專利名稱：一種高折射率人工電磁材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種人工電磁材料，更具體地說,涉及一種高折射率人工電磁材料。
背景技術(shù)：
人工電磁材料，俗稱超材料，是一種能夠?qū)﹄姶女a(chǎn)生響應(yīng)的新型人工合成材料，由基板和附著在基板上的人造微結(jié)構(gòu)組成。由于人造微結(jié)構(gòu)通常為金屬線排布成的具有一定幾何圖形的結(jié)構(gòu)，因此能夠能電磁產(chǎn)生響應(yīng)，從而使超材料整體體現(xiàn)出不同于基板的電磁特性，例如介電常數(shù)ε和磁導(dǎo)率μ不同，根據(jù)折射率公式η = ‘可知，折射率η也不同?，F(xiàn)有的超材料，其人造微結(jié)構(gòu)通常為“工”字形、“U”字形等形狀，但其結(jié)構(gòu)簡單，所能達到的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率都很低，因此折射率也不高，使得人工電磁材料相對于普通材料的特殊電磁響應(yīng)優(yōu)勢不明顯?！?br>
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于，針對現(xiàn)有技術(shù)的上述折射率不高、不能達到一些特殊要求的缺陷，提供一種高折射率人工電磁材料。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是構(gòu)造一種高折射率人工電磁材料，包括非金屬材料制成的基材和附著在基材上的多個人造微結(jié)構(gòu)，所述人造微結(jié)構(gòu)包括N條互不相交的螺旋線，其中N為不小于3的自然數(shù)；每條螺旋線自一內(nèi)端點向外螺旋至一外端點，所述N條螺旋線共一外端點。在本發(fā)明所述的高折射率人工電磁材料中，所述N條螺旋線自所述內(nèi)端點到末端點均為順/逆時針螺旋。在本發(fā)明所述的高折射率人工電磁材料中，任一條所述螺旋線以外端點為旋轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)360/Ν度與相鄰螺旋線重合。在本發(fā)明所述的高折射率人工電磁材料中，所述螺旋線為三角形螺旋線。在本發(fā)明所述的高折射率人工電磁材料中，所述N等于4，所述螺旋線為等腰直角三角形螺旋線。在本發(fā)明所述的高折射率人工電磁材料中，所述N等于4，所述螺旋線為矩形螺旋線。在本發(fā)明所述的高折射率人工電磁材料中，任一條所述螺旋線與其相鄰螺旋線對稱。在本發(fā)明所述的高折射率人工電磁材料中，所述基材由FR-4材料制成。在本發(fā)明所述的高折射率人工電磁材料中，所述多個人造微結(jié)構(gòu)陣列排布在所述基材表面上。在本發(fā)明所述的高折射率人工電磁材料中，所述人造微結(jié)構(gòu)是由銅線或銀線構(gòu)成的。實施本發(fā)明的高折射率人工電磁材料，具有以下有益效果采用螺旋線構(gòu)成的人造微結(jié)構(gòu)，對于任一特定尺寸大小的基材單元，其在有限的基材表面面積上，能夠盡可能多的繞行，從而可以達到很高的電容和電感值進而得到很高的折射率值。


下面將結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步說明，附圖中圖I是本發(fā)明第一實施例的高折射率人工電磁材料的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2a是圖I所示高折射率人工電磁材料的其中一個材料單元的結(jié)構(gòu)圖；圖2b為圖2a所示材料單元中的人造微結(jié)構(gòu)的其中一條螺旋線的結(jié)構(gòu)圖；圖3a是本發(fā)明第二實施例的高折射率人工電磁材料的其中一個材料單元的結(jié)構(gòu)·
圖3b是圖3a所示材料單元中的人造微結(jié)構(gòu)的其中一條螺旋線的結(jié)構(gòu)圖；圖4a是本發(fā)明第三實施例的高折射率人工電磁材料的其中一個材料單元的結(jié)構(gòu)圖；圖4b是圖4a所示材料單元中的人造微結(jié)構(gòu)的其中兩條螺旋線的結(jié)構(gòu)圖；圖5a是本發(fā)明第四實施例的高折射率人工電磁材料的其中一個材料單元的結(jié)構(gòu)圖；圖5b是圖5a所示材料單元中的人造微結(jié)構(gòu)的其中兩條螺旋線的結(jié)構(gòu)圖。
具體實施例方式本發(fā)明提供一種高折射率人工電磁材料，如圖I所示，其包括至少一塊均勻等厚的基材I，當基材I有多片時，它們沿垂直于基材表面的方向?qū)盈B到一起?；腎可被虛擬地劃分為完全相同的多個立方體形的基材單元2，例如邊長為一種頻率的電磁波的波長的十分之一到五分之一的立方體。基材I可看作是由多個這樣的基材單元2以X方向為行、y方向為列、z方向為層疊方向組成的陣列，其中x、y、z方向兩兩正交垂直?；腎可由FR-4材料、環(huán)氧樹脂、陶瓷等材料制成。每個基材單元2上附著有一個人造微結(jié)構(gòu)4，基材單元2及基材單元2上的人造微結(jié)構(gòu)4共同構(gòu)成一個材料單元3，如圖2a所示，則本發(fā)明的高折射率人工電磁材料可看作是由多個材料單元3沿X、y、z三個方向陣列排布而成。人造微結(jié)構(gòu)4通常為金屬線例如銅線、銀線組成的具有一定幾何圖形的平面或立體結(jié)構(gòu)，當然，人造微結(jié)構(gòu)還可以有其他金屬材料如金線，也可以由至少兩種金屬混合而成的材料，甚至也可能采用非金屬材料制成。本發(fā)明的人造微結(jié)構(gòu)4，包括N條互不相交的螺旋線，每條螺旋線自一內(nèi)端點向外螺旋延伸至一外端點，且這N條螺旋線的外端點在同一點上，其中N為不小于3的自然數(shù)。如圖2a、2b所示，在本發(fā)明的第一實施例中，材料單元3包括立方體形的基材單元2和附著在基材單元2表面上的人造微結(jié)構(gòu)410。人造微結(jié)構(gòu)410包括4個完全相同的螺旋線510,即N = 4,每個螺旋線510自內(nèi)端點Pl逆時針向外螺旋延伸至外端點P2,且4條螺旋線510互不相交且具有同一個外端點P2。每條螺旋線510以外端點P2為旋轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)360/4 = 90度后與相鄰螺旋線重合。每條螺旋線510占據(jù)了基材單元2表面近四分之一的面積。
如圖2b所示，本實施例的螺旋線為三角形螺旋線。這里的三角形螺旋線，是指該螺旋線由多條線段依次連接而成，這些線段分為三組，每組中的各線段相互平行，在每組線段中任取一條則一共三條線段，這三條線段延伸至于相互相交得到的圖形為三角形，則這樣的螺旋線為三角形螺旋線。進一步地，本實施例的螺旋線為等腰直角三角形螺旋線，即上述三條線段延伸至相互相交得到的圖形為等腰直角三角形。圖3a、3b示出的為本發(fā)明第二實施例的材料單元3，包括與上述實施例相同的基材單元2，和附著在基材單元2表面上但與上述實施例不相同的人造微結(jié)構(gòu)420。本實施例的人造微結(jié)構(gòu)420包括4條完全相同的螺旋線520，同樣，4條螺旋線分別從各自的內(nèi)端點Pl向外順時針螺旋延伸至外端點P2，且4條螺旋線的外端點P2為同一個點。每條螺旋線自外端點P2旋轉(zhuǎn)360/4 = 90度后與相鄰螺旋線重合。每條螺旋線520占據(jù)了基材單元2表面近四分之一的面積。如圖3b所示，本實施例的螺旋線為矩形螺旋線。這里的矩形螺旋線，是指該螺旋 線由多條線段依次連接而成，且這些線段分為四組，每組中的各線段相互平行，每組中任取一條線段共四條線段，將這四條線段分別延伸至與相鄰線段連接，所形成的圖形為矩形，這樣的螺旋線為矩形螺旋線。圖4a、4b示出的是本發(fā)明的第三實施例。本實施例中的材料單元3包括與上述實施例相同的基材單元2和與上述實施例不同的一人造微結(jié)構(gòu)430。本實施例中，人造微結(jié)構(gòu)430包括4條完全相同的第一螺旋線530和另4條完全相同的第二螺旋線531，N = 8。第一、第二螺旋線530、531分別從各自的內(nèi)端點P10、P11向外順時針螺旋至外端點P20、P21，且外端點P20、P21在同一點上。一個第一螺旋線530和一個第二螺旋線531所組成的線結(jié)構(gòu)，其繞外端點P20旋轉(zhuǎn)90度后與相鄰的另一線結(jié)構(gòu)重合。如圖4b所示，第一螺旋線530、第二螺旋線531均為等腰直角三角形螺旋線，任一第一螺旋線530或第二螺旋線531占據(jù)基材單元2表面面積的八分之一。圖5a、5b示出的是本發(fā)明的第四實施例。其材料單元3同樣包括基材單元2和附著在基材單元2表面上的人造微結(jié)構(gòu)440。該人造微結(jié)構(gòu)440包括8個完全相同的螺旋線540/541，且任意相鄰兩螺旋線540。541對稱分布。如圖5b所示，螺旋線540/541為直角三角形螺旋線，自內(nèi)端點P10/P11向外螺旋至外端點P20/P21，每條螺旋線占據(jù)基材單元2表面面積的八分之一。當然，本發(fā)明還有其他多種可實現(xiàn)方式，凡是具有多條互不相交且共外端點的螺旋線，這樣的結(jié)構(gòu)均可作為本發(fā)明的人工電磁材料的人造微結(jié)構(gòu)。采用這樣的人造微結(jié)構(gòu)，對于任一特定尺寸大小的基材單元，其在有限的基材單元表面面積上，能夠盡可能多的繞行，因此相對于傳統(tǒng)的人工電磁材料其人造微結(jié)構(gòu)的“工”字形或“U”字形，本發(fā)明的人造微結(jié)構(gòu)其線長要長得多。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)已知，每個人造微結(jié)構(gòu)可以等效為電感、電容和電阻，其線長長度的改變可以改變其等效電感值，而相鄰兩走線間相對的長度乘以線的厚度等效為電容兩極板的相向面積。因此，對于一個特定的材料單元，在其他條件都相同的情況下，人造微結(jié)構(gòu)的線長越長，等效電感值和電容值也越大，則該材料單元的介電常數(shù)也越大，根據(jù)公式n = 可知，折射率η也越高。優(yōu)選地，本發(fā)明中人造微結(jié)構(gòu)的螺旋線盡量選擇有直角的，且直角邊靠近基材單元2表面的四條邊，使得基材單元2表面的四角和邊緣空間得到充分利用，以盡可能多地繞線，從而提高材料的折射率。而現(xiàn)有技術(shù)的人工電磁材料，其“工”或“U”字形人造微結(jié)構(gòu)閑置了大部分基材單元表面空間，因而線長遠遠小于本發(fā)明，進而折射率也無法達到很高的程度，而本發(fā)明則可以獲得很高的介電常數(shù)和折射率，例如本發(fā)明的實施例中，當基材單元表面積為I. 4mmX I. 4mm,基材材料為FR-4,人造微結(jié)構(gòu)的四側(cè)邊緣離基材單元表面的四個邊緣均為O. 05mm，采用線寬為O. Imm的銅線為人造微結(jié)構(gòu)，在13GHz的頻率下，本發(fā)明的人工電磁材料的折射率可高達6. O。上面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例進行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實施方式
，上述的具體實施方式
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)利要求所保護的范圍情況下，還可做出很多形式，這些均屬于本發(fā)明的保護之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種高折射率人工電磁材料，包括非金屬材料制成的基材和附著在基材上的多個人造微結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述人造微結(jié)構(gòu)包括N條互不相交的螺旋線，其中N為不小于3的自然數(shù)；每條螺旋線自一內(nèi)端點向外螺旋至一外端點，所述N條螺旋線共一外端點。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高折射率人工電磁材料，其特征在于，所述N條螺旋線自所述內(nèi)端點到末端點均為順/逆時針螺旋。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高折射率人工電磁材料，其特征在于，任一條所述螺旋線以外端點為旋轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)360/N度與相鄰螺旋線重合。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高折射率人工電磁材料，其特征在于，所述螺旋線為三角形螺旋線。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高折射率人工電磁材料，其特征在于，所述N等于4，所述螺旋線為等腰直角三角形螺旋線。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高折射率人工電磁材料，其特征在于，所述N等于4，所述螺旋線為矩形螺旋線。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高折射率人工電磁材料，其特征在于，任一條所述螺旋線與其相鄰螺旋線對稱。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高折射率人工電磁材料，其特征在于，所述基材由FR-4材料制成。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高折射率人工電磁材料，其特征在于，所述多個人造微結(jié)構(gòu)陣列排布在所述基材表面上。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高折射率人工電磁材料，其特征在于，所述人造微結(jié)構(gòu)是由銅線或銀線構(gòu)成的。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高折射率人工電磁材料，包括非金屬材料制成的基材和附著在基材上的多個人造微結(jié)構(gòu)，所述人造微結(jié)構(gòu)包括N條互不相交的螺旋線，N為不小于3的自然數(shù)；每條螺旋線自一內(nèi)端點向外螺旋至一外端點，所述N條螺旋線共一外端點。采用螺旋線構(gòu)成的人造微結(jié)構(gòu)，其在有限的基材表面面積上，能夠盡可能多的繞行，因此人造微結(jié)構(gòu)的線長很長，從而可以達到很高的介電常數(shù)進而得到很高的折射率值。
文檔編號H01Q15/00GK102891367SQ20111012000
公開日2013年1月23日 申請日期2011年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月10日
發(fā)明者劉若鵬, 欒琳, 寇超峰, 何方龍 申請人: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