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1、(10)申请公布号 CN 102856652 A (43)申请公布日 2013.01.02 CN 102856652 A *CN102856652A* (21)申请号 201110061874.4 (22)申请日 2011.03.15 H01Q 15/00(2006.01) (71)申请人 深圳光启高等理工研究院 地址 518034 广东省深圳市福田区香梅路 1061 号中投国际商务中心 A 栋 18B 申请人 深圳光启创新技术有限公司 (72)发明人 刘若鹏 栾琳 廖臻 赵治亚 (54) 发明名称 一种电磁透明的超材料 (57) 摘要 本发明涉及一种电磁透明的超材料， 其包括 ： 基材、 周。
2、期排列于该基材内部的多个人造金属微 结构 ； 当电磁波通过该超材料时， 该人造金属微 结构在垂直该电磁波入射的方向和平行该电磁波 入射的方向等效为两个相同的由电感支路以及对 称并联于该电感支路的两条相同的电容支路组成 的二维电路， 该二维电路对应于该电磁波的频段 使得该电磁波通过该超材料时该超材料的介电常 数和磁导率均基本为 1。本发明采用不同于传统 电磁透明材料的透波原理， 使电磁波透明特性不 拘于基材材质从而极大大提高电磁透明材料的适 用范围。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 1 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 。
3、1 页 说明书 4 页 附图 1 页 1/1 页 2 1. 一种电磁透明的超材料， 其特征在于 ： 包括 ： 基材、 周期排列于该基材内部的多个人 造金属微结构 ； 当电磁波通过该超材料时， 该人造金属微结构在垂直该电磁波入射的方向 和平行该电磁波入射的方向等效为两个相同的由电感支路以及对称并联于该电感支路的 两条相同的电容支路组成的二维电路， 该二维电路对应于该电磁波的频段使得该电磁波通 过该超材料时该超材料的介电常数和磁导率均基本为 1。 2. 如权利要求 1 所述的电磁透明的超材料， 其特征在于 ： 该人造金属微结构包括共中 点相互交叉的第一金属分支、 第二金属分支和第三金属分支， 该第。
4、一金属分支平行于该电 磁波入射方向 ； 两条第四金属分支和两条第五金属分支中点位于该第一金属分支两端且分 别与该第二金属分支和该第三金属分支等长且平行 ； 两条第六金属分支中点位于该第二金 属分支两端且与该第一金属分支等长且平行 ； 两条第七金属分支中点位于该第三金属分支 两端且与该第一金属分支等长且平行 ； 该第六金属分支和该第四金属分支构成该人造金 属微结构的第一平面， 该第五金属分支和该第七金属分支构成该人造金属微结构的第二平 面 ； 每条该第四金属分支和每条该第五金属分支分别对称于其中点设置有至少一对缺口结 构。 3. 如权利要求 2 所述的电磁透明的超材料， 其特征在于 ： 该缺口结。
5、构由每条该第四金 属分支和每条该第五金属分支断裂开口而成。 4. 如权利要求 3 所述的电磁透明的超材料， 其特征在于 ： 该断裂开口两端还连接有相 对的两第八金属分支。 5. 如权利要求 4 所述的电磁透明的超材料， 其特征在于 ： 该相对的两第八金属分支为 直线型金属分支或圆弧形金属分支。 6. 如权利要求 2 所述的电磁透明的超材料， 其特征在于 ： 该第一金属分支、 该第二金属 分支和该第三金属分支共中心点相互垂直交叉且该第一金属分支、 该第二金属分支和该第 三金属分支长度相等。 7. 如权利要求 1 所述的电磁透明的超材料， 其特征在于 ： 该基材由多个片状基材组合 而成， 每一该片。
6、状基材上附着有多个金属分支 ； 当多个该片状基材组合后， 附着在多个该片 状基材上的多个该金属分支组合为该人造金属微结构。 8. 如权利要求 1 所述的电磁透明的超材料， 其特征在于 ： 该基材为玻璃、 FR-4、 F4B、 环 氧树脂、 聚乙烯、 聚丙烯、 橡胶、 聚丙乙烯中的一种或几种。 9. 如权利要求 1 或 7 所述的电磁透明的超材料， 其特征在于 ： 该人造金属微结构是通 过蚀刻、 电镀、 钻刻、 光刻、 电子刻、 离子刻附着于该基材。 权 利 要 求 书 CN 102856652 A 2 1/4 页 3 一种电磁透明的超材料 技术领域 0001 本发明涉及一种超材料， 尤其涉及一。
7、种具有电磁透明的超材料。 背景技术 0002 电磁透明材料是指能透过电磁波且几乎不改变电磁波的性质 ( 包括能量 ) 的材 料。其广泛应用于航空、 航天、 军事装备以及无线电装备等领域， 其功能为满足微波 - 毫米 波信号的接收、 传输、 放大、 混频、 发射等性能要求或避免入射电磁波大量反射从而达到避 开对方雷达探测的目的。传统的电磁透明材料是采用纤维增强树脂基复合材料， 该树脂基 复合材料的透明性能与纤维种类、 树脂基体以及复合材料界面性能相关， 纤维和树脂基体 对材料透明性能的影响取决于其本身的介电特性。 由于此类传统电磁透明材料其透明性能 取决于其材质本身的透明特性， 当外部环境较恶劣。
8、， 例如高温高压时， 传统电磁透明材料的 物理特性与透明特性均受限制， 因此其适应面窄。且传统电磁透明材料的电磁参数调节复 杂， 针对不同的电磁波频段需要分别调节传统电磁透明材料的成分以及组分， 其需要大量 的实验验证并且制作成本高。 发明内容 0003 本发明要解决的技术问题在于针对现有技术的上述不足， 利用超材料设计技术提 出一种结构简单、 适应面广的电磁透明的超材料。 0004 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种电磁透明的超材料， 其包 括 ： 基材、 周期排列于该基材内部的人造金属微结构 ； 当电磁波通过该超材料时， 该人造金 属微结构在垂直该电磁波入射的方向和平行该电磁波。
9、入射的方向等效为两个相同的由电 感支路以及对称并联于该电感支路的两条相同的电容支路组成的二维电路， 该二维电路对 应于该电磁波的频段使得该电磁波通过该超材料时该超材料的介电常数和磁导率均基本 为 1。 0005 该人造金属微结构包括共中点相互交叉的第一金属分支、 第二金属分支和第三金 属分支， 该第一金属分支平行于该电磁波入射方向 ； 两条第四金属分支和两条第五金属分 支中点位于该第一金属分支两端且分别与该第二金属分支和该第三金属分支等长且平行 ； 两条第六金属分支中点位于该第二金属分支两端且与该第一金属分支等长且平行 ； 两条第 七金属分支中点位于该第三金属分支两端且与该第一金属分支等长且平。
10、行 ； 该第六金属分 支和该第四金属分支构成该人造金属微结构的第一平面， 该第五金属分支和该第七金属分 支构成该人造金属微结构的第二平面 ； 每条该第四金属分支和每条该第五金属分支分别对 称于其中点设置有至少一对缺口结构。 0006 该缺口结构由每条该第四金属分支和每条该第五金属分支断裂开口而成。 0007 该断裂开口两端还连接有相对的两第八金属分支。 0008 该相对的两第八金属分支为直线型金属分支或圆弧形金属分支。 0009 该第一金属分支、 该第二金属分支和该第三金属分支共中心点相互垂直交叉且该 说 明 书 CN 102856652 A 3 2/4 页 4 第一金属分支、 该第二金属分支。
11、和该第三金属分支长度相等。 0010 该基材由多个片状基材组合而成， 每一该片状基材上附着有多个金属分支 ； 当多 个该片状基材组合后， 附着在多个该片状基材上的多个该金属分支组合为该人造金属微结 构。 0011 该基材为玻璃、 FR-4、 F4B、 环氧树脂、 聚乙烯、 聚丙烯、 橡胶、 聚丙乙烯中的一种或 几种。 0012 该人造金属微结构是通过蚀刻、 电镀、 钻刻、 光刻、 电子刻、 离子刻附着于该基材。 0013 本发明通过设计一种超材料的人造金属微结构并将其周期排列于基材内部使得 超材料具有特定的电磁响应， 当电磁波通过该超材料时其传播路径不会发生偏折、 传播方 向也不会发生改变。本。
12、发明采用不同于传统电磁透明材料的透波原理， 使电磁波透明特性 不拘于基材材质从而极大提高电磁透明材料的适用范围。进一步地， 本发明人造金属微结 构设计为在各方向对称， 从而使得人造金属微结构具有各项同性即超材料在空间中各点的 介电常数和磁导率的每一个方向的分量都不随位置变化而改变从而进一步地扩大了本发 明的适用范围。更进一步地， 由于调节人造金属微结构的尺寸即可调节本发明电磁透明的 超材料的电磁参数， 因此其具有制造成本低且电磁参数调节方便的优点。 附图说明 0014 图 1(a) 为本发明电磁透明的超材料在垂直电磁波入射的方向等效而成的二维电 路图 ； 0015 图 1(b) 为本发明电磁透。
13、明的超材料在平行电磁波入射的方向等效而成的二维电 路图 ； 0016 图 2 为本发明电磁透明的超材料基本单元的整体立体结构示意图 ； 0017 图 3 为本发明电磁透明的超材料人造金属微结构立体示意图。 具体实施方式 0018 超材料是由具有一定图案形状的人造金属微结构按照特定方式周期排列于基材 中而构成。 人造金属微结构不同的图案形状和排列方式使得超材料具有不同的介电常数和 不同的磁导率从而使得超材料具有不同的电磁响应。 0019 本发明利用超材料上述原理设计一种对特定频段内的电磁波呈透明特性的超材 料。所谓 “透明特性” 是指特定频段的电磁波通过超材料时该超材料所表现出来的介电常 数和磁。
14、导率均基本为 1， 即折射率基本为 1， 从而该特定频段的电磁波通过该超材料后其传 播路径不会发生偏折、 传播方向也不会发生改变。本发明的超材料的介电常数和磁导率均 基本为1是指介电常数和磁导率在10浮动均为可接受范围。 并且由于本发明相对于空 气其相对介电常数和相对磁导率相等， 因此本发明电磁透明的超材料相对于空气亦具有阻 抗匹配的功能。 0020 本发明设计原理如下 ： 设计一种人造金属微结构并将其周期排列于基材内部 ； 当 电磁波通过该超材料时， 该人造金属微结构在垂直该电磁波入射的方向和平行该电磁波入 射的方向等效为两个相同的由电感支路以及对称并联于该电感支路的两条相同的电容支 路组成。
15、的二维电路， 如图 1(a) 和图 1(b) 所示。该二维电路对应于该电磁波的频段使得该 说 明 书 CN 102856652 A 4 3/4 页 5 电磁波通过该超材料时该超材料的介电常数和磁导率均基本为 1。 0021 下面详细论述本发明设计过程 ： 根据实际需要确定一电磁波的频段， 该频段的电 磁波通过超材料时呈透明特性 ； 设计初始人造金属微结构并确定该初始人造金属微结构 的各个金属分支的尺寸和各个金属分支之间的间隔， 该些不同尺寸的金属分支和各个金属 分支之间的间隔在该电磁波通过该初始人造金属微结构时即可等效为本发明设计原理中 的等效二维电路中的等效电感元件和等效电容元件， 该些等效。
16、电感元件和该些等效电容元 件使得该初始人造金属微结构等效为具有一谐振频段的 LC 谐振电路， 应调节该 LC 谐振电 路的谐振频段偏离于所需使用电磁波的频段使得相对介电常数和相对磁导率均基本为 1， 从而达到本发明的设计要求， 该谐振频段可通过公式得到 ； 由于在高频微波 电路设计中， 节点电路理论已不再适用因而需要采用分布参数电路的分析方法也就是微波 网络法来分析电路， 其中微波网络法中散射参数 (S 参数 ) 是最重要的参数， S 参数是建立 在入射波、 反射波关系基础上的网络参数， 适于微波电路分析， 以器件端口的反射信号以及 从该端口传向另一端口的信号来描述电路网络， 因此本领域技术人。
17、员可知通过 S 参数来等 效描述等效电路中的 LC 谐振现象。现有的针对射频和微波应用的综合和分析工具几乎都 具有用 S 参数进行仿真的能力， 例如应用最广泛的安捷伦公司的 ADS(Adva nced Design System) ； 运用上述计算机仿真软件对初始人造金属微结构进行计算机仿真得出附着有初 始人造金属微结构的超材料的初始 S 参数值 ( 包括反射系数 S11和透射系数 S21)， 通过公 式 ： 0022 0023 计算出附着有初始人造金属微结构的超材料的折射率 n、 阻抗 z、 介电常数 、 磁 导率 。由于本发明的目的在于使得超材料的折射率 n 基本等于 1， 因此在得到附着。
18、有初 始人造金属微结构的超材料的折射率后必须调整初始人造金属微结构各个金属分支的尺 寸和 / 或各个金属分支之间的间隔甚至可能重新设计初始人造金属微结构， 而后继续进行 仿真计算直至得到需要的折射率。 0024 运用上述设计原理和上述设计过程可得到不同的符合要求的人造金属微结构， 下 面选取其中一种进行详细说明。 0025 请参照图 2， 图 2 为本发明电磁透明的超材料的基本单元的整体立体结构示意图。 超材料包括多个人造金属微结构1和基材。 基材被划分为多个结构单元2， 人造金属微结构 1 则被附着于多个结构单元 2 中。一个人造金属微结构 1 和一个结构单元 2 构成了超材料 的基本单元1。
19、00， 超材料整体可看成由无数基本单元100阵列排布而成。 基材的材质可为多 种， 由于本发明需要使得电磁波通过超材料时基本不产生损耗， 因此除了人造金属微结构 的特殊电磁响应外， 为了达到更好的效果， 基材可选取电磁损耗小的各类常规材料， 例如玻 璃、 FR-4、 F4B、 环氧树脂、 聚乙烯、 聚丙烯、 橡胶、 聚丙乙烯等。 0026 在基材内部构成人造金属微结构的方法通常包括两种， 一种是通过蚀刻、 电镀、 钻 刻、 光刻、 电子刻、 离子刻等将整个人造金属微结构周期排列于基材内部 ； 另一种是采用片 状基材， 其中多个片状基材上按照所需人造金属微结构的立体和平面方位排列要求附着有 各种。
20、形状的金属分支， 该些片状基材组合后附着在各个片状基材上的各种形状的金属分支 说 明 书 CN 102856652 A 5 4/4 页 6 构成了所需的人造金属微结构， 采用此种方法能方便的调节各类金属分支的尺寸和间隔。 0027 接下来请参照图 3， 图 3 为本发明电磁透明的超材料的一种人造金属微结构立体 示意图。图 3 中， 人造金属微结构包括 ： 共中点相互交叉的第一金属分支 11、 第二金属分支 12 和第三金属分支 13， 该第一金属分支 11 平行于电磁波入射方向 ； 两条第四金属分支 14 和两条第五金属分支 15 中点位于该第一金属分支 11 两端且分别与该第二金属分支 12。
21、 和 该第三金属分支13等长且平行 ； 两条第六金属分支16中点位于该第二金属分支12两端且 与该第一金属分支11等长且平行 ； 两条第七金属分支17中点位于该第三金属分支13两端 且与该第一金属分支11等长且平行 ； 该第六金属分支16和该第四金属分支14构成该人造 金属微结构的第一平面， 该第五金属分支 15 和该第七金属分支 17 构成该人造金属微结构 的第二平面 ； 每条该第四金属分支 14 和每条该第五金属分支 15 分别对称于其中点设置有 至少一对缺口结构。 0028 当入射方向平行于第一金属分支 11 的电磁波通过超材料时， 各个金属分支等效 为等效电感， 同时缺口结构等效为等效。
22、电容， 各个等效电感和等效电容在平行于该电磁波 入射的方向和垂直于该电磁波入射的方向构成了如图 1(a) 和图 1(b) 所示的等效电路图。 0029 为了扩大等效电容， 本实施例中缺口结构由该各条第四金属分支 14 和各条第五 金属分支15断裂开口而成， 且各断裂开口处还包括相对设置的两条第八金属分支18。 第八 金属分支 18 的形状可为多种， 例如利用圆弧形金属分支扩大金属线面积从而增大电容， 本 实施例中为简化整体人造金属结构的制造工艺而采用直线型金属分支。 0030 另外， 为了扩大本发明的实用范围， 本实施例中第一金属分支 11、 第二金属分支 12、 第三金属分支13共中心点相互。
23、垂直交叉且第一金属分支11、 第二金属分支12和第三金 属分支 13 长度相等。采用此种设计使得本实施例中人造金属微结构在各个方向成对称结 构从而使得超材料整体的电磁响应具有各项同性， 即超材料在空间中各点的介电常数和磁 导率的每一个方向的分量都不随位置变化而改变。因此入射方向平行于第一金属分支 11 且具有特定频段的电磁波通过超材料任意一点时都具有相同的透明特性。 0031 上面结合附图对本发明的实施例进行了描述， 但是本发明并不局限于上述的具体 实施方式， 上述的具体实施方式仅仅是示意性的， 而不是限制性的， 本领域的普通技术人员 在本发明的启示下， 在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下， 还可做出很多 形式， 这些均属于本发明的保护之内。 说 明 书 CN 102856652 A 6 1/1 页 7 图 1(a) 图 1(b) 图 2 图 3 说 明 书 附 图 CN 102856652 A 7 。