專利名稱：一種具有高介電常數(shù)的超材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超材料領(lǐng)域，更具體地說(shuō)，涉及一種具有高介電常數(shù)的超材料。
背景技術(shù)：
介電常數(shù)是材料對(duì)電場(chǎng)響應(yīng)的一個(gè)參數(shù)，材料在外加電場(chǎng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電荷而削弱電場(chǎng)，原真空中的外加電場(chǎng)與最終材料中電場(chǎng)的比值即為介電常數(shù)。自然界中，任何一種材料在特定的條件下，都有它特定的介電常數(shù)值或者介電常數(shù)曲線。介電常數(shù)較高的材料放在電場(chǎng)中，場(chǎng)的強(qiáng)度會(huì)在電介質(zhì)材料內(nèi)有可觀的下降。介電常數(shù)高的材料，如介電絕緣體，通常用來(lái)制造電容。而且在高介電常數(shù)材料中，電磁波波長(zhǎng)很短，可以大大縮小射頻及微波器件的尺寸。隨著技術(shù)日新月異的發(fā)展，人們對(duì)材料的應(yīng)用要求越來(lái)越高，在某些場(chǎng)合，所需要 的介電常數(shù)值遠(yuǎn)高于自然界已有的材料的介電常數(shù)值，現(xiàn)有的介電常數(shù)較高的介電絕緣體也不能達(dá)到要求，這將為技術(shù)和產(chǎn)品研發(fā)造成瓶頸。因此，人們轉(zhuǎn)向人工制造的超材料，以期實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的。超材料是一種具有天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)材料，通過(guò)對(duì)微結(jié)構(gòu)的有序排列，改變了空間中每點(diǎn)的相對(duì)介電常數(shù)和磁導(dǎo)率。超材料可以在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)普通材料無(wú)法具備的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率，從而可以有效控制電磁波的傳播特性。超材料包括由金屬線構(gòu)成的具有一定圖案形狀的的人造微結(jié)構(gòu)和人造微結(jié)構(gòu)所附著的基材，多個(gè)人造微結(jié)構(gòu)在基材上陣列排布，基材對(duì)人造微結(jié)構(gòu)起到支撐作用，可為任何與人造微結(jié)構(gòu)不同的材料。這兩種材料的疊加會(huì)在空間中產(chǎn)生一個(gè)等效介電常數(shù)與磁導(dǎo)率，這兩個(gè)物理參數(shù)分別對(duì)應(yīng)了材料整體的電場(chǎng)響應(yīng)與磁場(chǎng)響應(yīng)。超材料對(duì)電磁響應(yīng)的特征是由人造微結(jié)構(gòu)的特征所決定，而人造微結(jié)構(gòu)的電磁響應(yīng)很大程度上取決于其金屬線的拓?fù)涮卣骱统牧蠁卧叽?。超材料單元尺寸取決于人造微結(jié)構(gòu)需要響應(yīng)的電磁波，通常人造微結(jié)構(gòu)的尺寸為所需響應(yīng)的電磁波波長(zhǎng)的十分之一，否則空間中由人造微結(jié)構(gòu)所組成的排列在空間中不能被視為連續(xù)。目前超材料生產(chǎn)工藝中通常采用如圖I所示的“I”形人造微結(jié)構(gòu)去改變空間中的介電常數(shù)分布。超材料可以看作由附著人造微結(jié)構(gòu)的基材單元陣列排布而成，單個(gè)基材單元的尺寸通常為電磁波波長(zhǎng)的五分之一到十分之一之間，在有限的空間中“I”形人造微結(jié)構(gòu)的尺寸改變的范圍有限，超材料單元的介電常數(shù)可改變的范圍也是有限的。具有“I”形人造微結(jié)構(gòu)的超材料的折射率隨頻率變化的曲線如圖2所示，其折射率一般在5以下，介電常數(shù)隨頻率變化的曲線如圖3所示，介電常數(shù)的值一般在7以下。

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)的缺陷，提供一種具有高介電常數(shù)的超材料。本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是一種具有高介電常數(shù)的超材料，包括至少一個(gè)超材料片層，每個(gè)超材料片層包括基材和附著在所述基材上的多個(gè)人造微結(jié)構(gòu)，所述人造微結(jié)構(gòu)包括相互平行的第一金屬線和第二金屬線，以及與所述第一金屬線和第二金屬線的中間點(diǎn)相連接的第三金屬線，所述第三金屬線與所述第一金屬線和第二金屬線垂直，還包括至少兩條被所述第三金屬線平分且與所述第一金屬線相平行的第一金屬線段組。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式中，所述第一金屬線、第二金屬線和第一金屬線段組的長(zhǎng)度由所述第三金屬線的中點(diǎn)向兩側(cè)逐漸增大。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式中，所述第一金屬線、第二金屬線和第一金屬線段組的長(zhǎng)度由所述第三金屬線的中點(diǎn)向兩側(cè)逐漸減小。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式中，所述第一金屬線、第二金屬線和第一金屬線段組的長(zhǎng)度相同。
在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式中，所述人造微結(jié)構(gòu)還包括與所述第三金屬線正交的第四金屬線、交點(diǎn)為所述第三金屬線和第四金屬線的中點(diǎn)；還包括相互平行且分別與所述第四金屬線的兩個(gè)端點(diǎn)相連的第五金屬線和第六金屬線，交點(diǎn)為所述第五金屬線和第六金屬線的中點(diǎn)，所述第五金屬線和第六金屬線與所述第四金屬線垂直，還包括至少兩條被所述第四金屬線平分且與所述第五金屬線相平行的第二金屬線段組。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式中，所述第一金屬線、第二金屬線、第五金屬線、第六金屬線、第一金屬線段組和第二金屬線段組的長(zhǎng)度由所述第三金屬線和第四金屬線的交點(diǎn)向四周逐漸增大。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式中，所述第一金屬線、第二金屬線、第五金屬線、第六金屬線、第一金屬線段組和第二金屬線段組的長(zhǎng)度由所述第三金屬線和第四金屬線的交點(diǎn)向四周逐漸減小。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式中，所述第一金屬線、第二金屬線、第五金屬線、第六金屬線、第一金屬線段組和第二金屬線段組的長(zhǎng)度相同。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式中，所述基材為陶瓷材料、高分子材料、聚四氟乙烯。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式中，所述基材為鐵電材料、鐵氧材料或者鐵磁材料。實(shí)施本發(fā)明具有以下有益效果本發(fā)明通過(guò)改變現(xiàn)有人造微結(jié)構(gòu)的形狀，增加了第一金屬線段組，提高了超材料的介電常數(shù)和折射率，仿真圖如圖4和圖5所示，由圖4可知，當(dāng)頻率在8. 3GHz 18. 5GHz之間時(shí)，折射率都在4. 2以上；由圖5可知，介電常數(shù)在一定的頻率范圍內(nèi)可以達(dá)到150以上，而且損耗比較低，頻寬能到達(dá)10GHz，因此，經(jīng)過(guò)仿真，結(jié)果顯示在非常寬的一段頻率上，具有這種人造微結(jié)構(gòu)的超材料與具有“I”形人造微結(jié)構(gòu)的超材料相比，介電常數(shù)和折射率有非常顯著地提高。這種高介電常數(shù)的超材料可以應(yīng)用在天線制造以及半導(dǎo)體制造等領(lǐng)域，而且該技術(shù)方案由于突破了現(xiàn)有技術(shù)中單位體積內(nèi)介電常數(shù)受限的缺陷，對(duì)微波器件的小型化產(chǎn)生也會(huì)產(chǎn)生不可估量的作用。


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。圖I是現(xiàn)有技術(shù)中“I”形人造微結(jié)構(gòu)的示意圖；圖2是具有“I”形人造微結(jié)構(gòu)的超材料的折射率隨頻率變化的示意圖3是具有“I”形人造微結(jié)構(gòu)的超材料的介電常數(shù)隨頻率變化的示意4是本發(fā)明實(shí)施例一所示超材料的折射率隨頻率變化的示意圖；圖5是本發(fā)明實(shí)施例一所示超材料的介電常數(shù)隨頻率變化的示意圖；圖6是本發(fā)明實(shí)施例一中的人造微結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意7是本發(fā)明實(shí)施例一提出的超材料的結(jié)構(gòu)示意圖；圖8是本發(fā)明實(shí)施例二中的人造微結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意9是本發(fā)明實(shí)施例二提出的超材料的結(jié)構(gòu)示意圖；圖10是本發(fā)明實(shí)施例三中的人造微結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖
圖11是本發(fā)明實(shí)施例三提出的超材料的結(jié)構(gòu)示意圖；圖12是本發(fā)明實(shí)施例四中的人造微結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意13是本發(fā)明實(shí)施例四提出的超材料的結(jié)構(gòu)示意圖；圖14是本發(fā)明實(shí)施例五中的人造微結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意15是本發(fā)明實(shí)施例五提出的超材料的結(jié)構(gòu)示意圖；圖16是本發(fā)明實(shí)施例六中的人造微結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意17是本發(fā)明實(shí)施例六提出的超材料的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例一本發(fā)明提供一種新型的超材料，相對(duì)于現(xiàn)有的超材料，通過(guò)改變其中人造微結(jié)構(gòu)的拓?fù)湫螤钐崧劻顺牧系慕殡姵?shù)。如圖7所不，超材料包括至少一塊均勻等厚的基板I，若有多塊基板I則基板I沿垂直于基板平面的方向(z軸方向)依次堆疊，并通過(guò)組裝或者在每?jī)蓧K基板I之間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基板I粘合，從而使多塊基板I構(gòu)成一個(gè)整體?；錓可由FR-4、F4b、CEMl、CEM3或者TP-I等高介電常數(shù)陶瓷材料構(gòu)成。將每塊基板I虛擬地劃分成多個(gè)完全相同的相互緊挨著的立方體基材單元，這些基材單元以X軸方向?yàn)樾?、以與之垂直的y軸方向?yàn)榱幸来侮嚵信挪肌；膯卧倪呴L(zhǎng)通常為入射電磁波波長(zhǎng)的五分之一到十分之一之間。每個(gè)基材單元上附著有一個(gè)人造微結(jié)構(gòu)2，基材單元和基材單元上的人造微結(jié)構(gòu)2共同構(gòu)成一個(gè)超材料單元3，如圖7所示，本發(fā)明的超材料可看作是由多個(gè)超材料單元3沿X、y、z三個(gè)方向陣列排布而成。人造微結(jié)構(gòu)2通常為金屬線例如銅線或者銀線組成的具有一定幾何圖形的平面或立體結(jié)構(gòu)，其中，金屬線可以是剖面為圓柱狀或者扁平狀的銅線、銀線等，金屬線的剖面也可以為其他形狀。本實(shí)施例中人造微結(jié)構(gòu)2如圖6所示，包括相互平行的第一金屬線4和第二金屬線5，以及與所述第一金屬線4和第二金屬線5的中間點(diǎn)相連接的第三金屬線6，第三金屬線6與所述第一金屬線4和第二金屬線5垂直，還包括至少兩條被所述第三金屬線6平分且與所述第一金屬線4相平行的第一金屬線段組7。其中，第一金屬線4、第二金屬線5和第一金屬線段組7的長(zhǎng)度由所述第三金屬線6的中點(diǎn)向兩側(cè)逐漸增大。實(shí)施例二該實(shí)施例中的人造微結(jié)構(gòu)與實(shí)施例一的區(qū)別是第一金屬線、第二金屬線和第一金屬線段組的長(zhǎng)度由所述第三金屬線的中點(diǎn)向兩側(cè)逐漸減小，如圖8所示，包含該人造微結(jié)構(gòu)的超材料如圖9所示。實(shí)施例三該實(shí)施例中的人造微結(jié)構(gòu)與實(shí)施例一的區(qū)別是第一金屬線、第二金屬線和第一金屬線段組的長(zhǎng)度相等，如圖10所示，包含該人造微結(jié)構(gòu)的超材料如圖11所示。實(shí)施例四該實(shí)施例中的人造微結(jié)構(gòu)如圖12所示，該人造微結(jié)構(gòu)包括相互平行的第一金屬線4和第二金屬線5，以及與所述第一金屬線4和第二金屬線5的中間點(diǎn)相連接的第三金屬線6，所述第三金屬線6與所述第一金屬線4和第二金屬線5垂直，還包括至少兩條被所述第三金屬線6平分且與所述第一金屬線4相平行的第一金屬線段組7 ;還包括與所述第三金屬線6正交的第四金屬線10、交點(diǎn)為所述第三金屬線6和第四金屬線10的中點(diǎn)；還包括相互平行且分別與所述第四金屬線10的兩個(gè)端點(diǎn)相連的第五金屬線8和第六金屬線9，交 點(diǎn)為所述第五金屬線8和第六金屬線9的中點(diǎn)，所述第五金屬線8和第六金屬線9與所述第四金屬線10垂直，還包括至少兩條被所述第四金屬線10平分且與所述第五金屬線8相平行的第二金屬線段組11 ;其中，所述第一金屬線4、第二金屬線5、第五金屬線8、第六金屬線9、第一金屬線段組7和第二金屬線段組11的長(zhǎng)度由第三金屬線6和第四金屬線10的交點(diǎn)向四周逐漸增大，包含該人造微結(jié)構(gòu)的超材料如圖13所示。實(shí)施例五該實(shí)施例中的人造微結(jié)構(gòu)如圖14所示，與實(shí)施例四的區(qū)別是所述第一金屬線4、第二金屬線5、第五金屬線8、第六金屬線9、第一金屬線段組7和第二金屬線段組11的長(zhǎng)度由所述第三金屬線6和第四金屬線10的交點(diǎn)向四周逐漸減小。包含該人造微結(jié)構(gòu)的超材料如圖15所示。實(shí)施例六該實(shí)施例中的人造微結(jié)構(gòu)如圖16所示，與實(shí)施例四的區(qū)別是所述第一金屬線4、第二金屬線5、第五金屬線8、第六金屬線9、第一金屬線段組7和第二金屬線段組11的長(zhǎng)度相等。包含該人造微結(jié)構(gòu)的超材料如圖17所示。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，還可做出很多變形均屬于本發(fā)明的保護(hù)之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種具有高介電常數(shù)的超材料，包括至少一個(gè)超材料片層，每個(gè)超材料片層包括基材和附著在所述基材上的多個(gè)人造微結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述人造微結(jié)構(gòu)包括相互平行的第一金屬線和第二金屬線，以及與所述第一金屬線和第二金屬線的中間點(diǎn)相連接的第三金屬線，所述第三金屬線與所述第一金屬線和第二金屬線垂直，還包括至少兩條被所述第三金屬線平分且與所述第一金屬線相平行的第一金屬線段組。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的具有高介電常數(shù)的超材料，其特征在于，所述第一金屬線、第二金屬線和第一金屬線段組的長(zhǎng)度由所述第三金屬線的中點(diǎn)向兩側(cè)逐漸增大。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的具有高介電常數(shù)的超材料，其特征在于，所述第一金屬線、第二金屬線和第一金屬線段組的長(zhǎng)度由所述第三金屬線的中點(diǎn)向兩側(cè)逐漸減小。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的具有高介電常數(shù)的超材料，其特征在于，所述第一金屬線、第二金屬線和第一金屬線段組的長(zhǎng)度相等。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的具有高介電常數(shù)的超材料，其特征在于，所述人造微結(jié)構(gòu)還包括與所述第三金屬線正交的第四金屬線、交點(diǎn)為所述第三金屬線和第四金屬線的中點(diǎn)；還包括相互平行且分別與所述第四金屬線的兩個(gè)端點(diǎn)相連的第五金屬線和第六金屬線，交點(diǎn)為所述第五金屬線和第六金屬線的中點(diǎn)，所述第五金屬線和第六金屬線與所述第四金屬線垂直，還包括至少兩條被所述第四金屬線平分且與所述第五金屬線相平行的第二金屬線段組。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的具有高介電常數(shù)的超材料，其特征在于，所述第一金屬線、第二金屬線、第五金屬線、第六金屬線、第一金屬線段組和第二金屬線段組的長(zhǎng)度由所述第三金屬線和第四金屬線的交點(diǎn)向四周逐漸增大。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的具有高介電常數(shù)的超材料，其特征在于，所述第一金屬線、第二金屬線、第五金屬線、第六金屬線、第一金屬線段組和第二金屬線段組的長(zhǎng)度由所述第三金屬線和第四金屬線的交點(diǎn)向四周逐漸減小。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的具有高介電常數(shù)的超材料，其特征在于，所述第一金屬線、第二金屬線、第五金屬線、第六金屬線、第一金屬線段組和第二金屬線段組的長(zhǎng)度相等。
9.根據(jù)權(quán)利要求I至8任一所述的具有高介電常數(shù)的超材料，其特征在于，所述基材為陶瓷材料、高分子材料、聚四氟乙烯。
10.根據(jù)權(quán)利要求I至8任一所述的具有高介電常數(shù)的超材料，其特征在于，所述基材為鐵電材料、鐵氧材料或者鐵磁材料。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有高介電常數(shù)的超材料，包括至少一個(gè)超材料片層，每個(gè)超材料片層包括基材和附著在所述基材上的多個(gè)人造微結(jié)構(gòu)，所述人造微結(jié)構(gòu)包括相互平行的第一金屬線和第二金屬線，以及與所述第一金屬線和第二金屬線的中間點(diǎn)相連接的第三金屬線，所述第三金屬線與所述第一金屬線和第二金屬線垂直，還包括至少兩條被所述第三金屬線平分且與所述第一金屬線相平行的第一金屬線段組。具有這種人造微結(jié)構(gòu)的超材料的介電常數(shù)得到了大幅的提高。
文檔編號(hào)H01Q15/00GK102904027SQ201110145729
公開(kāi)日2013年1月30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, 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