專利名稱：一種新型超材料的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種材料，更具體地說，涉及一種新型超材料。
背景技術：
人工電磁材料，俗稱超材料，是一種新型人工合成材料，是由非金 屬材料制成的基板和附著在基板表面上或嵌入在基板內部的多個人造微結構構成的。基板可以虛擬地劃分為矩形陣列排布的多個基板單元，每個基板單元上附著有人造微結構，從而形成一個超材料單元，整個超材料是由很多這樣的超材料單元組成的，就像晶體是由無數的晶格按照一定的排布構成的。每個超材料單元上的人造微結構可以相同或者不完全相同。人造微結構是由金屬絲組成的具有一定幾何圖形的平面或立體結構，例如組成圓環形、工字形的金屬絲等。由于人造微結構的存在，每個超材料單元具有不同于基板本身的電磁特性，因此所有的超材料單元構成的超材料對電場和磁場呈現出特殊的響應特性；通過對人造微結構設計不同的具體結構和形狀，可以改變整個超材料的響應特性。普通材料的介電常數隨著頻率的變化而變化，在關注的頻段內通常只具有一個諧振峰，如圖I所示，在低損耗的情況下介電常數通常大于10。在某些應用場合，特別是大規模集成電路中，需要用到介電常數從零開始變化的材料，普通材料一般都不滿足。
發明內容
本發明要解決的技術問題在于，針對現有技術的上述缺陷，提供一種新型超材料，該材料在一定的頻段內具有寬頻高介電常數且在另一頻段內具有由零開始逐漸增大的介電常數分布。本發明解決其技術問題所采用的技術方案是構造一種新型超材料，該材料包括至少一個材料片層，每個材料片層包括基板和附著在基板上的人造微結構，每個基板虛擬地劃分為多個陣列排布的基板單元，每個基板單元上附著一對人造微結構，每對人造微結構包括在所述基板單元上并行排布的第一人造微結構和第二人造微結構，該材料在一定的頻段內具有寬頻高介電常數且在另一頻段內介電常數由零逐漸增大。在本發明的優選實施方式中，所述第一人造微結構和第二人造微結構具有相同的形狀，包括工字形結構和與工字形結構的中間連接線相交的兩個開口相對的開口環形結構。在本發明的優選實施方式中，所述第一人造微結構和第二人造微結構的尺寸相同。在本發明的優選實施方式中，所述第一人造微結構和第二人造微結構的尺寸不同。在本發明的優選實施方式中，所述人造微結構的尺寸都不大于入射電磁波波長的十分之一。
在本發明的優選實施方式中，所述人造微結構由銅線或者銀線制成。在本發明的優選實施方式中，所述基板為陶瓷材料。在本發明的優選實施方式中，所述基板為聚四氟乙烯。在本發明的優選實施方式中，所述基板為鐵電材料、鐵氧材料或者鐵磁材料。在本發明的優選實施方式中，所述基板為FR-4。實施本發明一種新型超材料，具有以下有益效果該材料在一定的頻段內具有寬頻高介電常數且在另一頻段內具有由零開始逐漸增大的介電常數分布，可以滿足特定場合的應用。
下面將結合附圖及實施例對本發明作進一步說明，附圖中圖I是普通材料介電常數特性曲線；圖2是實施例一中的新型超材料的結構示意圖；圖3是圖2所示材料中一個材料單元的結構示意圖；圖4是實施例一中第一人造微結構的結構示意圖；圖5是實施例一中的新型超材料的介電常數特性圖；圖6是實施例二中第一人造微結構的結構示意圖；圖7是實施例二中新型超材料的介電常數特性圖。圖8是實施例三中一個材料單元的結構示意圖；圖9是實施例三中的新型超材料的介電常數特性圖。
具體實施例方式實施例一本實施例提供一種新型超材料，包括至少一個材料片層，當具有多個材料片層時，這些材料片層沿垂直于其表面的方向堆疊到一起。圖如2所示，該材料包括3塊均勻等厚的材料片層1，多塊材料片層I沿垂直于基板平面的方向(z軸方向)依次堆疊，每兩塊材料片層I之間通過一定的封裝工藝例如焊接、鉚接、粘接等方式制成為一個整體或者通過填充可連接二者的物質例如液態基板原料，其在固化后將已有的兩材料片層I粘合，從而使多塊材料片層I構成一個整體。每個材料片層I包括基板和附著在基板上的人造微結構，將基板虛擬地劃分成多個完全相同的相互緊挨著的柱狀基板單元，這些基板單元以X軸方向為行、以與之垂直的y軸方向為列依次陣列排布。設計基板單元的尺寸為4毫米X2毫米X0. 818毫米，對照圖3,即S1 = 4毫米、a2 = 2毫米、a3 = O. 818毫米,每個基板單元并行附著第一人造微結構3和第二人造微結構4，基板單元和基板單元上的人造微結構共同構成一個材料單元2，如圖2所示，本實施例的材料可看作是由多個材料單元2沿X、y、z三個方向陣列排布而成，其中，人造微結構可以通過蝕刻、電鍍、鉆刻、光刻、電子刻或離子刻等方式附著于所述基材上。第一人造微結構3和第二人造微結構4為金屬線，這里使用銅線，銅線的橫截面為長方形，橫截面的尺寸為O. I毫米X0. 018毫米，其中銅線的線寬為O. I毫米，銅線的厚度為O. 018毫米，當然金屬線也可以使用銀線等其他金屬線，金屬線的橫截面也可以為圓柱狀、扁平狀或者其他形狀。在本實施例中第一人造微結構和第二人造微結構的形狀和尺寸均相同。第一人造微結構3如圖4所示包括工字形結構和與工字形結構的中間連接線相交的兩個開口相對的開口環形結構，該人造微結構的上邊緣以及左右邊緣與其所附著的基板單元的邊界的距離為O. I毫米，對照圖4，第一人造微結構的各部分的尺寸分別是bl =I. 8 毫米、b2 = O. 75 毫米、b3 = O. 5 毫米、b4 = O. 15 毫米；cl = 1.9 毫米、c2 = O. 2 毫米、c3 = O. 3毫米、c4 = O. 3毫米；電磁波通過該材料時對應的介電常數特性仿真圖如圖5所示，由圖5中的實線可知，該材料的介電常數特性具有雙諧振，在一定的頻段內(OGHz IOGHz)介電常數較高，且具有較好的寬頻特性；對應于第二個諧振，介電常數在一定的頻段內(18GHz 22GHz)由零逐漸增加，而且由虛線可知在介電常數較小的頻段內對應介電常數的虛部接近零，因此損耗也較低，所以該材料還可以應用在需要介電常數較小的場合。當在其他頻段內需要用到寬頻特性和介電常數從零開始變化的特性時，可以通過改變材料單元的尺寸或者第一人造微結構尺寸或者第二人造微結構的尺寸來實現，減小尺寸諧振峰后移，尺寸變大諧振峰前移。實施例二 與實施例一的區別是第一人造微結構3和第二人造微結構4的寬度變小了 ；第一人造微結構的各部分的尺寸如圖6分別是bl = I. 2毫米、b2 = O. 45毫米、b3 = O. 2毫米、b4 = O. 15 毫米；cl = 1.9 毫米、c2 = O. 2 毫米、c3 = O. 3 毫米、c4 = O. 3 毫米；第二人造微結構的形狀和尺寸與第一人造微結構相同。電磁波通過該材料時對應的介電常數特性仿真圖如圖7所示，由圖7中的實線可知，該材料的介電常數特性具有雙諧振，在一定的頻段內(OGHz 12GH)介電常數較高，且具有較好的寬頻特性；而且對應于第二個諧振，介電常數在一定的頻段內(27GHz 32GHz)由零逐漸增加，而且由虛線可知在介電常數較小的頻段內對應介電常數的虛部接近零，因此損耗也較低，所以該材料可以應用在需要寬頻特性的場合，也適合用在需要介電常數由零逐漸增大的場合。對比實施例一可知，縮小尺寸后諧振峰后移。同理，增大尺寸諧振峰前移。上述實施例中第一人造微結構和第二人造微結構的尺寸相同，需要說明的是當兩者尺寸不同時也有相同的特性，即改變人造微結構的尺寸時，增大尺寸，諧振峰后移；縮小尺寸，諧振峰前移。實施例三每個材料單元如圖8所示，與實施例一的區別是第一人造微結構3的尺寸變小了，第二人造微4的尺寸不變，第一人造微結構的各部分的尺寸分別是bl = 1.2毫米、b2=O. 45 毫米、b3 = O. 2 毫米、b4 = O. 15 毫米；cl = 1.9 毫米、c2 = O. 2 毫米、c3 = O. 3毫米、c4 = O. 3毫米；電磁波通過該材料時對應的介電常數特性仿真圖如圖9所示，由圖9中的實線可知，該材料的介電常數特性具有多諧振，介電常數在一定的頻段內(15GHz 18GHz)介電常數較高，且具有較好的寬頻特性；另外，介電常數在一定的頻段內(24GHz 30GHz)由零逐漸增加，而且由虛線可知在介電常數較小的頻段內對應介電常數的虛部接近零，因此損耗也較低。對比實施例一可知，縮小尺寸后諧振峰后移。同理，增大尺寸諧振峰前移。因此當我們需要在不同頻段內用到寬頻特性和介電常數由零逐漸增大特性時，只需要改變人造微結構的尺寸即可實現。上面結合附圖對本發明的實施例進行了描述，但是本發明并不局限于上述的具體實施方式
，上述的具體實施方式
僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領域的普通技術人員在本發明的啟示下，在不脫離本發明宗旨和權利要求所保護的范圍情況下，還可做出很多 形式，這些均屬于本發明的保護之內。
權利要求
1.一種新型超材料，其特征在于，該材料包括至少一個材料片層，每個材料片層包括基板和附著在基板上的人造微結構，每個基板虛擬地劃分為多個陣列排布的基板單元，每個基板單元上附著一對人造微結構，每對人造微結構包括在所述基板單元上并行排布的第一人造微結構和第二人造微結構，該材料在一定的頻段內具有寬頻高介電常數且在另一頻段內具有由零開始逐漸增大的介電常數分布。
2.根據權利要求I所述的新型超材料，其特征在于，所述第一人造微結構和第二人造微結構具有相同的形狀，包括工字形結構和與工字形結構的中間連接線相交的兩個開口相對的開口環形結構。
3.根據權利要求2所述的新型超材料，其特征在于所述第一人造微結構和第二人造微結構的尺寸相同。
4.根據權利要求2所述的新型超材料，其特征在于所述第一人造微結構和第二人造微結構的尺寸不同。
5.根據權利要求2所述的新型超材料，其特征在于所述人造微結構的尺寸都不大于入射電磁波波長的十分之一。
6.根據權利要求I至5任一所述的新型超材料，其特征在于所述人造微結構由銅線或者銀線制成。
7.根據權利要求6所述的新型超材料，其特征在于，所述基板為陶瓷材料。
8.根據權利要求6所述的新型超材料，其特征在于，所述基板為聚四氟乙烯。
9.根據權利要求6所述的新型超材料，其特征在于，所述基板為鐵電材料、鐵氧材料或者鐵磁材料。
10.根據權利要求6所述的新型超材料，其特征在于，所述基板為FR-4。
全文摘要
本發明涉及一種新型超材料，包括至少一個材料片層，每個材料片層包括基板和附著在基板上的人造微結構，每個基板虛擬地劃分為多個陣列排布的基板單元，每個基板單元上附著一對人造微結構，每對人造微結構包括在所述基板單元上并行排布的第一人造微結構和第二人造微結構，該材料在一定的頻段內具有寬頻高介電常數且在另一頻段內具有由零開始逐漸增大的介電常數分布，可以滿足特定場合的需要。
文檔編號H01Q15/00GK102810760SQ201110179890
公開日2012年12月5日 申請日期2011年6月29日 優先權日2011年6月29日
發明者劉若鵬, 欒琳, 寇超鋒 申請人:深圳光啟高等理工研究院, 深圳光啟創新技術有限公司