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1、(10)申请公布号 CN 102810759 A (43)申请公布日 2012.12.05 CN 102810759 A *CN102810759A* (21)申请号 201110179888.6 (22)申请日 2011.06.29 H01Q 15/00(2006.01) (71)申请人 深圳光启高等理工研究院 地址 518000 广东省深圳市南山区高新区中 区高新中一道 9 号软件大厦 申请人 深圳光启创新技术有限公司 (72)发明人 刘若鹏 栾琳 寇超锋 (54) 发明名称 一种新型超材料 (57) 摘要 本发明涉及一种新型超材料， 包括至少一个 材料片层， 每个材料片层包括基板和附着在。
2、基板 上的人造微结构， 每个基板虚拟地划分为多个阵 列排布的基板单元， 每个基板单元上附着一对人 造微结构， 每对人造微结构包括附着在所述基板 单元上的形状不同的第一人造微结构和第二人造 微结构， 该材料在一定的频段内具有宽频高介电 常数且在另一频段内具有由零开始逐渐增大的介 电常数分布， 可以满足特定场合的需要。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 4 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 1 页 说明书 4 页 附图 4 页 1/1 页 2 1. 一种新型超材料， 其特征在于， 该材料包括至少一个材料片层， 每个材料片层包。
3、括基 板和附着在基板上的人造微结构， 每个基板虚拟地划分为多个阵列排布的基板单元， 每个 基板单元上附着一对人造微结构， 每对人造微结构包括附着在所述基板单元上的形状不同 的第一人造微结构和第二人造微结构， 该材料在一定的频段内具有宽频高介电常数且在另 一频段内具有由零开始逐渐增大的介电常数分布。 2. 根据权利要求 1 所述的新型超材料， 其特征在于， 所述第一人造微结构包括工字形 和与工字形的中间连接线相交的两个开口相对的开口环形结构 ； 所述第二人造微结构包括 共交点的四个支路， 任一所述支路的一端与所述交点相连， 另一端为自由端， 所述支路包括 至少一个弯折部， 任一所述支路以所述交点。
4、为旋转中心依次顺时针旋转90度、 180度和270 度后分别与其他三个支路重合。 3. 根据权利要求 2 所述的新型超材料， 其特征在于 ： 所述第一人造微结构中的开口环 形结构包括呈直角或者弧形的弯折部。 4. 根据权利要求 2 所述的新型超材料， 其特征在于 ： 所述第第二人造微结构的弯折部 为直角、 圆角或者尖角。 5. 根据权利要求 2 所述的新型超材料， 其特征在于 ： 所述第二人造微结构的任一所述 支路的自由端连接有一线段。 6. 根据权利要求 5 所述的新型超材料， 其特征在于 ： 任一所述第二人造微结构支路的 自由端与所述线段的中点相连。 7. 根据权利要求 1 至 6 任一所。
5、述的新型超材料， 其特征在于 ： 所述人造微结构由铜线 或者银线制成。 8. 根据权利要求 1 至 6 任一所述的新型超材料， 其特征在于， 所述基板为陶瓷材料。 9. 根据权利要求 1 至 6 任一所述的新型超材料， 其特征在于， 所述基板为聚四氟乙烯。 10.根据权利要求1至6任一所述的新型超材料， 其特征在于， 所述基板为铁电材料、 铁 氧材料、 铁磁材料或者 FR-4。 权 利 要 求 书 CN 102810759 A 2 1/4 页 3 一种新型超材料 技术领域 0001 本发明涉及一种材料， 更具体地说， 涉及一种新型超材料。 背景技术 0002 人工电磁材料， 俗称超材料， 是一。
6、种新型人工合成材料， 是由非金属材料制成的基 板和附着在基板表面上或嵌入在基板内部的多个人造微结构构成的。 基板可以虚拟地划分 为矩形阵列排布的多个基板单元， 每个基板单元上附着有人造微结构， 从而形成一个超材 料单元， 整个超材料是由很多这样的超材料单元组成的， 就像晶体是由无数的晶格按照一 定的排布构成的。每个超材料单元上的人造微结构可以相同或者不完全相同。人造微结构 是由金属丝组成的具有一定几何图形的平面或立体结构， 例如组成圆环形、“工” 形的金属 丝等。 0003 由于人造微结构的存在， 每个超材料单元具有不同于基板本身的电磁特性， 因此 所有的超材料单元构成的超材料对电场和磁场呈现。
7、出特殊的响应特性 ； 通过对人造微结构 设计不同的具体结构和形状， 可以改变整个超材料的响应特性。 0004 普通材料的介电常数随着频率的变化而变化， 具有一个谐振峰， 如图 1 所示， 在低 损耗的情况下介电常数通常大于10。 在某些应用场合， 特别是大规模集成电路中， 需要用到 具有低介电常数的材料， 普通材料一般都不满足。 发明内容 0005 本发明要解决的技术问题是 ： 针对现有技术的上述缺陷， 提供一种新型超材料， 该 材料在一定的频段内具有宽频高介电常数且在另一频段内具有由零开始逐渐增大的介电 常数分布。 0006 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是 ： 构造一种新型超材料， 。
8、该材料包括 至少一个材料片层， 每个材料片层包括基板和附着在基板上的人造微结构， 每个基板虚拟 地划分为多个阵列排布的基板单元， 每个基板单元上附着一对人造微结构， 每对人造微结 构包括附着在所述基板单元上的形状不同的第一人造微结构和第二人造微结构， 该材料在 一定的频段内具有宽频高介电常数且在另一频段内介电常数由零逐渐增大。 0007 在本发明的优选实施方式中， 所述第一人造微结构包括工字形和与工字形的中间 连接线相交的两个开口相对的开口环形结构 ； 所述第二人造微结构包括共交点的四个支 路， 任一所述支路的一端与所述交点相连， 另一端为自由端， 所述支路包括至少一个弯折 部， 任一所述支路。
9、以所述交点为旋转中心依次顺时针旋转90度、 180度和270度后分别与其 他三个支路重合。 0008 在本发明的优选实施方式中， 所述第一人造微结构中的开口环形结构包括呈直角 或者弧形的弯折部。 0009 在本发明的优选实施方式中， 所述第第二人造微结构的弯折部为直角、 圆角或者 尖角。 说 明 书 CN 102810759 A 3 2/4 页 4 0010 在本发明的优选实施方式中， 所述第二人造微结构的任一所述支路的自由端连接 有一线段。 0011 在本发明的优选实施方式中， 任一所述第二人造微结构支路的自由端与所述线段 的中点相连。 0012 在本发明的优选实施方式中， 所述人造微结构由。
10、铜线或者银线制成。 0013 在本发明的优选实施方式中， 所述基板为陶瓷材料 0014 在本发明的优选实施方式中， 所述基板为聚四氟乙烯。 0015 在本发明的优选实施方式中， 所述基板为铁电材料、 铁氧材料、 铁磁材料或者 FR-4。 0016 实施本发明所述的新型超材料， 具有以下有益效果 ： 该材料在一定的频段内具有 宽频高介电常数且在另一频段内具有由零开始逐渐增大的介电常数分布， 可以满足特定场 合的应用。 附图说明 0017 下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明， 附图中 ： 0018 图 1 是普通材料介电常数特性曲线 ； 0019 图 2 是实施例一中的新型超材料的结构示意。
11、图 ； 0020 图 3 是图 2 所示材料中一个材料单元的结构示意图 ； 0021 图 4 是实施例一中第一人造微结构的结构示意图 ； 0022 图 5 是实施例一中第二人造微结构的结构示意图 ； 0023 图 6 是实施例一中的新型超材料的介电常数特性图 ； 0024 图 7 是实施例二中一个材料单元的结构示意图 ； 0025 图 8 是实施例二中第一人造微结构的结构示意图 ； 0026 图 9 是实施例二中的新型超材料的介电常数特性图 ； 0027 图 10 是第一人造微结构的可能结构 ； 0028 图 11 至图 15 是第二人造微结构的可能结构。 具体实施方式 0029 实施例一 0。
12、030 本实施例提供一种新型超材料， 包括至少一个材料片层， 当具有多个材料片层时， 这些材料片层沿垂直于其表面的方向堆叠到一起。 0031 图如 2 所示， 该材料包括 3 块均匀等厚的材料片层 1， 多块材料片层 1 沿垂直于基 板平面的方向 (z 轴方向 ) 依次堆叠， 每两块材料片层 1 之间通过一定的封装工艺例如焊 接、 铆接、 粘接等方式制成为一个整体或者通过填充可连接二者的物质例如液态基板原料， 其在固化后将已有的两材料片层 1 粘合， 从而使多块材料片层 1 构成一个整体。 0032 每个材料片层 1 包括基板和附着在基板上的人造微结构， 将基板虚拟地划分成多 个完全相同的相互。
13、紧挨着的柱状基板单元， 这些基板单元以 x 轴方向为行、 以与之垂直的 y 轴方向为列依次阵列排布。设计基板单元的尺寸为 4 毫米 2 毫米 0.818 毫米， 对照图 3， 即 a1 4 毫米、 a2 2 毫米、 a3 0.818 毫米， 每个基板单元上下位置附着第一人造微结 说 明 书 CN 102810759 A 4 3/4 页 5 构 3 和第二人造微结构 4， 基板单元和基板单元上的人造微结构共同构成一个材料单元 2 ； 如图 2 所示， 本实施例的材料可看作是由多个材料单元 2 沿 x、 y、 z 三个方向阵列排布而成， 其中， 人造微结构可以通过蚀刻、 电镀、 钻刻、 光刻、 电。
14、子刻或离子刻等方式附着于所述基材 上。第一人造微结构 3 和第二人造微结构 4 的材质为金属线， 这里使用铜线， 选择铜线的 横截面为长方形， 横截面的尺寸为 0.1 毫米 0.018 毫米， 其中铜线的线宽为 0.1 毫米， 铜 线的厚度为 0.018 毫米， 当然金属线也可以使用银线等其他金属线， 金属线的横截面也可 以为圆柱状、 扁平状或者其他形状。在本实施例中第一人造微结构 3 如图 4 所示包括工字 形和与工字形的中间连接线相交的两个开口相对的开口环形结构， 图 4 中的开口环形结构 的弯折部为直角， 第一人造微结构还可以如图 10 所示， 开口环形结构的弯折部为弧形。图 4 中的第。
15、一人造微结构的上边缘与其所附着的基板单元的边界的距离为 0.1 毫米， 左右居 中， 对照图 4， 第一人造微结构的各部分的尺寸分别是 ： b1 1.2 毫米、 b2 0.4 毫米、 b3 0.2 毫米 ； c1 1.8 毫米、 c2 0.2 毫米、 c3 0.3 毫米、 c4 0.2 毫米 ； 第二人造微结 构 4 如图 5 所示， 包括共交点的四个支路， 任一支路的一端与所述交点相连， 另一端为自由 端， 各支路包括 6 个弯折部， 弯折部为直角， 任一支路以所述交点为旋转中心依次顺时针旋 转90度、 180度和270度后分别与其他三个支路重合， 而且在每个支路的自由端连接有一线 段， 自。
16、由端与线段的中点相连， 第二人造微结构的各部分尺寸分别是 ： d1 1.6 毫米、 d2 0.7 毫米、 d3 1 毫米、 d4 0.4 毫米、 e1 e2 e3 0.1 毫米、 e4 0.2 毫米。该人造 微结构还可以由多种变形， 如图 11 至图 15 所示， 弯折部可以为圆角或者尖角， 自由端可以 连接线段也可以不连接线段。为了简化起见， 图 10 至图 15 中的结构都用细线来画出， 实际 上， 上述结构都具有一定的宽度， 如图 2 所示。电磁波通过该材料时对应的介电常数特性仿 真图如图 6 所示， 由图 6 中的实线可知， 该材料的介电常数特性具有双谐振， 在一定频段内 (5GHz 。
17、10GHz) 介电常数较高， 且具有较好的宽频特性 ； 对应于第二个谐振， 介电常数在一 定的频段内 (16GHz 18GHz) 由零逐渐增加， 而且由虚线可知在介电常数较小的上述频段 内对应介电常数的虚部接近零， 因此损耗也较低， 所以该材料可以应用在需要介电常数具 有较好宽频特性的场合， 也适合应用在需要介电常数由零逐渐增大的场合。 0033 当在其他频段内应用上述特性时， 可以通过改变材料单元的尺寸或者第一人造微 结构尺寸或者第二人造微结构的尺寸来实现。 0034 实施例二 0035 与实施例一的区别是 ： 第一人造微结构 3 的尺寸不同， 第一人造微结构的各部分 的尺寸如图 8 分别是。
18、 ： b1 1.9 毫米、 b2 0.85 毫米、 b3 0.7 毫米 ； c1 1.8 毫米、 c2 0.1 毫米、 c3 0.45 毫米、 c4 0.1 毫米 ； 第二人造微结构的形状和尺寸与实施例一中 的第二人造微结构相同。电磁波通过该材料时对应的介电常数特性仿真图如图 9 所示， 由 图 9 中的实线可知， 该材料的介电常数特性具有多谐振， 在一定的频段内 (5GHz 8GHz) 介 电常数较高， 且具有较好的宽频特性 ； 同时， 介电常数在一定的频段内 (11.5GHz 12.5GHz 以及15.5GHz24GHz)由零逐渐增加， 而且由虚线可知在介电常数较小的上述频段内对应 介电常。
19、数的虚部接近零， 因此损耗也较低， 所以该材料既可以应用在介电常数需要具有宽 频特性的场合也适合应用在需要介电常数由零逐渐增大的场合。对比实施例一可知， 改变 第一人造微结构的尺寸后介电常数由零逐渐增加的频段也随之改变。 因此当我们需要在不 同频段内用到该材料时， 只需要改变人造微结构的尺寸即可实现。 说 明 书 CN 102810759 A 5 4/4 页 6 0036 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 102810759 A 6 1/4 页 7 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 102810759 A 7 2/4 页 8 图 3 图 4 图 5 说 明 书 附 图 CN 102810759 A 8 3/4 页 9 图 6 图 7 图 8 说 明 书 附 图 CN 102810759 A 9 4/4 页 10 图 9 图 10 图 11 图 12 图 13 图 14图 15 说 明 书 附 图 CN 102810759 A 10 。