CN102810747A - 一种具有高介电常数的超材料 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有高介电常数的超材料，包括至少一个超材料片层，每个超材料片层包括基材和附着在所述基材上的多个人造微结构，所述人造微结构包括相互正交的两个工字形，交点位于所述两个工字形的中心，还包括四个相对于所述交点旋转对称的工字形。具有这种人造微结构的超材料其介电常数得到了大幅的提高。

Description

一种具有高介电常数的超材料

技术领域

本发明涉及超材料领域，更具体地说，涉及一种具有高介电常数的超材料。

背景技术

介电常数是材料对电场响应的一个参数，材料在外加电场时会产生感应电荷而削弱电场，原真空中的外加电场与最终材料中电场的比值即为介电常数。

自然界中，任何一种材料在特定的条件下，都有它特定的介电常数值或者介电常数曲线。介电常数较高的材料放在电场中，场的强度会在电介质材料内有可观的下降。介电常数高的材料，如介电绝缘体，通常用来制造电容。而且在高介电常数材料中，电磁波波长很短，可以大大缩小射频及微波器件的尺寸。

随着技术日新月异的发展，人们对材料的应用要求越来越高，在某些场合，所需要的介电常数值远高于自然界已有的材料的介电常数值，现有的介电常数较高的介电绝缘体也不能达到要求，这将为技术和产品研发造成瓶颈。因此，人们转向人工制造的超材料，以期实现上述技术目的。

超材料是一种具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构材料，通过对微结构的有序排列，改变了空间中每点的相对介电常数和磁导率。超材料可以在一定范围内实现普通材料无法具备的介电常数和磁导率，从而可以有效控制电磁波的传播特性。

超材料包括由金属线构成的具有一定图案形状的的人造微结构和人造微结构所附着的基材，多个人造微结构在基材上阵列排布，基材对人造微结构起到支撑作用，可为任何与人造微结构不同的材料。这两种材料的叠加会在空间中产生一个等效介电常数与磁导率，这两个物理参数分别对应了材料整体的电场响应与磁场响应。超材料对电磁响应的特征是由人造微结构的特征所决定，而人造微结构的电磁响应很大程度上取决于其金属线的拓扑特征和超材料单元尺寸。超材料单元尺寸取决于人造微结构需要响应的电磁波，通常人造微结构的尺寸为所需响应的电磁波波长的十分之一，否则空间中由人造微结构所组成的排列在空间中不能被视为连续。

目前超材料生产工艺中通常采用如图1所示的“I”形人造微结构去改变空间中的介电常数分布。具有“I”形人造微结构的超材料其介电常数和折射率随频率变化的曲线如图2和图3所示，其介电常数和折射率都比较低，介电常数值一般在6以下，折射率在2.5以下，由于超材料可以看作由附着人造微结构的基材单元阵列排布而成，单个基材单元的尺寸通常为电磁波波长的五分之一到十分之一之间，在有限的空间中“I”形人造微结构的尺寸改变的范围有限，所以现有的超材料其介电常数可改变的范围也是有限的。

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，提供一种具有高介电常数的超材料。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种具有高介电常数的超材料，包括至少一个超材料片层，每个超材料片层包括基材和附着在所述基材上的多个人造微结构，所述人造微结构包括相互正交的两个工字形，交点位于所述的两个工字形的中心，还包括四个相对于所述交点旋转对称的工字形。

在本发明的优选实施方式中，所述四个相对于所述交点旋转对称的工字形分别位于所述相互正交的工字形相交线的延长线上。

在本发明的优选实施方式中，所述四个相对于所述交点旋转对称的工字形分别位于所述相互正交的工字形形成的夹角的空间内。

在本发明的优选实施方式中，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所述人造微结构。

在本发明的优选实施方式中，所述人造微结构通过蚀刻附着于所述基材上。

在本发明的优选实施方式中，所述人造微结构通过电镀、钻刻、光刻附着于所述基材上。

在本发明的优选实施方式中，所述人造微结构通过电子刻或离子刻附着于所述基材上。

在本发明的优选实施方式中，所述基材为陶瓷材料。

在本发明的优选实施方式中，所述基材为聚四氟乙烯。

在本发明的优选实施方式中，所述基材为铁电材料、铁氧材料或者铁磁材料。

实施本发明具有以下有益效果：本发明通过改变现有人造微结构的形状，在相互正交的工字形的周围设置有四个旋转对称的工字形，提高了超材料的介电常数和折射率，经过仿真，结果显示，在非常宽的一段频率上，具有这种人造微结构的超材料的介电常数非常平稳，而且与具有“I”形人造微结构的超材料相比，介电常数和折射率有非常显著地提高，如图4和图5所示，本发明在低损耗情况下其介电常数较高，能达到100以上，在一定的频率范围内(8.5GHz～15.8GHz)，具有较高的折射率，最高可以到达10.1。这种高介电常数的超材料可以应用在天线制造以及半导体制造等领域，而且该技术方案由于突破了现有技术中单位体积内介电常数受限的缺陷，对微波器件的小型化产生也会产生不可估量的作用。

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。

图1是现有技术中“I”形人造微结构的示意图；

图2是具有“I”形人造微结构的超材料其介电常数随频率变化的示意图；

图3是具有“I”形人造微结构的超材料其折射率随频率变化的示意图；

图4是本发明实施例一所示超材料的介电常数随频率变化的示意图；

图5是本发明实施例一所示超材料的折射率随频率变化的示意图；

图6是本发明实施例一中的人造微结构的结构示意图

图7是本发明实施例一提出的超材料的结构示意图；

图8是本发明实施例二中的人造微结构的结构示意图

图9是本发明实施例二提出的超材料的结构示意图；

具体实施方式

实施例一

本发明提供一种新型的超材料，相对于现有的超材料，通过改变其中人造微结构的拓扑形状提高了超材料的介电常数。

如图7所示，超材料包括至少一块均匀等厚的基板1，若有多块基板1则基板1沿垂直于基板平面的方向(z轴方向)依次堆叠，并通过组装或者在每两块基板1之间填充可连接二者的物质例如液态基板原料，其在固化后将已有的两基板1粘合，从而使多块基板1构成一个整体。基板1可由FR-4、F4b、CEM1、CEM3或者TP-1等高介电常数陶瓷材料构成，也可为聚四氟乙烯等高分子聚合物、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制成。

将每块基板1虚拟地划分成多个完全相同的相互紧挨着的立方体基材单元，这些基材单元以x轴方向为行、以与之垂直的y轴方向为列依次阵列排布。基材单元的边长通常为入射电磁波波长的五分之一到十分之一之间。每个基材单元上附着有一个人造微结构2，基材单元和基材单元上的人造微结构2共同构成一个超材料单元3，如图7所示，本发明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或者银线组成的具有一定几何图形的平面或立体结构，通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻工艺附着于基材1上。其中，金属线可以是剖面为圆柱状或者扁平状的铜线、银线等，金属线的剖面也可以为其他形状。本实施例中人造微结构2如图6所示，包括相互正交的两个工字形4和5，交点o位于工字形4和5的中心，还包括四个相对于交点o旋转对称的工字形6、7、8和9，其中工字形9、4和7的中间连接线在同一直线上，工字形8、5和6的中间连接线在同一直线上。

实施例二

该实施例中的人造微结构与实施例一的区别是四个相对于交点o旋转对称的工字形6、7、8和9分别位于相互正交的工字形4和5所形成的夹角的空间内，如图8所示，包含该人造微结构的超材料如图9所示。

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，还可做出很多变形等均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种具有高介电常数的超材料，包括至少一个超材料片层，每个超材料片层包括基材和附着在所述基材上的多个人造微结构，其特征在于，所述人造微结构包括相互正交的两个工字形，交点位于所述的两个工字形的中心，还包括四个相对于所述交点旋转对称的工字形。

2.根据权利要求1所述的具有高介电常数的超材料，其特征在于，所述四个相对于所述交点旋转对称的工字形分别位于所述相互正交的工字形相交线的延长线上。

3.根据权利要求1所述的具有高介电常数的超材料，其特征在于，所述四个相对于所述交点旋转对称的工字形分别位于所述相互正交的工字形形成的夹角的空间内。

4.根据权利要求1至3任一所述的具有高介电常数的超材料，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所述人造微结构。

5.根据权利要求4所述的具有高介电常数的超材料，其特征在于，所述人造微结构通过蚀刻附着于所述基材上。

6.根据权利要求4所述的具有高介电常数的超材料，其特征在于，所述人造微结构通过电镀、钻刻、光刻附着于所述基材上。

7.根据权利要求4所述的具有高介电常数的超材料，其特征在于，所述人造微结构通过电子刻或离子刻附着于所述基材上。

8.根据权利要求4所述的具有高介电常数的超材料，其特征在于，所述基材为陶瓷材料。

9.根据权利要求4所述的具有高介电常数的超材料，其特征在于，所述基材为聚四氟乙烯。

10.根据权利要求4所述的具有高介电常数的超材料，其特征在于，所述基材为铁电材料、铁氧材料或者铁磁材料。

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