CN108521022A - 一种全透射人工电磁材料 - Google Patents

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尹曜田
张启升
徐子钰
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Abstract

本发明公开了一种全透射人工电磁材料。所述全透射人工电磁材料，包括三层基材和各自表面附着的人造金属微结构，所述人工电磁材料由两层高介电常数人造材料夹一层负介电常数人造材料，形成“高/负/高”介电常数的夹层结构；所述三层基材平行放置，沿z方向堆叠，表面附着的人造金属微结构位于同一方向，都在基材正面；所述金属微结构可以是任意金属线构成的几何图案，其中第一层和第三层的图案相同。本发明提供的全透射人工电磁材料，利用三层材料之间强烈的磁耦合，使电磁不透明材料变成全透射材料成为可能，在天线、微波滤波器等领域具有广阔的应用前景，可通过探针等方式实验研究负介电常数材料的电磁特性。

Description

一种全透射人工电磁材料
技术领域
本发明属于新型材料领域，特别是电磁材料领域，具体涉及一种全透射人工电磁材料。
背景技术
人工电磁材料，俗称超材料，是一种能够对电磁波产生响应的新型人工合成材料，由基板和附着在基板上的人造微结构组成。人造微结构是由金属线组成的具有一定几何图案的平面或立体结构，例如组成圆环形、工字形的金属线等。人工电磁材料能够对特定频率的电磁波产生响应，从而使人工电磁材料整体体现出不同于自然界已有材料的电磁特性，具有某种特殊的电磁功能。人造电磁材料的介电常数ε和磁导率μ可以由设计者根据特定规律人为地操作，根据折射率公式可知，折射率n也可以人为控制。
材料的介电常数一般用于反映材料在电场中发生的极化对原加电场产生的影响。人工电磁材料中，有一种等效介电常数为负的材料，电磁波无法穿透这种材料，表现为对电磁波的全反射特性，对其的实验研究也被其电磁全反射性能所限制。三维排列的细金属棒是最先被证明介电常数为负的人造材料，由于其要求在一个方向上无限长、另两个方向上周期排列，使得结构复杂且难以实现，因此本发明采用简单的平面结构负介电常数材料。在所述人工电磁材料具有负介电常数的频率范围内，介电常数小于0，磁导率大于0，波矢量为虚数，电磁波为倏逝波状态。电磁波在这种材料中迅速衰减，透过率很低，即电磁波在负介电常数人工材料中不能传播，表现为传输禁带及电磁波全反射特性。
一般对于透射率低的材料，可通过叠加一层其他材料，通过两种材料之间的电磁场耦合来实现电磁透射。而对于负介电常数材料，叠加一层正介电常数材料之后，由于两层材料处于不同的相位面，各自散射的电磁能量无法相互抵消，这种两层叠加的情况不满足完美透射的条件，因此无法实现电磁全透射。
本发明在双层材料耦合的基础上，在负介电常数材料两侧各叠加一层相同的正介电常数材料，在一定条件下，三层材料各自散射的电磁能量相互抵消，满足完美透射的条件而实现电磁全透射。
发明内容
为了克服现有的人工电磁材料存在的问题，本发明提供一种全透射人工电磁材料，具体是在人工电磁材料中添加新的人造微结构，从而使电磁波可以全部穿过金属条形的负介电常数材料，使对负介电常数材料的实验研究成为可能。
为实现上述目标，本发明采用以下技术方案：
一种全透射人工电磁材料，包括三层基材和各自表面附着的人造金属微结构，所述金属微结构可以是任意金属线构成的几何图案，其中第一层和第三层的图案相同。
优选地，所述微结构在第一层和第三层是方形开口金属环，第二层几何图案是金属条状线。
若想电磁波透过第二层的负介电常数材料，则第一层和第三层的人造材料需要具有高介电常数，且三层材料的工作频率要相吻合。
所述人造金属微结构仅周期性重复地附着在基材的正面，基材的背面空白，无任何附着的金属结构。
所述人造金属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。
优选地，所述三层基材平行放置，沿z方向堆叠，表面附着的人造金属微结构位于同一方向，都在基材正面。
所述三层基材由两层高介电常数人造材料夹一层负介电常数人造材料，形成“高/负/高”介电常数的夹层结构。
所述三层基材之间的距离维持在1.7mm，间隔可以是空气或者介电常数接近于空气的支撑泡沫板。间距可通过位于基板四周的塑料螺钉进行调节。三个材料片层构成一个整体，协同作用实现电磁波的全透射。
所述每一层的金属微结构都是周期排列的，第一层和第三层的方形开口环在x、y方向的重复周期为10mm，第二层的金属条状线在y方向的重复周期为5mm，条状线的宽为1mm。
所述第一层和第三层的方形开口环的开口方向一致，三层组合时需要对齐。
所述第二层的金属条状线的走向需沿着x轴方向，三层组合时相邻两条金属线需位于一个方形开口环中线两侧的对称位置。
所述人造微结构由导电性能好的金线或铜线制成。
所述基材由低损耗且介电常数相对稳定的罗杰斯、F4B等材料制成，在对损耗要求不高的情况下，可使用FR4、环氧树脂等材料作为基材。基材厚度可变。
可以通过对人造微材料进行尺寸缩放来使得不同频段的电磁波穿透位于第二层的负介电常数材料。
本发明的优点和有益效果为：
1)本发明在第二层的负介电常数材料两侧，各添加了一层方形开口环的人造电磁材料，使得电磁波可以全透射通过该负介电常数材料。
2)本发明利用三层材料之间强烈的磁耦合，使电磁不透明材料变成全透射材料成为可能，在天线、微波滤波器等领域具有广阔的应用前景，并且可通过探针等方式实验研究负介电常数材料的电磁特性。
附图说明
附图1是本发明所述的全透射人工电磁材料的结构示意图。图(a)为第一层的材料单元示意图，图(b)为第二层的材料单元示意图，图(c)为三层组合的夹层结构的材料单元示意图，图(d)为本发明提出的全透射人工电磁材料。
附图2是本发明所述的第一层高介电常数材料、第二层负介电常数材料、夹层结构与第一层加第二层的电磁透射特性曲线图。
附图3是附图1中所示的第一层与第二层各自的介电常数特性曲线图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
实施例
参见附图1，一种全透射人工电磁材料，包括三层基材和各自表面附着的人造金属微结构，所述金属微结构使用横截面为矩形的铜线构成，其中第一层和第三层的图案是方形开口金属环，第二层几何图案是条状线。
所述基材由低损耗且介电常数相对稳定的罗杰斯RO 4350B制成，厚度为0.508mm。
所述人造金属微结构仅周期性重复地附着在基材的正面，基材的背面空白，无任何附着的金属结构。人造微结构的各部分尺寸分别是：x1＝y1＝10mm、x2＝y2＝5mm、w1＝0.2mm、w2＝1mm、a＝8.6mm、d＝1.7mm、g＝0.5mm。
所述人造金属微结构可以通过蚀刻等方式附着于所述基材上。
所述三层基材平行放置，沿z方向堆叠，表面附着的人造金属微结构位于同一方向，都在基材正面。
所述全透射人工电磁材料由两层高介电常数人造材料夹一层负介电常数人造材料，形成“高/负/高”介电常数的夹层结构。
所述三层基材之间的距离维持在1.7mm，间隔内可以是空气。
所述每一层的金属微结构都是周期排列的，第一层和第三层的方形开口环在x、y方向的重复周期为10mm，第二层的金属条状线在y方向的重复周期为5mm，条状线的宽为1mm。
所述第一层和第三层的方形开口环的开口方向一致，三层组合时需要对齐。
所述第二层的金属条状线的走向需沿着x周方向，三层组合时相邻两条金属线需位于一个方形开口环中线两侧的对称位置。
测试例
让电磁波沿z方向垂直入射到本实施例提供的人工电磁材料表面，入射波为线极化电磁波，电场沿着x方向极化。也就是说，本发明提供全透射人工电磁材料是针对特定极化方式的电磁波而言的。
每个材料片层包括基材和附着在基材上的人造金属微结构，将基材虚拟地划分成多个完全相同的相互紧挨着的正方形基材单元，这些基材单元以y轴方向为行、以与之垂直的x轴方向为列依次阵列排布。基材单元和基材单元上的人造微结构共同构成一个材料单元；如图1所示，本发明的材料可看作是由多个材料单元沿x、y两个方向阵列排布而成。
本测试例对图1所示的材料单元进行仿真、制作和测试，基材尺寸单元为10mm×10mm×0.508mm，基材材质为罗杰斯RO 4350B，人造微结构为铜线，铜线厚度为0.175mm。
通过仿真和实验测试，结果如图2所示，在3.94GHz到4.5GHz频率范围内，单一的第一层或者第二层人工电磁材料，电磁波透过率非常低，分别为50％和15％；第一层与第二层的组合，电磁波透过率也仅为50％。而三层组合的夹层结构，即图1所示的材料单元构成的人工电磁材料，与由同样尺寸的单一结构单元构成的人造微结构相比，其电磁透射明显增强，电磁波透过率为95％。因此，采用本发明的人造微结构，使得负介电常数材料的透射性能大大增强。
这是因为，本发明的三个材料片层具有特殊的介电常数：第一层和第三层结构相同，具有高介电常数；第二层具有负的介电常数，如图3所示。
最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种全透射人工电磁材料，其特征在于：所述全透射人工电磁材料，包括三层基材和各自表面附着的人造金属微结构，所述人工电磁材料由两层高介电常数人造材料夹一层负介电常数人造材料，形成“高/负/高”介电常数的夹层结构；所述三层基材平行放置，沿z方向堆叠，表面附着的人造金属微结构位于同一方向，都在基材正面；所述金属微结构可以是任意金属线构成的几何图案，其中第一层和第三层的图案相同。
2.根据权利要求1所述的一种全透射人工电磁材料，其特征在于：所述微结构在第一层和第三层是方形开口金属环，第二层几何图案是金属条状线。
3.根据权利要求1所述的一种全透射人工电磁材料，其特征在于：所述人造金属微结构仅周期性重复地附着在基材的正面，基材的背面空白，无任何附着的金属结构。
4.根据权利要求1、2和3所述的一种全透射人工电磁材料，其特征在于：所述人造金属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。
5.根据权利要求1所述的一种全透射人工电磁材料，其特征在于：所述三层基材之间的间隔可以是空气或者介电常数接近于空气的支撑泡沫板，间距可通过位于基板四周的塑料螺钉进行调节。
6.根据权利要求2所述的一种全透射人工电磁材料，其特征在于：所述每一层的金属微结构都是周期排列的，第一层和第三层的方形开口环在x、y方向的重复周期为10mm，第二层的金属条状线在y方向的重复周期为5mm，条状线的宽为1mm。
7.根据权利要求6所述的一种全透射人工电磁材料，其特征在于：所述第一层和第三层的方形开口环的开口方向一致，三层组合时需要对齐。
8.根据权利要求6所述的一种全透射人工电磁材料，其特征在于：所述第二层的金属条状线的走向需沿着x轴方向，三层组合时相邻两条金属线需位于一个方形开口环中线两侧的对称位置。
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