CN1575529A

CN1575529A - 平面带隙材料

Info

Publication number: CN1575529A
Application number: CN02821340.8A
Authority: CN
Inventors: 温维佳; 沈平; 陈子亭; 葛惟昆; 周磊; 李赞臣
Original assignee: Hong Kong University of Science and Technology HKUST
Current assignee: Hong Kong University of Science and Technology HKUST
Priority date: 2001-10-26
Filing date: 2002-10-25
Publication date: 2005-02-02
Also published as: WO2003038947A1; US6727863B2; EP1449274A4; US20030080921A1; EP1449274A1; WO2003038947A9

Abstract

本发明涉及具有带隙性能的平面材料。通过在非导电衬底上沉积导电分形体图案(图1A，1B)形成该材料。带隙位置由包括如下的参数确定：分形体等级的数目、和分形体母元件的尺寸(说明书，第6页)。也可以通过向导电图案中注入电流控制带隙。

Description

平面带隙材料

技术领域

本发明涉及具有带隙性能的新颖平面材料，且特别地涉及采用分形体图案形成的此类材料。

背景技术

带隙材料是在传输带中含有间隙的材料，电磁辐射不能通过该间隙传输。这样的材料通常构造为三维晶体结构，已知该三维晶体结构设计为得到所需光子带隙的光子晶体。该光子带隙材料具有广泛的潜在用途。然而，通常光子带隙材料必须制造为具有介电性能调制的复合材料。由于带隙由晶体中的布拉格散射引起，此调制必须与带隙波长具有相同的等级。例如，对于光学光子晶体，必须有约0.1微米等级的微结构，这使得它们制造特别困难和昂贵。另一方面，设计以在无线电或微波光谱中工作的光子晶体的尺寸为几厘米或更大，这通常使它们对于实际应用太大和笨重。例如，对于移动电话，带隙中心在0.9GHz附近的光子晶体会产生完美的屏蔽(例如为将用户与任何潜在有害的辐射分离)，可惜光子晶体将不得不比电话自身大。由于这些原因，光子材料仍然必须在广泛基础上使用。

现有技术

在数学上已知分形体图案许多年。它们证明在数学的复杂和无序状态的分析中是有用的工具。然而，它们也在物理科学中发现广泛的实际应用。然而，许多近来的专利尝试在本领域中发现分形体图案的应用。例如，US6127977(Cohen)描述了在至少一个衬底表面上采用分形体结构形成的微带接线天线。US6140975(Cohen)描述了具有分形体地面配衡体的天线结构和分形体天线结构。US6104359讨论了调谐分形体天线和分形体共振器。

发明概述

本发明提供一种平面带隙材料，该带隙材料包括在非导电平面衬底上形成的导电分形体图案。

可以采用任何等级数目形成分形体图案，但2-15个等级就足够了。材料具有的带隙的低频极限由所述分形体图案的等级数目、以及在每个等级中分形体图案的尺寸和几何形状确定。

在优选的实施方案中，通过将母元件进行重复仿射变换形成分形体图案。此母元件可以是H形且所述变换包括缩放和旋转。然而，应当注意到母元件并不必须是H形而可以采用其它可能的形状。然而优选，母元件的形状使得当通过重复地缩放和旋转将它进行仿射变换以形成分形体图案时，获得的图案是“自避免的”使得导电元件并不彼此碰上或重叠。母元件的其它可能形状包括Y形、V形和音叉形状。

优选将分形体图案嵌入介电材料中。

仍然更优选可以提供将电流注入分形体图案以改变该材料带隙性能的机构。

从另一方面来看，本发明提供一种平面带隙材料，该带隙材料包括在非导电平面衬底上形成的导电分形体图案并具有至少一个带隙，其中材料的所有尺寸小于该带隙的波长。

从再进一步的方面来看，本发明提供一种电磁辐射屏蔽物，该屏蔽物包括在衬底上形成的导电分形体图案。

本发明也涉及一种形成带隙材料的方法，该方法包括在平面衬底上沉积导电分形体图案，且其中通过选择该图案母元件的尺寸和该图案的等级数目控制带隙的位置。

方法可进一步包括在介电衬底中嵌入该分形体图案。

形成带隙材料的方法可进一步包括向该图案注入电流的机构，因此可以改变该材料的带隙性能。

从进一步的方面来看，本发明提供一种窄带电磁滤波器，该滤波器包括邻近形成的板的丝网材料与在其上的导电分形体图案。

附图简述

现在通过实施例和参考附图描述本发明的一些实施方案，其中：

图1显示本发明第一实施方案的分形体图案，

图2(a)和(b)显示本发明第一实施方案的y偏振入射辐射的透射和反射，

图3显示在不同入射角下的透射，

图4(a)和(b)显示本发明第一实施方案的x偏振入射辐射的透射和反射，

图5(a)显示不同等级的两个分形体图案的透射光谱，

图5(b)显示具有不同母元件尺寸且也嵌入电介质的分形体图案的透射光谱，

图6显示对分形体图案施加信号和因此调谐它的频率选择性性能的效果，

图7(a)-(c)显示对进行透射的辐射同相和异相的分形体图案施加信号的效果，

图8说明本发明的实施方案形成对电磁辐射的屏蔽的能力，

图9(a)和(b)说明根据本发明实施方案的亚波长分形体平面改进垂直单级天线的焦点的用途，

图10(a)-(c)说明根据本发明实施方案的亚波长分形体平面改进垂直单级天线的焦点的用途，和

图11(a)和(b)显示如下物质的透射比光谱：(a)简单的丝网和(b)根据本发明实施方案的丝网和分形体板的结合。

具体实施方式

在本发明的第一实施方案中，由衬底上的导电分形图案形成光子带隙材料。可以由在衬底上形成导电图案的任何常规方法制备该材料。简单地作为例子，对于微波应用图案可以由各种技术形成，包括阴影-掩模/蚀刻、标准印刷电路板技术，或简单地采用导电油墨(如银油墨)印刷计算机产生的图案而形成图案。对于红外应用，可以在玻璃上由热蒸发或其它技术沉积形成金属分形体图案(如Ni或Al)。衬底可以是任何方便的非导电材料，在其上可以沉积导电图案。

图1显示根据本发明第一个实施方案的分形体图案。在此实施方案中，图案是包括H形的空间填充的曲线，它是形式为由给定系数的重复缩放向下、以及通过90°旋转的仿射转变的目标。事实上在图1中显示两个图案，一个具有10等级结构和一个具有12等级结构(术语“等级”表示将分形体产生转变应用于原始元件的次数。如以下显示的那样，图案的等级数目可用于调谐带隙。

图2显示正常在分形体表面上入射的y偏振电磁波的(a)透射和(b)反射。在此实施方案中，分形体图案具有15个等级而母元件是具有14.5cm的高度和宽度的水平H形，如下所示：

通过由0.5的系数将此元件缩放(使得在下一等级尺寸是7.25cm，以后的等级是3.625cm等等)，并连接到四个自由端形成总体图案，如下所示：

从图2(a)看出，在约1.5、4和13.5GHz存在共振，在其下透射接近于0而反射几乎是100％。图案中最小H的尺寸确定的最高的频率间隙和最低的频率间隙由等级的数目确定。

一旦固定最大的H尺寸，然后也就固定了分形体图案的总体尺寸。如果需要采用图案覆盖更大的表面积，则这不能简单地由如改变带隙性能的放大进行。反而可以简单地在更大面积上平铺和复制具有所需性能的分形体图案。

还应当注意到起反射体功能的具有分形体图案的板可具有小于被反射波长的尺寸。这是本发明实施方案的不寻常和非常有用的性能，该性能在常规金属反射体中找不到。

图3显示改变电磁辐射对图2带有分形体图案的板的入射角的效果。看出共振位于相同的位置而不管入射角在正入射(y偏振辐射)下的透射(Ta)在25°和35°下之间变化。应当注意到在标记“角25°”的图中，入射辐射源变化而样品保持固定，而标记“25°”的图相应于固定源和改变样品位置。可以看出在这些之间没观察到差异。

如下事实将本发明与常规技术区分开来：对于某些频率在不同的入射角下，图2和3的实施方案的板可得到几乎完美的反射。例如，涂敷的金属板会在宽的频率范围内在所有入射角下反射微波辐射，但不能是频率选择性的。另一方面，可以由复合介电多层涂层形成的结构制备频率选择性的反射体，但这仅可以在正入射下或接近正入射反射特定的频率。在入射角范围下频率选择性的结合是本发明的材料相对于现有技术的优点。本发明相对于常规频率选择性表面的进一步优点(它传统上依赖周期性图案)是它的“亚波长”性能(该性能表示尺寸远小于波长的结构能够反射该波长的能力)，以及另外选择多个反射频率的能力。

本发明此实施方案带隙材料的透射性能不是旋转对称的。特别地，由于对于x和y偏振，间隙位于光谱的不同部位，材料表现为偏振器。这可以通过比较图4与图2看出，图4显示入射x偏振波的透射和反射。应当注意到可以通过叠加两个相同材料的片，让一个相对于另一个通过90°旋转，形成旋转对称的绝对带隙材料。

可以采用许多方式调谐和改进本发明材料的带隙性能。首先，例如，可以由形成分形体图案的等级数目改变带隙的精确位置。例如这可以通过考虑图5(a)看出，图5(a)比较本发明两个实施方案的透射图案：一个具有15个等级，另一个具有10个等级。可以看出15个等级实施方案的共振频率稍微低于10个等级实施方案。

调谐带隙位置的其它方式包括改变空间填充曲线的“母”元件尺寸(在最大H的情况下)。母元件尺寸越大，共振频率越低。这参考图5(b)说明，其中开放正方形表示四等级H形的结果，其中第一等级具有16mm长和0.2mm宽的线。实心圆是用于嵌入4mm厚介电常数ε＝2.2的介电衬底的相同结构。空心三角形表示四等级H形图案，第一等级的尺寸增加到20mm。可以从图5(b)看出当母元件的尺寸增加时，带隙的波长增加而频率降低。

图5(b)也显示可以通过涂敷电介质表面涂料调谐带隙。这具有将透射间隙向下移动的效果。如果在分形体图案的两侧上涂敷厚介电物质，带隙由√ε的因数移动到更低的频率。实际上采用有限厚度的物质，缩放因数小于√ε并可以由数字模拟计算。

本发明的显著优点在于可以积极地调谐带隙材料的性能。通过施加变化信号到导电分形体图案自身，这是可能的。图6显示由7等级分形体结构形成的本发明实施方案的反射和透射，其中母元件是9mm长的H形及线宽度和厚度是0.1mm。将分形体图案嵌入ε＝5.3的1mm厚介电物质。施加到图案的调制源是加入到分形体图案最长线中间的脉冲交流电。在图6中，当分形体板用作无源元件时，实线显示透射比。当将脉冲电流注入分形体中时，虚线表示透射比，感应表面电流(由入射辐射感应)和注入电流的干扰导致远场中的不同辐射图案。从图6的观察，可以看出在电流的注入之后，靠近4GHz和13GHz的透射倾角经历频率移位和振幅改变。此外，可以在约8.5GHz下观察到透射中的新倾角。应当特别注意到在带隙附近的光谱基本改变。特别地可以通过信号对带隙材料导电分形体图案的施加，将带隙调谐为“开”和“关”。

图7(a)-(c)显示同时直接对导电分形体图案施加信号对透射的影响。在此图中，图7(b)显示通过根据图2实施方案的带隙材料的2GHz电磁波的透射。在图7(a)中，表示与电磁波异相的2GHz信号直接施加到导电分形体图案且可以看出透射振幅降低。相反如果施加相同频率且与入射同相的信号，如图7(c)所示透射增加。图7(a)-(c)显示直接从试验期间的显示屏抓拍的照相。

图8显示简单试验的基本配置和结果，该试验显示在形成屏蔽中本发明实施方案的效力。将24mm长的天线离本发明平面光子带隙材料9mm放置。平面带隙材料大约是正方形(28×29mm)且含有施加到它的分形体图案，以在约3.85GHz确定带隙，3.85GHz是由天线传输的频率。布置天线以与带隙材料的平面平行。如可以从结果看出的那样，辐射基本完全从平面带隙材料的小片反射而没有透射。如果金属板的尺寸小于半个波长(它是78mm)，由于金属不能阻断电磁辐射，这与相同尺寸普通金属片的结果形成对照。此简单试验显示本发明，例如，在屏蔽移动电话的用户远离来自电话天线的电磁辐射中具有特定的应用(认为该辐射是可能的健康危险)。在此实施方案中，采用六个等级形成分形体结构。母元件是长度为16mm，线宽度1mm，线厚度0.2mm，印刷在2mm厚ε＝5.3的介电物质上的H形。在此重要的是注意到本发明的分形体材料优于常规光子带隙材料。不仅仅本发明的带隙材料潜在地更薄，而且它们可以在横向上更小和事实上可以比被反射的波长更小，即它们的尺寸可以在所有方向上是“亚波长”。由于常规光子带隙材料根据布拉格反射原理操作，在它们可以有效之前，侧向尺寸必须至少为波长的几倍。然而，本发明的分形体材料能够在优选的实施方案中使所有的尺寸小于辐射的波长。图8说明尺寸28mm×29mm的金属板太小而不能屏蔽78mm波长的辐射，而相同尺寸的分形体板可以做到。

在带隙频率下基本零透射和100％反射比的本发明优选实施方案材料的性能，可用于实质性地改进辐射天线的效率和定向性。

图9(a)-(b)显示当将天线放置以下物质以上并垂直于该物质时FDTD(有限差时域)模拟的辐射图案：根据本发明实施方案的平面带隙材料，和设计为在天线的频率(2.1Ghz)下反射辐射(实心正方形)或30mm乘30mm金属片(空心圆)时。在此实施例中，由间隔0.1mm和每个具有8等级图案的两个板形成平面分形体带隙材料，第一等级长度＝16mm，金属线宽度＝0.2mm，和金属线厚度＝0.2mm。将两个金属板相对于彼此旋转90°以得到对于所有偏振的完全带隙。由于带隙材料反射电磁辐射，天线仅可在相对于带隙材料平面的反面上辐射且辐射比采用金属板代替带隙材料更为聚焦。

图9(a)显示在θ角度中的辐射图案。图9(b)显示在角度中的辐射且显示的是带隙材料产生更大的各向异性和因此另外更聚焦的辐射。

图10(a)-(c)说明将根据本发明实施方案的平面带隙材料(具有6等级图案及第一等级的长度是16mm，线宽度0.2mm，线厚度0.2mm和具有ε＝12的2mm厚硅衬底)放置在单极辐射天线以下且天线平行于带隙材料平面的效果。天线在带隙材料以上0.2cm且与它分离并由介电材料支撑。天线在8.6GHz(它相应于34.9mm的波长)下辐射。选择在带隙材料上的分形体图案以防止在天线辐射频率下的传输。图10(a)-(c)也显示28mm乘28mm金属板的相应结果。

图10(a)和(b)显示辐射图案的有限差时域(FDTD)模拟，其中将根据本发明的带隙材料放置在天线以下(实心正方形)且其中将相同尺寸的板放置在天线以下(空心圆)。图10(b)显示E平面中的辐射，而图10(c)显示H平面中的辐射。应当注意到与金属板相比，本发明的带隙材料更好地反射来自天线的辐射并具有更好的定向性。此外，很接近于天线的金属板具有缩短天线使天线效率非常低的效果。这可以从图10(a)看出，其中可以看出金属板的S11(它提供返回到来源的反射比措施)接近100％，而对于本发明实施方案的带隙材料它更低，意味着天线更有效地辐射。这强调即使普通的金属片可在高频下反射天线辐射(由于板的尺寸超过半波长)，如果金属板在近场位置则危害天线的辐射效率，而本发明的材料可用于反射辐射而不严重劣化天线效率。

图11(a)和(b)说明本发明材料的另一个有用性能。公知的是金属丝网可用作高通滤波器并会在低频下反射电磁辐射，同时允许高频率通过。图11(a)显示由0.1mm厚度和晶格参数(正方形)为2mm的丝网形成的典型透射。然而，如果将分形体板在接近网的位置放置，则改变透射比性能并形成锐窄通带。当在网下面提供在1.6mm介电物质(介电常数为5.3)上和采用母元件形成的7等级分形体板时，该母元件是长度为8mm和线宽度为0.1mm的H形，图11(b)显示此现象。应当注意到在4和9.5GHz观察到锐透射。没有分形体板，丝网自身几乎在4GHz完全反射，而采用分形体存在几乎80％的透射。

此效应的物理基础在于分形体和网紧密布置(使得感兴趣的波长至少比间隔大几倍)，分形体板和网从辐射来看成是具有简单有效介电常数的复合系统。单独地两种组分(即网和分形体板)具有随频率变化的介电常数。网的有效介电常数是负数，而当它通过共振时，分形体板的有效介电常数从正数变成负数。可推论是存在某些频率，其中结合两个有效介电常数以得到是一或接近一的合成常数而复合系统突然变得对入射辐射透明。

Claims

1.一种平面带隙材料，包括在非导电平面衬底上形成的导电分形体图案。

2.如权利要求1所述的带隙材料，其中采用2-15等级形成分形体图案。

3.如权利要求1所述的带隙材料，其中通过将母元件进行重复仿射变换形成分形体图案。

4.如权利要求3所述的带隙材料，其中所述母元件是H形且所述变换包括缩放和旋转。

5.如权利要求1所述的带隙材料，其中将分形体图案嵌入介电材料中。

6.如权利要求1所述的带隙材料，进一步包括将电流注入分形体图案中以改变所述材料带隙性能的机构。

7.如权利要求1所述的带隙材料，其中该材料具有的带隙的低频限制由所述分形体图案的等级数目确定。

8.一种平面带隙材料，包括在非导电平面衬底上形成的导电分形体图案和具有至少一个带隙，其中材料的所有尺寸小于该带隙的波长。

9.一种电磁辐射屏蔽物，包括在衬底上形成的导电分形体图案。

10.一种形成带隙材料的方法，包括在平面衬底上沉积导电分形体图案，且其中通过选择所述图案母元件的尺寸和所述图案的等级数目控制带隙的位置。

11.如权利要求10所述的形成带隙材料的方法，进一步包括在介电衬底中嵌入所述分形体图案。

12.如权利要求10所述的形成带隙材料的方法，进一步包括向该图案注入电流的机构，因此可以改变所述材料的带隙性能。

13.一种窄带电磁滤波器，包括与形成的板邻近的丝网材料和在其上具有导电分形体图案。