專利名稱：一種新型超材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種材料，更具體地說(shuō)，涉及一種新型超材料。
背景技術(shù)：
超材料又稱人工電磁材料，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(nèi)部的多個(gè)人造微結(jié)構(gòu)構(gòu)成的?；蹇梢蕴摂M地劃分為矩形陣列排布的多個(gè)基板單元，每個(gè)基板單元上附著有人造微結(jié)構(gòu)，從而形成一個(gè)超材料單元，整個(gè)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(wú)數(shù)的晶格按照一定的排布構(gòu)成的。每個(gè) 超材料單元上的人造微結(jié)構(gòu)可以相同或者不完全相同。人造微結(jié)構(gòu)是由金屬絲組成的具有一定幾何圖形的平面或立體結(jié)構(gòu)，例如組成圓環(huán)形、工字形的金屬絲等。由于人造微結(jié)構(gòu)的存在，每個(gè)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(gòu)成的超材料對(duì)電場(chǎng)和磁場(chǎng)呈現(xiàn)出特殊的響應(yīng)特性；通過(guò)對(duì)人造微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不同的具體結(jié)構(gòu)和形狀，可以改變整個(gè)超材料的響應(yīng)特性。普通材料的介電常數(shù)隨著頻率的變化而變化，如圖1所示，在低損耗的情況下介電常數(shù)通常大于10，且只有一個(gè)諧振峰。在某些應(yīng)用場(chǎng)合，特別是大規(guī)模集成電路中，需要用到具有低介電常數(shù)的材料，這就需要介電常數(shù)可以從零開(kāi)始變化，普通材料一般都不滿足。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)不能使介電常數(shù)從零開(kāi)始變化的上述缺陷，提供一種新型超材料，該材料在一定的頻段內(nèi)具有寬頻高介電常數(shù)且在另一頻段內(nèi)具有由零開(kāi)始逐漸增大的介電常數(shù)分布。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)造一種新型超材料，該材料包括至少一個(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)，基板虛擬地劃分為多個(gè)陣列排布的基板單元，每個(gè)基板單元上附著一對(duì)人造微結(jié)構(gòu)，每對(duì)人造微結(jié)構(gòu)包括附著在所述基板單元上的形狀不同的第一人造微結(jié)構(gòu)和第二人造微結(jié)構(gòu)；所述第一人造微結(jié)構(gòu)與第二人造微結(jié)構(gòu)為雪花型結(jié)構(gòu)或者雪花型的衍生結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式中，所述雪花型結(jié)構(gòu)包括相互正交的兩個(gè)工字型結(jié)構(gòu)，所述工字型結(jié)構(gòu)包括相互平行的第一金屬線和第二金屬線，以及連接第一金屬線和第二金屬線的第三金屬線，二者的第三金屬線相交且相互垂直。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式中，所述兩個(gè)工字型結(jié)構(gòu)完全相同，且二者的第三金屬線互相垂直平分。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式中，所述雪花型的衍生結(jié)構(gòu)包括雪花型結(jié)構(gòu)及其工字型結(jié)構(gòu)第三金屬線或者第三金屬線的延長(zhǎng)線上所連接的與第一、第二金屬線平行的平行金屬線。
在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式中，所述第一人造微結(jié)構(gòu)為所述雪花型的衍生結(jié)構(gòu)，且所述平行金屬線成對(duì)出現(xiàn)，并關(guān)于所述工字型結(jié)構(gòu)第三金屬線的中點(diǎn)對(duì)稱。 在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式中，所述雪花型的衍生結(jié)構(gòu)包括雪花型結(jié)構(gòu)及其工字型結(jié)構(gòu)的第一金屬線和第二金屬線兩端所連接的端部金屬線。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式中，所述端部金屬線為直線且向所述第三金屬線延伸。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式中，所述端部金屬線為弧線或者彎折線。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式中，所述第二人造微結(jié)構(gòu)為所述雪花型的衍生結(jié)構(gòu)，所述端部金屬線向所述第三金屬線中點(diǎn)延伸。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式中，相鄰兩第一金屬線的端部金屬線平行。實(shí)施本發(fā)明所述的新型超材料，具有以下有益效果該材料的介電常數(shù)在一定頻段內(nèi)由零逐漸增大，當(dāng)我們需要在不同頻段內(nèi)用到介電常數(shù)由零逐漸增大的特性時(shí)時(shí)，只需要改變?nèi)嗽煳⒔Y(jié)構(gòu)的尺寸即可實(shí)現(xiàn)；這種在一定的頻段內(nèi)介電常數(shù)由零逐漸增大的材料，可以滿足特定場(chǎng)合的應(yīng)用需求。


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1是普通材料介電常數(shù)特性曲線；

圖2是實(shí)施例中的新型超材料的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是圖2所示材料中一個(gè)材料單元的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是實(shí)施例中第二人造微結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是實(shí)施例一中第一人造微結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是實(shí)施例一的磁導(dǎo)率特性曲線圖；圖7是實(shí)施例一中第一人造微結(jié)構(gòu)尺寸變大得到實(shí)施例二的結(jié)構(gòu)示意圖；圖8是實(shí)施例二的磁導(dǎo)率特性曲線圖；圖9與圖10是實(shí)施例中第二人造微結(jié)構(gòu)的可能結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施例方式本實(shí)施例提供一種新型超材料，包括至少一個(gè)材料片層，當(dāng)具有多個(gè)材料片層時(shí)，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?jī)蓧K材料片層I之間通過(guò)一定的封裝工藝?yán)绾附?、鉚接、粘接等方式制成為一個(gè)整體或者通過(guò)填充可連接二者的物質(zhì)例如液態(tài)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(gòu)成一個(gè)整體。每個(gè)材料片層I包括基板和附著在基板上的人造微結(jié)構(gòu)，其中，基板的材料為陶瓷材料、聚四氟乙烯、鐵電材料、鐵氧材料、鐵磁材料或者FR-4。將基板虛擬地劃分成多個(gè)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?yàn)樾?、以與之垂直的y軸方向?yàn)榱幸来侮嚵信挪?。每個(gè)基板單元上下位置附著第一人造微結(jié)構(gòu)3和第二人造微結(jié)構(gòu)4，基板單元和基板單元上的人造微結(jié)構(gòu)共同構(gòu)成一個(gè)材料單元2 ;如圖2所示，本實(shí)施例的材料可看作是由多個(gè)材料單元2沿X、y、z三個(gè)方向陣列排布而成,其中，人造微結(jié)構(gòu)可以通過(guò)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(jié)構(gòu)3和第二人造微結(jié)構(gòu)4的材質(zhì)為金屬線，這里使用銅線，當(dāng)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。如圖3所示，在本實(shí)施例中第一人造微結(jié)構(gòu)3為雪花型結(jié)構(gòu)的衍生結(jié)構(gòu)，雪花型結(jié)構(gòu)包括相互正交的兩個(gè)工字型結(jié)構(gòu)，工字型結(jié)構(gòu)包括相互平行的第一金屬線和第二金屬線，以及連接第一金屬線和第二金屬線的第三金屬線，二者的第三金屬線相交且相互垂直，雪花型衍生結(jié)構(gòu)包括雪花型結(jié)構(gòu)及其工字型結(jié)構(gòu)第三金屬線或者第三金屬線的延長(zhǎng)線上所連接的第一、第二金屬線的平行金屬線，所連接的平行金屬線成對(duì)出現(xiàn)，并關(guān)于所述工字型結(jié)構(gòu)第三金屬線的中點(diǎn)對(duì)稱，在實(shí)際運(yùn)用中的，所連接的平行金屬線根據(jù)具體需求增大或減??；第二人造微結(jié)構(gòu)4如圖4所示，第二人造微結(jié)構(gòu)4同樣為雪花型結(jié)構(gòu)的衍生結(jié)構(gòu)，包括雪花型結(jié)構(gòu)及其與工字型結(jié)構(gòu)的第一金屬線和第二金屬線兩端所連接的端部金屬線，端部金屬線為直線且向第三金屬線延伸，所有在雪花型結(jié)構(gòu)上添加金屬線的結(jié)構(gòu)都為雪花型衍生結(jié)構(gòu)。該第二人造微結(jié)構(gòu)還可以由多種變形，如圖9和圖10所示，其中端部金屬線可以為弧形或者彎折線；需要說(shuō)明的是為了簡(jiǎn)化起見(jiàn)，圖9和圖10中的結(jié)構(gòu)都用細(xì)線來(lái)畫(huà)出，實(shí)際上，上述結(jié)構(gòu)都具有一定的寬度，如圖3所不。優(yōu)選的，本發(fā)明采用以下實(shí)施例實(shí)施例一當(dāng)人造微結(jié)構(gòu)3如圖5所示，al = 2. 8毫米、a2 = 2. 4毫米、a3 = 2毫米、a4 = 3毫米、a5 = O.1毫米,人造微結(jié)構(gòu)4如圖4所示，cl = c2 = 2.89毫米、c3 = O. 184毫米、c4 = O. 75毫米,如圖3所示的基板單元，dl = 4毫米、d2 = 8毫米,利用上述參數(shù)得到的仿真圖如圖6所示，由圖6中的實(shí)線可知，該材料的介電常數(shù)特性具有多諧振的特點(diǎn)，在頻段為(OGHz 8GHz)內(nèi)介電常數(shù)保持不變且為20，由此可見(jiàn)，此種材料具有寬頻高介電常數(shù)的特點(diǎn)，由圖6還可以看出，介電常數(shù)在一定的頻段內(nèi)(11. 7GHz 13. 3GHz)由零逐漸增力口，而且由虛線可知在介電常數(shù)較小的上述頻段內(nèi)對(duì)應(yīng)介電常數(shù)的虛部接近零，因此損耗也較低，此種材料適合應(yīng)用在要求介電常數(shù)由零逐漸增大或者要求該材料具有寬頻特性的場(chǎng)合。實(shí)施例二與實(shí)施例一不同在于第一人造微結(jié)構(gòu)3的尺寸，增大尺寸后的人造微結(jié)構(gòu)3如圖7所不，al = 3. 6毫米、a2 = 3. 2毫米、a3 = 2. 8毫米、a4 = 3. 8毫米、a5 = O.1毫米,人造微結(jié)構(gòu)4如圖4所示，cl = c2 = 2. 89毫米、c3 = O. 184毫米、c4 = O. 75毫米,如圖3所示的基板單元，dl = 4毫米、d2 = 8毫米,利用上述參數(shù)得到的仿真圖如圖8所示，由圖8中的實(shí)線可知，該材料的介電常數(shù)特性具有多諧振的特點(diǎn)，介電常數(shù)在頻段(IGHz 7GHz)內(nèi)介電常數(shù)不變且為20,由此可見(jiàn)該材料具有寬頻高介電常數(shù)的特點(diǎn),介電常數(shù)在一定的頻段內(nèi)(11.7GHz 15GHz)由零逐漸增加，而且由虛線可知在介電常數(shù)較小的上述頻段內(nèi)對(duì)應(yīng)介電常數(shù)的虛部接近零，因此損耗也較低，此種材料適合應(yīng)用在要求介電常數(shù)由零逐漸增大或者要求該材料具有寬頻特性的場(chǎng)合。對(duì)比實(shí)施例一與實(shí)施例二，不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)人造微結(jié)構(gòu)3的尺寸變大的時(shí)候諧振峰前移了，相反減小人造微結(jié)構(gòu)3的尺寸可以使諧振峰后移，所以，當(dāng)我們需要在某一頻點(diǎn)處實(shí)現(xiàn)介電常數(shù)由零開(kāi)始連續(xù)增大時(shí)，只需要調(diào)節(jié)人造微結(jié)構(gòu)的尺寸就能夠?qū)崿F(xiàn)在某一頻點(diǎn)處介電常數(shù)由零開(kāi)始變化。除了上述實(shí)施例中描述的第二人造微結(jié)構(gòu)，第二人造微結(jié)構(gòu)還可以為圖9與圖10所示的結(jié)構(gòu)。改變加入與工字型連接線段的數(shù)量與長(zhǎng)度可以對(duì)第一人造微結(jié)構(gòu)3進(jìn)行調(diào)節(jié)。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，還可以對(duì)第一人造微結(jié)構(gòu)和第二人造微結(jié)構(gòu)的形狀做出一些變形，這些均屬于本發(fā)明的保護(hù)之內(nèi)。
權(quán)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(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)，基板虛擬地劃分為多個(gè)陣列排布的基板單元，每個(gè)基板單元上附著一對(duì)人造微結(jié)構(gòu)，每對(duì)人造微結(jié)構(gòu)包括附著在所述基板單元上的第一人造微結(jié)構(gòu)和第二人造微結(jié)構(gòu)；所述第一人造微結(jié)構(gòu)與第二人造微結(jié)構(gòu)為雪花型結(jié)構(gòu)或者雪花型的衍生結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型超材料，其特征在于，所述雪花型結(jié)構(gòu)包括相互正交的兩個(gè)工字型結(jié)構(gòu)，所述工字型結(jié)構(gòu)包括相互平行的第一金屬線和第二金屬線，以及連接第一金屬線和第二金屬線的第三金屬線，且所述兩個(gè)工字型的第三金屬線相交且相互垂直。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的新型超材料，其特征在于，所述兩個(gè)工字型結(jié)構(gòu)完全相同，且二者的第三金屬線互相垂直平分。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的新型超材料，其特征在于，所述雪花型的衍生結(jié)構(gòu)包括雪花型結(jié)構(gòu)及其工字型結(jié)構(gòu)第三金屬線或者第三金屬線的延長(zhǎng)線上所連接的與第一、第二金屬線平行的平行金屬線。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的新型超材料，其特征在于，所述第一人造微結(jié)構(gòu)為所述雪花型的衍生結(jié)構(gòu)，且所述平行金屬線成對(duì)出現(xiàn)，并關(guān)于所述工字型結(jié)構(gòu)第三金屬線的中點(diǎn)對(duì)稱。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的新型超材料，其特征在于，所述雪花型的衍生結(jié)構(gòu)包括雪花型結(jié)構(gòu)及其與工字型結(jié)構(gòu)的第一金屬線和第二金屬線兩端所連接的端部金屬線。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的新型超材料，其特征在于，所述端部金屬線為直線且向所述第三金屬線延伸。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的新型超材料，其特征在于，所述端部金屬線為弧線或者彎折線。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的新型超材料，其特征在于，所述第二人造微結(jié)構(gòu)為所述雪花型的衍生結(jié)構(gòu)，所述端部金屬線向所述第三金屬線中點(diǎn)延伸。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的新型超材料，其特征在于，相鄰兩第一金屬線的端部金屬線平行。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種新型超材料，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)，基板虛擬地劃分為多個(gè)陣列排布的基板單元，每個(gè)基板單元上附著一對(duì)人造微結(jié)構(gòu)，每對(duì)人造微結(jié)構(gòu)包括附著在所述基板單元上的第一人造微結(jié)構(gòu)和第二人造微結(jié)構(gòu)，第一人造微結(jié)構(gòu)和第二人造微結(jié)構(gòu)為雪花型結(jié)構(gòu)或者雪花型結(jié)構(gòu)的衍生結(jié)構(gòu)，所述雪花型結(jié)構(gòu)包括相互正交的兩個(gè)工字型結(jié)構(gòu)，所述工字型結(jié)構(gòu)包括相互平行的第一金屬線和第二金屬線，以及連接第一金屬線和第二金屬線的第三金屬線，二者的第三金屬線相交且相互垂直。該材料在一定的頻段內(nèi)具有寬頻高介電常數(shù)且在另一頻段內(nèi)具有由零開(kāi)始逐漸增大的介電常數(shù)分布，可以滿足特定場(chǎng)合的需要。
文檔編號(hào)H01Q15/00GK103036042SQ20111023996
公開(kāi)日2013年4月10日 申請(qǐng)日期2011年8月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月19日
發(fā)明者劉若鵬, 欒琳, 寇超鋒, 蔣楠楠 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