CN102723607A - 一种宽频低色散超材料 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及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，所述第一主线两端向第二主线延伸形成两个第一支线，所述第二主线两端向第一主线延伸形成两个第二支线。根据本发明的宽频低色散超材料，能够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。

Description

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，所述第一主线两端向第二主线延伸形成两个第一支线，所述第二主线两端向第一主线延伸形成两个第二支线。
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。
进一步地，所述两个第一支线相互平行，所述第一支线与第一主线所成的夹角为θ1，所述两个第二支线相互平行，所述第二支线与第二主线所成的夹角为θ2，且有，
θ1=θ2；θ1 ≤90°。
进一步地，所述第一支线与第一主线所成的夹角θ1及所述第二支线与第二主线所成的夹角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；
所述两个第一支线长度相等，所述两个第二支线长度相等，所述第一支线的末端与第二主线平齐，所述第二支线的末端与第一主线平齐，所述第一支线与第二支线等长；
所述第一支线的末端与第二主线的距离为d1，0.08mm≤d2≤0.3mm；
所述第二支线的末端与第一主线的距离为d2，0.08mm≤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31两端向第二主线32延伸形成两个第一支线Z1，所述第二主线32两端向第一主线31延伸形成两个第二支线Z2。
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，所述两个第一支线Z1相互平行，所述第一支线Z1与第一主线31所成的夹角为θ1，所述两个第二支线Z2相互平行，所述第二支线Z2与第二主线32所成的夹角为θ2，且有，
θ1=θ2；θ1≤90°。
优选地，所述第一支线Z1与第一主线31所成的夹角θ1及所述第二支线Z2与第二支线32所成的夹角θ2均为45度。即第一支线Z1与第二支线Z2相互垂直。
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；
所述两个第一支线长度相等，所述两个第二支线长度相等，所述第一支线的末端与第二主线平齐，所述第二支线的末端与第一主线平齐，所述第一支线与第二支线等长；
所述第一支线的末端与第二主线的距离为d1，0.08mm≤d2≤0.3mm；
所述第二支线的末端与第一主线的距离为d2，0.08mm≤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延伸方向相同的第一支线（或两个延伸方向相同的第二支线）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；
第一支线与第一主线所成的夹角为θ1等于45度，第二支线与第二主线所成的夹角为θ2等于45度；
第一支线的末端与第二主线的距离d2为0.15mm，所述第二支线的末端与第一主线的距离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。

Claims (11)

1.一种宽频低色散超材料，其特征在于，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，所述第一主线两端向第二主线延伸形成两个第一支线，所述第二主线两端向第一主线延伸形成两个第二支线。
2.根据权利要求1所述的宽频低色散超材料，其特征在于，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。
3.根据权利要求2所述的宽频低色散超材料，其特征在于，所述两个第一支线相互平行，所述第一支线与第一主线所成的夹角为θ1，所述两个第二支线相互平行，所述第二支线与第二主线所成的夹角为θ2，且有，
θ1=θ2；θ1≤90°。
4.根据权利要求3所述的宽频低色散超材料，其特征在于，所述第一支线与第一主线所成的夹角θ1及所述第二支线与第二主线所成的夹角θ2均为45度。
5.根据权利要求4所述的宽频低色散超材料，其特征在于，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；
所述两个第一支线长度相等，所述两个第二支线长度相等，所述第一支线的末端与第二主线平齐，所述第二支线的末端与第一主线平齐，所述第一支线与第二支线等长；
所述第一支线的末端与第二主线的距离为d1，0.08mm≤d2≤0.3mm；
所述第二支线的末端与第一主线的距离为d2，0.08mm≤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。
6.根据权利要求1所述的宽频低色散超材料，其特征在于，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。
7.根据权利要求6所述的宽频低色散超材料，其特征在于，所述第一基板与第二基板厚度相同，其厚度为H1，0.1mm≤H1≤1mm。
8.根据权利要求7所述的宽频低色散超材料，其特征在于，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。
9.根据权利要求8所述的宽频低色散超材料，其特征在于，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。
10.根据权利要求1所述的宽频低色散超材料，其特征在于，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。
11.根据权利要求1所述的宽频低色散超材料，其特征在于，所述人造微结构由铟锡氧化物、碳纳米管或者石墨制成。
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