超材料的制作方法

本实用新型涉及控制领域，具体而言，涉及一种超材料。

背景技术：

现有社会中的，超材料具有传统自然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构，但是，对于超材料来说，其奇异的电磁特性都有一个频带范围，超出这个范围，这个奇异的电磁特性会减弱甚至消失。因此，相关技术人员就开始研究可控的超材料，在现有的研究成果中，可控超材料主要包括三大类：(1)机械式可控超材料；(2)加载微波开关；(3)加载可控材料(例如，铁氧体、液晶材料、石墨烯等)。其中，机械式可控的超材料由于要对移动量进行精确的控制，因此，使得体积相对较大，不易操作；加载微波开关的可控超材料其状态与开关的个数有关，要实现足够多的状态数就需要添加足够多的开关个数，导致结构的复杂度增加；而加载可控材料的超材料其调控的频率范围不大，而且需要外加偏置场导致结构复杂。

针对上述的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

技术实现要素：

本实用新型实施例提供了一种超材料，以至少解决现有技术中无法快速准确地调节超材料的工作频率的技术问题。

根据本实用新型实施例的一个方面，提供了一种超材料，包括：基底材料；电可控微结构单元阵列，所述电可控微结构单元阵列设置在所述基底材料上，所述电可控微结构单元阵列包括多个电可控微结构单元，其中，每个电可控微结构单元包括：外金属结构和内金属结构，所述内金属结构和所述外金属结构组成环形的通道；变容二极管，所述变容二极管设置在所述每个电可控微结构单元的所述通道内，用于根据加载在所述变容二极管两端的电压调节所述每个所述电可控微结构单元的工作频率。

进一步地，所述外金属结构为方框结构，所述内金属结构为矩形金属贴片，所述内金属结构嵌套于所述外金属结构内。

进一步地，所述工作频率的调节范围包括：0.3GHz至300GHz。

进一步地，所述外金属结构和所述内金属结构的材料为以下至少一种：铜、银和金。

进一步地，加载在所述变容二极管两端的电压的取值范围为：0V至20V。

进一步地，所述变容二极管在所述环形的通道中的正-负极方向与所述超材料中的电磁场方向相同。

进一步地，述基底材料为非磁性介质材料，并且所述基底材料的介电常数的取值范围为：2至10，所述基底材料的磁导率为1。

进一步地，所述电可控微结构单元阵列中任意两个所述电可控微结构单元的大小相同。

进一步地，所述超材料还包括：同轴通孔，设置在所述内金属结构上，所述内金属结构通过所述同轴通孔与馈电网络连接，用于向所述变容二极管施加电压。

进一步地，垂直于所述金属结构的表面入射的电磁波为平面波，所述电磁波的幅值和相位在垂直于入射方向上相等。

进一步地，在预设频段内，所述电可控微结构单元阵列中任意相邻的两个电可控微结构单元之间的距离为预设距离，其中，所述预设距离的取值范围为：1/2λ至λ，所述λ为所述超材料中电磁波的波长。

在本实用新型实施例中，采用基底材料；电可控微结构单元阵列，所述电可控微结构单元阵列设置在所述基底材料上，所述电可控微结构单元阵列包括多个电可控微结构单元，其中，每个电可控微结构单元包括：外金属结构和内金属结构，所述内金属结构和所述外金属结构组成环形的通道；变容二极管，所述变容二极管设置在所述每个电可控微结构单元的所述通道内，用于根据加载在所述变容二极管两端的电压调节所述每个所述电可控微结构单元的工作频率的方式，通过在电可控微结构单元阵列中每个电可控微结构单元中设置一个电容可变的变容二极管，以达到调节每个电可控微结构单元的工作频率的目的，从而实现了能够通过变容二极管就可以调节超材料的工作频率的技术效果，进而解决了现有技术中无法快速准确地调节超材料的工作频率的技术问题。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1是根据本实用新型实施例的一种超材料的示意图；

图2是根据本实用新型实施例的一种电可控微结构单元阵列的结构示意图；以及

图3是根据本实用新型实施例的一种电容和频率变化关系的示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。

需要说明的是，本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

根据本实用新型实施例，提供了一种超材料的实施例。下面结合图1和图2对本实用新型实施例进行说明。图1是根据本实用新型实施例的一种超材料的示意图，图2是根据本实用新型实施例的一种电可控微结构单元阵列的结构示意图。如图1和图2所示，该超材料包括：基底材料11、由至少一个电可控微结构单元13组成的电可控微结构单元阵列和变容二极管15，其中：

电可控微结构单元阵列设置在基底材料上，电可控微结构单元阵列包括多个电可控微结构单元，其中，每个电可控微结构单元包括：外金属结构和内金属结构，内金属结构和外金属结构组成环形的通道；

变容二极管15设置在每个电可控微结构单元的通道内，用于根据加载在变容二极管两端的电压调节每个电可控微结构单元的工作频率。

在本实用新型实施例中，通过在电可控微结构单元阵列中每个电可控微结构单元中设置一个电容可变的变容二极管，以达到调节每个电可控微结构单元的工作频率的目的，从而实现了能够通过变容二极管就可以调节超材料的工作频率的技术效果，进而解决了现有技术中无法快速准确地调节超材料的工作频率的技术问题。

如图2所示的为10×10的电可控微结构单元阵列，在该阵列中，包括10×10个电可控微结构单元13。如图2所示，在本实用新型实施例中，电可控微结构单元阵列中的任意两个电可控微结构单元的大小均相同，各个单元紧密的阵列排布。也即在电可控为结构单元阵列中包括多个相同的电可控微结构单元，其中，电可控微结构单元阵列中任一个电可控微结构单元13的结构图如图1所示。在图1中，电可控微结构单元13包括外金属结构132和内金属结构131，内金属结构131和外金属结构132组成间距为d的环形的通道17。在如图2所示的电可控微结构单元13中，外金属结构132可以为方框结构，内金属结构131可以为矩形金属贴片，如图1所示，内金属结构嵌套于外金属结构内，并形成上述通道17。

上述外金属结构和内金属结构的材料可以为以下至少一种：铜、银和金。由于考虑到电可控超材料的成本，作为优选，外金属结构和内金属结构的材料可以选取为铜。需要说明的是，如果上述外金属结构和内金属结构的材料选取为铜，则可以在铜表面镀金，以防止铜材料的电可控超材料由于长时间使用造成的氧化。

在本实用新型实施例中，还可以在每个电可控微结构单元的通道17中安装一个变容二极管15，其中，该变容二极管为电容可变的二极管，当在变容二极管两端加载可变反偏置直流电压时，即可以改变该变容二极管的电容。根据公式用可知，当变容二极管的电容发生改变时，该电可控微结构单元13的ω发生了改变，其中，ω即为电可控微结构单元13对应的瞬时工作频率。

在本实用新型的一个可选实施方式中，每个电可控微结构单元工作频率的调节范围包括：0.3GHz至300GHz，即可以在上述调节范围内调节每个电可控微结构单元工作频率。

进一步地，加载在变容二极管两端的电压的取值范围为：0V至20V，通过在该变容二极管的两端加载上述范围内的电压值即可实现在0.3GHz至300GHz的频率范围内调节电可控微结构单元阵列的工作频率。

在本实用新型实施例中，变容二极管可以安装在如图1和图2中所示的位置(即环形通道的下侧通道)，还可以设置在环形的通道中的左侧通道、右侧通道，还可以为上侧的通道内。需要说明的是，无论变容二极管设置在通道的哪个位置，都要保证变容二极管的正-负极方向与超材料中的电磁场方向相同，其中，上述正-负极方向可以为变容二极管的正极指向负极的方向，还可以为变容二极管的负极指向正极的方向。例如，当超材料中的电磁场方向为由上到下的垂直方向时，此时可以将变容二极管设置在如图1和图2中所示的位置。

在本实用新型实施例中，上述电可控超材料还包括基底材料11，其中，基底材料用于安装上述电可控微结构单元阵列。上述基底材料可以选取为非磁性介质材料，并且基底材料的介电常数的取值范围为：2至10，基底材料的磁导率为1。如图1所示，由于通道17为中空的通道，该通道为内金属结构和外金属结构之间的缝隙，因此，在该通道裸露出来的材料即为基底材料11。

在本实用新型实施例中，上述超材料还包括：同轴通孔19，如图1和图2所示，该同轴通孔19设置在内金属结构上，内金属结构通过同轴通孔与馈电网络连接，用于向变容二极管施加反向偏置电压。

可选地，当有电磁垂直于外金属结构和内金属结构的表面入射时，该电磁波可以为平面波，并且该电磁波的幅值和相位在垂直于入射方向上相等。

在本实用新型实施例中，当超材料的工作频率在预设频段内时，电可控微结构单元阵列中任意相邻的两个电可控微结构单元之间的距离为预设距离，其中，预设距离的取值范围为：1/2λ至λ，λ为超材料中电磁波的波长。需要说明的是，处于不同频段的超材料中的任意两个相邻的电可控微结构单元之间的距离不相同。

下面以具体实施例对本实用新型进行说明。例如，研发人员设计一个超材料，其中，要求该超材料的工作频段为：17.5GHz-13.4GHz，选取的中心工作频率f为15GHz。此时，根据选取的工作频段可以选取该超材料中的电磁波的波长λ为20mm；并且上述内金属结构和外金属结构的材料可以选取为铜，基底材料可以为F4B材料，其中，该基底材料的介电常数ε＝3.0，磁导率μ＝1；以及该可控超材料单元阵列中每个电可控微结构单元可以为“方环型”，其中，每个电可控微结构单元中外金属结构的外边长和宽相等，例如选取为a＝7.5mm，内金属结构(例如，矩形金属贴片)的长与宽可以为6mm；上述通道的宽度可以为0.75mm，上述外金属结构和内金属结构的金属厚度可以为0.035mm，基底材料厚可以为0.3mm，电可控微结构单元阵列中任意相邻的两个电可控微结构单元之间的距离为预设距离为7.5mm。

在设计好上述超材料之后，则可以将该超材料应用到具体的设备中，例如应用到天线中，例如，超材料的平板天线中可以采用上述设计好的电可控超材料。在超材料中采用加载变容二极管的电可控超材料时，可以通过控制变容二极管的电压调控阵列单元相移分布，实现宽角度连续扫描。

下面具体介绍上述设置好的超材料的频率调节过程。具体地，当电可控超材料的工作频段为17.5GHz-13.4GHz时，变容二极管的电容值可以从0.02pF至0.32pF之间进行变化，频率与电容的变化关系如图3所示。如图3所示，当电容逐渐增大时，频率逐渐减小；当电容逐渐减小时，频率逐渐增大，即，电容和频率之间的关系为反比例关系。因此，在本实用新型实施例中，当变容二极管的电容增大时，电可控超材料的工作频段将减小，当变容二极管的电容减小时，电可控超材料的工作频段将增大。因此，可以通过控制变容二极管的电容的大小在预设频段内调整电可控超材料的工作频率。例如，选取的电可控超材料的中心工作频率f为15GHz，如果检测到电可控超材料的当前频率大于15GHz，则可以增大变容二极管的电容，以降低电可控超材料的当前频率。其中，可以通过加载在变容二极管的电容的反偏置电压调节该变容二极管的电容，进而，通过调节电容来调节电可控超材料的工作频率。

综上，在本实用新型上述实施例中，可以通过调节加载在电可控超材料上变容二极管的电压来调节变容二极管的电容，然后根据公式调节电可控超材料的工作频率。采用上述本实用新型提供的调节电可控超材料的工作频率的方式，可以实现在预设频段内调节电可控超材料的工作频率，并且结构简单，无需复杂的结构，方便制作。采用上述方式可以在保证整个超材料不发生变化的情况下，只需控制变容二极管的外加偏置电压即可实现对超材料电磁性能的连续控制。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。