CN102810753A - 超材料 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超材料，其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工微结构，所述人工微结构包括不平行亦不共线而其延长线相接的第一金属线和第二金属线以及两端分别与所述第一金属线和第二金属线相接且不与任一金属线共线的第三金属线，且所述第三金属线不同时垂直于所述第一金属线和第二金属线。通过调节所述三条金属线的相互位置关系，得以改变所述人工微结构的拓扑形状，让所述超材料具有不同的介电常数，以满足不同的电磁响应需求。
Description
技术领域
本发明涉及电磁通信领域，更具体地说，涉及一种超材料。
背景技术
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，其通过周期性排列的人工微结构来改变空间中各点的介电常数和磁导率，而让整个超材料在一定频率范围内具有普通材料所不具备的介电常数和磁导率。
目前，超材料一般由多个叠加在一起的超材料片层构成，每一超材料片层包括由金属线构成的具有一定拓扑形状的人工微结构和用于附着人工微结构的基材，人工微结构阵列排布在基材上，而基材对人工微结构起支撑作用，其可为任何与人工微结构不同的材料，从而让整个超材料产生一个等效介电常数和等效磁导率，这两个参数分别表征超材料的电场响应和磁场响应。而超材料的电磁响应是由人工微结构的拓扑形状和几何尺寸所决定的。通常人工微结构的几何尺寸为产生电磁响应的电磁波波长的十分之一左右，否则，超材料中呈阵列排布的人工微结构不能被视为连续。
随着科技日新月异的发展，人们根据实际的应用环境对材料提出了不同的电磁响应需求。我们知道，材料的电场响应与其介电常数有关。而由上可知，由于人工微结构的可设计性，从而可以调制超材料的介电常数，以满足不同的电磁响应需求。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，提供一种可以调制介电常数的超材料。
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工微结构，所述人工微结构包括不平行亦不共线而其延长线相接的第一金属线和第二金属线以及两端分别与所述第一金属线和第二金属线相接且不与任一金属线共线的第三金属线，且所述第三金属线不同时垂直于所述第一金属线和第二金属线。
优选地，所述第一金属线和第二金属线的延长线相接形成的角为θ1，所述第一金属线与所述第二金属线相接形成的角为θ2，所述第二金属线与所述第三金属线相接形成的角为θ3，所述第一金属线和第二金属线及其延长线与所述第三金属线共同形成一三角形，θ1、θ2和θ3为所述三角形的内角，θ1+θ2+θ3＝180°，其中0＜θ1＜90°，0＜θ2＝θ3＜180°。
优选地，所述第三金属线垂直于所述第一金属线和第二金属线的延长线所成角θ1的角平分线。
优选地，θ2＝90°。
优选地，θ3＝90°。
优选地，所述基材由聚四氟乙烯制成。
优选地，所述基材由陶瓷材料制成。
优选地，所述金属线是铜线。
优选地，所述金属线是银线。
优选地，所述人工微结构呈平面拓扑形状。
本发明的超材料具有以下有益效果：通过调节所述三条金属线的相互位置关系，从而改变所述人工微结构的拓扑形状，让所述超材料具有不同的介电常数，以满足不同的电磁响应需求。
附图说明
下面将结合附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。
图1是本发明的第一实施例的超材料的结构示意图。
图2是图1中的人工微结构的平面放大图；
图3是本发明的第二实施例的超材料的结构示意图；
图4是本发明的第三实施例的超材料的结构示意图；
图5是图4中的人工微结构的平面放大图；
图6是本发明的第四实施例的超材料的结构示意图；
图7是图6中的人工微结构的平面放大图；
图8是本发明的第五实施例的超材料的结构示意图；
图9是图8中的人工微结构的平面放大图。
图中各标号对应的名称为：
10、20超材料、12超材料片层、14、24基材、16、26、30、32、34人工微结构、18超材料单元、162第一金属线、164第二金属线、166、326、346第三金属线
具体实施方式
本发明提供一种超材料，通过改变人工微结构的拓扑形状来调制超材料的介电常数，以满足实际应用环境对电磁响应的需求。
如图1所示，所述超材料10包括多个沿垂直于片层表面的方向叠加而成的超材料片层12，每个超材料片层12包括基材14和附着在基材14上的多个人工微结构16。所述基材14可由聚四氟乙烯等高分子聚合物或陶瓷材料制成。所述人工微结构16通常为金属线(如铜线或者银线)构成的具有一定拓扑形状的平面或立体结构，其中，金属线的截面可以为圆柱状、扁平状，也可以为其他形状。所述人工微结构16通过一定的加工工艺附着在所述基材14上，例如蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻、离子刻等。
一般，将每个人工微结构16及其所附着的基材14部分人为定义为一个超材料单元18，且每个超材料单元18的尺寸介于入射电磁波波长的五分之一到十分之一之间。这样，整个超材料便可以看作是由多个超材料单元18阵列排布而成。
实施例一
如图2所示，为本发明的第一实施例的人工微结构16，是由扁平状的金属线构成的平面拓扑形状。所述人工微结构16包括不平行亦不共线而其延长线相接的第一金属线162和第二金属线164以及两端分别与所述第一金属线162和第二金属线164相接且不与任一金属线162、164共线的第三金属线166。
所述第一金属线162和所述第二金属线164的延长线相接所成的角为θ1，所述第一金属线162与所述第三金属线166相接形成所成角为θ2，所述第二金属线164与所述第三金属线166相接所成的角为θ3，所述第一金属线162和第二金属线164及其延长线与所述第三金属线166共同形成一三角形，θ1、θ2和θ3为所述三角形的内角，故θ1、θ2和θ3应满足如下关系式：θ1+θ2+θ3＝180°，其中0＜θ1＜90°，0＜θ2＝θ3＜180°。
这些超材料片层12可通过在每两层之间填充可连接二者的粘合剂例如制造所述基材14的液态原料而粘合在一起，从而形成所述超材料10。
实施例二
如图3所示，为本发明的第二实施例的超材料。该实施例的超材料20与第一实施例相比，所述人工微结构26以一种不规则的方式排布于所述基材24上。事实上，我们可以根据实际的需要，以任意一种方式将所述人工微结构26排布于所述基材24上。
实施例三
如图4和图5所示，为本发明的第三实施例的超材料及对应的人工微结构。该实施例的人工微结构30与第一实施例相比，θ1变小了。
在其他的实施例中，θ1也可以相对第一实施例变大。
实施例四
如图6和图7所示，为本发明的第四实施例的超材料及对应的人工微结构。该实施例的人工微结构32与第一实施例相比，所述第三金属线326相对第一实施例中的第三金属线166沿θ1的角平分线向右平移了一定距离。
实施例五
如图8和图9所示，为本发明的第五实施例的超材料及对应的人工微结构。该实施例的人工微结构34与第一实施例相比，所述第三金属线346相对第一实施例中的第三金属线166沿θ1的角平分线向左平移了一定距离。
由上可知，本发明既可以通过调节θ1、θ2及θ3的大小来改变所述第一金属线162、第二金属线164及第三金属线166的相互位置关系，也可以让所述第三金属线166沿θ1的角平分线平移，得以改变所述人工微结构16的拓扑形状，并让所述人工微结构16以某种方式排布于所述基材14上，从而使所述超材料10具有不同的介电常数，以便满足不同的电磁响应需求。
以上所述仅是本发明的若干具体实施方式和/或实施例，不应当构成对本发明的限制。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明基本思想的前提下，还可以做出若干改进和润饰，而这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。比如，在本发明的第一实施例中，让所述第三金属线166垂直于所述第一金属线162或所述第二金属线164，也即θ2或θ3＝90°，所述第三金属线166还可沿所述第一金属线162或所述第二金属线164平移，得以改变所述人工微结构16的拓扑形状，从而使所述超材料10具有不同的介电常数。另外，所述金属线162、164、166也可以是非等宽线或者为弯曲线。而且可以让第一、第三至第五实施例中的任两个或多个实施例中的人工微结构以某种方式排布于同一基材上。
Claims (10)
1.一种超材料，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工微结构，其特征在于，所述人工微结构包括不平行亦不共线而其延长线相接的第一金属线和第二金属线以及两端分别与所述第一金属线和第二金属线相接且不与任一金属线共线的第三金属线，且所述第三金属线不同时垂直于所述第一金属线和第二金属线。
2.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，所述第一金属线和第二金属线的延长线相接所成的角为θ1，所述第一金属线与所述第二金属线相接所成的角为θ2，所述第二金属线与所述第三金属线相接所成的角为θ3，所述第一金属线和第二金属线及其延长线与所述第三金属线共同形成一三角形，θ1、θ2和θ3为所述三角形的内角，θ1+θ2+θ3＝180°，其中0＜θ1＜90°，0＜θ2＝θ3＜180°。
3.根据权利要求2所述的超材料，其特征在于，所述第三金属线垂直于所述第一金属线和第二金属线的延长线所成角θ1的角平分线。
4.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，θ2＝90°。
5.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，θ3＝90°。
6.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，所述基材由聚四氟乙烯制成。
7.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，所述基材由陶瓷材料制成。
8.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，所述金属线是铜线。
9.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，所述金属线是银线。
10.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，所述人工微结构呈平面拓扑形状。
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