專利名稱：一種電磁透明的超材料的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種超材料，尤其涉及一種電磁透明的超材料。
背景技術：
電磁透明材料是指能透過電磁波且?guī)缀醪桓淖冸姶挪ǖ男再|(包括能量)的材料。其廣泛應用于航空、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(fā)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(tǒng)的電磁透明材料是采用纖維增強樹脂基復合材料，該樹脂基復合材料的透明性能與纖維種類、樹脂基體以及復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于其本身的介電特性。由于此類傳統(tǒng)電磁透明材料其透明性能取決于其材質本身的透明特性，當外部環(huán)境較惡劣，例如高溫高壓時，傳統(tǒng)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(tǒng)電磁透明材料的電磁參數(shù)調節(jié)復雜，針對不同的電磁波頻段需要分別調節(jié)傳統(tǒng)電磁透明材料的成分以及組分，其需要大量的實驗驗證并且制作成本高。

發(fā)明內容
本發(fā)明要解決的技術問題在于針對現(xiàn)有技術的上述不足，提出一種電磁透明特性不受外部環(huán)境影響且電磁參數(shù)調節(jié)簡單、制作成本低的電磁透明的超材料。本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是提供一種電磁透明的超材料，其包括基材、周期排列于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等效為由三個相同的二維電路共中心點兩兩垂直而構成的三維電路，該二維電路由電感支路以及對稱并聯(lián)于該電感支路的二條相同的電容支路組成，其中共交點且兩兩垂直的三條該電感支路構成該三維電路的三條主軸；該三維電路對應于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(shù)和磁導率均基本為1。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；兩條第四金屬分支中點位于該第二金屬分支兩端且與該第一金屬分支等長且平行，兩條第五金屬分支中點位于該第三金屬分支兩端且與該第一金屬分支等長且平行；兩條第六金屬分支中點位于該第一金屬分支兩端且與該第二金屬分支等長且平行，兩條第七金屬分支中點位于該第三金屬分支兩端且與該第二金屬分支等長且平行；兩條第八金屬分支中點位于該第二金屬分支兩端且與該第三金屬分支等長且平行，兩條第九金屬分支中點位于該第一金屬分支兩端且與該第三金屬分支等長且平行；兩條該第七金屬分支和兩條該第八金屬分支構成該人造金屬微結構的第一平面，兩條該第五金屬分支和兩條該第九金屬分支構成該人造金屬微結構的第二平面，兩條該第四金屬分支和兩條該第六金屬分支構成人造金屬微結構的第三平面。每條該第七金屬分支和每條該第八金屬分支分別對稱于其中點設置有至少一對第一缺口結構或每條該第七金屬分支和每條該第八金屬分支在其中點設置有該第一缺口結構；每條該第四金屬分支和每條該第五金屬分支分別對稱于其中點設置有至少一對第二缺口結構或每條第四金屬分支和每條第五金屬分支在其中點設置有該第二缺口結構。該第一缺口結構由各條該第七金屬分支和各條該第八金屬分支在端點處非相交而成。該第七金屬分支和該第八金屬分支的端點處均設置有向該基材內部延伸且與該第七金屬分支和該第八金屬分支成相同角度的第十一金屬分支。該第二缺口結構由該第四金屬分支和該第五金屬分支在其中點斷裂開口而成。該斷裂開口兩端還連接有相對的兩第十金屬分支。該第十金屬分支與該第十一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、第二金屬分支和第三金屬分支長度相等。該基材為玻璃、FR-4、F4B、環(huán)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、鉆刻、光刻、電子刻、離子刻附著于該基材中。本發(fā)明通過設計一種超材料的人造金屬微結構并將其周期排列于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(fā)生偏折、傳播方向也不會發(fā)生改變。本發(fā)明采用不同于傳統(tǒng)電磁透明材料的透波原理，使電磁波透明特性不拘于基材材質從而極大提高電磁透明材料的適用范圍。進一步地，本發(fā)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(shù)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(fā)明的適用范圍。更進一步地，由于調節(jié)人造金屬微結構的尺寸即可調節(jié)本發(fā)明電磁透明的超材料的電磁參數(shù)，因此其具有制造成本低且電磁參數(shù)調節(jié)方便的優(yōu)點。


圖1為發(fā)明一種電磁透明的超材料特定頻段電磁波通過該超材料時構成等效三維電路的二維電路圖；圖2為本發(fā)明一種電磁透明的超材料特定頻段電磁波通過該超材料時等效三維電路圖；圖3為本發(fā)明一種電磁透明的超材料基本單元的整體立體結構示意圖；圖4為本發(fā)明一種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于基材上而構成。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(shù)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(fā)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(xiàn)出來的介電常數(shù)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后其傳播路徑不會發(fā)生偏折、傳播方向也不會發(fā)生改變。本發(fā)明的超材料的介電常數(shù)和磁導率均基本為1是指介電常數(shù)和磁導率在士 10%浮動均為可接受范圍。并且由于本發(fā)明電磁透明的超材料其相對介電常數(shù)和相對磁導率相等，因此相對于空氣亦具有阻抗匹配的功能。本發(fā)明設計原理如下設計一種在人造金屬微結構并將其周期排列于基材內部， 當電磁波通過該超材料時該人造金屬微結構等效為由三個相同的二維電路兩兩垂直而構成的三維電路，該二維電路由電感支路以及對稱并聯(lián)于該電感支路的二條相同的電容支路組成，二維電路如圖1所示，其中共交點且兩兩垂直的三條該電感支路構成該三維電路的三條主軸；三維電路如圖2所示，為使圖示表達簡潔，圖2中三條電感支路的等效電感元件未顯示、各電容支路等效電容元件被一分為二。該三維電路對應于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(shù)和磁導率均基本為1。下面詳細論述本發(fā)明設計過程根據(jù)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；設計一初始人造金屬微結構并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頻段電磁波通過該初始人造金屬微結構時即可等效為本發(fā)明設計原理中等效三維電路中的等效電感元件和等效電容元件，該些等效電容和等效電感使得該初始人造金屬微結構整體等效為具有一諧振頻段的LC諧振電路，應調節(jié)該LC諧振電路的諧振頻段偏離于所需使用電磁波的頻段使得相對介電常數(shù)和相對磁導率均基本為1，從而達到本發(fā)明的設計要求，該諧振頻段可通過公式- .l· \ Hi得到；由于在高頻微波電路設計中，節(jié)點電路理論已不再適用因而需要采用分布參數(shù)電路的分析方法也就是微波網(wǎng)絡法來分析電路，其中微波網(wǎng)絡法中散射參數(shù)(S參數(shù))是最重要的參數(shù)。S參數(shù)是建立在入射波、反射波關系基礎上的網(wǎng)絡參數(shù)，適于微波電路分析，以器件端口的反射信號以及從該端口傳向另一端口的信號來描述電路網(wǎng)絡，因此本領域技術人員可知通過S參數(shù)來等效描述等效電路中的LC諧振?，F(xiàn)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(shù)進行仿真的能力，例如應用最廣泛的安捷倫公司的ADS(Advanced Design System)；運用上述計算機仿真軟件對初始人造金屬微結構進行計算機仿真得出初始人造金屬微結構的初始S參數(shù)值(包括反射系數(shù)S11和透射系數(shù)S21)，通過公式
權利要求
1.一種電磁透明的超材料，其特征在于包括基材、周期排列于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等效為由三個相同的二維電路共中心點兩兩垂直而構成的三維電路，該二維電路由電感支路以及對稱并聯(lián)于該電感支路的二條相同的電容支路組成，其中共交點且兩兩垂直的三條該電感支路構成該三維電路的三條主軸；該三維電路對應于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(shù)和磁導率均基本為1。
2.如權利要求1所述的電磁透明的超材料，其特征在于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；兩條第四金屬分支中點位于該第二金屬分支兩端且與該第一金屬分支等長且平行，兩條第五金屬分支中點位于該第三金屬分支兩端且與該第一金屬分支等長且平行；兩條第六金屬分支中點位于該第一金屬分支兩端且與該第二金屬分支等長且平行，兩條第七金屬分支中點位于該第三金屬分支兩端且與該第二金屬分支等長且平行；兩條第八金屬分支中點位于該第二金屬分支兩端且與該第三金屬分支等長且平行，兩條第九金屬分支中點位于該第一金屬分支兩端且與該第三金屬分支等長且平行；兩條該第七金屬分支和兩條該第八金屬分支構成該人造金屬微結構的第一平面，兩條該第五金屬分支和兩條該第九金屬分支構成該人造金屬微結構的第二平面，兩條該第四金屬分支和兩條該第六金屬分支構成人造金屬微結構的第三平面；每條該第七金屬分支和每條該第八金屬分支分別對稱于其中點設置有至少一對第一缺口結構或每條該第七金屬分支和每條該第八金屬分支在其中點設置有該第一缺口結構；每條該第四金屬分支和每條該第五金屬分支分別對稱于其中點設置有至少一對第二缺口結構或每條第四金屬分支和每條第五金屬分支在其中點設置有該第二缺口結構。
3.如權利要求2所述的電磁透明的超材料，其特征在于該第一缺口結構由各條該第七金屬分支和各條該第八金屬分支在端點處非相交而成。
4.如權利要求3所述的電磁透明的超材料，其特征在于該第七金屬分支和該第八金屬分支的端點處均設置有向該基材內部延伸且與該第七金屬分支和該第八金屬分支成相同角度的第十一金屬分支。
5.如權利要求2所述的電磁透明的超材料，其特征在于該第二缺口結構由該第四金屬分支和該第五金屬分支在其中點斷裂開口而成。
6.如權利要求5所述的電磁透明的超材料，其特征在于該斷裂開口兩端還連接有相對的兩第十金屬分支。
7.如權利要求4或6所述的電磁透明的超材料，其特征在于該第十金屬分支與該第十一金屬分支為直線型金屬分支或圓弧形金屬分支。
8.如權利要求2所述的電磁透明的超材料，其特征在于該第一金屬分支、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、第二金屬分支和第三金屬分支長度相等。
9.如權利要求1所述的電磁透明的超材料，其特征在于該基材為玻璃、FR-4、F4B、環(huán)氧樹脂、聚乙烯、聚丙烯、橡膠、聚丙乙烯中的一種或幾種。
10.如權利要求1所述的電磁透明的超材料，其特征在于該人造金屬微結構是通過蝕亥IJ、電鍍、鉆刻、光刻、電子刻、離子刻附著于該基材中。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種電磁透明的超材料，其包括基材、周期排列于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等效為由三個相同的二維電路共中心點兩兩垂直而構成的三維電路，該二維電路由電感支路以及對稱并聯(lián)于該電感支路的二條相同的電容支路組成，其中共交點且兩兩垂直的三條該電感支路構成該三維電路的三條主軸；該三維電路對應于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(shù)和磁導率均基本為1。本發(fā)明采用不同于傳統(tǒng)電磁透明材料的透波原理，使電磁波透明特性不拘于基材材質從而極大提高電磁透明材料的適用范圍。
文檔編號H01Q15/00GK102479998SQ20111006185
公開日2012年5月30日 申請日期2011年3月15日 優(yōu)先權日2011年3月15日
發(fā)明者劉若鵬, 廖臻, 欒琳, 趙治亞 申請人:深圳光啟創(chuàng)新技術有限公司, 深圳光啟高等理工研究院