專利名稱：一種異形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，涉及一種異形人工電磁材料。
背景技術(shù)：
人工電磁材料(Metamaterial),又稱超材料,是一種新型人工合成材料，是由非金屬材料制成的基材和附著在基材表面上或嵌入在基材內(nèi)部的多個(gè)金屬微結(jié)構(gòu)構(gòu)成的。金屬微結(jié)構(gòu)是組成一定幾何圖形的圓柱形或扁平狀金屬絲，例如組成圓環(huán)形、I形的金屬絲等。每個(gè)金屬微結(jié)構(gòu)及其附著或占據(jù)的部分基材構(gòu)成一個(gè)材料單元，整個(gè)超材料即是由數(shù)十萬、百萬甚至上億的這樣的單元組成的，就像晶體是由無數(shù)的晶格按照一定的排布構(gòu)成的，每個(gè)晶格即相當(dāng)于上述的金屬微結(jié)構(gòu)及基材構(gòu)成的單元。
由于金屬微結(jié)構(gòu)的存在，每個(gè)上述材料單元整體具有一個(gè)等效的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率，因此所有的單元構(gòu)成的超材料對電場和磁場呈現(xiàn)出特殊的響應(yīng)特性；同時(shí)，對金屬微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不同的具體結(jié)構(gòu)和形狀，可改變其單元的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率，進(jìn)而改變整個(gè)超材料的響應(yīng)特性。
現(xiàn)有技術(shù)的超材料，通常都是由一片片基材組合而成，每片基材通常為矩形或正方形片，其邊緣平整，裁剪整齊。因此，在設(shè)計(jì)每個(gè)金屬微結(jié)構(gòu)時(shí)，通常將每個(gè)基材片劃分成多個(gè)陣列排布的完全相同的小正方形塊，每個(gè)小正方形塊即為一個(gè)基材單兀，且基材單兀的邊分別與基材片的長或?qū)捚叫校瑥亩够谋怀浞謩澐帧?br> 但是，在一些特殊的應(yīng)用場合下，可能要求基材不是規(guī)整的矩形或正方形等方塊材料，其表面可能凸凹不平，用正方形來劃分基材，不能將表面的凸凹部分劃分在內(nèi)，則這一部分需要單獨(dú)考慮和設(shè)計(jì)其人造微結(jié)構(gòu)，增加了設(shè)計(jì)的難度。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于，針對現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，提供一種便于設(shè)計(jì)、提高生產(chǎn)效率的異形人工電磁材料。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是構(gòu)造一種異形人工電磁材料，包括基材和附著在基材上的多個(gè)人造微結(jié)構(gòu)，所述人造微結(jié)構(gòu)分布使得基材虛擬地劃分為多個(gè)相同的基材單元后每個(gè)基材單元上附著有至少一個(gè)人造微結(jié)構(gòu)，所述基材單元為多邊形棱柱。
在本發(fā)明所述的異形人工電磁材料中，所述基材單元為正多邊形棱柱。
在本發(fā)明所述的異形人工電磁材料中，所述基材單元為正立方體，且所述基材表面方向不平行于所述正立方體的任一條邊。
在本發(fā)明所述的異形人工電磁材料中，所述基材單元為正六邊形棱柱。
在本發(fā)明所述的異形人工電磁材料中，所述基材單元為正三棱柱。
在本發(fā)明所述的異形人工電磁材料中，所述人造微結(jié)構(gòu)為旋轉(zhuǎn)90度對稱結(jié)構(gòu)。
在本發(fā)明所述的異形人工電磁材料中，所述人造微結(jié)構(gòu)為旋轉(zhuǎn)60度對稱結(jié)構(gòu)。
在本發(fā)明所述的異形人工電磁材料中，所述人造微結(jié)構(gòu)為旋轉(zhuǎn)120度對稱結(jié)構(gòu)。
在本發(fā)明所述的異形人工電磁材料中，所述人造微結(jié)構(gòu)為由銅線或銀線構(gòu)成的幾何圖案。
在本發(fā)明所述的異形人工電磁材料中，所述多邊形棱柱的當(dāng)量直徑小于所述異形人工電磁材料將要響應(yīng)的入射電磁波的波長的十分之一。
實(shí)施本發(fā)明的異形人工電磁材料，具有以下有益效果用多邊形棱柱作為基材單元的形狀來劃分每個(gè)基材，使得基材被充分劃分以便于設(shè)計(jì)和仿真的同時(shí)，最外層的一圈多邊形棱柱外輪廓所連成的凸凹不平的曲面能夠擬合非方塊形的、表面粗糙或成鋸齒形的異形人工電磁材料，又利于簡化設(shè)計(jì)和仿真過程，縮短研發(fā)周期。


下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，附圖中
圖1是現(xiàn)有技術(shù)的人工電磁材料的結(jié)構(gòu)示意圖2是本發(fā)明第一實(shí)施例的異形人工電磁材料的結(jié)構(gòu)示意圖3是本發(fā)明第二實(shí)施例的異形人工電磁材料的結(jié)構(gòu)示意圖4是圖3所示異形人工電磁材料中的一個(gè)材料單元的結(jié)構(gòu)示意圖5是本發(fā)明第三實(shí)施例的異形人工電磁材料的結(jié)構(gòu)示意圖6是圖5所示異形人工電磁材料中的一個(gè)材料單元的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明涉及一種表面形狀不規(guī)則的人工電磁材料，也即異形人工電磁材料。由于在設(shè)計(jì)人工電磁材料的時(shí)候，需要預(yù)先設(shè)定材料單元的形狀，然后將整個(gè)基板虛擬地劃分為一個(gè)個(gè)與之形狀相同的基材單元，設(shè)計(jì)每個(gè)基材單元上所附著的人造微結(jié)構(gòu)的形狀、尺寸，從而模擬仿真出這個(gè)·人造微結(jié)構(gòu)及其附著的基材單元共同構(gòu)成的一個(gè)材料單元的電磁響應(yīng)特性，最后將所有的材料單元的特性擬合到具有所需要的特征為止，從而使整個(gè)材料最終達(dá)到特定的功能。
現(xiàn)有的劃分方案通常都是采用立方體形基材單元，如圖1所示，基材單元10沿立方體的三個(gè)相互垂直的邊所對應(yīng)的三個(gè)正交方向陣列。這樣得到的基材I為立方體或矩形片狀結(jié)構(gòu)或塊狀結(jié)構(gòu)，其表面平整。當(dāng)基材表面粗糙，成鋸齒狀或凸凹不平時(shí)，這部分粗糙面則不能用與上述統(tǒng)一的基材單元來劃分，需要設(shè)計(jì)另一劃分方案，并單獨(dú)仿真其電磁響應(yīng)特性，再考慮其電磁參數(shù)對整體的材料特性和功能有何種影響。
顯然，這樣會延長設(shè)計(jì)周期，增加設(shè)計(jì)難度。本發(fā)明解決這個(gè)問題的發(fā)明點(diǎn)在于， 采用多邊形棱柱來替代傳統(tǒng)的立方體作為基材單元的形狀。當(dāng)然，多邊形棱柱是包括立方體的，但是本文里適用于本發(fā)明的立方體僅指其陣列方向不平行于位于該陣列平面上的兩條相互垂直的邊時(shí)的立方體，如圖2所示，人工電磁材料有兩片基材1，且沿z方向堆疊到一起，每片基材I劃分為完全相同的立方體基材單元10，這些基材單元10以y方向?yàn)樾小 方向?yàn)榱嘘嚵?，且每兩行基材單?0之間的間隙處也形成為一行同樣大小、與之交錯(cuò)的立方體基材單元。在XY陣列平面上的一個(gè)基材單元陣列的每個(gè)基材單元10的邊均與X方向或Y方向成45度或135度，而不是平行或垂直于X、Y方向，而基材表面的方向則是沿Χ、Υ、Z方向延伸的。
采用這樣的基材單元10，可以用邊緣的一圈基材單元10的表面尖角所連成的鋸齒形表面來擬合所需要的異形人工電磁材料的粗糙表面，使得基材可以全部用同樣的基材單元來劃分，在設(shè)計(jì)人工電磁材料時(shí)無需另外設(shè)計(jì)和計(jì)算異形人工電磁材料的粗糙表面上的電磁響應(yīng)特性，從而縮短設(shè)計(jì)周期。
由于本實(shí)施例的基材單元10為立方體形，可將人造微結(jié)構(gòu)2設(shè)計(jì)為旋轉(zhuǎn)90度對稱結(jié)構(gòu)，即以一垂直于該結(jié)構(gòu)的軸為旋轉(zhuǎn)軸，任意旋轉(zhuǎn)90度后其結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)重合，則該結(jié)構(gòu)為旋轉(zhuǎn)90度對稱結(jié)構(gòu)。采用這樣的結(jié)構(gòu)，可以使整個(gè)人工電磁材料，任意旋轉(zhuǎn)90度都與原始方位的材料具有相同的電磁特性。
對于不同的粗糙表面形狀，可以設(shè)計(jì)不同的多邊形棱柱來擬合，以便盡可能精確地達(dá)到粗糙表面的凸凹效果。
例如，對于圖3所示的基材形狀，可以用圖4所示的基材單元形狀即正六棱柱來劃分，使得基材可以完全用六棱柱劃分而無冗余，且每個(gè)基材單元10上都設(shè)置有人造微結(jié)構(gòu) 2。
同樣，對于正六邊形棱柱，為了實(shí)現(xiàn)六個(gè)方向上的電磁響應(yīng)都相同，使基材可以任意方向放置而實(shí)現(xiàn)相同的電磁響應(yīng)功能，其基材單元10上的人造微結(jié)構(gòu)2優(yōu)選為旋轉(zhuǎn)60 度對稱結(jié)構(gòu)，即該結(jié)構(gòu)以垂直于該人造微結(jié)構(gòu)的一直線為旋轉(zhuǎn)軸任意旋轉(zhuǎn)60度后與原結(jié)構(gòu)重合。
這樣的人造微結(jié)構(gòu)2有多種是實(shí)現(xiàn)形式，例如圖4所示的六條相同的螺旋線構(gòu)成的結(jié)構(gòu)，也可以是圖5、圖6所示的雪花形對稱結(jié)構(gòu)。
當(dāng)然，多邊形棱柱除了立方體、正六邊形棱柱還有很多種形狀，例如還可以是正三棱柱，對應(yīng)的人造微結(jié)構(gòu)可以設(shè)計(jì)成旋轉(zhuǎn)120度對稱結(jié)構(gòu)；基材單元除了正多邊形棱柱，還可以是不規(guī)則多邊形棱柱，只要是能確保相同的多邊形棱柱能將基材劃分完全而無空余部分不能得到劃分，這樣的多邊形棱柱均可適用于本發(fā)明中。
需要說明的是，基材單元的尺寸是有限度的，傳統(tǒng)的立方體形基材單元，其邊長要小于將要響應(yīng)的入射電磁波的波長，通常在其波長的十分之一以內(nèi)。同樣，本發(fā)明中采用多邊形棱柱來替代傳統(tǒng)形式的立方體，但其尺寸仍需要在有效范圍內(nèi)，即其當(dāng)量直徑必須小于將要響應(yīng)的入射電磁波的波長，優(yōu)選為小于此波長的十分之一。這里的當(dāng)量直徑，是指多邊形棱柱的多邊形的面積除以自身周長得到的值。
本發(fā)明的基材通常選用聚四氟乙烯、環(huán)氧樹脂、陶瓷等材料，人造微結(jié)構(gòu)為由銅線或銀線構(gòu)成的幾何圖案，這些銅線或銀線通常是通過鍍層后蝕刻的方法、當(dāng)然也可以用其他工藝而附著到基材表面上的。
上面結(jié)合附圖對本發(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
1.一種異形人工電磁材料，包括基材和附著在基材上的多個(gè)人造微結(jié)構(gòu)，所述人造微結(jié)構(gòu)分布使得基材虛擬地劃分為多個(gè)相同的基材單元后每個(gè)基材單元上附著有至少一個(gè)人造微結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述基材單元為多邊形棱柱。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的異形人工電磁材料，其特征在于，所述基材單元為正多邊形棱柱。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的異形人工電磁材料，其特征在于，所述基材單元為正立方體，且所述基材表面方向不平行于所述正立方體的任一條邊。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的異形人工電磁材料，其特征在于，所述基材單元為正六邊形棱柱。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的異形人工電磁材料，其特征在于，所述基材單元為正三棱柱。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的異形人工電磁材料，其特征在于，所述人造微結(jié)構(gòu)為旋轉(zhuǎn)90度對稱結(jié)構(gòu)。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的異形人工電磁材料，其特征在于，所述人造微結(jié)構(gòu)為旋轉(zhuǎn)60度對稱結(jié)構(gòu)。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的異形人工電磁材料，其特征在于，所述人造微結(jié)構(gòu)為旋轉(zhuǎn)120度對稱結(jié)構(gòu)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的異形人工電磁材料，其特征在于，所述人造微結(jié)構(gòu)為由銅線或銀線構(gòu)成的幾何圖案。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的異形人工電磁材料，其特征在于，所述多邊形棱柱的當(dāng)量直徑小于所述異形人工電磁材料將要響應(yīng)的入射電磁波的波長的十分之一。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種異形人工電磁材料，包括基材和附著在基材上的多個(gè)人造微結(jié)構(gòu)，所述人造微結(jié)構(gòu)分布使得基材虛擬地劃分為多個(gè)相同的基材單元后每個(gè)基材單元上附著有至少一個(gè)人造微結(jié)構(gòu)，所述基材單元為多邊形棱柱。用多邊形棱柱作為基材單元的形狀來劃分每個(gè)基材，使得基材被充分劃分以便于設(shè)計(jì)和仿真的同時(shí)，最外層的一圈多邊形棱柱外輪廓所連成的凸凹不平的曲面能夠擬合非方塊形的、表面粗糙或成鋸齒形的異形人工電磁材料，又利于簡化設(shè)計(jì)和仿真過程，縮短研發(fā)周期。
文檔編號H01Q15/00GK103036033SQ20111016387
公開日2013年4月10日 申請日期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 申請人: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