一種異形人工電磁材料的製作方法
2023-07-05 12:21:51
專利名稱：一種異形人工電磁材料的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種人工電磁材料，更具體地說，涉及一種異形人工電磁材料。
背景技術：
人工電磁材料(Metamaterial),又稱超材料,是一種新型人工合成材料，是由非金屬材料製成的基材和附著在基材表面上或嵌入在基材內部的多個金屬微結構構成的。金屬微結構是組成一定幾何圖形的圓柱形或扁平狀金屬絲，例如組成圓環形、I形的金屬絲等。每個金屬微結構及其附著或佔據的部分基材構成一個材料單元，整個超材料即是由數十萬、百萬甚至上億的這樣的單元組成的，就像晶體是由無數的晶格按照一定的排布構成的，每個晶格即相當於上述的金屬微結構及基材構成的單元。
由於金屬微結構的存在，每個上述材料單元整體具有一個等效的介電常數和磁導率，因此所有的單元構成的超材料對電場和磁場呈現出特殊的響應特性；同時，對金屬微結構設計不同的具體結構和形狀，可改變其單元的介電常數和磁導率，進而改變整個超材料的響應特性。
現有技術的超材料，通常都是由一片片基材組合而成，每片基材通常為矩形或正方形片，其邊緣平整，裁剪整齊。因此，在設計每個金屬微結構時，通常將每個基材片劃分成多個陣列排布的完全相同的小正方形塊，每個小正方形塊即為一個基材單兀，且基材單兀的邊分別與基材片的長或寬平行，從而使基材被充分劃分。
但是，在一些特殊的應用場合下，可能要求基材不是規整的矩形或正方形等方塊材料，其表面可能凸凹不平，用正方形來劃分基材，不能將表面的凸凹部分劃分在內，則這一部分需要單獨考慮和設計其人造微結構，增加了設計的難度。發明內容
本發明要解決的技術問題在於，針對現有技術的上述缺陷，提供一種便於設計、提高生產效率的異形人工電磁材料。
本發明解決其技術問題所採用的技術方案是構造一種異形人工電磁材料，包括基材和附著在基材上的多個人造微結構，所述人造微結構分布使得基材虛擬地劃分為多個相同的基材單元後每個基材單元上附著有至少一個人造微結構，所述基材單元為多邊形稜柱。
在本發明所述的異形人工電磁材料中，所述基材單元為正多邊形稜柱。
在本發明所述的異形人工電磁材料中，所述基材單元為正立方體，且所述基材表面方向不平行於所述正立方體的任一條邊。
在本發明所述的異形人工電磁材料中，所述基材單元為正六邊形稜柱。
在本發明所述的異形人工電磁材料中，所述基材單元為正三稜柱。
在本發明所述的異形人工電磁材料中，所述人造微結構為旋轉90度對稱結構。
在本發明所述的異形人工電磁材料中，所述人造微結構為旋轉60度對稱結構。
在本發明所述的異形人工電磁材料中，所述人造微結構為旋轉120度對稱結構。
在本發明所述的異形人工電磁材料中，所述人造微結構為由銅線或銀線構成的幾何圖案。
在本發明所述的異形人工電磁材料中，所述多邊形稜柱的當量直徑小於所述異形人工電磁材料將要響應的入射電磁波的波長的十分之一。
實施本發明的異形人工電磁材料，具有以下有益效果用多邊形稜柱作為基材單元的形狀來劃分每個基材，使得基材被充分劃分以便於設計和仿真的同時，最外層的一圈多邊形稜柱外輪廓所連成的凸凹不平的曲面能夠擬合非方塊形的、表面粗糙或成鋸齒形的異形人工電磁材料，又利於簡化設計和仿真過程，縮短研發周期。
下面將結合附圖及實施例對本發明作進一步說明，附圖中
圖1是現有技術的人工電磁材料的結構示意圖2是本發明第一實施例的異形人工電磁材料的結構示意圖3是本發明第二實施例的異形人工電磁材料的結構示意圖4是圖3所示異形人工電磁材料中的一個材料單元的結構示意圖5是本發明第三實施例的異形人工電磁材料的結構示意圖6是圖5所示異形人工電磁材料中的一個材料單元的結構示意圖。
具體實施方式
本發明涉及一種表面形狀不規則的人工電磁材料，也即異形人工電磁材料。由於在設計人工電磁材料的時候，需要預先設定材料單元的形狀，然後將整個基板虛擬地劃分為一個個與之形狀相同的基材單元，設計每個基材單元上所附著的人造微結構的形狀、尺寸，從而模擬仿真出這個·人造微結構及其附著的基材單元共同構成的一個材料單元的電磁響應特性，最後將所有的材料單元的特性擬合到具有所需要的特徵為止，從而使整個材料最終達到特定的功能。
現有的劃分方案通常都是採用立方體形基材單元，如圖1所示，基材單元10沿立方體的三個相互垂直的邊所對應的三個正交方向陣列。這樣得到的基材I為立方體或矩形片狀結構或塊狀結構，其表面平整。當基材表面粗糙，成鋸齒狀或凸凹不平時，這部分粗糙面則不能用與上述統一的基材單元來劃分，需要設計另一划分方案，並單獨仿真其電磁響應特性，再考慮其電磁參數對整體的材料特性和功能有何種影響。
顯然，這樣會延長設計周期，增加設計難度。本發明解決這個問題的發明點在於， 採用多邊形稜柱來替代傳統的立方體作為基材單元的形狀。當然，多邊形稜柱是包括立方體的，但是本文裡適用於本發明的立方體僅指其陣列方向不平行於位於該陣列平面上的兩條相互垂直的邊時的立方體，如圖2所示，人工電磁材料有兩片基材1，且沿z方向堆疊到一起，每片基材I劃分為完全相同的立方體基材單元10，這些基材單元10以y方向為行、X 方向為列陣列，且每兩行基材單元10之間的間隙處也形成為一行同樣大小、與之交錯的立方體基材單元。在XY陣列平面上的一個基材單元陣列的每個基材單元10的邊均與X方向或Y方向成45度或135度，而不是平行或垂直於X、Y方向，而基材表面的方向則是沿Χ、Υ、Z方向延伸的。
採用這樣的基材單元10，可以用邊緣的一圈基材單元10的表面尖角所連成的鋸齒形表面來擬合所需要的異形人工電磁材料的粗糙表面，使得基材可以全部用同樣的基材單元來劃分，在設計人工電磁材料時無需另外設計和計算異形人工電磁材料的粗糙表面上的電磁響應特性，從而縮短設計周期。
由於本實施例的基材單元10為立方體形，可將人造微結構2設計為旋轉90度對稱結構，即以一垂直於該結構的軸為旋轉軸，任意旋轉90度後其結構與原結構重合，則該結構為旋轉90度對稱結構。採用這樣的結構，可以使整個人工電磁材料，任意旋轉90度都與原始方位的材料具有相同的電磁特性。
對於不同的粗糙表面形狀，可以設計不同的多邊形稜柱來擬合，以便儘可能精確地達到粗糙表面的凸凹效果。
例如，對於圖3所示的基材形狀，可以用圖4所示的基材單元形狀即正六稜柱來劃分，使得基材可以完全用六稜柱劃分而無冗餘，且每個基材單元10上都設置有人造微結構 2。
同樣，對於正六邊形稜柱，為了實現六個方向上的電磁響應都相同，使基材可以任意方向放置而實現相同的電磁響應功能，其基材單元10上的人造微結構2優選為旋轉60 度對稱結構，即該結構以垂直於該人造微結構的一直線為旋轉軸任意旋轉60度後與原結構重合。
這樣的人造微結構2有多種是實現形式，例如圖4所示的六條相同的螺旋線構成的結構，也可以是圖5、圖6所示的雪花形對稱結構。
當然，多邊形稜柱除了立方體、正六邊形稜柱還有很多種形狀，例如還可以是正三稜柱，對應的人造微結構可以設計成旋轉120度對稱結構；基材單元除了正多邊形稜柱，還可以是不規則多邊形稜柱，只要是能確保相同的多邊形稜柱能將基材劃分完全而無空餘部分不能得到劃分，這樣的多邊形稜柱均可適用於本發明中。
需要說明的是，基材單元的尺寸是有限度的，傳統的立方體形基材單元，其邊長要小於將要響應的入射電磁波的波長，通常在其波長的十分之一以內。同樣，本發明中採用多邊形稜柱來替代傳統形式的立方體，但其尺寸仍需要在有效範圍內，即其當量直徑必須小於將要響應的入射電磁波的波長，優選為小於此波長的十分之一。這裡的當量直徑，是指多邊形稜柱的多邊形的面積除以自身周長得到的值。
本發明的基材通常選用聚四氟乙烯、環氧樹脂、陶瓷等材料，人造微結構為由銅線或銀線構成的幾何圖案，這些銅線或銀線通常是通過鍍層後蝕刻的方法、當然也可以用其他工藝而附著到基材表面上的。
上面結合附圖對本發明的實施例進行了描述，但是本發明並不局限於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，本領域的普通技術人員在本發明的啟示下，在不脫離本發明宗旨和權利要求所保護的範圍情況下，還可做出很多形式 ，這些均屬於本發明的保護之內。
權利要求
1.一種異形人工電磁材料，包括基材和附著在基材上的多個人造微結構，所述人造微結構分布使得基材虛擬地劃分為多個相同的基材單元後每個基材單元上附著有至少一個人造微結構，其特徵在於，所述基材單元為多邊形稜柱。
2.根據權利要求1所述的異形人工電磁材料，其特徵在於，所述基材單元為正多邊形稜柱。
3.根據權利要求2所述的異形人工電磁材料，其特徵在於，所述基材單元為正立方體，且所述基材表面方向不平行於所述正立方體的任一條邊。
4.根據權利要求2所述的異形人工電磁材料，其特徵在於，所述基材單元為正六邊形稜柱。
5.根據權利要求2所述的異形人工電磁材料，其特徵在於，所述基材單元為正三稜柱。
6.根據權利要求3所述的異形人工電磁材料，其特徵在於，所述人造微結構為旋轉90度對稱結構。
7.根據權利要求4所述的異形人工電磁材料，其特徵在於，所述人造微結構為旋轉60度對稱結構。
8.根據權利要求5所述的異形人工電磁材料，其特徵在於，所述人造微結構為旋轉120度對稱結構。
9.根據權利要求1所述的異形人工電磁材料，其特徵在於，所述人造微結構為由銅線或銀線構成的幾何圖案。
10.根據權利要求1所述的異形人工電磁材料，其特徵在於，所述多邊形稜柱的當量直徑小於所述異形人工電磁材料將要響應的入射電磁波的波長的十分之一。
全文摘要
本發明涉及一種異形人工電磁材料，包括基材和附著在基材上的多個人造微結構，所述人造微結構分布使得基材虛擬地劃分為多個相同的基材單元後每個基材單元上附著有至少一個人造微結構，所述基材單元為多邊形稜柱。用多邊形稜柱作為基材單元的形狀來劃分每個基材，使得基材被充分劃分以便於設計和仿真的同時，最外層的一圈多邊形稜柱外輪廓所連成的凸凹不平的曲面能夠擬合非方塊形的、表面粗糙或成鋸齒形的異形人工電磁材料，又利於簡化設計和仿真過程，縮短研發周期。
文檔編號H01Q15/00GK103036033SQ20111016387
公開日2013年4月10日 申請日期2011年6月17日 優先權日2011年6月17日
發明者劉若鵬, 欒琳, 寇超峰 申請人:深圳光啟高等理工研究院, 深圳光啟創新技術有限公司