专利名称：一种具有高介电常数的各向同性的超材料的制作方法
技术领域：
本发明涉及超材料领域，更具体地说，涉及ー种具有高介电常数的各向同性的超材料。
背景技术：
介电常数是材料对电场响应的ー个參数，材料在外加电场时会产生感应电荷而削弱电场，原真空中的外加电场与最终材料中电场的比值即为介电常数。自然界中，任何ー种材料在特定的条件下，都有它特定的介电常数值或者介电常数曲线。介电常数较高的材料放在电场中，电场的强度会在电介质材料内有可观的下降。介电常数高的材料，如介电绝缘体，通常用来制造电容。而且在高介电常数材料中，电磁波波·长很短，可以大大缩小射频及微波器件的尺寸。随着技术日新月异的发展，人们对材料的应用要求越来越高，在某些场合，所需要的介电常数值远高于自然界已有的材料的介电常数值，现有的介电常数较高的介电绝缘体也不能达到要求，这将为技术和产品研发造成瓶颈。实际上，自然存在的材料都很难实现这种要求，因此，人们转向人工制造的超材料，以期实现上述技术目的。超材料是ー种具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构材料，通过对微结构的有序排列，改变了空间中每点的相对介电常数和磁导率。超材料可以在一定范围内实现普通材料无法具备的介电常数和磁导率，从而可以有效控制电磁波的传播特性。超材料包括由具有一定图案形状的金属线构成的人造微结构和人造微结构所附着的基材。多个人造微结构在基材上阵列排布，基材对人造微结构起到支撑作用，可为任何与人造微结构不同的材料。这两种材料的叠加会在空间中产生ー个等效介电常数与磁导率，这两个物理參数分别对应了材料整体的电场响应与磁场响应。超材料对电磁响应的特征是由人造微结构的特征所决定，而人造微结构的电磁响应很大程度上取决于其金属线的图案所具有的拓扑特征和超材料単元尺寸。超材料単元尺寸取决于人造微结构需要响应的电磁波频率，通常人造微结构的尺寸为所需响应的电磁波波长的十分之一，否则空间中由人造微结构所组成的排列在空间中不能被视为连续。各向同性的超材料可以对任何方向的电场均产生响应，在各个方向上的物理性能指标都相同，目前各向同性的超材料生产エ艺中通常采用如图I所示的“十”形人造微结构去改变空间中的介电常数分布，相互垂直的金属线对改变介电常数起关键作用，根据超材料的特性可知超材料可以看作由附着人造微结构的基材单元阵列排布而成，单个基材单元的尺寸通常为电磁波波长的五分之一到十分之一之间。因此在有限的空间里“十”形人造微结构中相互垂直金属线的尺寸改变的范围有限，因此介电常数可改变的范围也是有限的。
发明内容
本发明要解决的技术问题在干，针对现有技术的缺陷，提供ー种具有高介电常数的各向同性的超材料。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是ー种具有高介电常数的各向同性的超材料，包括基材和附着在所述基材上的人造微结构，所述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，所述支路包括至少ー个弯折部，任一所述支路以所述交点为圆心依次顺时针旋转90度、180度和270度后分别与其他三个支路重合。在本发明的优选实施方式中，所述弯折部弯折为直角。 在本发明的优选实施方式中，所述弯折部弯折为圆角。在本发明的优选实施方式中，所述弯折部弯折为尖角。在本发明的优选实施方式中，所述支路的自由端连接有ー线段。在本发明的优选实施方式中，所述支路的自由端与所述线段的中点相连。在本发明的优选实施方式中，所述人造微结构通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻等方式附着于所述基材上。在本发明的优选实施方式中，所述基材为陶瓷材料。在本发明的优选实施方式中，所述基材为高分子材料或者聚四氟こ烯。在本发明的优选实施方式中，所述基材为铁电材料、铁氧材料或者铁磁材料。实施本发明具有以下有益效果本发明通过改变现有“十”形人造微结构中各个分支的结构，増加了金属线的长度，经过仿真，结果显示，在非常宽的一段频率上，具有这种人造微结构的各向同性的超材料的介电常数非常平稳，且与具有“十”形人造微结构的超材料相比，介电常数和折射率有非常显著地提高。这种高介电常数的各向同性的超材料可以应用在天线制造以及半导体制造等领域，而且该技术方案由于突破了现有技术中单位体积内介电常数受限的缺陷，对微波器件的小型化产生也会产生不可估量的作用。
下面将结合附图及实施例对本发明作进ー步说明，附图中图I是现有技术中“十”形人造微结构的示意图；图2是本发明提出的第一种人造微结构的结构示意图；图3是包含第一种人造微结构的超材料的结构示意图；图4是本发明提出的第二种人造微结构的结构示意图；图5是包含第二种人造微结构的超材料的结构示意图；图6是本发明提出的第三种人造微结构的结构示意图；图7是包含第三种人造微结构的超材料的结构示意图；图8是本发明提出的第四种人造微结构的结构示意图；图9是包含第四种人造微结构的超材料的结构示意图；图10是本发明提出的第五种人造微结构的结构示意图、；图11是包含第五种人造微结构的超材料的结构示意图；图12是本发明提出的第六种人造微结构的结构示意图；图13是包含第六种人造微结构的超材料的结构示意图。
具体实施方式
本发明提供ー种新型的各向同性的超材料，相对于现有的超材料，通过改变其中人造微结构的拓扑形状提高了超材料的介电常数。如图3所示，超材料包括至少ー块均匀等厚的基板1，若有多块基板I则基板I沿垂直于基板平面的方向(z轴方向)依次堆叠，并通过组装或者在每两块基板I之间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基板I粘合，从而使多块基板I构成ー个整体。基板I可由FR-4、F4b、CEMl、CEM3或者TP-I等高介电常数陶瓷材料构成。将每块基板I虚拟地划分成多个完全相同的相互紧挨着的立方体基材单元，这些基材单元以X轴方向为行、以与之垂直的y轴方向为列依次阵列排布。基材单元的边长通常为入射电磁波波长的五分之一到十分之一之间。每个基材单元上附着有ー个人造微结构2，基材单元和基材单元上的人造微结构2共同构成ー个超材料単元3，如图3所示，本发明的超材料可看作是由多个超材料单元3沿X、y、z三个方向阵列排布而成。人造微结构2通常为金属线例如铜线或者银线构成的具有一定几何图形的平面或立体结构，其中，金属线可以是剖面为圆柱状或者扁平状的铜线、银线等，金属线的剖面 也可以为其他形状。如图2所示，在本实施例中，人造微结构包括共交点0的四个支路A、B、 C和D，该四个支路中的每个支路的一端与交点0相连，另一端为自由端，每个支路包括多个弯折部，每个弯折部弯折为直角，任一支路以交点0为圆心依顺时针方向旋转90度、180度和270度后分别与其他三个支路重合。人造微结构还可以如图4所示，与图2所示的人造微结构的区别在于每个支路的自由端分别连接有ー个线段，各自由端分别与线段的中点相连。采用图4所示的人造微结构的超材料如图5所示。人造微结构还可以如图6所示，与图2所示的人造微结构的区别在于每个支路的弯折部弯折为圆角。采用图6所示的人造微结构的超材料如图7所示。人造微结构还可以如图8所示，与图6所示的人造微结构的区别在于每个支路的自由端分别连接有ー个线段，各自由端分别与线段的中点相连。采用图8所示的人造微结构的超材料如图9所示。人造微结构还可以如图10所示，与图2所示的人造微结构的区别在于每个支路的弯折部弯折为尖角，采用图10所示的人造微结构的超材料如图11所示。人造微结构还可以如图12所示，与图10所示的人造微结构的区别在于每个支路的自由端分别连接有ー个线段，各自由端分别与线段的中点相连。采用图12所示的人造微结构的超材料如图13所示。因此，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g和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，比如各支路可以弯折为其他各种规则或者不规则的形状，基材也可以为高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料等。这些均属于本发明的保护之内。
权利要求
1.ー种具有高介电常数的各向同性的超材料，其特征在于，包括基材和附着在所述基材上的人造微结构，所述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，所述支路包括至少ー个弯折部，任一所述支路以所述交点为圆心依次顺时针旋转90度、180度和270度后分别与其他三个支路重合。
2.根据权利要求I所述的具有高介电常数的各向同性的超材料，其特征在于，所述弯折部弯折为直角。
3.根据权利要求I所述的具有高介电常数的各向同性的超材料，其特征在于，所述弯折部弯折为圆角。
4.根据权利要求I所述的具有高介电常数的各向同性的超材料，其特征在于，所述弯折部弯折为尖角。
5.根据权利要求I至4任一所述的具有高介电常数的各向同性的超材料，其特征在干，任一所述支路的自由端连接有ー线段。
6.根据权利要求5所述的具有高介电常数的各向同性的超材料，其特征在干，任一所述支路的自由端与所述线段的中点相连。
7.根据权利要求I至4任一所述的具有高介电常数的各向同性的超材料，其特征在干，所述人造微结构通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻附着于所述基材上。
8.根据权利要求7所述的具有高介电常数的各向同性的超材料，其特征在于，所述基材为陶瓷材料。
9.根据权利要求7所述的具有高介电常数的各向同性的超材料，其特征在干，所述基材为高分子材料或者聚四氟こ烯。
10.根据权利要求7所述的具有高介电常数的各向同性的超材料，其特征在于，所述基材为铁电材料、铁氧材料或者铁磁材料。
全文摘要
本发明涉及一种具有高介电常数的各向同性的超材料，包括基材和附着在所述基材上的人造微结构，所述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为圆心依次顺时针旋转90度、180度和270度后分别与其他三个支路重合。具有这种人造微结构的各向同性的超材料的介电常数得到了大幅的提高，这种超材料可以应用在天线制造以及半导体制造等领域，而且该技术方案由于突破了现有技术中单位体积内介电常数受限的缺陷，对微波器件的小型化产生也会产生不可估量的作用。
文档编号H01Q15/00GK102790280SQ20111013181
公开日2012年11月21日 申请日期2011年5月20日 优先权日2011年5月20日
发明者刘若鹏, 寇超峰, 栾琳 申请人:深圳光启创新技术有限公司, 深圳光启高等理工研究院