专利名称：一种高折射率人工电磁材料的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种人工电磁材料，更具体地说,涉及一种高折射率人工电磁材料。
背景技术：
人工电磁材料，俗称超材料，是一种能够对电磁产生响应的新型人工合成材料，由基板和附着在基板上的人造微结构组成。由于人造微结构通常为金属线排布成的具有一定几何图形的结构，因此能够能电磁产生响应，从而使超材料整体体现出不同于基板的电磁特性，例如介电常数ε和磁导率μ不同，根据折射率公式η = ‘可知，折射率η也不同。现有的超材料，其人造微结构通常为“工”字形、“U”字形等形状，但其结构简单，所能达到的介电常数和磁导率都很低，因此折射率也不高，使得人工电磁材料相对于普通材料的特殊电磁响应优势不明显。·
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折射率不高、不能达到一些特殊要求的缺陷，提供一种高折射率人工电磁材料。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是构造一种高折射率人工电磁材料，包括非金属材料制成的基材和附着在基材上的多个人造微结构，所述人造微结构包括N条互不相交的螺旋线，其中N为不小于3的自然数；每条螺旋线自一内端点向外螺旋至一外端点，所述N条螺旋线共一外端点。在本发明所述的高折射率人工电磁材料中，所述N条螺旋线自所述内端点到末端点均为顺/逆时针螺旋。在本发明所述的高折射率人工电磁材料中，任一条所述螺旋线以外端点为旋转中心旋转360/Ν度与相邻螺旋线重合。在本发明所述的高折射率人工电磁材料中，所述螺旋线为三角形螺旋线。在本发明所述的高折射率人工电磁材料中，所述N等于4，所述螺旋线为等腰直角三角形螺旋线。在本发明所述的高折射率人工电磁材料中，所述N等于4，所述螺旋线为矩形螺旋线。在本发明所述的高折射率人工电磁材料中，任一条所述螺旋线与其相邻螺旋线对称。在本发明所述的高折射率人工电磁材料中，所述基材由FR-4材料制成。在本发明所述的高折射率人工电磁材料中，所述多个人造微结构阵列排布在所述基材表面上。在本发明所述的高折射率人工电磁材料中，所述人造微结构是由铜线或银线构成的。实施本发明的高折射率人工电磁材料，具有以下有益效果采用螺旋线构成的人造微结构，对于任一特定尺寸大小的基材单元，其在有限的基材表面面积上，能够尽可能多的绕行，从而可以达到很高的电容和电感值进而得到很高的折射率值。
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中图I是本发明第一实施例的高折射率人工电磁材料的结构示意图；图2a是图I所示高折射率人工电磁材料的其中一个材料单元的结构图；图2b为图2a所示材料单元中的人造微结构的其中一条螺旋线的结构图；图3a是本发明第二实施例的高折射率人工电磁材料的其中一个材料单元的结构·
图3b是图3a所示材料单元中的人造微结构的其中一条螺旋线的结构图；图4a是本发明第三实施例的高折射率人工电磁材料的其中一个材料单元的结构图；图4b是图4a所示材料单元中的人造微结构的其中两条螺旋线的结构图；图5a是本发明第四实施例的高折射率人工电磁材料的其中一个材料单元的结构图；图5b是图5a所示材料单元中的人造微结构的其中两条螺旋线的结构图。
具体实施例方式本发明提供一种高折射率人工电磁材料，如图I所示，其包括至少一块均匀等厚的基材I，当基材I有多片时，它们沿垂直于基材表面的方向层叠到一起。基材I可被虚拟地划分为完全相同的多个立方体形的基材单元2，例如边长为一种频率的电磁波的波长的十分之一到五分之一的立方体。基材I可看作是由多个这样的基材单元2以X方向为行、y方向为列、z方向为层叠方向组成的阵列，其中x、y、z方向两两正交垂直。基材I可由FR-4材料、环氧树脂、陶瓷等材料制成。每个基材单元2上附着有一个人造微结构4，基材单元2及基材单元2上的人造微结构4共同构成一个材料单元3，如图2a所示，则本发明的高折射率人工电磁材料可看作是由多个材料单元3沿X、y、z三个方向阵列排布而成。人造微结构4通常为金属线例如铜线、银线组成的具有一定几何图形的平面或立体结构，当然，人造微结构还可以有其他金属材料如金线，也可以由至少两种金属混合而成的材料，甚至也可能采用非金属材料制成。本发明的人造微结构4，包括N条互不相交的螺旋线，每条螺旋线自一内端点向外螺旋延伸至一外端点，且这N条螺旋线的外端点在同一点上，其中N为不小于3的自然数。如图2a、2b所示，在本发明的第一实施例中，材料单元3包括立方体形的基材单元2和附着在基材单元2表面上的人造微结构410。人造微结构410包括4个完全相同的螺旋线510,即N = 4,每个螺旋线510自内端点Pl逆时针向外螺旋延伸至外端点P2,且4条螺旋线510互不相交且具有同一个外端点P2。每条螺旋线510以外端点P2为旋转中心旋转360/4 = 90度后与相邻螺旋线重合。每条螺旋线510占据了基材单元2表面近四分之一的面积。
如图2b所示，本实施例的螺旋线为三角形螺旋线。这里的三角形螺旋线，是指该螺旋线由多条线段依次连接而成，这些线段分为三组，每组中的各线段相互平行，在每组线段中任取一条则一共三条线段，这三条线段延伸至于相互相交得到的图形为三角形，则这样的螺旋线为三角形螺旋线。进一步地，本实施例的螺旋线为等腰直角三角形螺旋线，即上述三条线段延伸至相互相交得到的图形为等腰直角三角形。图3a、3b示出的为本发明第二实施例的材料单元3，包括与上述实施例相同的基材单元2，和附着在基材单元2表面上但与上述实施例不相同的人造微结构420。本实施例的人造微结构420包括4条完全相同的螺旋线520，同样，4条螺旋线分别从各自的内端点Pl向外顺时针螺旋延伸至外端点P2，且4条螺旋线的外端点P2为同一个点。每条螺旋线自外端点P2旋转360/4 = 90度后与相邻螺旋线重合。每条螺旋线520占据了基材单元2表面近四分之一的面积。如图3b所示，本实施例的螺旋线为矩形螺旋线。这里的矩形螺旋线，是指该螺旋 线由多条线段依次连接而成，且这些线段分为四组，每组中的各线段相互平行，每组中任取一条线段共四条线段，将这四条线段分别延伸至与相邻线段连接，所形成的图形为矩形，这样的螺旋线为矩形螺旋线。图4a、4b示出的是本发明的第三实施例。本实施例中的材料单元3包括与上述实施例相同的基材单元2和与上述实施例不同的一人造微结构430。本实施例中，人造微结构430包括4条完全相同的第一螺旋线530和另4条完全相同的第二螺旋线531，N = 8。第一、第二螺旋线530、531分别从各自的内端点P10、P11向外顺时针螺旋至外端点P20、P21，且外端点P20、P21在同一点上。一个第一螺旋线530和一个第二螺旋线531所组成的线结构，其绕外端点P20旋转90度后与相邻的另一线结构重合。如图4b所示，第一螺旋线530、第二螺旋线531均为等腰直角三角形螺旋线，任一第一螺旋线530或第二螺旋线531占据基材单元2表面面积的八分之一。图5a、5b示出的是本发明的第四实施例。其材料单元3同样包括基材单元2和附着在基材单元2表面上的人造微结构440。该人造微结构440包括8个完全相同的螺旋线540/541，且任意相邻两螺旋线540。541对称分布。如图5b所示，螺旋线540/541为直角三角形螺旋线，自内端点P10/P11向外螺旋至外端点P20/P21，每条螺旋线占据基材单元2表面面积的八分之一。当然，本发明还有其他多种可实现方式，凡是具有多条互不相交且共外端点的螺旋线，这样的结构均可作为本发明的人工电磁材料的人造微结构。采用这样的人造微结构，对于任一特定尺寸大小的基材单元，其在有限的基材单元表面面积上，能够尽可能多的绕行，因此相对于传统的人工电磁材料其人造微结构的“工”字形或“U”字形，本发明的人造微结构其线长要长得多。根据现有技术已知，每个人造微结构可以等效为电感、电容和电阻，其线长长度的改变可以改变其等效电感值，而相邻两走线间相对的长度乘以线的厚度等效为电容两极板的相向面积。因此，对于一个特定的材料单元，在其他条件都相同的情况下，人造微结构的线长越长，等效电感值和电容值也越大，则该材料单元的介电常数也越大，根据公式n = 可知，折射率η也越高。优选地，本发明中人造微结构的螺旋线尽量选择有直角的，且直角边靠近基材单元2表面的四条边，使得基材单元2表面的四角和边缘空间得到充分利用，以尽可能多地绕线，从而提高材料的折射率。而现有技术的人工电磁材料，其“工”或“U”字形人造微结构闲置了大部分基材单元表面空间，因而线长远远小于本发明，进而折射率也无法达到很高的程度，而本发明则可以获得很高的介电常数和折射率，例如本发明的实施例中，当基材单元表面积为I. 4mmX I. 4mm,基材材料为FR-4,人造微结构的四侧边缘离基材单元表面的四个边缘均为O. 05mm，采用线宽为O. Imm的铜线为人造微结构，在13GHz的频率下，本发明的人工电磁材料的折射率可高达6. O。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，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
权利要求
1.一种高折射率人工电磁材料，包括非金属材料制成的基材和附着在基材上的多个人造微结构，其特征在于，所述人造微结构包括N条互不相交的螺旋线，其中N为不小于3的自然数；每条螺旋线自一内端点向外螺旋至一外端点，所述N条螺旋线共一外端点。
2.根据权利要求I所述的高折射率人工电磁材料，其特征在于，所述N条螺旋线自所述内端点到末端点均为顺/逆时针螺旋。
3.根据权利要求I所述的高折射率人工电磁材料，其特征在于，任一条所述螺旋线以外端点为旋转中心旋转360/N度与相邻螺旋线重合。
4.根据权利要求3所述的高折射率人工电磁材料，其特征在于，所述螺旋线为三角形螺旋线。
5.根据权利要求4所述的高折射率人工电磁材料，其特征在于，所述N等于4，所述螺旋线为等腰直角三角形螺旋线。
6.根据权利要求3所述的高折射率人工电磁材料，其特征在于，所述N等于4，所述螺旋线为矩形螺旋线。
7.根据权利要求I所述的高折射率人工电磁材料，其特征在于，任一条所述螺旋线与其相邻螺旋线对称。
8.根据权利要求I所述的高折射率人工电磁材料，其特征在于，所述基材由FR-4材料制成。
9.根据权利要求I所述的高折射率人工电磁材料，其特征在于，所述多个人造微结构阵列排布在所述基材表面上。
10.根据权利要求I所述的高折射率人工电磁材料，其特征在于，所述人造微结构是由铜线或银线构成的。
全文摘要
本发明涉及一种高折射率人工电磁材料，包括非金属材料制成的基材和附着在基材上的多个人造微结构，所述人造微结构包括N条互不相交的螺旋线，N为不小于3的自然数；每条螺旋线自一内端点向外螺旋至一外端点，所述N条螺旋线共一外端点。采用螺旋线构成的人造微结构，其在有限的基材表面面积上，能够尽可能多的绕行，因此人造微结构的线长很长，从而可以达到很高的介电常数进而得到很高的折射率值。
文档编号H01Q15/00GK102891367SQ20111012000
公开日2013年1月23日 申请日期2011年5月10日 优先权日2011年5月10日
发明者刘若鹏, 栾琳, 寇超峰, 何方龙 申请人:深圳光启高等理工研究院, 深圳光启创新技术有限公司