一種電磁透明的超材料的製作方法
2023-04-28 18:15:06
專利名稱：一種電磁透明的超材料的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種超材料，尤其涉及一種具有電磁透明的超材料。
背景技術：
電磁透明材料是指能透過電磁波且幾乎不改變電磁波的性質(包括能量)的材料。其廣泛應用於航空、航天、軍事裝備以及無線電裝備等領域，其功能為滿足微波-毫米波信號的接收、傳輸、放大、混頻、發射等性能要求或避免入射電磁波大量反射從而達到避開對方雷達探測的目的。傳統的電磁透明材料是採用纖維增強樹脂基複合材料，該樹脂基複合材料的透明性能與纖維種類、樹脂基體以及複合材料界面性能相關，纖維和樹脂基體對材料透明性能的影響取決於其本身的介電特性。由於此類傳統電磁透明材料其透明性能取決於其材質本身的透明特性，當外部環境較惡劣，例如高溫高壓時，傳統電磁透明材料的
物理特性與透明特性均受限制，因此其適應面窄。且傳統電磁透明材料的電磁參數調節複雜，針對不同的電磁波頻段需要分別調節傳統電磁透明材料的成分以及組分，其需要大量的實驗驗證並且製作成本高。
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不足，利用超材料設計技術提出一種結構簡單、適應面廣的電磁透明的超材料。本發明解決其技術問題所採用的技術方案是提供一種電磁透明的超材料，其包括基材、周期排列於該基材內部的人造金屬微結構；當電磁波通過該超材料時，該人造金屬微結構在垂直該電磁波入射的方向和平行該電磁波入射的方向等效為兩個相同的由電感支路以及對稱並聯於該電感支路的兩條相同的電容支路組成的二維電路，該二維電路對應於該電磁波的頻段使得該電磁波通過該超材料時該超材料的介電常數和磁導率均基本為I。該人造金屬微結構包括共中點相互交叉的第一金屬分支、第二金屬分支和第三金屬分支，該第一金屬分支平行於該電磁波入射方向；兩條第四金屬分支和兩條第五金屬分支中點位於該第一金屬分支兩端且分別與該第二金屬分支和該第三金屬分支等長且平行；兩條第六金屬分支中點位於該第二金屬分支兩端且與該第一金屬分支等長且平行；兩條第七金屬分支中點位於該第三金屬分支兩端且與該第一金屬分支等長且平行；該第六金屬分支和該第四金屬分支構成該人造金屬微結構的第一平面，該第五金屬分支和該第七金屬分支構成該人造金屬微結構的第二平面；每條該第四金屬分支和每條該第五金屬分支分別對稱於其中點設置有至少一對缺口結構。該缺口結構由每條該第四金屬分支和每條該第五金屬分支斷裂開口而成。該斷裂開口兩端還連接有相對的兩第八金屬分支。該相對的兩第八金屬分支為直線型金屬分支或圓弧形金屬分支。該第一金屬分支、該第二金屬分支和該第三金屬分支共中心點相互垂直交叉且該第一金屬分支、該第二金屬分支和該第三金屬分支長度相等。該基材由多個片狀基材組合而成，每一該片狀基材上附著有多個金屬分支；當多個該片狀基材組合後，附著在多個該片狀基材上的多個該金屬分支組合為該人造金屬微結構。該基材為玻璃、FR-4、F4B、環氧樹脂、聚乙烯、聚丙烯、橡膠、聚丙乙烯中的一種或幾種。該人造金屬微結構是通過蝕刻、電鍍、鑽刻、光刻、電子刻、離子刻附著於該基材。本發明通過設計一種超材料的人造金屬微結構並將其周期排列於基材內部使得超材料具有特定的電磁響應，當電磁波通過該超材料時其傳播路徑不會發生偏折、傳播方向也不會發生改變。本發明採用不同於傳統電磁透明材料的透波原理，使電磁波透明特性不拘於基材材質從而極大提高電磁透明材料的適用範圍。進一步地，本發明人造金屬微結構設計為在各方向對稱，從而使得人造金屬微結構具有各項同性即超材料在空間中各點的 介電常數和磁導率的每一個方向的分量都不隨位置變化而改變從而進一步地擴大了本發明的適用範圍。更進一步地，由於調節人造金屬微結構的尺寸即可調節本發明電磁透明的超材料的電磁參數，因此其具有製造成本低且電磁參數調節方便的優點。
圖I (a)為本發明電磁透明的超材料在垂直電磁波入射的方向等效而成的二維電路圖；圖1(b)為本發明電磁透明的超材料在平行電磁波入射的方向等效而成的二維電路圖；圖2為本發明電磁透明的超材料基本單元的整體立體結構示意圖；圖3為本發明電磁透明的超材料人造金屬微結構立體示意圖。
具體實施例方式超材料是由具有一定圖案形狀的人造金屬微結構按照特定方式周期排列於基材中而構成。人造金屬微結構不同的圖案形狀和排列方式使得超材料具有不同的介電常數和不同的磁導率從而使得超材料具有不同的電磁響應。本發明利用超材料上述原理設計一種對特定頻段內的電磁波呈透明特性的超材料。所謂「透明特性」是指特定頻段的電磁波通過超材料時該超材料所表現出來的介電常數和磁導率均基本為1，即折射率基本為1，從而該特定頻段的電磁波通過該超材料後其傳播路徑不會發生偏折、傳播方向也不會發生改變。本發明的超材料的介電常數和磁導率均基本為I是指介電常數和磁導率在±10%浮動均為可接受範圍。並且由於本發明相對於空氣其相對介電常數和相對磁導率相等，因此本發明電磁透明的超材料相對於空氣亦具有阻抗匹配的功能。本發明設計原理如下設計一種人造金屬微結構並將其周期排列於基材內部；當電磁波通過該超材料時，該人造金屬微結構在垂直該電磁波入射的方向和平行該電磁波入射的方向等效為兩個相同的由電感支路以及對稱並聯於該電感支路的兩條相同的電容支路組成的二維電路，如圖1(a)和圖1(b)所示。該二維電路對應於該電磁波的頻段使得該電磁波通過該超材料時該超材料的介電常數和磁導率均基本為I。下面詳細論述本發明設計過程根據實際需要確定一電磁波的頻段，該頻段的電磁波通過超材料時呈透明特性；設計初始人造金屬微結構並確定該初始人造金屬微結構的各個金屬分支的尺寸和各個金屬分支之間的間隔，該些不同尺寸的金屬分支和各個金屬分支之間的間隔在該電磁波通過該初始人造金屬微結構時即可等效為本發明設計原理中的等效二維電路中的等效電感元件和等效電容元件，該些等效電感元件和該些等效電容元件使得該初始人造金屬微結構等效為具有一諧振頻段的LC諧振電路，應調節該LC諧振電路的諧振頻段偏離於所需使用電磁波的頻段使得相對介電常數和相對磁導率均基本為1，從而達到本發明的設計要求，該諧振頻段可通過公式W - I 得到；由於在高頻微波電路設計中，節點電路理論已不再適用因而 需要採用分布參數電路的分析方法也就是微波網絡法來分析電路，其中微波網絡法中散射參數(S參數)是最重要的參數，S參數是建立在入射波、反射波關係基礎上的網絡參數，適於微波電路分析，以器件埠的反射信號以及從該埠傳向另一埠的信號來描述電路網絡，因此本領域技術人員可知通過S參數來等效描述等效電路中的LC諧振現象。現有的針對射頻和微波應用的綜合和分析工具幾乎都具有用S參數進行仿真的能力，例如應用最廣泛的安捷倫公司的ADS(Adva need DesignSystem);運用上述計算機仿真軟體對初始人造金屬微結構進行計算機仿真得出附著有初始人造金屬微結構的超材料的初始S參數值(包括反射係數S11和透射係數S21)，通過公式
I |(1-f S11)-^sj1
I.i. *... ....計算出附著有初始人造金屬微結構的超材料的折射率η、阻抗ζ、介電常數ε、磁導率μ。由於本發明的目的在於使得超材料的折射率η基本等於1，因此在得到附著有初始人造金屬微結構的超材料的折射率後必須調整初始人造金屬微結構各個金屬分支的尺寸和/或各個金屬分支之間的間隔甚至可能重新設計初始人造金屬微結構，而後繼續進行仿真計算直至得到需要的折射率。運用上述設計原理和上述設計過程可得到不同的符合要求的人造金屬微結構，下面選取其中一種進行詳細說明。請參照圖2，圖2為本發明電磁透明的超材料的基本單元的整體立體結構示意圖。超材料包括多個人造金屬微結構I和基材。基材被劃分為多個結構單元2，人造金屬微結構I則被附著於多個結構單元2中。一個人造金屬微結構I和一個結構單元2構成了超材料的基本單元100，超材料整體可看成由無數基本單元100陣列排布而成。基材的材質可為多種，由於本發明需要使得電磁波通過超材料時基本不產生損耗，因此除了人造金屬微結構的特殊電磁響應外，為了達到更好的效果，基材可選取電磁損耗小的各類常規材料，例如玻璃、FR-4、F4B、環氧樹脂、聚乙烯、聚丙烯、橡膠、聚丙乙烯等。在基材內部構成人造金屬微結構的方法通常包括兩種，一種是通過蝕刻、電鍍、鑽亥IJ、光刻、電子刻、離子刻等將整個人造金屬微結構周期排列於基材內部；另一種是採用片狀基材，其中多個片狀基材上按照所需人造金屬微結構的立體和平面方位排列要求附著有各種形狀的金屬分支，該些片狀基材組合後附著在各個片狀基材上的各種形狀的金屬分支構成了所需的人造金屬微結構，採用此種方法能方便的調節各類金屬分支的尺寸和間隔。接下來請參照圖3，圖3為本發明電磁透明的超材料的一種人造金屬微結構立體示意圖。圖3中，人造金屬微結構包括共中點相互交叉的第一金屬分支11、第二金屬分支12和第三金屬分支13,該第一金屬分支11平行於電磁波入射方向；兩條第四金屬分支14和兩條第五金屬分支15中點位於該第一金屬分支11兩端且分別與該第二金屬分支12和該第三金屬分支13等長且平行；兩條第六金屬分支16中點位於該第二金屬分支12兩端且與該第一金屬分支11等長且平行；兩條第七金屬分支17中點位於該第三金屬分支13兩端且與該第一金屬分支11等長且平行；該第六金屬分支16和該第四金屬分支14構成該人造金屬微結構的第一平面，該第五金屬分支15和該第七金屬分支17構成該人造金屬微結構的第二平面；每條該第四金屬分支14和每條該第五金屬分支15分別對稱於其中點設置有至少一對缺口結構。當入射方向平行於第一金屬分支11的電磁波通過超材料時，各個金屬分支等效為等效電感，同時缺口結構等效為等效電容，各個等效電感和等效電容在平行於該電磁波 入射的方向和垂直於該電磁波入射的方向構成了如圖1(a)和圖1(b)所示的等效電路圖。為了擴大等效電容，本實施例中缺口結構由該各條第四金屬分支14和各條第五金屬分支15斷裂開口而成，且各斷裂開口處還包括相對設置的兩條第八金屬分支18。第八金屬分支18的形狀可為多種，例如利用圓弧形金屬分支擴大金屬線面積從而增大電容，本實施例中為簡化整體人造金屬結構的製造工藝而採用直線型金屬分支。另外，為了擴大本發明的實用範圍，本實施例中第一金屬分支11、第二金屬分支12、第三金屬分支13共中心點相互垂直交叉且第一金屬分支11、第二金屬分支12和第三金屬分支13長度相等。採用此種設計使得本實施例中人造金屬微結構在各個方向成對稱結構從而使得超材料整體的電磁響應具有各項同性，即超材料在空間中各點的介電常數和磁導率的每一個方向的分量都不隨位置變化而改變。因此入射方向平行於第一金屬分支11且具有特定頻段的電磁波通過超材料任意一點時都具有相同的透明特性。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
1.一種電磁透明的超材料，其特徵在於包括基材、周期排列於該基材內部的多個人造金屬微結構；當電磁波通過該超材料時，該人造金屬微結構在垂直該電磁波入射的方向和平行該電磁波入射的方向等效為兩個相同的由電感支路以及對稱並聯於該電感支路的兩條相同的電容支路組成的ニ維電路，該ニ維電路對應於該電磁波的頻段使得該電磁波通過 該超材料時該超材料的介電常數和磁導率均基本為I。
2.如權利要求I所述的電磁透明的超材料，其特徵在於該人造金屬微結構包括共中點相互交叉的第一金屬分支、第二金屬分支和第三金屬分支，該第一金屬分支平行於該電磁波入射方向；兩條第四金屬分支和兩條第五金屬分支中點位於該第一金屬分支兩端且分別與該第二金屬分支和該第三金屬分支等長且平行；兩條第六金屬分支中點位於該第二金屬分支兩端且與該第一金屬分支等長且平行；兩條第七金屬分支中點位於該第三金屬分支兩端且與該第一金屬分支等長且平行；該第六金屬分支和該第四金屬分支構成該人造金屬微結構的第一平面，該第五金屬分支和該第七金屬分支構成該人造金屬微結構的第二平面；每條該第四金屬分支和每條該第五金屬分支分別對稱於其中點設置有至少ー對缺ロ結構。
3.如權利要求2所述的電磁透明的超材料，其特徵在於該缺ロ結構由每條該第四金屬分支和每條該第五金屬分支斷裂開ロ而成。
4.如權利要求3所述的電磁透明的超材料，其特徵在於該斷裂開ロ兩端還連接有相對的兩第八金屬分支。
5.如權利要求4所述的電磁透明的超材料，其特徵在於該相對的兩第八金屬分支為直線型金屬分支或圓弧形金屬分支。
6.如權利要求2所述的電磁透明的超材料，其特徵在於該第一金屬分支、該第二金屬分支和該第三金屬分支共中心點相互垂直交叉且該第一金屬分支、該第二金屬分支和該第三金屬分支長度相等。
7.如權利要求I所述的電磁透明的超材料，其特徵在於該基材由多個片狀基材組合而成，每ー該片狀基材上附著有多個金屬分支；當多個該片狀基材組合後，附著在多個該片狀基材上的多個該金屬分支組合為該人造金屬微結構。
8.如權利要求I所述的電磁透明的超材料，其特徵在於該基材為玻璃、FR-4、F4B、環氧樹脂、聚こ烯、聚丙烯、橡膠、聚丙こ烯中的ー種或幾種。
9.如權利要求I或7所述的電磁透明的超材料，其特徵在於該人造金屬微結構是通過蝕刻、電鍍、鑽刻、光刻、電子刻、離子刻附著於該基材。
全文摘要
本發明涉及一種電磁透明的超材料，其包括基材、周期排列於該基材內部的多個人造金屬微結構；當電磁波通過該超材料時，該人造金屬微結構在垂直該電磁波入射的方向和平行該電磁波入射的方向等效為兩個相同的由電感支路以及對稱並聯於該電感支路的兩條相同的電容支路組成的二維電路，該二維電路對應於該電磁波的頻段使得該電磁波通過該超材料時該超材料的介電常數和磁導率均基本為1。本發明採用不同於傳統電磁透明材料的透波原理，使電磁波透明特性不拘於基材材質從而極大大提高電磁透明材料的適用範圍。
文檔編號H01Q15/00GK102856652SQ20111006187
公開日2013年1月2日 申請日期2011年3月15日 優先權日2011年3月15日
發明者劉若鵬, 欒琳, 廖臻, 趙治亞 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