本申请要求于 2011年 3月 23日提交中国专利局、申请号为 201110070889.7, 发明名称为 "一种人工合成材料" 的中国专利申请的优先权， 2011年 5月 20日 提交中国专利局、 申请号为 201110131817.9, 发明名称为 "一种具有高介电常 数的各向同性的超材料"的中国专利申请的优� �权， 2011年 5月 10日提交中国 专利局、 申请号为 201110120003.5 , 发明名称为 "一种高折射率人工电磁材料" 的中国专利申请的优先权， 其全部内容通过引用结合在本申请中。

本申请还要求于 2011 年 3 月 15 日提交中国专利局、 申请号为 201110061804.9,发明名称为 "用作绝缘体的超材料"的中国专利申请的优先� ��， 其部分内容通过引用结合在本申请中。 技术领域

本发明涉及一种材料， 特别是涉及一种人工电磁材料。 背景技术

超材料（ metamaterial )是 21世纪物理学领域出现的一个新的学术词汇， 近 年来经常出现在各类科学文献。 超材料的三个重要特征包括：

( 1 )超材料通常是具有新奇人工结构的复合材料� �

( 2 )超材料具有超常的物理性质（这种性质往往� �自然界的材料中所不具 备的）；

( 3 )超材料的性质往往不决定于构成材料的本征� �质， 而主要决定于其中 的人工结构。

即超材料是一种以人造结构为基本单元并以特 定方式进行空间排布的材 料， 且该材料是一种具有特殊电磁效应的新型材料 ， 其电磁效应的特征是由其 人造结构的特征所决定。 通过在材料的关键物理尺度上的结构有序设计 ， 可以 突破某些表观自然规律的限制， 从而获得超出自然界固有的普通性质的超常材 料功能。

超材料包括人造结构， 其中人造结构的电磁响应^艮大程度上取决于� �造结 构的拓朴特征与结构单元尺寸。

超材料还包括人造结构所附着的基质材料， 该基质材料对人造结构起到支 撑作用， 因此可为任何与人造结构不同的材料。

该人造结构和该基质材料的叠加会在空间中产 生一个等效介电常数 ξ与磁 导率 μ , 而这两个物理参数分别对应了材料的电场响应 与磁场响应。 因此， 超 材料人造结构的设计是超材料领域最关键的环 节。 如何实现一种超材料， 进一 步改进现有电磁材料的电磁特性， 并替代现有电磁材料实现应用， 成为现代技 术发展的一大难题。 发明内容

本发明提供一种人工电磁材料， 能够改进电磁材料的电磁特性， 替代现有 电磁材料应用到各种电磁波的应用系统。

为解决上述技术问题而实现一种人工电磁材料 ， 本发明提供一种用于人工 电磁材料的人造微结构， 所述人造微结构包括相互垂直的第一线段及第 二线段， 所述第一线段及第二线段相交成 "十" 字型结构。

其中， 所述人造微结构包括多个第三线段， 所述第一线段及第二线段的末 端均连接一个第三线段。

所述第三线段的末端斜 45度向外延伸。

所述人造微结构包括一个线段组， 所述线段组包括多个第四线段， 所述第 三线段的两端分别垂直连接一个所述第四线段 。

所述人造微结构包括 Ν个线段组， 第 Ν个线段组的每个线段连接于第 N-1 个线段组的线段的末端， 且与所述第 N-1个线段组的线段垂直， 其中 Ν为大于 1的整数。

所述第一线段及第二线段的末端均包括一个弯 折部。

所述弯折部包括至少一个迂回弯折。

所述迂回弯折的弯曲部分是圓角、 直角或锐角。

所述人造微结构包括多个第三线段， 所述弯折部连接一个所述第三线段。 所述第一线段、 第二线段相交分成的四部分分别与各自末端的 弯折部形成 螺旋线。

位于所述第一线段或第二线段中同一个直线段 上的两个弯折部成中心对 称。

所述第一线段、 第二线段相交分成的四部分分别与各自末端的 弯折部形成 的螺旋线是矩形螺旋线。

所述第一线段、 第二线段相交分成的四部分分别与各自末端的 弯折部形成 的螺旋线是三角螺旋线。

多个所述人造微结构的第一线段及第二线段相 交于一个中心点。

所述弯折部以所述第一线段及第二线段的交点 为旋转中心旋转 360/M度与 相邻弯折部重合， 其中 M为所述弯折部的数量。

所述人造微结构包括一个第六线段， 所述第六线段与所述第一线段及第二 线段均垂直， 且所述第六线段、 第一线段及第二线段交于一点。

所述人造微结构包括多个第三线段， 所述第一线段及第二线段的末端均连 接一个所述第三线段。

所述人造微结构包括一个线段组， 所述线段组包括第四线段， 所述第三线 段的两端分别垂直连接一个所述第四线段。

所述人造微结构包括 N个线段组， 第 N个线段组的每个线段连接于第 N-1 个线段组的线段的末端， 且与所述第 N-1个线段组的线段垂直。

所述 N个线段组的每一线段组中的线段长度相等或� �异。

所述人造微结构是中心对称形状。

所述人造微结构的尺寸等于或者小于所响应的 电磁波波长的十分之一。 所述人造微结构采用金属材料制成。

相应地， 本发明实施例还提供了一种人工电磁材料， 所述人工电磁材料包 括上述的人造微结构。

其中， 所述人工电磁材料包括基板， 所述基板包括多个结构单元， 所述各 人造微结构分别设置于所述各结构单元中。

所述结构单元的尺寸等于或者小于所响应的电 磁波波长的十分之一。

所述基板采用绝缘材料制成。

所述人工电磁材料的介电常数和磁导率都小于 0。

本发明人工电磁材料是具有特殊电磁效应的新 型材料， 该人工电磁材料可 替代现有的电磁材料应用到各种电磁波的应用 系统， 比如可应用到电磁波传播 调制材料与器件， 如天线、 智能天线、 角度放大等， 或者应用到波导系统电磁 模式调制、 功能型极化调制器件、 微波电路、 THz (太赫兹波）、 光学应用等领 域。 附图说明 例或现有技术描述中所需要使用的附图作筒单 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 出创造性劳动性的前提下， 还可以根据这些附图获得其他的附图。

图 1为本发明第一实施方式的人工电磁材料的示� �图；

图 2为本发明第二实施方式的人工电磁材料的示� �图；

图 3为本发明第三实施方式的人工电磁材料的示� �图；

图 4为本发明第四实施方式的人工电磁材料的示� �图；

图 5为本发明第五实施方式的人工电磁材料的示� �图；

图 6-7为本发明第六实施方式的人工电磁材料的示 意图；

图 8-9为本发明第七实施方式的人工电磁材料的示 意图；

图 10-11为本发明第八实施方式的人工电磁材料的� ��意图；

图 12-13为本发明第九实施方式的人工电磁材料的� ��意图；

图 14-15为本发明第十实施方式的人工电磁材料的� ��意图；

图 16-17为本发明第十一实施方式的人工电磁材料� ��示意图；

图 18-20为本发明第十二实施方式的人工电磁材料� ��示意图；

图 21-22为本发明第十三实施方式的人工电磁材料� ��示意图；

图 23-24为本发明第十四实施方式的人工电磁材料� ��示意图；

图 25-26为本发明第十五实施方式的人工电磁材料� ��示意图；

图 27为本发明第十六实施方式的人造微结构的示� ��图；

图 28-31为本发明第十七实施方式的人造微结构的� ��意图；

图 32为本发明第十八实施方式的人造微结构的示� ��图；

图 33是本发明的人工电磁材料的介电常数 ξ与电磁波频率 f的 ξ -f关系示 意图；

图 34是本发明的人工电磁材料的磁导率 μ与电磁波频率 f的 μ -f关系示意 图；

图 35是本发明人工电磁材料的工作频率范围示意� ��。 具体实施方式

为了改进现有技术的电磁材料的电磁特性， 本发明提供一种人工电磁材料， 并替代现有电磁材料应用到各种电磁波的应用 系统。

请参阅图 1 ,本发明第一实施方式的人工电磁材料 100。该人工电磁材料 100 包括基板 101 ,将该基板 101划分成多个结构单元 103 ,如图中由虚线及基板 101 边缘划分出的部分。根据本发明的人工电磁材 料 100还包括多个人造微结构 102, 该多个人造微结构 102分别设置在该多个结构单元 103中。 在本发明的实施方 式中， 基板 101采用聚四氟乙烯， 在本发明的其他实施方式中， 该基板 101还 可以采用陶瓷等绝缘材料。 该结构单元 103及人造微结构 102的尺寸可以根据 需要进行调整。 例如， 当该人工电磁材料需要对波长为 λ的电磁波产生响应时， 则该结构单元 103及人造微结构 102的尺寸设置成小于波长 λ的五分之一。 为 了筒化制备工艺， 该结构单元 103及人造微结构 102的尺寸优选地为波长 λ的 十分之一数量级。 例如， 在本实施方式中， 需要对波长为 3cm的电磁波产生特 别响应， 因而该结构单元 103及人造微结构 102的尺寸设置成 1.5mm ~ 3mm, 优选地设置成 1.5mm。所述人造微结构 102包括第一线段 102a及第二线段 102b, 所述第一线段 102a及第二线段 102b相交成 "十" 字型结构。 所述人造微结构 102 通常为金属线例如铜线或者银线构成的具有一 定几何图形的平面或立体结 构， 其中， 金属线可以是剖面为圓柱状或者扁平状的铜线 、 银线等， 金属线的 剖面也可以为其他形状。 所述人造微结构 102可以通过蚀刻、 电镀、 钻刻、 光 刻、 电子刻或离子刻或者其他形式附着在该结构单 元 103上。

请参阅图 2, 为本发明第二实施方式所提供的人工电磁材料 200, 所述人工 电磁材料 200与所述人工电磁材料 100基本相同， 其不同之处在于， 所述人工 电磁材料 200的人造微结构 202除了包括第一线段 202a及第二线段 202b夕卜， 还包括第三线段 202c。 所述第三线段 202c连接于所述第一线段 202a及第二线 段 202b的末端。 优选地， 所述第一线段 202a及第二线段 202b为所述第三线段 202d的垂直平分线。

请参阅图 3 , 为本发明第三实施方式所提供的人造微结构 302, 所述人造微 结构 302与所述人造微结构 202基本相同， 其不同之处在于， 所述人造微结构 302的第三线段 302c的两端分别斜 45度向外延伸。

请参阅图 4, 为本发明第四实施方式所提供的人造微结构 402, 所述人造微 结构 402与所述人造微结构 202基本相同， 其不同之处在于， 所述人造微结构 402还包括第一线段组，所述第一线段组包括第 四线段 402d,所述第三线段 402c 的两端分别连接一所述第四线段 402d,所述第四线段 402d垂直于所述第三线段 402c。

请参阅图 5 , 为本发明第五实施方式所提供的人造微结构 502, 所述人造微 结构 502与所述人造微结构 402基本相同， 其不同之处在于， 所述人造微结构 502还包括第二线段组，所述第二线段组包括第 五线段 502e,所述第四线段 502d 的两端分别连接一所述第五线段 502e,所述第五线段 502e垂直于所述第四线段 502d。 依此类推， 所述人造微结构 502还可包括分别连接在每个第五线段 502e 两端且垂直于第五线段 502e的第三线段组， ··· ···。 当所述人造微结构 502包括

N个线段组时， 第 N个线段组的每个线段连接于第 N-1个线段组的线段， 且与 所述第 N-1个线段组的线段垂直。 这里的 N为大于等于 1的自然数。 这些人造 微结构均属于二维雪花形人造微结构的衍生结 构。

采用图 2至 5所示的人造微结构， 对平面上的二维电场均能够实现良好的 响应， 在水平方向和竖直方向的两对第三线段分别形 成等效电容叠加， 从而使 超材料整体体现出较高的介电常数。

请一并参考图 6及图 7,为本发明第六实施方式所提供的人工电磁材� �� 600。 本实施方式中， 将多块人工电磁材料 600沿垂直于人工电磁材料 600平面的方 向（ z轴方向）依次堆叠， 并通过组装或者在每两块人工电磁材料 600之间填充 可连接二者的物质例如液态基板原料，其在固 化后将已有的两人工电磁材料 600 粘合，从而使多块人工电磁材料 600构成一个整体。人工电磁材料 600可由 FR-4、 F4b、 CEM1、 CEM3或者 TP-1等高介电常数陶瓷材料构成。

所述人工电磁材料 600的结构单元 603以 X轴方向为行、 以与之垂直的 y 轴方向为列依次阵列排布。 所述各结构单元 603均包括一个人造微结构 602。

所述人造微结构 602的第一线段 602a及第二线段 602b交于交点 0。所述第 一线段 602a及第二线段 602b分为四个支路 A、 B、 C和 D, 该四个支路 A、 B、 C和 D中的每个支路的一端与交点 O相连， 另一端为自由端， 每个自由端包括 一个弯折部 602c, 每个弯折部 602c包括至少一个迂回弯折， 本实施方式中， 所 述迂回弯折的弯曲部分为直角， 支路 A、 B、 C和 D中任一支路以交点 O为圓 心依顺时针方向旋转 90度、 180度和 270度后分别与其他三个支路重合。 请一并参考图 8及图 9,本实施方式中的人工电磁材料 700与图 6及图 7所 示的人工电磁材料 600的区别在于： 人造微结构 702的每个所述弯折部 702c连 接一个第三线段 702d, 所述弯折部 702c连接于所述第三线段 702d的中点。

请一并参考图 10及图 11 , 本实施方式中的人工电磁材料 800与图 6及图 7 所示的人工电磁材料 600的区别在于： 人造微结构 802的每个弯折部 802c的迂 回弯折的弯曲部分为圓角。

请一并参考图 12及图 13 , 本实施方式中的人工电磁材料 900与图 10及图 11所示的人工电磁材料 800的区别在于：人造微结构 902的每个弯折部 902c连 接一个第三线段 902d, 所述弯折部 902c连接于所述第三线段 902d的中点。

请一并参考图 14及图 15 , 本实施方式中的人工电磁材料 110与图 6及图 7 所示的人工电磁材料 600的区别在于： 人造微结构 112的每个弯折部 112c的迂 回弯折的弯曲部分为尖角。

请一并参考图 16及图 17, 本实施方式中的人工电磁材料 120与图 14及图 15所示的人工电磁材料 110的区别在于：人造微结构 122的每个弯折部 122c连 接一个第三线段 122d, 所述弯折部 122c连接于所述第三线段 122d的中点。

如图 6-17所示的实施方式中， 通过改变 "十" 形人造微结构中各个分支的 结构， 增加了金属线的长度， 经过仿真， 结果显示， 在非常宽的一段频率上， 具有这种人造微结构的各向同性的超材料的介 电常数非常平稳， 且与具有 "十" 形人造微结构的超材料相比， 介电常数和折射率有非常显著地提高。 当该微结 构为空间对称且表现为各向同性时， 该微结构对各个方向上入射的电磁波的响 应相同， 即在 X、 Y和 Z轴方向上具有相同的响应值。 当该 结构形成人工电 磁材料时， 若该人工电磁材料具有各向同性的特性， 则该人工电磁材料的响应 值在 X、 Y和 Z轴的分量也均匀。 这种高介电常数的各向同性的超材料可以应 用在天线制造以及半导体制造等领域， 而且该技术方案由于突破了现有技术中 单位体积内介电常数受限的缺陷， 对微波器件的小型化产生也会产生不可估量 的作用。

请一并参考图 18-20, 本实施方式中的人工电磁材料 130与图 6及图 7所示 的人工电磁材料 600的区别在于， 人造微结构 132的弯折部 132c是螺旋形。 所 述第一线段 132a或第二线段 132b中同一个直线段上的两个弯折部 132c成中心 对称。 所述第一线段 132a、 第二线段 132b相交分成的四部分分别与各自末端所 连接的弯折部 132c共形成 4个完全相同的螺旋线， 每个螺旋线自内端点 P1逆 时针向外螺旋延伸至外端点 P2,且 4条螺旋线互不相交且具有同一个外端点 P2。 每条螺旋线以外端点 P2为旋转中心旋转 360/M度后与相邻螺旋线重合，其中 M 为螺旋线的条数。 本实施方式中， 每条螺旋线旋转 360/4=90度后与相邻螺旋线 重合。 每条螺旋线占据了结构单元 133表面近四分之一的面积。

本实施方式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， 本实施方式的螺 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。

请一并参阅图 21-22, 本实施方式提供的结构单元 143与图 18及图 19所示 的结构单元 133的区别在于， 人造微结构 142的弯折部 143c是矩形螺旋线。 本 实施方式的人造微结构 142包括 4条完全相同的螺旋线， 同样， 4条螺旋线分别 从各自的内端点 P1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。 每条螺旋线占据了结构单元 143表面近四分之一的面积。

本实施方式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。

请一并参阅图 23-24, 本实施方式提供的结构单元 153与图 18及图 19所示 的结构单元的区别在于， 所述结构单元 153包括两个人造微结构 152。 一个所述 人造微结构 152包括 4条完全相同的第一螺旋线 152c, 另一个所述人造微结构 152包括另 4条完全相同的第二螺旋线 152d,其中 M=8。第一、第二螺旋线 152c、 152d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 152c和一个第二螺旋线 152d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。

第一螺旋线 152c、 第二螺旋线 152d均为等腰直角三角形螺旋线， 任一第一 螺旋线 152c或第二螺旋线 152d占据结构单元 153表面面积的八分之一。 请一并参阅图 25-26, 本实施方式提供的结构单元 163与图 23及图 24所示 的结构单元 153的区别在于， 任意相邻两螺旋线 162c、 162d对称分布。

螺旋线 162c、 162d为直角三角形螺旋线， 分别自内端点 P10、 P11向外螺 旋至外端点 P20、 P21 , 每条螺旋线占据结构单元 163表面面积的八分之一。

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 ， 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， 对于一个特定的结构单元， 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， 图 22-26中人造微结构的螺旋线尽量选择有直角的� ��且直角边靠近 结构单元表面的四条边， 使得结构单元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的人 造微结构闲置了大部分结构单元表面空间， 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 ， 例如本发明图 18 至图 20 所示的实施方式中， 当基材单元表面积为 1.4mm X 1.4mm, 厚度 0.4mm, 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 0.05mm,采用线宽为 0.1mm的铜线为人造微结构，走线间距 也为 0.1mm, 在 13GHz的频率下， 本发明的人工电磁材料的折射率可高达 6.0。

请参考图 27 , 在图 27所示的附图中首先建立一三维笛卡儿坐标系� �� 该坐标 系具有相互垂直且共交点的 3个坐标轴 X、 Y、 Ζ。 本实施方式中的人造微结构 172包括分别在 X、 Υ和 Ζ轴上各截取长度分别为 a、 b和 c的第一线段 172a, 第二线段 172b和第六线段 172f, 且该第一线段 172a、 第二线段 172b和第六线 段 172f的中点均在该三维坐标系的原点 0上（未标示 ),对应地，第一线段 172a 的长度为 a、 第二线段 172b的长度为 b, 第六线段 172f 的长度为 c, 该第一线 段 172a、 第二线段 172b和第六线段 172f组合成本发明的人造微结构 172。 a、 b 和 c 的长度都需在波长 λ的十分之一或者稍小的范围内， 才能保证该人造微结 构组成的空间阵列能够对波长为 λ的电磁波产生有效响应。 请参阅图 28, 本实施方式中， 人造微结构 182与上述人造微结构 172基本 相同， 其不同之处在于， 所述人造微结构 182还包括第一线段组。 所述第一线 段组包括第四线段 Dl、 D2、 El、 E2、 Fl、 F2。 所述人造微结构 182的第一线 段 182a、 第二线段 182b和第六线段 182f的末端均连接所述第四线段 Dl、 D2、 El、 E2、 Fl、 F2。 所述第四线段垂直于与其连接的线段。 第一线段 182a的两端 设置长度为 dl的第四线段 Dl、 长度为 d2的第四线段 D2, 第二线段 182b的两 端设置长度为 el的第四线段 El、 长度为 e2的第四线段 E2, 第六线段 182f 的 两端设置长度为 fl的第四线段 Fl、 长度为 f2的第四线段 F2。

请一并参阅图 29至图 31 , 图 29是根据本发明具有所述人造微结构 182的 人工电磁材料 180的一个结构单元 183的示意图， 图 30是本发明具有所述人造 微结构 182的人工电磁材料 180的一维结构示意图， 图 31是本发明具有所述人 造微结构 182的人工电磁材料 180的二维结构示意图。 当然， 具有本发明的所 述人造微结构 182的人工电磁材料也可以有三维结构， 只需将图 31中具有所述 人造微结构 182的人工电磁材料 180的二维结构堆叠， 即可获得具有三维结构 的人工电磁材料。

上述所述多个人造微结构 182 的尺寸相同， 且均匀地设置在所述人工电磁 材料 180上。 当然， 在其他实施方式中所述多个人造微结构 182的尺寸可以不 同， 但均匀地排列在基板上。 例如所述多个人造微结构 182 的尺寸逐渐变大或 变小， 但是均匀地排列在基板上。 或所述多个人造微结构 182 的尺寸相同， 但 非均勾地排列在所述人工电磁材料 180上。 例如， 在所述人工电磁材料 180的 某处， 人造微结构 182的密度较大， 而在所述人工电磁材料 180的其他处， 人 造微结构 182的密度较小。 又或者， 所述人造微结构 182的尺寸不相同， 并且 非均匀的排列在所述人工电磁材料 180上。

请参阅图 32, 本实施方式中提供的人造微结构 192与所述人造微结构 182 基本相同， 其不同之处在于， 所述人造微结构 192还包括第二线段组， 所述第 二线段组包括第五线段 192e。所述第五线段 192e分别连接于所述人造微结构 192 的第四线段 192d的末端， 所述各第五线段 192e与所述各第四线段 192d垂直。

在本发明的其他实施方式中， 还可以在所述第五线段 192e的末端设置垂直 于所述第五线段 192e的第三线段组， 在第三线段组的每一线段的末端设置一组 垂直于该线段的第四线段组， 以此类推， 可以衍生出更多的拓朴结构， 该类结 构类似于雪花型结构， 因而均属于以雪花型结构为基础的衍生结构。 在以雪花型结构为基础的衍生结构中， 所述第一线段 182a、 第二线段 182b 和第六线段 182f的长度 a、 b和 c为彼此独立的变量， 可取为任意长度值， 根据 取值的不同该单个雪花型人造结构表现出不同 的性质。 第五线段 Dl、 D2、 El、 E2、 Fl、 F2对应的长度 dl、 d2、 el、 e2、 fl和 f2均可取为任意长度值， 且所 述第五线段 D1和 D2之间、 E1和 E2之间、 F1和 F2之间可以在空间平行， 也 可以不平行， 该长度的取值和第五线段的位置关系决定该单 个雪花型人造结构 的不同性质。

当且仅当 &、 b和 c都相等， dl、 d2、 el、 e2、 fl和 f2都相等， 位于同一直 线段上的第五线段分别平行，且所述第五线段 D1、D2对应平行于第二线段 182b, 所述第五线段 El、 E2对应平行于第六线段 182f, 所述第五线段 Fl、 F2对应平 行于第一线段 182a时， 该单个雪花型人造结构具有对称性， 该雪花型微结构所 在结构单元对于电磁波呈各向同性的特性。 当包括 N组线段组时， 必须满足每 组线段组里面所包括的线段的长度相等且对应 平行， 且对于第 N组线段组， 该 第 N组线段组的所有线段必须对应平行于所述第� �线段 182a、 第二线段 182b 和第六线段 182f 中的一个， 此时该衍生结构呈各向同性的特性。 否则， 则表现 出各向异性的特点。 本发明可以根据不同的应用需要设为各向同性 或者各向异 性的特性。

图 27-32中的所述人工电磁材料可调制电磁波。电� ��波的传播包括电场和磁 场的传播， 相应地， 在电场和磁场进行传播的过程中， 会在传播介质中产生对 应的响应， 具体表现为介电常数 ξ和磁导率 。 一般介质材料的介电常数 ξ及 磁导率均大约零， 空气中的介电常数 ξ =1 , 磁导率 μ =1 , 而本发明人工电磁材 料单个雪花型人造结构的介电常数 ξ <0且磁导率 <0, 亦即是说， 电磁波在该 人工电磁材料中传播发生折射时， 入射光和折射光位于入射平面法线的同一侧。

人工电磁材料通过设计该微结构的排列结构， 预设整个人工电磁材料在空 间的每一三维坐标点的电磁特性， 这种电磁特性可以是均勾而非渐变的， 也可 以根据实际需要设置为非均勾而渐变的特性， 本发明人工电磁材料通过设计、 优化和加工来改变该人造微结构的尺寸及维度 的排列关系， 从而可以使该人工 电磁材料的介电常数 ξ以及磁导率 μ按任意预定值改变， 且可任意改变电磁场 的传播方向。 在本发明中， 该渐变、 非渐变的特性指介电常数 ξ和磁导率 μ的 渐变特性， 通过控制该人工电磁材料的结构来实现控制电 磁波的传播以及介电 常数 ξ和磁导率 μ。

除上述特性外， 本发明人工电磁材料谐振频率的调谐则可以通 过改变该单 个雪花型人造结构、 该微结构以及该维度的实现方式来实现， 即通过改变材料、 单个人造微结构或者基板的材料来实现调谐。

请参阅图 33和图 34, 图 33是本发明人工电磁材料的介电常数 ξ与电磁波 频率 f 的 ξ -f 关系示意图， 图 34是人工电磁材料的磁导率 μ与电磁波频率 f 的 μ -f关系示意图， 其中 f ₀ 为谐振频率。 众所周知， 当需响应频率 f和系统的谐振 频率 f。接近时， 会给系统带来谐振损耗， 这个损耗是最大的， 既降低系统的寿 命， 又影响了工作的效率。 本发明通过前述的调谐方法， 对该人工电磁材料进 行调谐， 即通过调整该人工电磁材料的介电常数 ξ总和磁导率 μ总， 使该人工 电磁材料的谐振频率 f。平移， 一般表现为变大， 从而使该人工电磁材料的工作 频率远离谐振频率。 本发明人工电磁材料通过改变人造微结构， 从而改变该微 结构的介电常数 ξ , 进而改变该人工电磁材料的介电常数 ξ总和磁导率 μ总， 使该人工电磁材料在工作时的响应频率 f远离该人工电磁材料的谐振频率 f。，避 免出现谐振， 从而避免电磁波的过量损耗。 除了上述优点外， 本发明通过调谐 作用， 还可以使该人工电磁材料的工作进行有效的数 学预测， 从而设计该人工 电磁材料的介电常数和磁导率的数值。

请参阅图 35 , 图 35是本发明人工电磁材料的工作频率范围示意� ��。 通过调 谐作用， 本发明的人工电磁材料进一步实现超宽带的工 作范围， 当响应频率远 离谐振频率时， 相应地， 该人工电磁材料的响应频率的范围也得到加宽 ， 其中， 工作频率的下限值为 f ， 工作频率的上限值为 f _«, 即工作频率范围为 f 到 f 下限， 工作的带宽值为 （f 上限 -f 下限 ）， 相对于现有的电磁材料， 本发明的工作频率 范围较大， 属于超宽带的值。

电磁波从垂直该 结构的方向进入， 该 结构对电场响应而对磁场无响应。 当该微结构为空间对称且表现为各向同性时， 该微结构对各个方向上入射的电 磁波的响应相同， 即在 X、 Y和 Z轴方向上具有相同的响应值。 如前所述， 当 该微结构形成人工电磁材料时， 若该人工电磁材料具有各向同性的特性， 则该 人工电磁材料的响应值在 X、 Y和 Z轴的分量也均勾。 反之， 若各向异性， 则 在响应的时候表现为响应值不规则的分布， 如表现为电磁波的汇聚、 偏移等， 当电磁波垂直入射到该人工电磁材料， 并穿过该人工电磁材料， 在该人工电磁 材料内， 电磁波根据预设的微结构的介电常数和磁导率 ， 使该电磁波的传播方 向改变偏折， 一般为往介电常数和磁导率绝对值大的方向偏 折， 从而实现电磁 波的汇聚和偏移， 而当电磁波直线射入该人工电磁材料， 而从另一方向平行射 出时， 该入射光线和该出射光线平行， 实现了传播线路的平移。

采用以上实施例的人工电磁材料是具有特殊电 磁效应的新型材料， 该人工 电磁材料可替代现有的电磁材料应用到各种电 磁波的应用系统， 比如可应用到 电磁波传播调制材料与器件， 如天线、 智能天线、 角度放大等， 或者应用到波 导系统电磁模式调制、 功能型极化调制器件、 微波电路、 THz (太赫兹波）、 光 学应用等领域。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已 ， 当然不能以此来限定本发 明之权利范围， 因此依本发明权利要求所作的等同变化， 仍属本发明所涵盖的 范围。