CN103000999A - 超材料 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种超材料，包括至少一个超材料片层，每个超材料片层包括相对设置且贴合在一起的第一基材、第二基材和置于所述第一基材和第二基材之间并呈阵列排布的多个人工微结构，将每个人工微结构及其在所述第一基材和第二基材所在的部分定义为一个超材料单元，每个超材料单元上的人工微结构包括一条以上自一中心点向外螺旋延伸且互不相交的螺旋线，这种结构的超材料在较宽的频段内具有较高的折射率且折射率变化比较平稳，具有较好的宽频和低色散的特性。可以满足特殊场合的需求，可以应用在天线以及半导体制造等领域，并且会对微波器件的小型化产生不可估量的作用。

Description

超材料
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
Figure BDA0000091852560000011
和磁导率μ，而让整个超材料在一定频率范围内具有超越普通材料的介电常数
Figure BDA0000091852560000012
和磁导率μ。而折射率n等于介电常数
Figure BDA0000091852560000013
与磁导率μ的乘积的开方(即
Figure BDA0000091852560000014
)，也就是说，我们可以制造出具有超越普通材料的折射率的超材料。
随着科技的发展，在如天线和半导体等技术领域的器件制造中急需具有宽频高折射率和低色散特性的原材料，而自然界的普通材料和常规的人工复合材料都无法满足这一需求，人们便把高折射率的材料开发聚焦于超材料。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，提供一种具有宽频高折射率和低色散特性的超材料。
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相对设置且贴合在一起的第一基材、第二基材和置于所述第一基材和第二基材之间并呈阵列排布的多个人工微结构，将每个人工微结构及其在所述第一基材和第二基材所在的部分定义为一个超材料单元，每个超材料单元上的人工微结构包括一条以上自一中心点向外螺旋延伸且互不相交的螺旋线。
优选地，每个人工微结构的各条螺旋线自所述中心点向外均为顺时针或逆时针螺旋。
优选地，每一螺旋线绕所述中心点旋转360°除以螺旋线的条数的角度后与相邻螺旋线重合。
优选地，每个人工微结构包括一条以上螺旋折线。
优选地，各条螺旋折线在弯折的位置处形成直角。
优选地，各条螺旋折线最外侧的一段直线分别与相应超材料单元的四侧面平行。
优选地，所述人工微结构包括一条以上螺旋曲线。
优选地，所述螺旋线是金属线。
优选地，每个人工微结构是由具有扁平状截面的金属线构成的平面拓扑结构。
优选地，所述超材料包括多个沿垂直于片层表面的方向叠加在一起的超材料片层。
本发明的超材料具有以下有益效果：由具有这种拓扑形状的人工微结构制成的超材料的在超过10GHz的宽频段上折射率非常高且变化非常平稳，可以满足特殊场合的需求，如天线和半导体制造等领域，并且会对微波器件的小型化产生不可估量的作用。
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是本发明的超材料的结构示意图；
图2是本发明的一个超材料片层的结构示意图；
图3是本发明的第一实施例的人工微结构的平面示意图；
图4是本发明的第二实施例的人工微结构的平面示意图；
图5是本发明的某一具体参数的超材料样品的介电常数的曲线示意图；
图6是本发明的某一具体参数的超材料样品的磁导率的曲线示意图；
图7是图本发明的某一具体参数的超材料样品的折射率的曲线示意图。
图中各标号对应的名称为：
10超材料、12超材料片层、14超材料单元、16第一基材、18第二基板、20、30人工微结构、22螺旋折线、32螺旋曲线
具体实施方式
本发明提供一种超材料，利用人工微结构的某种拓扑形状以制得具有宽频高折射率和低色散特性的超材料，以满足业界对超材料的需求。
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在一起的超材料片层12，图中所示为3个超材料片层12两两相互之间直接前、后表面相贴合在一起的情形。具体实施时，各个超材料片层12也可等间距地排列组装在一起。若我们将每个超材料片层12人为分隔为若干超材料单元14，并让每个超材料单元14的尺寸小于入射电磁波波长的五分之一，优选为十分之一，以使所述超材料片层12对入射电磁波产生连续响应，则每个超材料片层12便可看作是由若干超材料单元14阵列排布而成的。
请参考图2，每个超材料片层12包括相对设置且贴合在一起的第一基材16、第二基材18和置于该两基材16、18之间并呈阵列排布的多个人工微结构20。图中所示的两基材16、18在竖直方向的厚度均相等，且由聚四氟乙烯等高分子聚合物或陶瓷材料制成。在其他实施例中，该两基材16、18的厚度也可不相等，并可由除上述材料外的其他材料制成。所述人工微结构20通常为金属线如铜线或者银线等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扁平状或其他任一形状，如圆柱状。图中所示的人工微结构20是由具有扁平状截面的金属线构成的平面结构。同上，将每个人工微结构20及其在该两基材16、18所在的部分人为定义为一个所述超材料单元14。
请参考图3，为本发明的人工微结构20的第一实施例。所述人工微结构20包括四条完全相同的螺旋折线22，这四条螺旋折线22自同一中心点分别向外顺时针螺旋弯折延伸而成。每条螺旋折线22绕所述中心点旋转360°/4＝90°的角度后与相邻螺旋折线22重合。图中所述人工微结构20的各条螺旋折线22在弯折的位置处形成直角，且各条螺旋折线22自相应超材料单元14的中心点分别向外顺时针螺旋弯折延伸、最外侧的一段直线分别与所述超材料单元14的四侧面平行(如图2所示)。当然，这些螺旋折线22也可自同一中心点分别向外逆时针螺旋弯折延伸形成。
请参考图4，为本发明的人工微结构30的第二实施例。所述人工微结构30包括六条完全相同的螺旋曲线32，这六条螺旋曲线32自同一中心点分别向外顺时针螺旋弯曲延伸而成。每条螺旋曲线32绕该中心点旋转360/6＝60度后与相邻螺旋曲线32重合。同上，这些螺旋曲线32也可自同一中心点分别向外逆时针螺旋弯曲延伸形成。
因此，凡是自同一中心点向外顺时针或逆时针螺旋且互不相交的一条以上螺旋线形成的人工微结构均是本发明的保护范围。
仿真结果显示，具有这种人工微结构的超材料的介电常数□和磁导率μ的分布如图5、图6所示，其介电常数□大致在0到12Ghz的非常宽的频段范围内均较高且变化非常平稳即具有较低的色散特性，而磁导率μ在此相同频段范围内变化也非常平稳，由折射率公式：
Figure BDA0000091852560000041
我们可以得知具有这种拓扑形状的人工微结构的超材料的折射率也很高，可应用于需要宽频高折射率和低色散特性的超材料来制造元器件的技术领域，即可满足业界的需求。事实上，折射率随入射电磁波的频率的变化曲线如图7所示，可见，其折射率n大致在0到12Ghz的非常宽的频段范围内均大于5.9且变化比较平稳。
从图5和图7还可看出，本发明的超材料大致在0到12Ghz的非常宽的频段范围内其介电常数□和折射率n都非常稳定地维持在某一值附近，也就是说具有低色散特性，这种特性对于实现微波器件的宽带效果非常有用。
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。

Claims (10)

1.一种超材料，其特征在于，包括至少一个超材料片层，每个超材料片层包括相对设置且贴合在一起的第一基材、第二基材和置于所述第一基材和第二基材之间并呈阵列排布的多个人工微结构，将每个人工微结构及其在所述第一基材和第二基材所在的部分定义为一个超材料单元，每个超材料单元上的人工微结构包括一条以上自一中心点向外螺旋延伸且互不相交的螺旋线。
2.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，所述每个人工微结构的各条螺旋线自所述中心点向外均为顺时针或逆时针螺旋。
3.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，所述每一螺旋线绕所述中心点旋转360°除以螺旋线的条数的角度后与相邻螺旋线重合。
4.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，所述每个人工微结构包括一条以上螺旋折线。
5.根据权利要求4所述的超材料，其特征在于，所述各条螺旋折线在弯折的位置处形成直角。
6.根据权利要求5所述的超材料，其特征在于，所述各条螺旋折线最外侧的一段直线分别与相应超材料单元的四侧面平行。
7.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，所述人工微结构包括一条以上螺旋曲线。
8.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，所述螺旋线是金属线。
9.根据权利要求8所述的超材料，其特征在于，每个人工微结构是由具有扁平状截面的金属线构成的平面拓扑结构。
10.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，所述超材料包括多个沿垂直于片层表面的方向叠加在一起的超材料片层。
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