专利名称：一种电磁透明的超材料的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种超材料，尤其涉及一种电磁透明的超材料。
背景技术：
电磁透明材料是指能透过电磁波且几乎不改变电磁波的性质(包括能量)的材料。其广泛应用于航空、航天、军事装备以及无线电装备等领域，其功能为满足微波-毫米波信号的接收、传输、放大、混频、发射等性能要求或避免入射电磁波大量反射从而达到避开对方雷达探测的目的。传统的电磁透明材料是采用纤维增强树脂基复合材料，该树脂基复合材料的透明性能与纤维种类、树脂基体以及复合材料界面性能相关，纤维和树脂基体对材料透明性能的影响取决于其本身的介电特性。由于此类传统电磁透明材料其透明性能取决于其材质本身的透明特性，当外部环境较恶劣，例如高温高压时，传统电磁透明材料的物理特性与透明特性均受限制，因此其适应面窄。且传统电磁透明材料的电磁参数调节复杂，针对不同的电磁波频段需要分别调节传统电磁透明材料的成分以及组分，其需要大量的实验验证并且制作成本高。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对现有技术的上述不足，提出一种电磁透明特性不受外部环境影响且电磁参数调节简单、制作成本低的电磁透明的超材料。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种电磁透明的超材料，其包括基材、周期排列于该基材内部的多个人造金属微结构；当电磁波通过该超材料时该人造金属微结构等效为由三个相同的二维电路共中心点两两垂直而构成的三维电路，该二维电路由电感支路以及对称并联于该电感支路的二条相同的电容支路组成，其中共交点且两两垂直的三条该电感支路构成该三维电路的三条主轴；该三维电路对应于该电磁波的频段使得该电磁波通过该超材料时该超材料的介电常数和磁导率均基本为1。该人造金属微结构包括共中点相互交叉的第一金属分支、第二金属分支和第三金属分支；两条第四金属分支中点位于该第二金属分支两端且与该第一金属分支等长且平行，两条第五金属分支中点位于该第三金属分支两端且与该第一金属分支等长且平行；两条第六金属分支中点位于该第一金属分支两端且与该第二金属分支等长且平行，两条第七金属分支中点位于该第三金属分支两端且与该第二金属分支等长且平行；两条第八金属分支中点位于该第二金属分支两端且与该第三金属分支等长且平行，两条第九金属分支中点位于该第一金属分支两端且与该第三金属分支等长且平行；两条该第七金属分支和两条该第八金属分支构成该人造金属微结构的第一平面，两条该第五金属分支和两条该第九金属分支构成该人造金属微结构的第二平面，两条该第四金属分支和两条该第六金属分支构成人造金属微结构的第三平面。每条该第七金属分支和每条该第八金属分支分别对称于其中点设置有至少一对第一缺口结构或每条该第七金属分支和每条该第八金属分支在其中点设置有该第一缺口结构；每条该第四金属分支和每条该第五金属分支分别对称于其中点设置有至少一对第二缺口结构或每条第四金属分支和每条第五金属分支在其中点设置有该第二缺口结构。该第一缺口结构由各条该第七金属分支和各条该第八金属分支在端点处非相交而成。该第七金属分支和该第八金属分支的端点处均设置有向该基材内部延伸且与该第七金属分支和该第八金属分支成相同角度的第十一金属分支。该第二缺口结构由该第四金属分支和该第五金属分支在其中点断裂开口而成。该断裂开口两端还连接有相对的两第十金属分支。该第十金属分支与该第十一金属分支为直线型金属分支或圆弧形金属分支。该第一金属分支、该第二金属分支和该第三金属分支共中心点相互垂直交叉且该第一金属分支、第二金属分支和第三金属分支长度相等。该基材为玻璃、FR-4、F4B、环氧树脂、聚乙烯、聚丙烯、橡胶、聚丙乙烯中的一种或几种。该人造金属微结构是通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻、离子刻附着于该基材中。本发明通过设计一种超材料的人造金属微结构并将其周期排列于基材内部使得超材料具有特定的电磁响应，当电磁波通过该超材料时其传播路径不会发生偏折、传播方向也不会发生改变。本发明采用不同于传统电磁透明材料的透波原理，使电磁波透明特性不拘于基材材质从而极大提高电磁透明材料的适用范围。进一步地，本发明人造金属微结构设计为在各方向对称，从而使得人造金属微结构具有各项同性即超材料在空间中各点的介电常数和磁导率的每一个方向的分量都不随位置变化而改变从而进一步地扩大了本发明的适用范围。更进一步地，由于调节人造金属微结构的尺寸即可调节本发明电磁透明的超材料的电磁参数，因此其具有制造成本低且电磁参数调节方便的优点。
图1为发明一种电磁透明的超材料特定频段电磁波通过该超材料时构成等效三维电路的二维电路图；图2为本发明一种电磁透明的超材料特定频段电磁波通过该超材料时等效三维电路图；图3为本发明一种电磁透明的超材料基本单元的整体立体结构示意图；图4为本发明一种电磁透明的超材料人造金属微结构立体示意图。
具体实施例方式超材料是由具有一定图案形状的人造金属微结构按照特定方式周期排列于基材上而构成。人造金属微结构不同的图案形状和排列方式使得超材料具有不同的介电常数和不同的磁导率从而使得超材料具有不同的电磁响应。本发明利用超材料上述原理设计一种对特定频段内的电磁波呈透明特性的超材料。所谓“透明特性”是指特定频段的电磁波通过超材料时该超材料所表现出来的介电常数和磁导率均基本为1，即折射率基本为1，从而该特定频段的电磁波通过该超材料后其传播路径不会发生偏折、传播方向也不会发生改变。本发明的超材料的介电常数和磁导率均基本为1是指介电常数和磁导率在士 10%浮动均为可接受范围。并且由于本发明电磁透明的超材料其相对介电常数和相对磁导率相等，因此相对于空气亦具有阻抗匹配的功能。本发明设计原理如下设计一种在人造金属微结构并将其周期排列于基材内部， 当电磁波通过该超材料时该人造金属微结构等效为由三个相同的二维电路两两垂直而构成的三维电路，该二维电路由电感支路以及对称并联于该电感支路的二条相同的电容支路组成，二维电路如图1所示，其中共交点且两两垂直的三条该电感支路构成该三维电路的三条主轴；三维电路如图2所示，为使图示表达简洁，图2中三条电感支路的等效电感元件未显示、各电容支路等效电容元件被一分为二。该三维电路对应于该电磁波的频段使得该电磁波通过该超材料时该超材料的介电常数和磁导率均基本为1。下面详细论述本发明设计过程根据实际需要确定一电磁波的频段，该频段的电磁波通过超材料时呈透明特性；设计一初始人造金属微结构并确定该初始人造金属微结构的各个金属分支的尺寸和各个金属分支之间的间隔，该些不同尺寸的金属分支和各个金属分支之间的间隔在该频段电磁波通过该初始人造金属微结构时即可等效为本发明设计原理中等效三维电路中的等效电感元件和等效电容元件，该些等效电容和等效电感使得该初始人造金属微结构整体等效为具有一谐振频段的LC谐振电路，应调节该LC谐振电路的谐振频段偏离于所需使用电磁波的频段使得相对介电常数和相对磁导率均基本为1，从而达到本发明的设计要求，该谐振频段可通过公式- .l· \ Hi得到；由于在高频微波电路设计中，节点电路理论已不再适用因而需要采用分布参数电路的分析方法也就是微波网络法来分析电路，其中微波网络法中散射参数(S参数)是最重要的参数。S参数是建立在入射波、反射波关系基础上的网络参数，适于微波电路分析，以器件端口的反射信号以及从该端口传向另一端口的信号来描述电路网络，因此本领域技术人员可知通过S参数来等效描述等效电路中的LC谐振。现有的针对射频和微波应用的综合和分析工具几乎都具有用S参数进行仿真的能力，例如应用最广泛的安捷伦公司的ADS(Advanced Design System)；运用上述计算机仿真软件对初始人造金属微结构进行计算机仿真得出初始人造金属微结构的初始S参数值(包括反射系数S11和透射系数S21)，通过公式
权利要求
1.一种电磁透明的超材料，其特征在于包括基材、周期排列于该基材内部的多个人造金属微结构；当电磁波通过该超材料时该人造金属微结构等效为由三个相同的二维电路共中心点两两垂直而构成的三维电路，该二维电路由电感支路以及对称并联于该电感支路的二条相同的电容支路组成，其中共交点且两两垂直的三条该电感支路构成该三维电路的三条主轴；该三维电路对应于该电磁波的频段使得该电磁波通过该超材料时该超材料的介电常数和磁导率均基本为1。
2.如权利要求1所述的电磁透明的超材料，其特征在于该人造金属微结构包括共中点相互交叉的第一金属分支、第二金属分支和第三金属分支；两条第四金属分支中点位于该第二金属分支两端且与该第一金属分支等长且平行，两条第五金属分支中点位于该第三金属分支两端且与该第一金属分支等长且平行；两条第六金属分支中点位于该第一金属分支两端且与该第二金属分支等长且平行，两条第七金属分支中点位于该第三金属分支两端且与该第二金属分支等长且平行；两条第八金属分支中点位于该第二金属分支两端且与该第三金属分支等长且平行，两条第九金属分支中点位于该第一金属分支两端且与该第三金属分支等长且平行；两条该第七金属分支和两条该第八金属分支构成该人造金属微结构的第一平面，两条该第五金属分支和两条该第九金属分支构成该人造金属微结构的第二平面，两条该第四金属分支和两条该第六金属分支构成人造金属微结构的第三平面；每条该第七金属分支和每条该第八金属分支分别对称于其中点设置有至少一对第一缺口结构或每条该第七金属分支和每条该第八金属分支在其中点设置有该第一缺口结构；每条该第四金属分支和每条该第五金属分支分别对称于其中点设置有至少一对第二缺口结构或每条第四金属分支和每条第五金属分支在其中点设置有该第二缺口结构。
3.如权利要求2所述的电磁透明的超材料，其特征在于该第一缺口结构由各条该第七金属分支和各条该第八金属分支在端点处非相交而成。
4.如权利要求3所述的电磁透明的超材料，其特征在于该第七金属分支和该第八金属分支的端点处均设置有向该基材内部延伸且与该第七金属分支和该第八金属分支成相同角度的第十一金属分支。
5.如权利要求2所述的电磁透明的超材料，其特征在于该第二缺口结构由该第四金属分支和该第五金属分支在其中点断裂开口而成。
6.如权利要求5所述的电磁透明的超材料，其特征在于该断裂开口两端还连接有相对的两第十金属分支。
7.如权利要求4或6所述的电磁透明的超材料，其特征在于该第十金属分支与该第十一金属分支为直线型金属分支或圆弧形金属分支。
8.如权利要求2所述的电磁透明的超材料，其特征在于该第一金属分支、该第二金属分支和该第三金属分支共中心点相互垂直交叉且该第一金属分支、第二金属分支和第三金属分支长度相等。
9.如权利要求1所述的电磁透明的超材料，其特征在于该基材为玻璃、FR-4、F4B、环氧树脂、聚乙烯、聚丙烯、橡胶、聚丙乙烯中的一种或几种。
10.如权利要求1所述的电磁透明的超材料，其特征在于该人造金属微结构是通过蚀亥IJ、电镀、钻刻、光刻、电子刻、离子刻附着于该基材中。
全文摘要
本发明涉及一种电磁透明的超材料，其包括基材、周期排列于该基材内部的多个人造金属微结构；当电磁波通过该超材料时该人造金属微结构等效为由三个相同的二维电路共中心点两两垂直而构成的三维电路，该二维电路由电感支路以及对称并联于该电感支路的二条相同的电容支路组成，其中共交点且两两垂直的三条该电感支路构成该三维电路的三条主轴；该三维电路对应于该电磁波的频段使得该电磁波通过该超材料时该超材料的介电常数和磁导率均基本为1。本发明采用不同于传统电磁透明材料的透波原理，使电磁波透明特性不拘于基材材质从而极大提高电磁透明材料的适用范围。
文档编号H01Q15/00GK102479998SQ20111006185
公开日2012年5月30日 申请日期2011年3月15日 优先权日2011年3月15日
发明者刘若鹏, 廖臻, 栾琳, 赵治亚 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