CN102738589A

CN102738589A - 一种具有高集成度人造微结构的超材料

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Publication number: CN102738589A
Application number: CN2011100911222A
Authority: CN
Inventors: 刘若鹏; 栾琳; 何方龙; 赵治亚
Original assignee: Kuang Chi Institute of Advanced Technology; Kuang Chi Innovative Technology Ltd
Current assignee: Kuang Chi Institute of Advanced Technology; Kuang Chi Innovative Technology Ltd
Priority date: 2011-04-12
Filing date: 2011-04-12
Publication date: 2012-10-17

Abstract

本发明涉及一种具有高集成度人造微结构的超材料，包括基材和附着在所述基材的人造微结构，所述人造微结构包括单开口谐振环和从所述单开口谐振环的两末端点分别向环内部螺旋延伸出的两条螺旋线，所述两条螺旋线互不相交且均不与所述单开口谐振环相交。在满足相同或相近磁导率、实现相近电磁响应特性的情况下，采用本发明可以显著地减小人造微结构的体积，在相同体积的基材上可以集成更多的人造微结构，进而减小超材料的面积和体积，这对于产品的小型化甚至微型化，有着非常重大的促进意义。

Description

一种具有高集成度人造微结构的超材料

技术领域

本发明涉及超材料领域，更具体地说，涉及一种具有高集成度人造微结构的超材料。

背景技术

超材料是一种能够对电磁产生响应的新型人工合成材料，由基材和附着在基材上的人造微结构组成。由于人造微结构通常为金属线排布成的具有一定几何图形的结构，因此能够能电磁产生响应，从而使超材料整体体现出不同于基材的电磁特性，这样的电磁特性能实现现有材料不能实现的特殊功能，例如实现电磁波的汇聚、发散等，可用在天线、雷达等电磁通讯领域。

现有的超材料中，能够产生磁谐振效应的人造微结构通常为开口谐振环但是由于开口谐振环占用面积大，不利于电子元件和设备的小型化发展。

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，提供一种具有高集成度人造微结构的超材料。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种具有高集成度人造微结构的超材料，包括基材和附着在所述基材的人造微结构，所述人造微结构包括单开口谐振环和从所述单开口谐振环的两末端点分别向其内部螺旋延伸出的两条螺旋线，所述两条螺旋线不相交且均不与所述单开口谐振环相交。

在本发明的具有高集成度人造微结构的超材料中，所述螺旋线为圆形螺旋线或方形螺旋线。

在本发明的具有高集成度人造微结构的超材料中，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人造微结构。

在本发明的具有高集成度人造微结构的超材料中，所述螺旋线的圈数大于2。

在本发明的具有高集成度人造微结构的超材料中，所述人造微结构为银线或铜线。

在本发明的具有高集成度人造微结构的超材料中，所述基材单元沿两两正交垂直的x、y、z三个方向阵列排布。

在本发明的具有高集成度人造微结构的超材料中，所述基材为陶瓷材料制成。

在本发明的具有高集成度人造微结构的超材料中，所述基材单元的边长为一电磁波波长的十分之一。

实施本发明的具有高集成度人造微结构的超材料，具有以下有益效果：在满足相同或相近磁导率、实现相近电磁响应特性的情况下，采用本发明可以显著地减小人造微结构的体积，在相同体积的基材上可以集成更多的人造微结构，进而减小超材料的面积和体积，这对于产品的小型化甚至微型化，有着非常重大的促进意义。

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是本发明优选实施例的具有高集成度人造微结构的超材料的结构示意图；

图2是图1所示的具有高集成度人造微结构的超材料的一个超材料单元的结构示意图；

图3是现有的第一种开口谐振环的示意图；

图4是现有的第二种开口谐振环的示意图；

图5是图2所示人造微结构的一个螺旋线在极坐标中的示意图；

图6是现有的第三种开口谐振环的示意图；

图7是本发明优选实施例的人造微结构的示意图；

图8是本发明另一实施例的人造微结构的示意图；

图9是本发明又一实施例的人造微结构的示意图。

具体实施方式

本发明提供一种具有高集成度人造微结构的超材料，如图1、图2所示，其包括至少一块均匀等厚的基材1，基材1可被虚拟地划分为完全相同的多个立方体形的基材单元10，例如边长为一种频率的电磁波的波长的十分之一到五分之一的立方体。基材1可看作是由多个这样的基材单元10以x方向为行、y方向为列、z方向为层叠方向组成的阵列，其中x、y、z方向两两正交垂直。基材1可由FR-4，F4b，CEM1，CEM3和TP-1陶瓷材料构成。

每个基材单元10上附着有一个人造微结构2，基材单元10及基材单元10上的人造微结构2共同构成一个超材料单元3，如图2所示，则本发明的具有高集成度人造微结构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2通常为金属线例如铜线、银线组成的具有一定几何图形的平面或立体结构，当然，人造微结构还可以有其他金属材料如金线，也可以由至少两种金属混合而成的材料，甚至也可能采用非金属材料制成。本发明的人造微结构2均为对磁场有响应的结构。现有的对磁场响应的人造微结构2通常为开口谐振环，如图3、图4所示。图3所示的为单开口谐振环，图4所示的是两个开口相向的单开口谐振环之间通过一金属丝连接而形成的结构。现有技术还有双开口谐振环，包括两个内外嵌套的单开口谐振环。图6示出了另一种现有技术的结构，其是在图3所示的开口谐振环两末端点处分别向环内部延伸出一条折线，形成“＝”形的平行线，使得整个结构近似于未封口的“凹”字形。

由以上图示可知，现有的单开口谐振环的圈数不大于1。本文的一圈，是指如图3所示，以开口谐振环所围成的环形内部的一点为极坐标的极点O_e，开口谐振环两末端点中离极点O_e近的一个末端点到极点的连线为该极坐标的极轴，取逆时针为正方向，则沿开口谐振环上的每一点依次用极坐标(ρ_e，θ)来表示，每到一个360度为一圈，直到达到开口谐振环的离极点远的另一末端点。

本发明的具有高集成度人造微结构的超材料与现有技术不同，其人造微结构2包括单开口谐振环20和从所述单开口谐振环20的两末端点P1、P2向其内部分别逆时针、顺时针螺旋延伸出的两条螺旋线，分别为第一螺旋线21和第二螺旋线22，第一、第二螺旋线不相交且均不与所述单开口谐振环20相交。

这里的螺旋线是指，对于一条平面上的曲线，在该平面上存在一点O，使得以O点为一极坐标系的极点，O点与该曲线的一个端点的连线为该极坐标系的极轴，取逆时针为正方向，则该曲线上任一点用极坐标(ρ，θ)表示，其中，ρ为该点的极长，θ为该点的极角，ρ(θ)表示极长关于极角的函数，当这样的曲线满足条件：

1)连续、没有断开，即ρ′(θ)≠∞；

2)ρ(θ)＜ρ(θ+2π)，使得该曲线没有交点；

3)该曲线的另一端点的极角θ₀＞2π。

则这样的曲线称之为螺旋线。以本发明的第二螺旋线为例，如图5所示，存在一点O₂为极点，其与该线的一端点P20的连线为极轴，逆时针为正方向，则端点P20的极角为0度，该线上的任一点均满足上述条件1)、2)，且另一端点也即单开口谐振环20的一个末端点P2的极角约为5.5π，满足条件3)，因此该曲线22为螺旋线。优选地，本发明的螺旋线至少为两圈，即末端点P2的极角不小于4π。

第一、第二螺旋线不相交，是指在同一极坐标系中，两条螺旋线分别用函数ρ₁(θ)、ρ₂(θ)表示，则两条螺旋线上不存在一点(ρ₁(θ₁)，θ₁)，(ρ₂(θ₂)，θ₂)，使得这两点满足ρ₁(θ₁)＝ρ₂(θ₂)，且θ₁＝θ₂+2kπ，k为一整数。第一、第二螺旋线分别不与所述单开口谐振环相交，也与之类似。

进一步的，本发明的第一、第二螺旋线还互不包含，即存在一条直线，使得第一螺旋线在所述直线的一侧，第二螺旋线在所述直线的另一侧，如图2中的直线5。

本发明由于在单开口谐振环上增加了两个金属的螺旋线，而根据上述条件2)可知任一螺旋线上的两点(ρ(θ)，θ)、(ρ(θ+2π)，θ+2π)之间存在走线间隔，当对电磁场产生响应时，这两点可以等效为两电容极板，且极板间距即走线间隔等于ρ(θ+2π)-ρ(θ)，则整个螺旋线可以等效为一个极板长度约等于螺旋线总长度的、极板成螺旋形的电容。

已知电容公式为C＝εA/d＝ε₀ε_rA/d，其中，ε₀为空气中的理想介电常数，εr为基材1的介电常数，A为电极容板的面积，d为两电容极板之间的间距。电容极板的面积A＝L₀t，其中L₀为第一螺旋线或第二螺旋线的长度，t为附着在基材1上的金属线的厚度。可见，在其他条件不改变的情况下，螺旋线越长，两个螺旋线之间越近，则等效电容值越大。

同理我们可以定性的判断电感L的变化，线长越长，电感L越大。本发明中螺旋线螺旋圈数越多，其电感越大(存在互感)。

由LC振荡电路的公式

可知，当电感值增大，其对应的谐振频率将降低。

本发明将以图6所示的现有技术的结构为例，比较本发明的超材料相对于现有的超材料技术的优越性。

对于图6和图7所示的两种人造微结构，基材选用FR-4等级的环氧树脂材料。

1)当二者所在的超材料单元尺寸相同时，此时超材料单元的尺寸为25mm×25mm×25mm：

如图6所示，图中各段尺寸分别为：S₂＝25mm，H＝24mm，D＝10mm，W＝4mm，S＝0.025mm。经过仿真，现有的这种单圈的开口谐振环结构其磁导率的谐振频率大约在25GHz左右。

如图7所示，本发明一实施例中，图中各段尺寸分别为：S₁＝25mm，h＝24mm，d＝0.5mm，w＝4mm，S＝0.025mm。经过仿真，通过螺旋绕行的多圈开口谐振环结构其谐振频率大概在8GHz。

2)当两种人造微结构的总线长相等时，例如均为120mm：

图6所示的现有的单圈开口谐振环的尺寸保持不变，超材料单元的尺寸也为25mm×25mm×25mm，测得该超材料单元的磁导率为μ＝5.4；

图7所示的本发明另一实施例中，超材料单元的尺寸减小至10mm×10mm×10mm，图中各段尺寸分别为：S₁＝10mm，h＝8mm，d＝0.5mm，w＝0.5mm，S＝0.025mm。经过仿真，测得该具有螺旋线的多圈开口谐振环结构的超材料单元的磁导率μ＝5.6。

上述对比实施例中除人造微结构以外的所有参数均相同。由上述结果可知，当人造微结构的轮廓尺寸(或者超材料单元的尺寸)相当时，采用本发明的螺旋形结构可以使磁导率谐振频率向低频段移动(即其谐振频率变小)；同时，当实现相等或相近的磁导率时，采用本发明的螺旋形结构将大大减小每个人造微结构和超材料单元的尺寸，因此在同一块基板上可以设置更多的人造微结构，在实现相同磁导率的同时有利于实现高集成度和小型化。

本发明中，第一、第二螺旋线的走线间距d最小可以做到0.1mm，因此其长和宽h可以制造成约为图6所示人造微结构的长和宽H的十分之一，则面积降至其百分之一。

因此，采用本发明的超材料，在满足相同或相近磁导率、实现相近电磁响应特性的情况下，采用本发明可以显著地减小人造微结构的体积，在相同体积的基材上可以集成更多的人造微结构，进而减小超材料的面积和体积，甚至可以减小到百分之一、千分之一，这对于产品的小型化甚至微型化，有着非常重大的促进意义。

本发明的第一、第二螺旋线不仅仅为如图7所示的方形螺旋线，还可以是图8所示的圆形螺旋线。方形螺旋线是指在满足上述条件1)、2)、3)而形成螺旋线的同时，可以看作是由多个直线段依次互成90度自内向外连接而成，后一直线段均长于前一直线段，而本文的圆形螺旋线是指在上述螺旋线的极坐标满足上述条件1)、2)、3)的同时，还满足f″(θ)≠∞，使得该螺旋线上没有尖角和凸点而是一条平滑曲线，如图8所示。

其中，图7、图8所示的人造微结构2中，其第一、第螺旋线的走线间隔都是或者近似均匀相等的，即第一螺旋线21上的任两点均满足ρ₁(θ₁+2π)-ρ₁(θ₁)＝ρ₁(θ₁+4π)-ρ₁(θ₁+2π)，而第二螺旋线22上的任两点也均满足ρ₂(θ₂+2π)-ρ₂(θ₂)＝ρ₂(θ₂+4π)-ρ₂(θ₂+2π)。但是，在其他实施例中，走线间隔并不必然是相等的，如图9所示，每条螺旋线的走线间隔就不相等。

本发明的具有高集成度人造微结构的超材料，由于螺旋方向相反的两根螺旋线均紧密排布，使得在实现相同或相近磁导率的条件下人造微结构的尺寸可减小至十分之一以上，大大减小了超材料的体积，有利于天线等通讯设备和器件的进一步小型化和微型化发展。

因此，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

1.一种具有高集成度人造微结构的超材料，其特征在于，包括基材和附着在所述基材的人造微结构，所述人造微结构包括单开口谐振环和从所述单开口谐振环的两末端点分别向环内部螺旋延伸出的两条螺旋线，所述两条螺旋线互不相交且均不与所述单开口谐振环相交。

2.根据权利要求1所述的具有高集成度人造微结构的超材料，其特征在于，所述螺旋线为圆形螺旋线。

3.根据权利要求1所述的具有高集成度人造微结构的超材料，其特征在于，所述螺旋线为方形螺旋线。

4.根据权利要求1所述的具有高集成度人造微结构的超材料，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人造微结构。

5.根据权利要求1所述的具有高集成度人造微结构的超材料，其特征在于，所述螺旋线的圈数大于2。

6.根据权利要求1所述的具有高集成度人造微结构的超材料，其特征在于，所述人造微结构为银线。

7.根据权利要求1所述的具有高集成度人造微结构的超材料，其特征在于，所述人造微结构为铜线。

8.根据权利要求4所述的具有高集成度人造微结构的超材料，其特征在于，所述基材单元沿两两正交垂直的x、y、z三个方向阵列排布。

9.根据权利要求1所述的具有高集成度人造微结构的超材料，其特征在于，所述基材为陶瓷材料制成。

10.根据权利要求4所述的具有高集成度人造微结构的超材料，其特征在于，所述基材单元的边长为一电磁波波长的十分之一。