專利名稱：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，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，具有特定的介電常數(shù)ε、磁導(dǎo)率μ或折射率η，而這些參數(shù)都是有關(guān)電磁波頻率的函數(shù)，通常不為恒定值。
現(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，使得對(duì)應(yīng)的人工電磁材料的電磁參數(shù)ε、μ或η隨著頻率變化而變化明顯，導(dǎo)致可用頻帶較窄。對(duì)于一些較寬的應(yīng)用頻帶，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)問題在于，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種寬頻人工電磁材料。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是構(gòu)造一種寬頻人工電磁材料，一種寬頻人工電磁材料，包括至少一個(gè)材料片層，每個(gè)材料片層包括基板和附著在基板上的人造微結(jié)構(gòu)，每個(gè)基板虛擬地劃分為多個(gè)陣列排布的立方體基板單元，每個(gè)基板單元上分布有一個(gè)人造微結(jié)構(gòu)，所述人造微結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)尺寸不同且互不相交的“工”字形金屬線。在本發(fā)明所述的寬頻人工電磁材料中，所述兩個(gè)“工”字形金屬線并排設(shè)置，且二者的“工”字形中間豎線的方向在同一直線上。在本發(fā)明所述的寬頻人工電磁材料中，所述材料片層包括相向設(shè)置的第一基板和第二基板，所述第一基板的面向第二基板的表面上附著有人造微結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明所述的寬頻人工電磁材料中，所述材料片層的厚度等于所述第一基板、第二基板和人造微結(jié)構(gòu)三者的厚度之和。在本發(fā)明所述的寬頻人工電磁材料中，每個(gè)所述基板單元包括相向設(shè)置的第一基板單元和第二基板單元，還包括在第一基板單元的面向第二基板單元的表面上所附著的人造微結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明所述的寬頻人工電磁材料中，所述立方體基板單元的長(zhǎng)、寬、厚度均不大于所述人工電磁材料將要響應(yīng)的電磁波波長(zhǎng)的十分之一。在本發(fā)明所述的寬頻人工電磁材料中，所述人造微結(jié)構(gòu)的總長(zhǎng)度及總寬度分別不小于所述基板單元的長(zhǎng)度及寬度的二分之一。在本發(fā)明所述的寬頻人工電磁材料中，所述人工電磁材料將要響應(yīng)的電磁波頻率為7. 5GHz,所述立方體基板單元的尺寸為4mmX4mmX4mm。在本發(fā)明所述的寬頻人工電磁材料中，所述兩個(gè)“工”字形金屬線的尺寸分別為I. 5mmX I. 5mm>2mmX 2mm,線寬為 0. 1mm。在本發(fā)明所述的寬頻人工電磁材料中，所述基板為FR-4材料制成。實(shí)施本發(fā)明的寬頻人工電磁材料，具有以下有益效果采用本發(fā)明的人造微結(jié)構(gòu)，使得其人工電磁材料的諧振頻率高，有效工作頻帶寬，可應(yīng)用 范圍廣。


下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，附圖中圖I是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的寬頻人工電磁材料的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是圖I所示寬頻人工電磁材料的其中一個(gè)材料片層的側(cè)視圖；圖3是圖2所示材料片層拆分開來的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是圖2所示材料片層的其中一個(gè)材料單元的拆分示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明涉及一種寬頻人工電磁材料，包括至少一個(gè)材料片層，如圖I所示。當(dāng)材料片層I有多個(gè)時(shí)，各個(gè)材料片層I沿垂直于片層的方向疊加，并通過機(jī)械連接、焊接或粘合的方式組裝成一體。每個(gè)材料片層I可以為一塊單獨(dú)的基板，且在這塊基板一側(cè)表面上附著有人造微結(jié)構(gòu)；參閱圖2、圖3可知，每個(gè)材料片層I也可包括兩塊相同的均勻等厚的片狀基板，分別為第一基板31和第二基板32。兩個(gè)基板相向疊加，且第一基板31的面向第二基板32的表面上附著有多個(gè)陣列排布的人造微結(jié)構(gòu)。本文中，基板的表面特指基板外輪廓中相互平行且面積最大的兩個(gè)平面，垂直于該平面的方向定義為基板和整個(gè)人工電磁材料的厚度方向，則基板厚度方向上的長(zhǎng)度為基板的厚度，與厚度方向平行的一圈依次連接的平面為基板的側(cè)邊緣。基板通常選用FR-4材料，也可選用陶瓷、聚四氟乙烯等材料。用一組間距相等且相互平行的多個(gè)第一平面和另一組均垂直于第一平面且具有同樣間距、相互平行的多個(gè)第二平面，將兩個(gè)基板分別虛擬地劃分為多個(gè)完全相同的方體形網(wǎng)格，其中第一平面和第二平面相互垂直且同時(shí)垂直于基板的表面。第一基板31的每個(gè)網(wǎng)格為第一基板單元310，第二基板32的每個(gè)網(wǎng)格為第二基板單元320，并使得每個(gè)第一基板單元310的一表面上附著有一個(gè)人造微結(jié)構(gòu)，則每個(gè)相對(duì)的第一基板單元310和第二基板單元320構(gòu)成一個(gè)基板單元，每個(gè)基板單元及第一基板單元310上的人造微結(jié)構(gòu)構(gòu)成一個(gè)材料單元40，如圖4所示。整個(gè)材料片層I可以看作是由多個(gè)材料單兀40以一方向?yàn)樾?、以垂直于該方向的另一方向?yàn)榱薪M成的陣列。人工電磁材料是應(yīng)用在一個(gè)特定的電磁場(chǎng)環(huán)境中的，該電磁場(chǎng)環(huán)境中電磁波的波長(zhǎng)是預(yù)先已知或設(shè)定的。本發(fā)明中每個(gè)方體形材料單元40，優(yōu)選其長(zhǎng)、寬、厚度的長(zhǎng)度不大于上述電磁波波長(zhǎng)的十分之一；當(dāng)然，其長(zhǎng)、寬、厚度的長(zhǎng)度不大于電磁波波長(zhǎng)的五分之一均可。如圖4所示，材料單元40的具體結(jié)構(gòu)包括第一基板單元310、第一基板單元310上的人造微結(jié)構(gòu)和第二基板單元320。人造微結(jié)構(gòu)是排布成一定幾何形狀或拓?fù)湫螤畹慕饘俳z，金屬絲的材料通常選用電導(dǎo)性良好的銀、銅等有色金屬。由于人造微結(jié)構(gòu)附著在第一基板單元310的表面上，而構(gòu)成人造微結(jié)構(gòu)的金屬絲具有一定的厚度，因此材料單元40的厚度(也即材料片層I的厚度)等于第一基板31的厚度、第二基板32的厚度以及金屬絲的厚度三者之和。不過，由于人造微結(jié)構(gòu)非常薄，當(dāng)制造、加工、組裝過程中存在一定的誤差時(shí)，人造微結(jié)構(gòu)不能直接與第二基板32貼合，而是存在間隙，在一定范圍內(nèi)，這種間隙是允許的。通常,人造微結(jié)構(gòu)的厚度在O. 005 O. 05mm之間,本發(fā)明中優(yōu)選為O. 018mm,則第一、第二基板的間隔距離在O. 005 O. 5mm的范圍內(nèi)，優(yōu)選為小于O. 1mm。本發(fā)明中，由于第一基板31和第二基板32夾緊，使二者均與人造微結(jié)構(gòu)接觸或基本接觸，使得人造微結(jié)構(gòu)在對(duì)電磁波產(chǎn)生響應(yīng)時(shí)可以同時(shí)作用在第一基板31和第二基板32上，使得材料片層I的等效介電常數(shù)要明顯高于第一、第二基板32自身的介電常數(shù)?！ち硗猓景l(fā)明的另一發(fā)明點(diǎn)在于，傳統(tǒng)的人工電磁材料，其人造微結(jié)構(gòu)通常為“工”字形，包括直線型的兩條相互平行的平行線和兩端分別與兩平行線的中點(diǎn)連接且垂直于平行線的中間豎線。而本發(fā)明的人工電磁材料中，人造微結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)尺寸不同且互不相交的“工”字形金屬線20。為了使兩個(gè)“工”字形金屬線20對(duì)電磁場(chǎng)具有相同或相近的電磁場(chǎng)響應(yīng)，形成疊加響應(yīng)效果而非相互抵消，因此，優(yōu)選的，每個(gè)人造微結(jié)構(gòu)的兩個(gè)“工”字形金屬線20并排設(shè)置，即二者的兩對(duì)平行線相互平行，兩中間豎線相互平行。本發(fā)明中，優(yōu)選兩個(gè)“工”字形金屬線20的中間豎線的方向在同一直線上，使得二者一上一下地排布，如圖4所不。由于每個(gè)材料單元40的折射率與人造微結(jié)構(gòu)相對(duì)于第一基板單元310表面所占據(jù)的表面比例有關(guān)，因此人造微結(jié)構(gòu)的總長(zhǎng)度和總寬度應(yīng)盡可能大，優(yōu)選分別不小于第一基板單元310的長(zhǎng)度和寬度的二分之一。這里的人造微結(jié)構(gòu)的總長(zhǎng)度，為最上面和最下面兩條平行線之間的距離；人造微結(jié)構(gòu)的總寬度，為兩個(gè)“工”字形的四條平行線中最長(zhǎng)的那條平行線的線長(zhǎng)。例如，當(dāng)本發(fā)明的人工電磁材料所要應(yīng)用的工作環(huán)境是在頻率為7. 5GHz的電磁波中，則設(shè)計(jì)每個(gè)立方體形的基板單元的尺寸為4mmX4mmX4mm,兩個(gè)“工”字形金屬線20的尺寸分別為I. 5mmX I. 5mm>2mmX 2mm,線寬為O. Imm,人造微結(jié)構(gòu)的總長(zhǎng)度為3. 8mm,總寬度為2mm。根據(jù)CST仿真軟件對(duì)上述人造微結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真可知，在2 15GHz范圍即帶寬為13GHz內(nèi)，隨著頻率的提高，折射率的損耗非常小，這便為實(shí)現(xiàn)超寬頻效果提供有利條件。而現(xiàn)有的只有一個(gè)“工”字形的人造微結(jié)構(gòu)，其帶寬則很難達(dá)到上述結(jié)果。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，包括至少一個(gè)材料片層，每個(gè)材料片層包括基板和附著在基板上的人造微結(jié)構(gòu)，每個(gè)基板虛擬地劃分為多個(gè)陣列排布的立方體基板單元，每個(gè)基板單元上分布有一個(gè)人造微結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述人造微結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)尺寸不同且互不相交的“工”字形金屬線。
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，所述兩個(gè)“工”字形金屬線并排設(shè)置，且二者的“工”字形中間豎線的方向在同一直線上。
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，所述材料片層包括相向設(shè)置的第一基板和第二基板，所述第一基板的面向第二基板的表面上附著有人造微結(jié)構(gòu)。
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，所述材料片層的厚度等于所述第一基板、第二基板和人造微結(jié)構(gòu)三者的厚度之和。
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，每個(gè)所述基板單元包括相向設(shè)置的第一基板單元和第二基板單元，還包括在第一基板單元的面向第二基板單元的表面上所附著的人造微結(jié)構(gòu)。
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，所述立方體基板單元的長(zhǎng)、寬、厚度均不大于所述人工電磁材料將要響應(yīng)的電磁波波長(zhǎng)的十分之一。
7.根據(jù)權(quán)利要求6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)的總長(zhǎng)度及總寬度不小于所述基板單元的長(zhǎng)度及寬度的二分之一。
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，所述人工電磁材料將要響應(yīng)的電磁波頻率為7. 5GHz,所述立方體基板單元的尺寸為4_X4_X4mm。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的寬頻人工電磁材料，其特征在于，所述兩個(gè)“工”字形金屬線的尺寸分別為I. 5mmX I. 5臟、2臟X 2臟，線寬為O. I臟。
10.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，所述基板為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，包括至少一個(gè)材料片層，每個(gè)材料片層包括基板和附著在基板上的人造微結(jié)構(gòu)，每個(gè)基板虛擬地劃分為多個(gè)陣列排布的立方體基板單元，每個(gè)基板單元上分布有一個(gè)人造微結(jié)構(gòu)，所述人造微結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)尺寸不同且互不相交的“工”字形金屬線。采用本發(fā)明的人造微結(jié)構(gòu)，使得其人工電磁材料的諧振頻率高，有效工作頻帶寬，可應(yīng)用范圍廣。
文檔編號(hào)H01Q15/00GK102800973SQ201110163799
公開日2012年11月28日 申請(qǐng)日期2011年6月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月17日
發(fā)明者劉若鵬, 欒琳, 寇超峰, 葉金財(cái) 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