CN102810759B - 一种新型超材料 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种新型超材料，包括至少一个材料片层，每个材料片层包括基板和附着在基板上的人造微结构，每个基板虚拟地划分为多个阵列排布的基板单元，每个基板单元上附着一对人造微结构，每对人造微结构包括附着在所述基板单元上的形状不同的第一人造微结构和第二人造微结构，该材料在一定的频段内具有宽频高介电常数且在另一频段内具有由零开始逐渐增大的介电常数分布，可以满足特定场合的需要。
Description
技术领域
本发明涉及一种材料，更具体地说，涉及一种新型超材料。
背景技术
人工电磁材料，俗称超材料，是一种新型人工合成材料，是由非金属材料制成的基板和附着在基板表面上或嵌入在基板内部的多个人造微结构构成的。基板可以虚拟地划分为矩形阵列排布的多个基板单元，每个基板单元上附着有人造微结构，从而形成一个超材料单元，整个超材料是由很多这样的超材料单元组成的，就像晶体是由无数的晶格按照一定的排布构成的。每个超材料单元上的人造微结构可以相同或者不完全相同。人造微结构是由金属丝组成的具有一定几何图形的平面或立体结构，例如组成圆环形、“工”形的金属丝等。
由于人造微结构的存在，每个超材料单元具有不同于基板本身的电磁特性，因此所有的超材料单元构成的超材料对电场和磁场呈现出特殊的响应特性；通过对人造微结构设计不同的具体结构和形状，可以改变整个超材料的响应特性。
普通材料的介电常数随着频率的变化而变化，具有一个谐振峰，如图1所示，在低损耗的情况下介电常数通常大于10。在某些应用场合，特别是大规模集成电路中，需要用到具有低介电常数的材料，普通材料一般都不满足。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对现有技术的上述缺陷，提供一种新型超材料，该材料在一定的频段内具有宽频高介电常数且在另一频段内具有由零开始逐渐增大的介电常数分布。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种新型超材料，该材料包括至少一个材料片层，每个材料片层包括基板和附着在基板上的人造微结构，每个基板虚拟地划分为多个阵列排布的基板单元，每个基板单元上附着一对人造微结构，每对人造微结构包括附着在所述基板单元上的形状不同的第一人造微结构和第二人造微结构，该材料在一定的频段内具有宽频高介电常数且在另一频段内介电常数由零逐渐增大。
在本发明的优选实施方式中，所述第一人造微结构包括工字形和与工字形的中间连接线相交的两个开口相对的开口环形结构；所述第二人造微结构包括共交点的四个支路，任一所述支路的一端与所述交点相连，另一端为自由端，所述支路包括至少一个弯折部，任一所述支路以所述交点为旋转中心依次顺时针旋转90度、180度和270度后分别与其他三个支路重合。
在本发明的优选实施方式中，所述第一人造微结构中的开口环形结构包括呈直角或者弧形的弯折部。
在本发明的优选实施方式中，所述第第二人造微结构的弯折部为直角、圆角或者尖角。
在本发明的优选实施方式中，所述第二人造微结构的任一所述支路的自由端连接有一线段。
在本发明的优选实施方式中，任一所述第二人造微结构支路的自由端与所述线段的中点相连。
在本发明的优选实施方式中，所述人造微结构由铜线或者银线制成。
在本发明的优选实施方式中，所述基板为陶瓷材料
在本发明的优选实施方式中，所述基板为聚四氟乙烯。
在本发明的优选实施方式中，所述基板为铁电材料、铁氧材料、铁磁材料或者FR-4。
实施本发明所述的新型超材料，具有以下有益效果：该材料在一定的频段内具有宽频高介电常数且在另一频段内具有由零开始逐渐增大的介电常数分布，可以满足特定场合的应用。
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，附图中：
图1是普通材料介电常数特性曲线；
图2是实施例一中的新型超材料的结构示意图；
图3是图2所示材料中一个材料单元的结构示意图；
图4是实施例一中第一人造微结构的结构示意图；
图5是实施例一中第二人造微结构的结构示意图；
图6是实施例一中的新型超材料的介电常数特性图；
图7是实施例二中一个材料单元的结构示意图；
图8是实施例二中第一人造微结构的结构示意图；
图9是实施例二中的新型超材料的介电常数特性图；
图10是第一人造微结构的可能结构；
图11至图15是第二人造微结构的可能结构。
具体实施方式
实施例一
本实施例提供一种新型超材料，包括至少一个材料片层，当具有多个材料片层时，这些材料片层沿垂直于其表面的方向堆叠到一起。
图如2所示，该材料包括3块均匀等厚的材料片层1，多块材料片层1沿垂直于基板平面的方向(z轴方向)依次堆叠，每两块材料片层1之间通过一定的封装工艺例如焊接、铆接、粘接等方式制成为一个整体或者通过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材料片层1粘合，从而使多块材料片层1构成一个整体。
每个材料片层1包括基板和附着在基板上的人造微结构，将基板虚拟地划分成多个完全相同的相互紧挨着的柱状基板单元，这些基板单元以x轴方向为行、以与之垂直的y轴方向为列依次阵列排布。设计基板单元的尺寸为4毫米×2毫米×0.818毫米，对照图3，即a1＝4毫米、a2＝2毫米、a3＝0.818毫米，每个基板单元上下位置附着第一人造微结构3和第二人造微结构4，基板单元和基板单元上的人造微结构共同构成一个材料单元2；如图2所示，本实施例的材料可看作是由多个材料单元2沿x、y、z三个方向阵列排布而成，其中，人造微结构可以通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻等方式附着于所述基材上。第一人造微结构3和第二人造微结构4的材质为金属线，这里使用铜线，选择铜线的横截面为长方形，横截面的尺寸为0.1毫米×0.018毫米，其中铜线的线宽为0.1毫米，铜线的厚度为0.018毫米，当然金属线也可以使用银线等其他金属线，金属线的横截面也可以为圆柱状、扁平状或者其他形状。在本实施例中第一人造微结构3如图4所示包括工字形和与工字形的中间连接线相交的两个开口相对的开口环形结构，图4中的开口环形结构的弯折部为直角，第一人造微结构还可以如图10所示，开口环形结构的弯折部为弧形。图4中的第一人造微结构的上边缘与其所附着的基板单元的边界的距离为0.1毫米，左右居中，对照图4，第一人造微结构的各部分的尺寸分别是：b1＝1.2毫米、b2＝0.4毫米、b3＝0.2毫米；c1＝1.8毫米、c2＝0.2毫米、c3＝0.3毫米、c4＝0.2毫米；第二人造微结构4如图5所示，包括共交点的四个支路，任一支路的一端与所述交点相连，另一端为自由端，各支路包括6个弯折部，弯折部为直角，任一支路以所述交点为旋转中心依次顺时针旋转90度、180度和270度后分别与其他三个支路重合，而且在每个支路的自由端连接有一线段，自由端与线段的中点相连，第二人造微结构的各部分尺寸分别是：d1＝1.6毫米、d2＝0.7毫米、d3＝1毫米、d4＝0.4毫米、e1＝e2＝e3＝0.1毫米、e4＝0.2毫米。该人造微结构还可以由多种变形，如图11至图15所示，弯折部可以为圆角或者尖角，自由端可以连接线段也可以不连接线段。为了简化起见，图10至图15中的结构都用细线来画出，实际上，上述结构都具有一定的宽度，如图2所示。电磁波通过该材料时对应的介电常数特性仿真图如图6所示，由图6中的实线可知，该材料的介电常数特性具有双谐振，在一定频段内(5GHz～10GHz)介电常数较高，且具有较好的宽频特性；对应于第二个谐振，介电常数在一定的频段内(16GHz～18GHz)由零逐渐增加，而且由虚线可知在介电常数较小的上述频段内对应介电常数的虚部接近零，因此损耗也较低，所以该材料可以应用在需要介电常数具有较好宽频特性的场合，也适合应用在需要介电常数由零逐渐增大的场合。
当在其他频段内应用上述特性时，可以通过改变材料单元的尺寸或者第一人造微结构尺寸或者第二人造微结构的尺寸来实现。
实施例二
与实施例一的区别是：第一人造微结构3的尺寸不同，第一人造微结构的各部分的尺寸如图8分别是：b1＝1.9毫米、b2＝0.85毫米、b3＝0.7毫米；c1＝1.8毫米、c2＝0.1毫米、c3＝0.45毫米、c4＝0.1毫米；第二人造微结构的形状和尺寸与实施例一中的第二人造微结构相同。电磁波通过该材料时对应的介电常数特性仿真图如图9所示，由图9中的实线可知，该材料的介电常数特性具有多谐振，在一定的频段内(5GHz～8GHz)介电常数较高，且具有较好的宽频特性；同时，介电常数在一定的频段内(11.5GHz～12.5GHz以及15.5GHz～24GHz)由零逐渐增加，而且由虚线可知在介电常数较小的上述频段内对应介电常数的虚部接近零，因此损耗也较低，所以该材料既可以应用在介电常数需要具有宽频特性的场合也适合应用在需要介电常数由零逐渐增大的场合。对比实施例一可知，改变第一人造微结构的尺寸后介电常数由零逐渐增加的频段也随之改变。因此当我们需要在不同频段内用到该材料时，只需要改变人造微结构的尺寸即可实现。
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 (9)
1.一种新型超材料，其特征在于，该材料包括至少一个材料片层，每个材料片层包括基板和附着在基板上的人造微结构，每个基板虚拟地划分为多个阵列排布的基板单元，每个基板单元上附着一对人造微结构，每对人造微结构包括附着在所述基板单元上的形状不同的第一人造微结构和第二人造微结构，该材料在一定的频段内具有宽频高介电常数且在另一频段内具有由零开始逐渐增大的介电常数分布；
其中，所述第一人造微结构包括工字形和与工字形的中间连接线相交的两个开口相对的开口环形结构；所述第二人造微结构包括共交点的四个支路，任一所述支路的一端与所述交点相连，另一端为自由端，所述支路包括至少一个弯折部，任一所述支路以所述交点为旋转中心依次顺时针旋转90度、180度和270度后分别与其他三个支路重合。
2.根据权利要求1所述的新型超材料，其特征在于：所述第一人造微结构中的开口环形结构包括呈直角或者弧形的弯折部。
3.根据权利要求1所述的新型超材料，其特征在于：所述第二人造微结构的弯折部为直角、圆角或者尖角。
4.根据权利要求1所述的新型超材料，其特征在于：所述第二人造微结构的任一所述支路的自由端连接有一线段。
5.根据权利要求4所述的新型超材料，其特征在于：任一所述第二人造微结构支路的自由端与所述线段的中点相连。
6.根据权利要求1至5任一所述的新型超材料，其特征在于：所述人造微结构由铜线或者银线制成。
7.根据权利要求1至5任一所述的新型超材料，其特征在于，所述基板为陶瓷材料。
8.根据权利要求1至5任一所述的新型超材料，其特征在于，所述基板为聚四氟乙烯。
9.根据权利要求1至5任一所述的新型超材料，其特征在于，所述基板 为铁电材料、铁氧材料、铁磁材料或者FR-4。
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