1≤1mm。
进一步地,所述第一基板与第二基板的介电常数相同,其介电常数取值范围为2.5-2.8。
进一步地,所述第一基板及第二基板由陶瓷材料、F4B复合材料、FR-4复合材料或聚苯乙烯制成。
进一步地,所述人造微结构由铜线或者银线制成,所述人造微结构通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法附着在所述第一基板上。
进一步地,所述人造微结构由铟锡氧化物、碳纳米管或者石墨制成。
本发明的超材料通过设计人造微结构的形状,能够使得该超材料在较宽频段提供较稳定的折射率,即具有宽频低色散的特性。该超材料可以广泛应用在平板天线的制造,例如平面卫星电视天线或者平面微波天线;另外通过该超材料的一定频段电磁波具有很小的损耗,可以用于天线罩,例如基站天线罩。
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,附图中:
图1是现有技术的超材料的结构示意图;
图2是本发明第一实施例的宽频低色散超材料的结构示意图(透视);
图3是图2所示的宽频低色散超材料去掉第二基板后的正视图;
图4是单个人造微结构的结构示意图;
图5是本发明第二实施例的宽频低色散超材料的结构示意图;
图6是图1所示的现有技术的超材料的仿真示意图;
图7是图2所示实施例的宽频低色散超材料的仿真示意图。
具体实施方式
如图2至图4所示,为本发明第一实施例的宽频低色散超材料,其包括第一基板1、附着在第一基板1一侧表面上的多个人造微结构3及覆盖在多个人造微结构3上的第二基板2。所述人造微结构3具有相互垂直平分的第一主线31及第二主线32,所述第一主线31与第二主线32的长度相同,所述第一主线31两端连接有相同长度的两个第一支线Z1,所述第一主线31两端连接在两个第一支线Z1的中点上,所述第二主线32两端连接有相同长度的两个第二支线Z2,所述第二主线32两端连接在两个第二支线Z2的中点上,所述第一支线Z1与第二支线Z2的长度相等,每一所述第一支线Z1的两端向里弯折延伸出两个第一折线ZX1,每一所述第二支线Z2的两端向里弯折延伸出两个第二折线ZX2。
图2为透视图,即假定第一基板与第二基板透明,人造微结构不透明。
本实施例中,所述第一折线ZX1与第一支线Z1所成的夹角为θ1,所述第二折线ZX2与第二支线Z2所成的夹角为θ2,且有,
θ1=θ2;θ1≤45°。
优选地,所述第一折线ZX1与第一支线Z1所成的夹角θ1及所述第二折线ZX2与第二支线Z2所成的夹角θ2均为45度。即第一折线Z1与第二折线Z2平行。
本实施例中,如图3及图4所示,所述人造微结构各处的厚度相同,其厚度为H2,0.01mm≤H2≤0.5mm;
所述人造微结构各处的线宽相同,其线宽为W,0.08mm≤W≤0.3mm;
所述第一折线与第二折线的距离为d1,0.08mm≤d1≤0.3mm;
所述第一折线的末端与第一主线平齐,所述第二折线的末端与第二主线平齐,所述第一折线与第二折线等长;
所述第一折线的末端与第一主线的距离为d2,0.08mm≤d2≤0.3mm;
所述第二折线的末端与第二主线的距离为d3,0.08mm≤d3≤0.3mm;
并且,相邻两个人造微结构之间的间隔为WL,0.08mm≤WL≤0.3mm;如图3所示,WL即为相邻两个人造微结构的相对的两个第一支线的距离,也即相邻两个人造微结构的相对的两个第二支线的距离。
相邻两个人造微结构之间的距离为L,1mm≤L≤30mm;如图3所示,L即为相邻两个人造微结构的两个的第一支线(或两个第二支线)之间的距离;也即相邻两个人造微结构中心点之间的距离。L的长度与入射电磁波有关,通常L的长度小于入射电磁波的波长,例如L可以是入射电磁波的十分之一,这样可以对入射电磁波产生连续的响应。
本实施例中,所述人造微结构3为由导电材料制成的丝线。例如铜线、银线及其它金属线,采用金属材料制成的人造微结构,可以通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法附着在所述第一基板1上。另外,人造微结构3还可以由其它非金属的导电材料制成,例如,铟锡氧化物、碳纳米管或者石墨等。
本发实施例中,所述第一基板1与第二基板2厚度相同,其厚度为H1,0.1mm≤H1≤1mm。并且,所述第一基板1与第二基板2的介电常数相同,其介电常数取值范围为2.5-2.8。
本实施例中,第一基板1及第二基板2可以由任意的介电材料制成,例如陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料。高分子材料,例如可以有F4B复合材料、FR-4复合材料或聚苯乙烯(PS)等。
本实施例中,采用具有如下参数的超材料进行仿真,
相邻两个人造微结构之间的距离L为2.5mm;
人造微结构的厚度H2为0.018mm;
人造微结构的线宽W为0.15mm;
第一折线与第一支线所成的夹角为θ1等于45度,第二折线与第二支线所成的夹角为θ2等于45度;
第一折线与第二折线的距离d1为0.15mm;
第一折线的末端与第一主线的距离d2为0.15mm,所述第二折线的末端与第二主线的距离d3为0.15mm;
相邻两个人造微结构之间的间隔WL为0.15mm;
第一基板与第二基板为介电常数为2.7的PS塑料板,损耗正切为0.0002。
对具有上述参数的超材料进行仿真,即测试该超材料在不同频率下的折射率,得到折射率相对于频率的电磁响应曲线如图7所示。由图可知,所述超材料能在非常宽的一段频率上(0~10GHz)有很好的低色散性能。稳定的折射率可以为平板天线的制造创造极为有利的条件,同时,该超材料还具有很低的电磁损耗,可以应用在基站天线罩等领域。
另外,如图5所示,本发明还提供了第二实施例的宽频低色散超材料,与第一实施例的区别在于,该实施例中,只有第一基板;其性能与第一实施例的宽频低色散超材料基本相同。
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。