CN102723607B - 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 (8)

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，所述第一主线两端分别沿相反方向向第二主线延伸形成两个第一支线，所述第二主线两端分别沿相反方向向第一主线延伸形成两个第二支线，所述两个第一支线相互平行，所述两个第二支线相互平行，并且相邻的所述第一支线和所述第二支线彼此远离，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，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。
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。
3.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。
4.根据权利要求3所述的宽频低色散超材料，其特征在于，所述第一基板与第二基板厚度相同，其厚度为H1，0.1mm≤H1≤1mm。
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。
6.根据权利要求5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。
7.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。
8.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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