一种超材料的制作方法

本发明涉及超材料领域，具体来说，涉及一种超材料。

背景技术：

超材料是一种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，然而对于超材料来说，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。

无线通信系统的迅速发展，对天线设计提出了新的要求，也促进了可调谐超材料功能的发展与完善。到目前为止，可调谐超材料主要包括三大类：(1)机械式可控超材料；(2)加载微波开关等；(3)加载可控材料，例如，铁氧体、液晶材料、石墨烯等。其中，机械式可控超材料由于要对移动量进行精确的控制，但该机械式可控超材料的体积相对较大，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；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。

针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

技术实现要素：

针对相关技术中的问题，本发明提出一种超材料，从而在超材料平板天线中采用加载液晶材料的电调谐超材料，通过控制加载液晶的电压调控其阵面单元的相移分布，进而可以实现连续宽角度的扫描。

本发明的技术方案是这样实现的：

根据本发明的一个方面，提供了一种超材料。

该超材料包括：

反射层；

电可控超材料单元阵列，设置于反射层上方，包括多个周期排列的电可控超材料单元，每个电可控超材料单元包括：

第一介质层，设置于反射层上方；

液晶层，设置于第一介质层上方；

第二介质层，设置于液晶层上方；

金属微结构，设置于第二介质层上方，包括环形金属片，并且环形金属片上设有开口。

根据本发明的一个实施例，环形金属片上设有第一开口。

根据本发明的一个实施例，环形金属片上设有第一开口和第二开口，第一开口和第二开口相对设置，第一开口上设置有凸起端，以及金属微结构还包括第一矩形金属片和第二矩形金属片，穿过第一开口、第二开口和环形金属片的圆心的直线与第一矩形金属片和第二矩形金属片平行设置。

根据本发明的一个实施例，环形金属片、第一矩形金属片和第二矩形金属片构成双k型金属微结构。

根据本发明的一个实施例，双k型金属微结构上还设置有同轴通孔，双k型金属微结构通过同轴通孔与馈电装置连接，用于向液晶层加载电压。

根据本发明的一个实施例，电可控超材料单元的工作频率的取值范围为：12ghz～18ghz。

根据本发明的一个实施例，第一介质层及第二介质层为非磁性介质材料，第一介质层及第二介质层的介电常数均在2～10之间，磁导率为1。

根据本发明的一个实施例，反射层为非磁性金属材料。

根据本发明的一个实施例，液晶层的介电常数的取值范围为：2.5～3.3。

根据本发明的一个实施例，金属微结构的材料为铜、银或金。

根据本发明的一个实施例，垂直于金属微结构的表面入射的电磁波为平面波，电磁波的幅值和相位在垂直于入射方向上相等。

根据本发明的一个实施例，任意两个电可控超材料单元的大小一致。

根据本发明的一个实施例，相邻的电可控超材料单元中心间的距离d的取值范围为：0＜d＜1/2λ，其中，λ为电可控超材料单元的工作频率对应的波长。

本发明的有益技术效果在于：

本发明通过将超材料和液晶材料相结合，其通过改变加载电压值调节液晶材料的介电常数值，由于液晶材料等效耦合电容发生改变，其谐振频率也可以改变，同时，天线的工作频率都工作在谐振频率下，即基于该电可控超材料单元可以得到频率可重构天线，进而实现对超材料电磁特性的控制，其能够在不改变结构材料几何参数的前提下，使其在相当宽的一段频带范围内实现对电磁参数的连续控制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明实施例的电可控超材料单元的侧视图；

图2是根据本发明第一实施例的电可控超材料单元的俯视图；

图3是根据本发明第二实施例的电可控超材料单元的俯视图；

图4是根据本发明第一具体实施例的相位随频率变化的曲线；

图5是根据本发明第一具体实施例的谐振频率随液晶介电常数变化的曲线图；

图6是根据本发明第二具体实施例的相位随频率变化的曲线；

图7是根据本发明第二具体实施例的谐振频率随液晶介电常数变化的曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

根据本发明的实施例，提供了一种超材料。

如图1所示，根据本发明实施例的超材料包括：反射层5；电可控超材料单元阵列，设置于反射层5上方，包括多个周期排列的电可控超材料单元，每个电可控超材料单元包括：第一介质层4，设置于反射层5上方；液晶层3，设置于第一介质层4上方；第二介质层2，设置于液晶层3上方；金属微结构1，设置于第二介质层2上方，包括环形金属片6，并且环形金属片6上设有开口。

在该实施例中，如图1所示，在电可控超材料单元的上表面的金属微结构1与底层的反射层5之间，由相互平行的第二介质层2和第一介质层4形成夹层，夹层中由液晶材料形成液晶层3，其中，该反射层5可为反射板，第一介质层4和第二介质层2可为介质板。

此外，该金属微结构1包括环形金属片6，该环形金属片6上设有一个或两个开口，下面通过两个实施例对该金属微结构1进行详细的描述。

第一实施例

如图2所示，该环形金属片6上设有一个第一开口7，从而使得该金属微结构1为一c型金属微结构，同时，该环形金属片6的圆心和第一介质层4的中心重合。此外，利用电可控超材料单元上下表面的c型金属微结构和反射层5施加偏置电压，形成偏置电场，从而通过控制上下表面金属之间的电压，调控液晶材料的介电常数，从而改变天线的谐振频率，并记录介电常数变化时超材料谐振频率的变化，绘频率-介电常数曲线图，此外，尽管图1仅示出了圆环金属片上存在一个第一开口7，但本领域的普通技术人员应该理解，可根据实际需求对环形金属片6上的开口个数和开口位置进行设置，本发明对此不做限定。此外，本领域的技术人员还可根据实际需求，对环形金属片6的尺寸进行设置，本发明对此不做限定。

此外，当该金属微结构1为c型金属微结构时，任意两个电可控超材料单元中的圆环金属片的第一开口7的方向不一致，或所有的电可控超材料单元中的第一开口的开口方向均一致。当然可以理解，本领域人员可根据实际需求设置每个圆环金属片的第一开口7朝向，例如，根据本发明的一个实施例，该超材料包括6个电可控超材料单元，其中，4个电可控超材料单元中的环形金属片6的第一开口7的开口方向一致，其余的2个电可控超材料单元中的圆环金属片的第一开口7的开口方向与上述4个的圆环金属片的开口方向均不一致，本发明对此不做限定。

第二实施例

如图3所示，该金属微结构1为双k型金属微结构，该双k型金属微结构是由两个k字型的金属片构成，上述两个k字型的金属片关于水平轴对称设置，并且每个k字型的金属片包括一矩形金属片9和弧形金属片。此外，该双k型金属微结构的两个弧形金属片可通过在圆环金属片6上设置第一开口7和第二开口8获得，当然可以理解，在上述两个弧形金属片为半圆环金属片的情况下，可将圆环金属片切分为两半。此外，上述第一开口7或第二开口8还可为金属微结构1的开口。

另外，继续参见图3，该双k型金属微结构还包括两个矩形金属片9，上述两个矩形金属片9平行设置，以及在两个弧形金属片的弧度小于180°的情况下，穿过第一开口7、第二开口8以及该环形金属片6的圆心的直径与上述两个矩形金属片9平行设置，当然可以理解，在两个弧形金属片的弧度等于180°的情况下，两个弧形金属片为半圆环金属片，这两个半圆环金属片的开口两端的连线也与上述两个矩形金属片9平行设置。此外，还可将两个矩形金属片9的长度与环形金属片6的直径相等，当然可以理解，虽然图3示出了两个矩形金属片9的长度与环形金属片6的直径相等，但本领域人员根据实际需求对其进行设置，本发明对此不做限定。同时，继续参见图3可以确定，每个弧形金属片的中点和矩形金属片9的中心位置连接，并且在第一开口7处设置有两个凸起10，以及在金属微结构1上还设置有还设置有同轴通孔11，该金属微结构1通过同轴通孔11与馈电装置连接，用于向液晶层3加载电压，从而利用超材料单元上下表面的金属微结构1和反射层5施加偏置电压，形成偏置电场，使液晶分子的取向发生变化，改变液晶材料的介电常数，从而改变天线的谐振频率，同时，还可利用电磁仿真软件计算，针对不同电压场下液晶层3的介电常数进行模拟，可得到不同液晶介电常数下该超材料的反射相位，其中，电磁仿真软件采用cst(computersimulationtechnology，三维全波电磁场仿真软件)软件、hfss(highfrequencystructuresimulator，高频结构仿真)软件或fdtd(finite-differencetime-domain，时域有限差分法)软件，采用的求解方法有时域有限差分法、有限元方法或有限积分法。此外，本领域的技术人员还可根据实际需求，对环形金属片6的尺寸进行设置，本发明对此不做限定。

本发明通过将超材料和液晶材料相结合，其通过改变加载电压值调节液晶材料的介电常数值，由于液晶材料等效耦合电容发生改变，其谐振频率也可以改变，同时，天线的工作频率都工作在谐振频率下，即基于该电可控超材料单元可以得到频率可重构天线，进而实现对超材料电磁特性的控制，其能够在不改变结构材料几何参数的前提下，使其在相当宽的一段频带范围内实现对电磁参数的连续控制。

根据本发明的一个实施例，电可控超材料单元的工作频率的取值范围为：12ghz～18ghz。

在该实施例中，根据电可控超材料单元的工作频率f，确定电可控超材料单元结构和几何参数，例如，金属结构选择k型金属片以及金属片的厚度，以及金属微结构1的线宽、金属种类以及反射层5的电磁性质等。

根据本发明的一个实施例，相邻的电可控超材料单元中心间的距离d取值范围为：0＜d＜1/2λ，其中，λ为工作频率对应的波长，同时，在超材料中的任意两个电可控超材料单元的大小一样。

根据本发明的一个实施例，第一介质层4及第二介质层2为非磁性介质材料，其介电常数在2～10之间，磁导率为1。

根据本发明的一个实施例，液晶层3的介电常数的取值范围为：2.5～3.3，当然可以理解，液晶层3的材料可根据实际需求进行选择，例如，液晶层3选用型号为gt3-24002的液晶材料，本发明对此不做限定。

根据本发明的一个实施例，金属微结构1的材料为铜、银或金。

根据本发明的一个实施例，垂直于金属微结构1的表面入射的电磁波为平面波，电磁波的幅值和相位在垂直于入射方向上相等。

根据本发明的一个实施例，加载在液晶层3的偏压的取值范围为：0～20v，加载偏压的方式可通过将馈电装置、与金属微结构1和反射层5连接，从而给液晶层3加载偏压。

为了更好的描述本发明，下面通过两个具体的实施例进行详细的描述。

第一具体实施例

如图1和图2所示，选取中心工作频率f范围为14ghz，对应的波长λ为21.43mm，金属微结构1的材料为铜，介质材料为roggersrt5880镀金材料(介电常数ε＝2.2，磁导率μ＝1)，并且金属微结构1为c形金属片，该电可控超材料单元的长和宽相等，均取a＝11mm，并且金属环的宽度为1mm，c形金属片间的第一开口7的距离为1mm，金属厚度为0.035mm，第一介质层4及第二介质层2厚0.1mm，超材料单元的单元间距为11mm。

此外，设计周期性边界条件，当液晶材料的介电常数在2.5-3.3之间变化时，频率调制为14.65ghz～13.14ghz，超材料单元反射相位如图4所示，其横坐标为频率(ghz)，纵坐标为相位(角度)，其中，曲线s1表示介电常数为2.5的曲线，曲线s2表示介电常数为2.6的曲线，曲线s3表示介电常数为2.7的曲线，曲线s4表示介电常数为2.8的曲线，曲线s5表示介电常数为2.9的曲线，曲线s6表示介电常数为3.0的曲线，曲线s7表示介电常数为3.1的曲线，曲线s8表示介电常数为3.2的曲线，曲线s9表示介电常数为3.3的曲线。此外，频率与液晶材料介电常数的变化关系如图5所示。

另外，辐射频率由下列公式决定：其中l为电感，c为等效电容值，ω为对应的瞬时工作频率。

第二具体实施例

如图1和图3所示，选取电可控超材料单元的中心工作频率f为13ghz，其对应的波长λ为23.08mm，同时，金属微结构1的材料为铜，反射层5的材料为铜，第一介质层4及第二介质层2为f4b材料(介电常数ε＝3.0，磁导率μ＝1)，电可控超材料单元的上表面金属微结构1为k型，其矩形金属片9的长和半圆环金属片的直径相等，均取a＝12.5mm，金属环的宽度为1mm，第一k型金属片和第二k型金属片的两端的间隔距离为1mm，第一k型金属片和第二k型金属片的厚度为0.06mm，第一介质层4及第二介质层2的厚0.05mm，液晶材料厚度为0.15mm，超材料单元间距d为10mm。

此外，设计周期性边界条件，当液晶材料的介电常数值在2.3～3.3之间变化时，超材料的频率调制为13.4ghz～12.5ghz，超材料单元反射相位如图6所示，其横坐标为频率(ghz)，纵坐标为相位(角度)，其中，曲线s11表示介电常数为2.5的曲线，曲线s12表示介电常数为2.6的曲线，曲线s13表示介电常数为2.7的曲线，曲线s14表示介电常数为2.8的曲线，曲线s15表示介电常数为2.9的曲线，曲线s16表示介电常数为3.0的曲线，曲线s17表示介电常数为3.1的曲线，曲线s18表示介电常数为3.2的曲线，曲线s19表示介电常数为3.3的曲线。此外，频率与液晶材料介电常数的变化关系如图7所示。

另外，辐射频率由下列公式决定：其中l为电感，c为等效电容值，ω为对应的瞬时工作频率。

综上所述，借助于本发明的上述技术方案，通过将超材料和液晶材料相结合，其通过改变加载电压值调节液晶材料的介电常数值，由于液晶材料等效耦合电容发生改变，其谐振频率也可以改变，同时，天线的工作频率都工作在谐振频率下，即基于该电可控超材料单元可以得到频率可重构天线，进而实现对超材料电磁特性的控制，其能够在不改变结构材料几何参数的前提下，使其在相当宽的一段频带范围内实现对电磁参数的连续控制。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。