本實用新型涉及控制領(lǐng)域，具體而言，涉及一種超材料。

背景技術(shù)：

現(xiàn)有社會中的，超材料具有傳統(tǒng)自然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的人工復(fù)合結(jié)構(gòu)，但是，對于超材料來說，其奇異的電磁特性都有一個頻帶范圍，超出這個范圍，這個奇異的電磁特性會減弱甚至消失。因此，相關(guān)技術(shù)人員就開始研究可控的超材料，在現(xiàn)有的研究成果中，可控超材料主要包括三大類：(1)機械式可控超材料；(2)加載微波開關(guān)；(3)加載可控材料(例如，鐵氧體、液晶材料、石墨烯等)。其中，機械式可控的超材料由于要對移動量進行精確的控制，因此，使得體積相對較大，不易操作；加載微波開關(guān)的可控超材料其狀態(tài)與開關(guān)的個數(shù)有關(guān)，要實現(xiàn)足夠多的狀態(tài)數(shù)就需要添加足夠多的開關(guān)個數(shù)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度增加；而加載可控材料的超材料其調(diào)控的頻率范圍不大，而且需要外加偏置場導(dǎo)致結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

針對上述的問題，目前尚未提出有效的解決方案。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型實施例提供了一種超材料，以至少解決現(xiàn)有技術(shù)中無法快速準確地調(diào)節(jié)超材料的工作頻率的技術(shù)問題。

根據(jù)本實用新型實施例的一個方面，提供了一種超材料，包括：基底材料；電可控微結(jié)構(gòu)單元陣列，所述電可控微結(jié)構(gòu)單元陣列設(shè)置在所述基底材料上，所述電可控微結(jié)構(gòu)單元陣列包括多個電可控微結(jié)構(gòu)單元，其中，每個電可控微結(jié)構(gòu)單元包括：外金屬結(jié)構(gòu)和內(nèi)金屬結(jié)構(gòu)，所述內(nèi)金屬結(jié)構(gòu)和所述外金屬結(jié)構(gòu)組成環(huán)形的通道；變?nèi)荻O管，所述變?nèi)荻O管設(shè)置在所述每個電可控微結(jié)構(gòu)單元的所述通道內(nèi)，用于根據(jù)加載在所述變?nèi)荻O管兩端的電壓調(diào)節(jié)所述每個所述電可控微結(jié)構(gòu)單元的工作頻率。

進一步地，所述外金屬結(jié)構(gòu)為方框結(jié)構(gòu)，所述內(nèi)金屬結(jié)構(gòu)為矩形金屬貼片，所述內(nèi)金屬結(jié)構(gòu)嵌套于所述外金屬結(jié)構(gòu)內(nèi)。

進一步地，所述工作頻率的調(diào)節(jié)范圍包括：0.3GHz至300GHz。

進一步地，所述外金屬結(jié)構(gòu)和所述內(nèi)金屬結(jié)構(gòu)的材料為以下至少一種：銅、銀和金。

進一步地，加載在所述變?nèi)荻O管兩端的電壓的取值范圍為：0V至20V。

進一步地，所述變?nèi)荻O管在所述環(huán)形的通道中的正-負極方向與所述超材料中的電磁場方向相同。

進一步地，述基底材料為非磁性介質(zhì)材料，并且所述基底材料的介電常數(shù)的取值范圍為：2至10，所述基底材料的磁導(dǎo)率為1。

進一步地，所述電可控微結(jié)構(gòu)單元陣列中任意兩個所述電可控微結(jié)構(gòu)單元的大小相同。

進一步地，所述超材料還包括：同軸通孔，設(shè)置在所述內(nèi)金屬結(jié)構(gòu)上，所述內(nèi)金屬結(jié)構(gòu)通過所述同軸通孔與饋電網(wǎng)絡(luò)連接，用于向所述變?nèi)荻O管施加電壓。

進一步地，垂直于所述金屬結(jié)構(gòu)的表面入射的電磁波為平面波，所述電磁波的幅值和相位在垂直于入射方向上相等。

進一步地，在預(yù)設(shè)頻段內(nèi)，所述電可控微結(jié)構(gòu)單元陣列中任意相鄰的兩個電可控微結(jié)構(gòu)單元之間的距離為預(yù)設(shè)距離，其中，所述預(yù)設(shè)距離的取值范圍為：1/2λ至λ，所述λ為所述超材料中電磁波的波長。

在本實用新型實施例中，采用基底材料；電可控微結(jié)構(gòu)單元陣列，所述電可控微結(jié)構(gòu)單元陣列設(shè)置在所述基底材料上，所述電可控微結(jié)構(gòu)單元陣列包括多個電可控微結(jié)構(gòu)單元，其中，每個電可控微結(jié)構(gòu)單元包括：外金屬結(jié)構(gòu)和內(nèi)金屬結(jié)構(gòu)，所述內(nèi)金屬結(jié)構(gòu)和所述外金屬結(jié)構(gòu)組成環(huán)形的通道；變?nèi)荻O管，所述變?nèi)荻O管設(shè)置在所述每個電可控微結(jié)構(gòu)單元的所述通道內(nèi)，用于根據(jù)加載在所述變?nèi)荻O管兩端的電壓調(diào)節(jié)所述每個所述電可控微結(jié)構(gòu)單元的工作頻率的方式，通過在電可控微結(jié)構(gòu)單元陣列中每個電可控微結(jié)構(gòu)單元中設(shè)置一個電容可變的變?nèi)荻O管，以達到調(diào)節(jié)每個電可控微結(jié)構(gòu)單元的工作頻率的目的，從而實現(xiàn)了能夠通過變?nèi)荻O管就可以調(diào)節(jié)超材料的工作頻率的技術(shù)效果，進而解決了現(xiàn)有技術(shù)中無法快速準確地調(diào)節(jié)超材料的工作頻率的技術(shù)問題。

附圖說明

此處所說明的附圖用來提供對本實用新型的進一步理解，構(gòu)成本申請的一部分，本實用新型的示意性實施例及其說明用于解釋本實用新型，并不構(gòu)成對本實用新型的不當限定。在附圖中：

圖1是根據(jù)本實用新型實施例的一種超材料的示意圖；

圖2是根據(jù)本實用新型實施例的一種電可控微結(jié)構(gòu)單元陣列的結(jié)構(gòu)示意圖；以及

圖3是根據(jù)本實用新型實施例的一種電容和頻率變化關(guān)系的示意圖。

具體實施方式

為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好地理解本實用新型方案，下面將結(jié)合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本實用新型一部分的實施例，而不是全部的實施例。基于本實用新型中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都應(yīng)當屬于本實用新型保護的范圍。

需要說明的是，本實用新型的說明書和權(quán)利要求書及上述附圖中的術(shù)語“第一”、“第二”等是用于區(qū)別類似的對象，而不必用于描述特定的順序或先后次序。應(yīng)該理解這樣使用的數(shù)據(jù)在適當情況下可以互換，以便這里描述的本實用新型的實施例能夠以除了在這里圖示或描述的那些以外的順序?qū)嵤４送?，術(shù)語“包括”和“具有”以及他們的任何變形，意圖在于覆蓋不排他的包含，例如，包含了一系列步驟或單元的過程、方法、系統(tǒng)、產(chǎn)品或設(shè)備不必限于清楚地列出的那些步驟或單元，而是可包括沒有清楚地列出的或?qū)τ谶@些過程、方法、產(chǎn)品或設(shè)備固有的其它步驟或單元。

根據(jù)本實用新型實施例，提供了一種超材料的實施例。下面結(jié)合圖1和圖2對本實用新型實施例進行說明。圖1是根據(jù)本實用新型實施例的一種超材料的示意圖，圖2是根據(jù)本實用新型實施例的一種電可控微結(jié)構(gòu)單元陣列的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1和圖2所示，該超材料包括：基底材料11、由至少一個電可控微結(jié)構(gòu)單元13組成的電可控微結(jié)構(gòu)單元陣列和變?nèi)荻O管15，其中：

電可控微結(jié)構(gòu)單元陣列設(shè)置在基底材料上，電可控微結(jié)構(gòu)單元陣列包括多個電可控微結(jié)構(gòu)單元，其中，每個電可控微結(jié)構(gòu)單元包括：外金屬結(jié)構(gòu)和內(nèi)金屬結(jié)構(gòu)，內(nèi)金屬結(jié)構(gòu)和外金屬結(jié)構(gòu)組成環(huán)形的通道；

變?nèi)荻O管15設(shè)置在每個電可控微結(jié)構(gòu)單元的通道內(nèi)，用于根據(jù)加載在變?nèi)荻O管兩端的電壓調(diào)節(jié)每個電可控微結(jié)構(gòu)單元的工作頻率。

在本實用新型實施例中，通過在電可控微結(jié)構(gòu)單元陣列中每個電可控微結(jié)構(gòu)單元中設(shè)置一個電容可變的變?nèi)荻O管，以達到調(diào)節(jié)每個電可控微結(jié)構(gòu)單元的工作頻率的目的，從而實現(xiàn)了能夠通過變?nèi)荻O管就可以調(diào)節(jié)超材料的工作頻率的技術(shù)效果，進而解決了現(xiàn)有技術(shù)中無法快速準確地調(diào)節(jié)超材料的工作頻率的技術(shù)問題。

如圖2所示的為10×10的電可控微結(jié)構(gòu)單元陣列，在該陣列中，包括10×10個電可控微結(jié)構(gòu)單元13。如圖2所示，在本實用新型實施例中，電可控微結(jié)構(gòu)單元陣列中的任意兩個電可控微結(jié)構(gòu)單元的大小均相同，各個單元緊密的陣列排布。也即在電可控為結(jié)構(gòu)單元陣列中包括多個相同的電可控微結(jié)構(gòu)單元，其中，電可控微結(jié)構(gòu)單元陣列中任一個電可控微結(jié)構(gòu)單元13的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。在圖1中，電可控微結(jié)構(gòu)單元13包括外金屬結(jié)構(gòu)132和內(nèi)金屬結(jié)構(gòu)131，內(nèi)金屬結(jié)構(gòu)131和外金屬結(jié)構(gòu)132組成間距為d的環(huán)形的通道17。在如圖2所示的電可控微結(jié)構(gòu)單元13中，外金屬結(jié)構(gòu)132可以為方框結(jié)構(gòu)，內(nèi)金屬結(jié)構(gòu)131可以為矩形金屬貼片，如圖1所示，內(nèi)金屬結(jié)構(gòu)嵌套于外金屬結(jié)構(gòu)內(nèi)，并形成上述通道17。

上述外金屬結(jié)構(gòu)和內(nèi)金屬結(jié)構(gòu)的材料可以為以下至少一種：銅、銀和金。由于考慮到電可控超材料的成本，作為優(yōu)選，外金屬結(jié)構(gòu)和內(nèi)金屬結(jié)構(gòu)的材料可以選取為銅。需要說明的是，如果上述外金屬結(jié)構(gòu)和內(nèi)金屬結(jié)構(gòu)的材料選取為銅，則可以在銅表面鍍金，以防止銅材料的電可控超材料由于長時間使用造成的氧化。

在本實用新型實施例中，還可以在每個電可控微結(jié)構(gòu)單元的通道17中安裝一個變?nèi)荻O管15，其中，該變?nèi)荻O管為電容可變的二極管，當在變?nèi)荻O管兩端加載可變反偏置直流電壓時，即可以改變該變?nèi)荻O管的電容。根據(jù)公式用可知，當變?nèi)荻O管的電容發(fā)生改變時，該電可控微結(jié)構(gòu)單元13的ω發(fā)生了改變，其中，ω即為電可控微結(jié)構(gòu)單元13對應(yīng)的瞬時工作頻率。

在本實用新型的一個可選實施方式中，每個電可控微結(jié)構(gòu)單元工作頻率的調(diào)節(jié)范圍包括：0.3GHz至300GHz，即可以在上述調(diào)節(jié)范圍內(nèi)調(diào)節(jié)每個電可控微結(jié)構(gòu)單元工作頻率。

進一步地，加載在變?nèi)荻O管兩端的電壓的取值范圍為：0V至20V，通過在該變?nèi)荻O管的兩端加載上述范圍內(nèi)的電壓值即可實現(xiàn)在0.3GHz至300GHz的頻率范圍內(nèi)調(diào)節(jié)電可控微結(jié)構(gòu)單元陣列的工作頻率。

在本實用新型實施例中，變?nèi)荻O管可以安裝在如圖1和圖2中所示的位置(即環(huán)形通道的下側(cè)通道)，還可以設(shè)置在環(huán)形的通道中的左側(cè)通道、右側(cè)通道，還可以為上側(cè)的通道內(nèi)。需要說明的是，無論變?nèi)荻O管設(shè)置在通道的哪個位置，都要保證變?nèi)荻O管的正-負極方向與超材料中的電磁場方向相同，其中，上述正-負極方向可以為變?nèi)荻O管的正極指向負極的方向，還可以為變?nèi)荻O管的負極指向正極的方向。例如，當超材料中的電磁場方向為由上到下的垂直方向時，此時可以將變?nèi)荻O管設(shè)置在如圖1和圖2中所示的位置。

在本實用新型實施例中，上述電可控超材料還包括基底材料11，其中，基底材料用于安裝上述電可控微結(jié)構(gòu)單元陣列。上述基底材料可以選取為非磁性介質(zhì)材料，并且基底材料的介電常數(shù)的取值范圍為：2至10，基底材料的磁導(dǎo)率為1。如圖1所示，由于通道17為中空的通道，該通道為內(nèi)金屬結(jié)構(gòu)和外金屬結(jié)構(gòu)之間的縫隙，因此，在該通道裸露出來的材料即為基底材料11。

在本實用新型實施例中，上述超材料還包括：同軸通孔19，如圖1和圖2所示，該同軸通孔19設(shè)置在內(nèi)金屬結(jié)構(gòu)上，內(nèi)金屬結(jié)構(gòu)通過同軸通孔與饋電網(wǎng)絡(luò)連接，用于向變?nèi)荻O管施加反向偏置電壓。

可選地，當有電磁垂直于外金屬結(jié)構(gòu)和內(nèi)金屬結(jié)構(gòu)的表面入射時，該電磁波可以為平面波，并且該電磁波的幅值和相位在垂直于入射方向上相等。

在本實用新型實施例中，當超材料的工作頻率在預(yù)設(shè)頻段內(nèi)時，電可控微結(jié)構(gòu)單元陣列中任意相鄰的兩個電可控微結(jié)構(gòu)單元之間的距離為預(yù)設(shè)距離，其中，預(yù)設(shè)距離的取值范圍為：1/2λ至λ，λ為超材料中電磁波的波長。需要說明的是，處于不同頻段的超材料中的任意兩個相鄰的電可控微結(jié)構(gòu)單元之間的距離不相同。

下面以具體實施例對本實用新型進行說明。例如，研發(fā)人員設(shè)計一個超材料，其中，要求該超材料的工作頻段為：17.5GHz-13.4GHz，選取的中心工作頻率f為15GHz。此時，根據(jù)選取的工作頻段可以選取該超材料中的電磁波的波長λ為20mm；并且上述內(nèi)金屬結(jié)構(gòu)和外金屬結(jié)構(gòu)的材料可以選取為銅，基底材料可以為F4B材料，其中，該基底材料的介電常數(shù)ε＝3.0，磁導(dǎo)率μ＝1；以及該可控超材料單元陣列中每個電可控微結(jié)構(gòu)單元可以為“方環(huán)型”，其中，每個電可控微結(jié)構(gòu)單元中外金屬結(jié)構(gòu)的外邊長和寬相等，例如選取為a＝7.5mm，內(nèi)金屬結(jié)構(gòu)(例如，矩形金屬貼片)的長與寬可以為6mm；上述通道的寬度可以為0.75mm，上述外金屬結(jié)構(gòu)和內(nèi)金屬結(jié)構(gòu)的金屬厚度可以為0.035mm，基底材料厚可以為0.3mm，電可控微結(jié)構(gòu)單元陣列中任意相鄰的兩個電可控微結(jié)構(gòu)單元之間的距離為預(yù)設(shè)距離為7.5mm。

在設(shè)計好上述超材料之后，則可以將該超材料應(yīng)用到具體的設(shè)備中，例如應(yīng)用到天線中，例如，超材料的平板天線中可以采用上述設(shè)計好的電可控超材料。在超材料中采用加載變?nèi)荻O管的電可控超材料時，可以通過控制變?nèi)荻O管的電壓調(diào)控陣列單元相移分布，實現(xiàn)寬角度連續(xù)掃描。

下面具體介紹上述設(shè)置好的超材料的頻率調(diào)節(jié)過程。具體地，當電可控超材料的工作頻段為17.5GHz-13.4GHz時，變?nèi)荻O管的電容值可以從0.02pF至0.32pF之間進行變化，頻率與電容的變化關(guān)系如圖3所示。如圖3所示，當電容逐漸增大時，頻率逐漸減小；當電容逐漸減小時，頻率逐漸增大，即，電容和頻率之間的關(guān)系為反比例關(guān)系。因此，在本實用新型實施例中，當變?nèi)荻O管的電容增大時，電可控超材料的工作頻段將減小，當變?nèi)荻O管的電容減小時，電可控超材料的工作頻段將增大。因此，可以通過控制變?nèi)荻O管的電容的大小在預(yù)設(shè)頻段內(nèi)調(diào)整電可控超材料的工作頻率。例如，選取的電可控超材料的中心工作頻率f為15GHz，如果檢測到電可控超材料的當前頻率大于15GHz，則可以增大變?nèi)荻O管的電容，以降低電可控超材料的當前頻率。其中，可以通過加載在變?nèi)荻O管的電容的反偏置電壓調(diào)節(jié)該變?nèi)荻O管的電容，進而，通過調(diào)節(jié)電容來調(diào)節(jié)電可控超材料的工作頻率。

綜上，在本實用新型上述實施例中，可以通過調(diào)節(jié)加載在電可控超材料上變?nèi)荻O管的電壓來調(diào)節(jié)變?nèi)荻O管的電容，然后根據(jù)公式調(diào)節(jié)電可控超材料的工作頻率。采用上述本實用新型提供的調(diào)節(jié)電可控超材料的工作頻率的方式，可以實現(xiàn)在預(yù)設(shè)頻段內(nèi)調(diào)節(jié)電可控超材料的工作頻率，并且結(jié)構(gòu)簡單，無需復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，方便制作。采用上述方式可以在保證整個超材料不發(fā)生變化的情況下，只需控制變?nèi)荻O管的外加偏置電壓即可實現(xiàn)對超材料電磁性能的連續(xù)控制。

以上所述僅是本實用新型的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實用新型原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視為本實用新型的保護范圍。