專(zhuān)利名稱(chēng)：一種寬頻人工電磁材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種人工電磁材料，更具體地說(shuō)，涉及一種寬頻人工電磁材料。
背景技術(shù)：
人工電磁材料，俗稱(chēng)超材料，是一種能夠?qū)﹄姶女a(chǎn)生響應(yīng)的新型人工合成材料，由基板和附著在基板上的人造微結(jié)構(gòu)組成。由于人造微結(jié)構(gòu)通常為金屬線排布成的具有一定幾何圖形的結(jié)構(gòu)，因此能夠?qū)﹄姶女a(chǎn)生響應(yīng)，從而使超材料整體體現(xiàn)出不同于基板的電磁特性，例如介電常數(shù)ε和磁導(dǎo)率μ不同，根據(jù)折射率公式η = #可知，折射率η也不同?，F(xiàn)有的人工電磁材料，其人造微結(jié)構(gòu)通常為“工”字形、“U”字形等形狀，可用頻帶較窄。對(duì)于一些較寬的應(yīng)用頻率，需要設(shè)計(jì)新的人造微結(jié)構(gòu)才行。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題在于，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，設(shè)計(jì)新的人造微結(jié)構(gòu)從而實(shí)現(xiàn)一種寬頻人工電磁材料。本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是構(gòu)造一種寬頻人工電磁材料，包括沿兩兩正交垂直的X、y和ζ方向陣列排布的多個(gè)方形材料單元，每個(gè)材料單元包括非金屬的方形基材單元和附著在所述基材單元表面上的人造微結(jié)構(gòu)，每個(gè)所述人造微結(jié)構(gòu)包括多個(gè)相同且相互平行的結(jié)構(gòu)單元，每個(gè)結(jié)構(gòu)單元具有同樣的第一幾何圖案，所述多個(gè)結(jié)構(gòu)單元互不相交，并沿一相似于且大于所述第一幾何圖案的第二圖案依次排布。在本發(fā)明所述的寬頻人工電磁材料中，每個(gè)方形的基材單元其沿X、y和ζ方向上的長(zhǎng)度均不大于一入射電磁波波長(zhǎng)的十分之一。在本發(fā)明所述的寬頻人工電磁材料中，所述結(jié)構(gòu)單元的第一幾何圖案為“工”字形，所述多個(gè)結(jié)構(gòu)單元的外輪廓連線所形成的第二幾何圖案為大于第一幾何圖案的“工”字形。在本發(fā)明所述的寬頻人工電磁材料中，所述“工”字形第一幾何圖案的高度等于所述“工”字形第二幾何圖案的其中兩條水平且平行的線段的線寬。在本發(fā)明所述的寬頻人工電磁材料中，所述“工”字形第一幾何圖案的寬度等于所述“工”字形第二幾何圖案的其中一條豎直線段的線寬。在本發(fā)明所述的寬頻人工電磁材料中，所述第一、第二幾何圖案為相似的兩個(gè)“十”字形。在本發(fā)明所述的寬頻人工電磁材料中，所述人造微結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)單元由金屬線構(gòu)成。在本發(fā)明所述的寬頻人工電磁材料中，所述金屬線為銅線或銀線。在本發(fā)明所述的寬頻人工電磁材料中，所述人工電磁材料包括多片沿ζ方向堆疊的基材片層，每個(gè)基材片層包括沿X、y方向陣列排布的基材單元。在本發(fā)明所述的寬頻人工電磁材料中，所述基材片層由FR-4材料制成。
實(shí)施本發(fā)明的寬頻人工電磁材料，具有以下有益效果本發(fā)明中用多個(gè)結(jié)構(gòu)單元來(lái)構(gòu)成一個(gè)人造微結(jié)構(gòu)，與同樣尺寸的單一結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成的人造微結(jié)構(gòu)相比，本發(fā)明的人造微結(jié)構(gòu)形成的等效電容和電感減小，從而使諧振頻率后移，可用頻帶變寬，使材料的應(yīng)用范圍變廣。


下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，附圖中圖I是本發(fā)明的寬頻人工電磁材料的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是由圖I所示寬頻人工電磁材料的一個(gè)材料單元的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是圖2所示的材料單元中的人造微結(jié)構(gòu)的第一幾何圖案和第二幾何圖案的對(duì)比圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提供一種寬頻人工電磁材料，其結(jié)構(gòu)如圖I所示，其包括至少一塊均勻等厚的基材I，當(dāng)基材I有多片時(shí)，它們沿垂直于基材表面的ζ方向?qū)又玫揭黄?。基材I可被虛擬地劃分為完全相同的多個(gè)立方體形的基材單元10，例如邊長(zhǎng)為一種頻率的電磁波的波長(zhǎng)的十分之一或小于十分之一的立方體。多片基材I可看作是由多個(gè)這樣的基材單元2以X方向?yàn)樾小方向?yàn)榱?、ζ方向?yàn)閷盈B方向組成的陣列，其中x、y、z方向兩兩正交垂直。基材I可由FR-4材料、環(huán)氧樹(shù)脂、陶瓷等材料制成。每個(gè)基材單元10上附著有一個(gè)人造微結(jié)構(gòu)200，基材單元10及基材單元10上的人造微結(jié)構(gòu)200共同構(gòu)成一個(gè)材料單元30，如圖2所示，則本發(fā)明的寬頻人工電磁材料可看作是由多個(gè)材料單元30沿X、y、ζ三個(gè)方向陣列排布而成。人造微結(jié)構(gòu)200通常為金屬線例如銅線、銀線組成的具有一定幾何圖形的平面或立體結(jié)構(gòu)，當(dāng)然，人造微結(jié)構(gòu)還可以有其他金屬材料如金線，也可以由至少兩種金屬混合而成的材料，甚至也可能采用非金屬材料制成。本發(fā)明的人造微結(jié)構(gòu)200，包括多個(gè)相同且相互平行的結(jié)構(gòu)單元201，每個(gè)結(jié)構(gòu)單元具有相同的第一幾何圖案P1，例如圖2、圖3所示的“工”字形，多個(gè)結(jié)構(gòu)單元相互平行且互不相交，它們沿另一個(gè)更大的“工”字形依次排列，這個(gè)更大的“工”字形即為第二幾何圖案P2，其與每個(gè)結(jié)構(gòu)單元的小“工”字形幾何相似，且大于小“工”字形。結(jié)構(gòu)單元沿第二幾何圖案P2依次排布，是指結(jié)構(gòu)單元落在第二幾何圖案上且布滿(mǎn)得使在相鄰兩結(jié)構(gòu)單元之間的間隙中不能再放入另一個(gè)結(jié)構(gòu)單元，也即所有第一幾何圖案Pl的外輪廓線連接而成的圖案即為第二幾何圖案P2。例如，如圖3所示，“工”字形第二幾何圖案P2的寬度也即其兩條相互平行的水平線段的線長(zhǎng)為W，線寬為a，中間的豎直線段的線長(zhǎng)為h，線寬為b，而結(jié)構(gòu)單元201所構(gòu)成的“工”字形第一幾何圖案P1，其兩條水平線段的線長(zhǎng)也即第一幾何圖案Pl的寬度為w0，整體高度為h0，則有wO = b, h0 = a，兩個(gè)幾何圖案幾何相似是指w (2a+h) = w0 h0。應(yīng)該理解的是，基本相似而未完全取等號(hào)也是可以達(dá)到本發(fā)明效果的，因此這種情況也計(jì)入本發(fā)明保護(hù)范圍之內(nèi)。當(dāng)然，本發(fā)明的第一、第二幾何圖案P1、P2并不僅限于“工”字形，其可以是任意由金屬線構(gòu)成的幾何圖案，例如“十”字形、圓形、雪花形、樹(shù)杈形等均可。
本發(fā)明對(duì)圖2所示的材料單元30進(jìn)行仿真，其中，基材單元尺寸均為4_X4_X4mm,基材材質(zhì)均為FR-4材料,人造微結(jié)構(gòu)為銅線,本發(fā)明的人造微結(jié)構(gòu)200所組成的第二幾何圖案P2的形狀尺寸為w = 3mm, a = h0 = O. 5mm, b = w0 = O. 4mm, h =
2.5mm n通過(guò)仿真，測(cè)得圖2所示材料單元30構(gòu)成的人工電磁材料，與由同樣尺寸的單一結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成的人造微結(jié)構(gòu)相比，其電磁響應(yīng)曲線諧振峰后移。因此，采用本發(fā)明的人造微結(jié)構(gòu)200，使得材料的工作頻帶大大拓寬。這是因?yàn)?，在人工電磁材料中，“工”字形結(jié)構(gòu)在電路中等效為一個(gè)電容和一個(gè)電感的串聯(lián)，假設(shè)具有第二幾何圖案P2的人造微結(jié)構(gòu)為電容和電感Cl、LI串聯(lián)，每個(gè)結(jié)構(gòu)單元201的等效電容和電感為C2、L2串聯(lián)，且顯然C1、L1與C2、L2分別要大得多。在圖2所示人造微結(jié)構(gòu)中，上面一行等效為9個(gè)結(jié)構(gòu)單元201并聯(lián)，并聯(lián)后電容值為9C2，下面一行同
理電容值也為9C2，中間4個(gè)結(jié)構(gòu)單元201串聯(lián)，電容值為*C2，則有多個(gè)結(jié)構(gòu)單元201構(gòu)
I
成的人造微結(jié)構(gòu)200的等效電容為—9 | 4 ’要小于C2值，進(jìn)而遠(yuǎn)小于Cl值。同樣，也可
2C2 C2
得到多個(gè)結(jié)構(gòu)單元201構(gòu)成的人造微結(jié)構(gòu)200其等效電感LI也是遠(yuǎn)小于LI值的。根據(jù)公式/Q =可知，由多個(gè)結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成的人造微結(jié)構(gòu)200其等效電容值
L、電感值C要遠(yuǎn)小于現(xiàn)有技術(shù)的人造微結(jié)構(gòu)2的電容值Cl、電感值LI，因而其諧振頻率要遠(yuǎn)大于現(xiàn)有的人造微結(jié)構(gòu)2的諧振頻率，也即諧振頻率相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)后移，從而使得可用頻帶變寬。上面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實(shí)施方式
，上述的具體實(shí)施方式
僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨和權(quán)利要求所保護(hù)的范圍情況下，還可做出很多形式，這些均屬于本發(fā)明的保護(hù)之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種寬頻人工電磁材料，包括沿兩兩正交垂直的X、y和Z方向陣列排布的多個(gè)方形材料單元，每個(gè)材料單元包括非金屬的方形基材單元和附著在所述基材單元表面上的人造微結(jié)構(gòu)，其特征在于，每個(gè)所述人造微結(jié)構(gòu)包括多個(gè)相同且相互平行的結(jié)構(gòu)單元，每個(gè)結(jié)構(gòu)單元具有同樣的第一幾何圖案，所述多個(gè)結(jié)構(gòu)單元互不相交，并沿一相似于且大于所述第一幾何圖案的第二幾何圖案依次排布。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的寬頻人工電磁材料，其特征在于，每個(gè)方形的基材單元其沿X、y和z方向上的長(zhǎng)度均不大于一入射電磁波波長(zhǎng)的十分之一。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的寬頻人工電磁材料，其特征在于，所述結(jié)構(gòu)單元的第一幾何圖案為“工”字形，所述多個(gè)結(jié)構(gòu)單元的外輪廓連線所形成的第二幾何圖案為大于第一幾何圖案的“工”字形。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的寬頻人工電磁材料，其特征在于，所述“工”字形第一幾何圖案的高度等于所述“工”字形第二幾何圖案的其中兩條水平且平行的線段的線寬。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的寬頻人工電磁材料，其特征在于，所述“工”字形第一幾何圖案的寬度等于所述“工”字形第二幾何圖案的其中一條豎直線段的線寬。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的寬頻人工電磁材料，其特征在于，所述第一、第二幾何圖案為相似的兩個(gè)“十”字形。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的寬頻人工電磁材料，其特征在于，所述人造微結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)單元由金屬線構(gòu)成。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的寬頻人工電磁材料，其特征在于，所述金屬線為銅線或銀線。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的寬頻人工電磁材料，其特征在于，所述人工電磁材料包括多片沿z方向堆疊的基材片層，每個(gè)基材片層包括沿x、y方向陣列排布的基材單元。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的寬頻人工電磁材料，其特征在于,所述基材片層由FR-4材料制成。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種寬頻人工電磁材料，包括沿兩兩正交垂直的x、y和z方向陣列排布的多個(gè)方形材料單元，每個(gè)材料單元包括非金屬的方形基材單元和附著在所述基材單元表面上的人造微結(jié)構(gòu)，每個(gè)所述人造微結(jié)構(gòu)包括多個(gè)相同且相互平行的結(jié)構(gòu)單元，每個(gè)結(jié)構(gòu)單元具有同樣的第一幾何圖案，所述多個(gè)結(jié)構(gòu)單元互不相交，并沿一相似于且大于所述第一幾何圖案的第二幾何圖案依次排布。本發(fā)明中用多個(gè)結(jié)構(gòu)單元來(lái)構(gòu)成一個(gè)人造微結(jié)構(gòu)，形成的等效電容和電感減小，從而使諧振頻率后移，可用頻帶變寬，則材料的應(yīng)用范圍將更廣。
文檔編號(hào)H01Q15/00GK102810746SQ201110145120
公開(kāi)日2012年12月5日 申請(qǐng)日期2011年6月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月1日
發(fā)明者劉若鵬, 欒琳, 寇超峰, 何方龍 申請(qǐng)人:深圳光啟高等理工研究院, 深圳光啟創(chuàng)新技術(shù)有限公司