本申请要求于 2011年 6月 29日提交中国专利局、申请号为 201110179888.6, 发明名称为 "一种新型超材料" 的中国专利申请的优先权， 2011年 6月 29日提 交中国专利局、 申请号为 201110179837.3, 发明名称为 "一种新型超材料" 的 中国专利申请的优先权， 2011 年 6 月 29 日提交中国专利局、 申请号为 201110179776.0, 发明名称为 "一种新型超材料" 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。 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

人工电磁材料， 俗称超材料， 是一种新型人工合成材料， 是由非金属材料 制成的基板和附着在基板表面上或嵌入在基板 内部的多个人造微结构构成的。 基板可以虚拟地划分为矩形阵列排布的多个基 板单元， 每个基板单元上附着有 人造微结构， 从而形成一个超材料单元， 整个超材料是由很多这样的超材料单 元组成的， 就像晶体是由无数的晶格按照一定的排布构成 的。 每个超材料单元 上的人造微结构可以相同或者不完全相同。 人造微结构是由金属丝组成的具有 一定几何图形的平面或立体结构， 例如组成圆环形、 "工" 形的金属丝等。

由于人造微结构的存在， 每个超材料单元具有不同于基板本身的电磁特 性， 因此所有的超材料单元构成的超材料对电场和 磁场呈现出特殊的响应特性； 通 过对人造微结构设计不同的具体结构和形状， 可以改变整个超材料的响应特性。

普通材料的介电常数随着频率的变化而变化， 具有一个谐振峰， 如图 1 所 示， 在低损耗的情况下介电常数通常大于 10。 在某些应用场合， 特别是大规模 集成电路中， 需要用到具有低介电常数的材料， 普通材料一般都不满足。 发明内容

本发明要解决的技术问题在于， 针对现有技术的缺陷， 提供一种具有低介 电常数的材料， 该材料的介电常数在一定频段内由零逐渐增大 ， 因此在一定的 频段内具有较小的介电常数。 本发明提供一种人工电磁材料， 该人工电磁材料包括至少一个材料片层， 每个材料片层包括基板和附着在基板上的人造 微结构， 每个基板虚拟地划分为 多个阵列排布的基板单元， 每个基板单元上附着一对人造微结构， 所述一对人 造微结构包括形状不同的第一人造微结构及第 二人造微结构。

其中， 所述第一人造微结构包括工字形结构和与工字 形结构的中间连接线 相交的两个开口相对的开口环形结构。

所述第一人造微结构中的开口环形结构包括呈 直角或者弧形的弯折部。 所述第二人造微结构包括共交点的四个支路， 任一所述支路的一端与所述 交点相连， 另一端为自由端， 所述支路包括至少一个弯折部， 任一所述支路以 所述交点为旋转中心依次旋转 90度、 180度和 270度后分别与其他三个支路重 合。

所述第二人造微结构的弯折部为直角、 圆角或者尖角。

所述第二人造微结构的任一所述支路的自由端 连接有一个线段。

任一所述第二人造微结构支路的自由端与所述 线段的中点相连。

所述第二人造微结构包括两个相互正交的工字 形结构， 每个所述工字形结 构中两条相互平行的边的两端分别连接有朝向 内侧的线段。

所述线段为直线。

分别连接于不同的所述工字形结构的相邻两端 的两条所述线段相互平行。 所述线段为弧形或弯折线。

所述第一人造微结构包括共交点的四个支路， 任一所述支路的一端与所述 交点相连， 另一端为自由端， 所述支路包括至少一个弯折部， 任一所述支路以 所述交点为旋转中心依次旋转 90度、 180度和 270度后分别与其他三个支路重 合； 所述第二人造微结构包括两个相互正交的工字 形结构， 工字形结构中两条 相互平行的边的两端分别连接有朝向内侧的线 段。

所述第一人造微结构的弯折部为直角、 圆角或者尖角。

所述第一人造微结构的任一所述支路的自由端 连接有一线段。

任一所述第一人造微结构支路的自由端与所述 线段的中点相连。

所述第二人造微结构中的所述线段为直线。

不同所述工字形结构相邻两端连接的两条线段 相互平行。

所述第二人造微结构中的所述线段为弧形或弯 折线。 所述人造微结构由金属线制成。

所述人造微结构由铜线或者银线制成。

实施本发明的人工电磁材料， 具有以下有益效杲： 该材料的介电常数在一 定频段内由零逐渐增大， 因此在一定的频段内具有较小的介电常数， 可以满足 特定场合的应用。 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 例或现有技术描述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 出创造性劳动性的前提下， 还可以根据这些附图获得其他的附图。

图 1是普通材料介电常数特性曲线；

图 2是本发明第一实施例的人工电磁材料的示意� �；

图 3是图 2所示人工电磁材料的一个材料单元的结构示� �图；

图 4是图 2所示人工电磁材料的第一人造微结构的结构� �意图；

图 5是第一人造微结构的其他可能结构；

图 6是图 2所示人工电磁材料的第二人造微结构的结构� �意图；

图 7至图 11是第二人造微结构的可能结构；

图 12是图 2所示人工电磁材料的介电常数特性图；

图 13是本发明第二实施例中一个材料单元的示意� ��；

图 14是第二实施例中的第一人造微结构的结构示� ��图；

图 15是具有第二实施例中材料单元的人工电磁材� ��的介电常数特性图； 图 16是本发明第三实施例的人工电磁材料的示意� ��；

图 17是图 16所示人工电磁材料的一个材料单元的结构示� ��图；

图 18是图 16所示人工电磁材料的第一人造微结构的结构� ��意图； 图 19是图 16所示人工电磁材料的第二人造微结构的结构� ��意图； 图 20至图 21是图 19所示第二人造微结构的可能结构；

图 22是图 16所示人工电磁材料的介电常数特性图；

图 23是本发明第四实施例的第一人造微结构的示� ��图；

图 24是具有第四实施例中材料单元的人工电磁材� ��的介电常数特性图； 图 25是本发明第四实施例的人工电磁材料的示意� ��；

图 26是图 26所示人工电磁材料的一个材料单元的结构示� ��图；

图 27是本发明第四实施例的人工电磁材料的介电� ��数特性图一；

图 28是本发明第四实施例的人工电磁材料的介电� ��数特性图二。 具体实施方式

请一并参阅图 2及图 3 ,本发明第一实施例提供一种具有低介电常数� �人工 电磁材料 100, 其包括至少一个材料片层 1 , 当具有多个材料片层 1时， 这些材 料片层 1沿垂直于其表面的方向堆叠到一起。

该人工电磁材料 100包括 3块均 等厚的材料片层 1 ,多块材料片层 1沿垂 直于基板平面的方向（ z轴方向）依次堆叠， 每两块材料片层 1之间通过一定的 封装工艺例如焊接、 铆接、 粘接等方式制成为一个整体或者通过填充可连 接二 者的物质例如液态基板原料， 其在固化后将已有的两材料片层 1 粘合， 从而使 多块材料片层 1构成一个整体。

每个材料片层 1 包括基板和附着在基板上的人造微结构， 将基板虚拟地划 分成多个完全相同的相互紧挨着的柱状基板单 元， 这些基板单元以 X轴方向为 行、以与之垂直的 y轴方向为列依次阵列排布。设计基板单元的� �寸为 4毫米 x2 毫米 χθ.818毫米， 对照图 3 , 即 _ai =4毫米、 a ₂ =2毫米、 a ₃ =0.818毫米， 每个基 板单元上下位置附着一对人造微结构，即第一 人造微结构 3和第二人造微结构 4, 基板单元和基板单元上的人造微结构共同构成 一个材料单元 2。所述第一人造微 结构 3和第二人造微结构 4的形状不同。 本实施例的材料可看作是由多个材料 单元 2沿 x、 y、 z三个方向阵列排布而成， 其中， 人造 Τί结构可以通过蚀刻、 电镀、 钻刻、 光刻、 电子刻或离子刻等方式附着于所述基板上。 第一人造微结 构 3和第二人造微结构 4的材质为金属线， 这里使用铜线， 选择铜线的横截面 为长方形， 横截面的尺寸为 0.1毫米 χθ.018毫米， 其中铜线的线宽为 0.1毫米， 铜线的厚度为 0.018毫米， 当然金属线也可以使用银线等其他金属线， 金属线的 横截面也可以为圓柱状、扁平状或者其他形状 。 在本实施例中第一人造微结构 3 如图 4 所示包括工字形结构和与工字形结构的中间连 接线相交的两个开口相对 的开口环形结构， 图 4 中的开口环形结构的弯折部为直角， 第一人造 :结构还 可以如图 5所示， 开口环形结构的弯折部为弧形。 图 4中的第一人造微结构的 上边缘与其所附着的基板单元的边界的距离为 0.1毫米， 左右居中， 对照图 4, 第一人造微结构的各部分的尺寸分别是： bl=1.2毫米、 b2=0.4毫米、 b3=0.2毫 米； cl=1.8毫米、 c2=0.2毫米、 c3=0.3 毫米、 c4=0.2毫米； 第二人造微结构 4 如图 6 所示， 包括共交点的四个支路， 任一支路的一端与所述交点相连， 另一 端为自由端， 各支路包括 6 个弯折部， 弯折部为直角， 任一支路以所述交点为 旋转中心依次顺时针旋转 90度、 180度和 270度后分别与其他三个支路重合， 而且在每个支路的自由端连接有一线段， 自由端与线段的中点相连， 第二人造 微结构的各部分尺寸分别是： dl=1.6毫米、 d2=0.7毫米、 d3=l毫米、 d4=0.4毫 米、 el=e2=e3=0.1毫米、 e4=0.2毫米。 该人造微结构还可以由多种变形， 如图 7 至图 11所示， 弯折部可以为圆角或者尖角， 自由端可以连接线段也可以不连接 线段。 为了简化起见， 图 5、 图 7至图 11 中的结构都用细线来画出， 实际上， 上述结构都具有一定的宽度， 如图 2 所示。 电磁波通过该材料时对应的介电常 数特性仿真图如图 12所示， 由图 12中的实线可知， 该材料的介电常数特性具 有双谐振， 而且对应于第二个谐振， 介电常数在一定的频段内 （ 16GHz~18GHz ) 由零逐渐增加， 而且由虚线可知在介电常数较 d、的上述频段内对应介电常数的 虚部接近零， 因此损耗也较低， 所以该材料可以应用在需要介电常数较小的场 合。

当在其他频段内需要较小的介电常数时， 可以通过改变材料单元的尺寸或 者第一人造微结构尺寸或者第二人造微结构的 尺寸来实现。

请一并参阅图 13及图 14, 本发明第二实施例与实施例一的区别在于： 第一 人造微结构 3的尺寸不同， 第一人造微结构 3的各部分的尺寸如图 14分别是： bl=1.9毫米、 b2=0.85毫米、 b3=0.7毫米； cl=1.8毫米、 c2=0.1毫米、 c3=0.45 毫米、 c4=0.1 毫米； 第二人造微结构 4的形状和尺寸与实施例一中的第二人造 微结构相同。 电磁波通过该材料时对应的介电常数特性仿真 图如图 15所示， 由 图 15中的实线可知， 该材料的介电常数特性具有多谐振， 介电常数在一定的频 段内 （ ll.5GHz~12.5GHz以及 15.5GHz~24GHz ) 由零逐渐增加， 而且由虚线可 知在介电常数较小的上述频段内对应介电常数 的虚部接近零， 因此损耗也较低， 所以该材料可以应用在需要介电常数较小的场 合。 对比实施例一可知， 改变第 一人造微结构的尺寸后介电常数由零逐渐增加 的频段也随之改变。 因此当我们 需要在不同频段内用到低介电常数的材料时， 只需要改变人造微结构的尺寸即 可实现。

请一并参阅图 16及图 17,本发明第三实施例的人工电磁材料 200与实施例 一的人工电磁材料 100区别在于：设计基板单元 102的尺寸为 8毫米 X 4毫米 X 0.818毫米， 对照图 17, 即 el=8毫米、 e2=4毫米、 e3=0.818毫米。 材料单元 102 的第一人造微结构 103与第一实施例中图 2的第一人造鼓结构形状相同。 第一 人造微结构 103还可以如图 5所示， 该开口环形结构的弯折部为弧形。 图 17中 的第一人造微结构的上边缘与其所附着的基板 单元的边界的距离为 0.1毫米，左 右居中，对照图 18,第一人造微结构的各部分的尺寸分别是： al=0.9毫米、 a2=0.4 毫米、 a3=0.3、 bl=1.9毫米、 b2=0.2毫米、 b3=0.4毫米、 b4=0.1 毫米； 第二人 造微结构 104如图 19所示， 包括相正交的两个工字形结构， 每个工字形结构的 两条相互平行的边的两端分别连接有一个线段 ， 所述线段朝向由该两个工字形 结构的边缘线组成的空间， 即朝向内侧。 第二人造微结构 104 的各部分尺寸分 别是： cl=c2=2.89毫米、 c3=0.184毫米、 c4=0.75毫米。 该人造微结构还可以由 多种变形， 如图 20和图 21所示， 弯折部可以为弧形或者弯折线。 电磁波通过 该材料时对应的介电常数特性仿真图如图 22所示， 由图 22中的实线可知， 该 材料的介电常数曲线具有多个谐振峰， 介电常数在一定的频段内

( 11 GHz- 18GHz ) 由零逐渐增加， 而且由虚线可知在介电常数较小的上述频段 内对应介电常数的虚部接近零， 因此损耗也较低， 所以该材料可以应用在需要 介电常数较小的场合。

当在其他频段内需要较小的介电常数时， 可以通过改变材料单元的尺寸或 者第一人造微结构尺寸或者第二人造微结构的 尺寸来实现。

请参阅图 23 , 本发明第四实施例与实施例三的区别在于： 第一人造 结构 的尺寸不同， 第一人造微结构的各部分的尺寸如图 23 分别是： al=1.8 毫米、 a2=0.65毫米、 a3=0.55毫米、 bl=1.9毫米、 b2=0.1 毫米、 b3=0.5毫米、 b4=0.1 毫米； 第二人造微结构的形状和尺寸与实施例三中的 第二人造微结构相同。 电 磁波通过该材料时对应的介电常数特性仿真图 如图 24所示， 由图 24中的实线 可知， 该材料的介电常数曲线具有多个谐振峰， 介电常数在一定的频段内

( 10.lGHz~ll.3GHz )由零逐渐增加， 而且由虚线可知在介电常数较小的上述频 段内对应介电常数的虚部接近零， 因此损耗也较低， 所以该材料可以应用在需 要介电常数较小的场合。 对比实施例三可知， 改变第一人造微结构的尺寸后介 电常数由零逐渐增加的频段也随之改变。 因此当我们需要在不同频段内用到低 介电常数的材料时， 只需要改变人造微结构的尺寸即可实现。

请一并参阅图 25及图 26,本发明第五实施例的人工电磁材料 300与实施例 二的人工电磁材料 200区别在于： 基板单元 202的第一人造微结构 203与第一 实施例的第二人造微结构相同， 所述第一人造微结构 203 包括共交点的四个支 路， 任一支路的一端与所述交点相连， 另一端为自由端， 各支路包括多个弯折 部， 弯折部为直角， 任一支路以所述交点为旋转中心依次顺时针旋 转 90度、 180 度和 270度后分別与其他三个支路重合， 而且在每个支路的自由端连接有一线 段， 自由端与线段的中点相连， 该人造微结构还可以由多种变形， 如图 7 至图 11所示， 弯折部可以为圆角或者尖角， 自由端可以连接线段也可以不连接线段。 第二人造微结构 204如图 26所示， 包括相正交的两个工字形结构， 每个工字形 结构的两条相互平行的边的两端分别连接有一 个线段， 所述线段朝向由该两个 工字形结构的边缘线组成的空间 , 即朝向内侧 , 该人造微结构还可以由多种变 形， 如图 20和图 21所示， 弯折部可以为弧形或者弯折线。 图 27和图 28是电 磁波通过该材料时对应的介电常数特性仿真图 ， 其中图 28中的人造微结构相对 于图 27 中人造微结构的尺寸变小。 由图 27 中的实线可知， 该材料的介电常数 在一定的频段内 （ llGHz~18GHz )由零逐渐增加， 由图 28可知在一定的频段内 ( 8GHz~8.5GHz )介电常数由零逐渐增加； 而且由图中虚线可知在介电常数较 小的上述频段内对应介电常数的虚部接近零， 因此损耗也较低， 所以该材料可 以应用在需要介电常数较小的场合。 当在其他频段内需要较小的介电常数时， 可以通过改变材料单元的尺寸或者第一人造微 结构尺寸或者第二人造微结构的 尺寸来实现。

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。