CN103036043A - 一种新型超材料 - Google Patents

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，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，其中，第一人造微结构为雪花型结构；第二人造微结构包括第一开口环结构、第二开口环结构以及一个工字型结构，所述工字形结构包括相互平行的第一金属线和第二金属线以及两端分别与所述第一、第二金属线连接的第三金属线，所述第三金属线贯穿所述第一、第二开口环结构。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

一种新型超材料

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

超材料，又称人工电磁材料，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、工字形的金属丝等。

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，如图1所示，在低损耗的情况下介电常数通常大于10，且只有一个谐振峰。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，这就需要介电常数可以从零开始变化，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：针对现有技术的材料其介电常数较高、不能达到或接近零且不能使介电常数从零开始变化的上述缺陷，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，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；所述第一人造微结构为雪花型结构；所述第二人造微结构包括第一开口环结构、第二开口环结构以及一个工字型结构，所述工字型结构包括相互平行的第一金属线和第二金属线以及两端分别与所述第一、第二金属线连接的第三金属线，所述第二人造微结构的工字型结构的第三金属线贯穿所述第一、第二开口环结构。

在本发明的优选实施方式中，所述雪花型结构包括相互正交的两个工字型结构。

在本发明的优选实施方式中，所述工字型结构相互平行的第一金属线和第二金属线以及两端分别与所述第一、第二金属线连接的第三金属线。

在本发明的优选实施方式中，第一开口环结构与第二开口环结构的开口相向设置。

在本发明的优选实施方式中，所述第一、第二开口环结构为矩形开口环结构。

在本发明的优选实施方式中，第一、第二开口环结构为弧形开口环结构或者多边形环结构。

在本发明的优选实施方式中，所述第一、第二开口环结构为矩形开口环结构、弧形开口环结构和多边形环结构其中两种结构的组合。

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、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：该材料的介电常数在一定频段内由零逐渐增大，当我们需要在不同频段内用到介电常数由零逐渐增大的特性时，只需要改变人造微结构的尺寸即可实现；这种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求。

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是普通材料的介电常数特性曲线；

图2是实施例中的新型超材料的结构示意图；

图3是图2所示超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是实施例一中第一人造微结构尺寸变大得到实施例二的结构示意图；

图7是实施例一的介电常数特性曲线图；

图8是实施例二的介电常数特性曲线图；

图9至图11是第二人造微结构的可能性结构。

具体实施方式

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，其中，基板的材料为陶瓷材料、聚四氟乙烯、铁电材料、铁氧材料、铁磁材料或者FR-4。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。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3所示；则图2所示的超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，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。

如图4、图6所示，在本发明中第一人造微结构3为雪花型结构，由两个相互正交的工字型结构组成，工字型结构包括相互平行的第一金属线和第二金属线以及两端分别与所述第一、第二金属线连接的第三金属线，第一、第二金属线的长度根据具体需要来选定；第二人造微结构4如图5所示，包括第一开口环结构51、第二开口环结构52和一个工字型结构，所述工字型结构包括相互平行的第一金属线和第二金属线以及两端分别与所述第一、第二金属线连接的第三金属线，所述第三金属线贯穿所述第一开口环结构51和第二开口环结构52。该人造微结构还可以由多种变形，如图9所示，第一、第二开口环结构可以为弧形开口环结构；如图10所示，第一、第二开口环结构可以为多边形开口环结构；如图11所示，第一、第二开口环为不同形状的开口环，一个为弧形开口环，一个为多边形开口环，除此之外，还可以为矩形开口环结构、弧形开口环结构和多边形开口环结构的任意两种开口环结构的组合。需要说明的是，为了简化起见，图9和图11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5所示。

优选的，本发明采用以下实施例：

实施例一

当第一人造微结构3如图4所示，a1＝0.4毫米、a2＝0.1毫米、a3＝0.8毫米，第二人造微结构4如图5所示，b1＝1.8毫米、b2＝0.1毫米、b3＝0.7毫米、b4＝0.6毫米，基板单元如图3所示，d1＝2毫米、d2＝4毫米，厚度为0.4毫米，利用上述参数得到的仿真图如图7所示，由图7中的实线可知，该超材料具有多个谐振峰，介电常数在一定的频段内(20.3GHz～22.8GHz，30GHz～34.3GHz)由零逐渐增加，在另一频段内0～17GHz介电常数变化比较平稳且具有较大值，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。

实施例二

与实施例一不同在于第一人造微结构3的尺寸大小，增大尺寸后的第一人造微结构3如图6所示，c1＝1.2毫米、c2＝0.1毫米、c3＝0.8毫米，第二人造微结构4如图5所示，b1＝1.8毫米、b2＝0.1毫米、b3＝0.7毫米、b4＝0.6毫米，如图3所示的基板单元，d1＝2毫米、d2＝4毫米，厚度为0.4毫米，利用上述参数得到的仿真图如图8所示，由图8中的实线可知，该材料仍然具有多个谐振峰，介电常数在一定的频段内(16.7GHz～19.3GHz，27.1GHz～34.1GHz)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。

实施例一以及实施例二中提到的超材料适合应用在需要介电常数由零逐渐增大或者需要该材料具有宽频特性的场合。

对比实施例一与实施例二，不难发现，当第一人造微结构3的尺寸变大的时候谐振峰前移了，相反减小第一人造微结构3的尺寸可以使谐振峰后移；改变第二人造微结构4也能得到相似的结论。所以，当我们需要在某一频点处实现介电常数由零开始连续增大时，只需要调节人造微结构的尺寸就能够实现在某一频段介电常数由零开始变化。

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，还可以对第一人造微结构和第二人造微结构的形状做出一些变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

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，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；所述第一人造微结构为雪花型结构；所述第二人造微结构包括第一开口环结构、第二开口环结构以及一个工字型结构，所述工字型结构包括相互平行的第一金属线和第二金属线以及两端分别与所述第一、第二金属线连接的第三金属线，所述第二人造微结构的工字型结构的第三金属线贯穿所述第一、第二开口环结构。

2.根据权利要求1所述的新型超材料，其特征在于，所述雪花型结构包括相互正交的两个工字型结构。

3.根据权利要求2所述的新型超材料，其特征在于，所述工字型结构包括相互平行的第一金属线和第二金属线以及两端分别与所述第一、第二金属线连接的第三金属线。

4.根据权利要求1所述的新型超材料，其特征在于，所述第一开口环结构与第二开口环结构的开口相向设置。

5.根据权利要求1所述的新型超材料，其特征在于，所述第一、第二开口环结构为矩形开口环结构。

6.根据权利要求1所述的新型超材料，其特征在于，所述第一、第二开口环结构为弧形开口环结构或者多边形环结构。

7.根据权利要求1所述的新型超材料，其特征在于，所述第一、第二开口环结构为矩形开口环结构、弧形开口环结构和多边形环结构其中两种结构的组合。

8.根据权利要求1至7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银线制成。

9.根据权利要求1至7任一所述的新型超材料，其特征在于，所述基板为陶瓷材料。

10.根据权利要求1至7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、铁电材料、铁氧材料、铁磁材料或者FR-4。

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