本申请要求于 2011年 5月 20日提交中国专利局、申请号为 201110131783.3, 发明名称为 "一种高介电常数的超材料" 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， 特别是涉及一种人造微结构及其应用的超材料 。 背景技术

介电常数是材料对电场响应的一个参数， 材料在外加电场时会产生感应电 荷而削弱电场， 原真空中的外加电场与最终材料中电场的比值 即为介电常数。

自然界中， 任何一种材料在特定的条件下， 都有它特定的介电常数值或者 介电常数曲线。 介电常数较高的材料放在电场中， 电场的强度会在电介质材料 内有可观的下降。 介电常数高的材料， 如介电绝缘体， 通常用来制造电容。 而 且在高介电常数材料中， 电磁波波长 4艮短， 可以大大缩小射频及微波器件的尺 寸。

随着技术日新月异的发展， 人们对材料的应用要求越来越高， 在某些场合， 所需要的介电常数值远高于自然界已有的材料 的介电常数值， 现有的介电常数 较高的介电绝缘体也不能达到要求， 这将为技术和产品研发造成瓶颈。 因此， 人们转向人工制造的超材料， 以期实现上述技术目的。

超材料是一种具有天然材料所不具备的超常物 理性质的人工复合结构材 料， 通过对微结构的有序排列， 改变了空间中每点的相对介电常数和磁导率。 超材料可以在一定范围内实现普通材料无法具 备的介电常数和磁导率， 从而可 以有效控制电磁波的传播特性。

超材料包括由金属线构成的具有一定图案形状 的人造微结构和人造微结构 所附着的基板， 多个人造微结构在基板上阵列排布， 基板对人造微结构起到支 撑作用， 可为任何与人造微结构不同的材料。 这两种材料的叠加会在空间中产 生一个等效介电常数与磁导率， 这两个物理参数分别对应了材料整体的电场响 应与磁场响应。 超材料对电磁响应的特征是由人造微结构的特 征所决定， 而人 造微结构的电磁响应很大程度上取决于其金属 线的拓朴特征和超材料单元尺 寸。 超材料单元尺寸取决于人造微结构需要响应的 电磁波， 通常人造微结构的 尺寸为所需响应的电磁波波长的十分之一， 否则空间中由人造微结构所组成的 排列在空间中不能被视为连续。

目前超材料生产工艺中通常采用如图 1所示的 "I" 形人造微结构去改变空 间中的介电常数分布。 超材料可以看作由附着人造微结构的基板单元 阵列排布 而成， 单个基板单元的尺寸通常为电磁波波长的五分 之一到十分之一之间， 在 有限的空间中 "Γ 形人造微结构的尺寸改变的范围有限， 超材料单元的介电常 数可改变的范围也是有限的。 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， 提供一种具有高介 电常数的超材料。

本发明提供一种人造微结构， 所述人造微结构包括一个第一金属线、 一个 第二金属线、 至少一个第一金属线分支及至少一个第二金属 线分支， 所述第一 金属线及第二金属线相互平行， 所述至少一个第一金属线分支一端连接于所述 第一金属线上， 另一端为朝向所述第二金属线的自由端， 所述至少一个第二金 属线分支一端连接于所述第二金属线上， 另一端为朝向所述第一金属线的自由 端， 所述第一金属线分支及第二金属线分支依次交 错分布。

其中， 所述至少一个第一金属线分支及所述至少一个 第二金属线分支均匀 分布。

所述至少一个第一金属线分支及所述至少一个 第二金属线分支相互平行。 所述至少一个第一金属线分支垂直于所述第一 金属线， 所述至少一个第二 金属线分支垂直于所述第二金属线。

所述至少一个第一金属线分支的数量等于所述 至少一个第二金属线分支的 数量。

所述至少一个第一金属线分支的数量等于不等 于所述至少一个第二金属线 分支的数量。

相应地， 本发明实施例还提供了一种超材料， 其包括至少一个超材料片层， 每个超材料片层包括基板和至少一个如权利要 求 1-12所述的人造微结构， 所述 人造微结构附着在所述基板上。 其中， 每个超材料片层包括至少两个所述人造微结构 。

所述超材料还包括至少三个第三金属线， 所述第三金属线连接于所述第一 金属丝和 /或第二金属丝上。

所述第三金属线连接于相邻的两个人造微结构 的第一金属丝和第二金属丝 之间。

所述第三金属线为直线。

所述第三金属线为曲线。

所述第三金属线为迂回曲线。

所述人造微结构在所述基板上成阵列排布。

所述基板划分为多个阵列排布的相同的长方体 形基板单元， 每个基板单元 上附着有一个人造微结构。

基板单元的边长为入射电磁波波长的五分之一 到十分之一之间。

所述基板选自 FR-4、 F4b、 CEM1、 CEM3和 TP-1的一种制成。

所述基板选自聚四氟乙烯、 铁电材料、 铁氧材料和铁磁材料的一种制成。 所述超材料包括叠加的多块基板， 每块基板上均附着有多个人造微结构。 所述多块基板之间填充可连接二者的液态基板 原料。

实施本发明具有以下有益效果： 本发明通过改变现有人造微结构的形状， 在每个人造微结构中构造依次交错分布的第一 金属线分支和第二金属线分支， 增加了金属线的正对面积， 从而提高了人造微结构的电容， 进而提高了超材料 的介电常数和折射率， 经过仿真， 结果显示， 在非常宽的一段频率上， 具有这 种人造微结构的超材料的介电常数非常平稳， 而且与具有 "I" 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。 这种高介电常数的超材料 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。 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是现有技术中 "I" 形人造微结构的示意图；

图 2是本发明实施例一提出的超材料的结构示意� �；

图 3是本发明实施例一中的人造微结构的结构示� �图

图 4是本发明实施例二提出的超材料的结构示意� �；

图 5是本发明实施例二中相邻的两个人造微结构� �结构示意图；

图 6是本发明实施例三提出的超材料的结构示意� �；

图 7是本发明实施例三中相邻的两个人造微结构� �结构示意图。 具体实施方式

为了改进现有技术的电磁材料的电磁特性， 本发明提供一种超材料， 相对 于现有材料和已知的超材料， 提高了超材料的介电常数和折射率。

如图 2和图 3所示， 本实施例提供了一种新型的超材料， 相对于现有的超 材料， 通过改变其中人造微结构的拓朴形状提高了超 材料的介电常数。

如图 2所示， 超材料包括三个超材料片层 1， 三个超材料片层 1沿垂直于基 板平面的方向（z轴方向）依次堆叠， 超材料片层 1之间填充可连接二者的物质 例如液态基板原料， 其在固化后将相邻的两超材料片层 1 粘合， 从而构成一个 整体。 每个超材料片层 1 包括基板和附着在基板上的人造微结构， 基板可由 FR-4、 F4b、 CEM1、 CEM3或者 TP-1等高介电常数陶瓷材料构成， 也可以是高 分子材料例如聚四氟乙烯、 铁电材料、 铁氧材料或者铁磁材料等； 人造微结构 通过蚀刻、 电镀、 钻刻、 光刻、 电子刻或离子刻附着于基板上。

将每个超材料片层 1 虚拟地划分成多个完全相同的相互紧挨着的长 方体超 材料单元 3， 这些超材料单元 3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。 每个超材料单元 3 包括人造微结构 2和人造微结构所附着的基板 单元， 超材料单元 3 的边长通常小于入射电磁波波长的五分之一， 优选为五分 之一到十分之一之间。 如图 3 所示， 本实施例的超材料可看作是由长、 宽、 高 相等的多个超材料单元 3沿 x、 y、 z三个方向阵列排布而成。 当然， 超材料单 元 3的厚度（z方向的长度）并不必然与长、 宽相等， 只要满足不大于长、 宽即 可。

人造微结构如图 3所示， 每个人造微结构包括相互平行的第一金属线 al和 第二金属线 a2,还包括 8个一端与所述第一金属线 al相连另一端为自由端且朝 向第二金属线 a2的第一金属线分支 bl , 以及 8个一端与所述第二金属线 a2相 连另一端为自由端且朝向第一金属线 al的第二金属线分支 b2,第一金属线分支 bl和第二金属线分支 b2依次交错均勾分布。 所述第一金属线分支 bl和第二金 属线分支 b2相互平行。 其中第一金属线分支 bl和第二金属线分支 b2分别与第 一金属线 al和第二金属线 a2垂直。

实施例二

如图 4和图 5所示， 超材料包括三个超材料片层 1 , 三个超材料片层 1沿垂 直于基板平面的方向（ z轴方向）依次堆叠； 将每个超材料片层 1虛拟地划分成 多个完全相同的相互紧挨着的长方体超材料单 元 3 ,这些超材料单元 3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。 每个超材料单元 3 包括人 造微结构 2和人造微结构所附着的基板单元， 超材料单元 3的边长通常小于入 射电磁波波长的五分之一， 优选为五分之一到十分之一之间。 如图 4所示， 本 实施例的超材料可看作是由多个超材料单元 3沿 x、 y、 z三个方向阵列排布而 成。

本实施例中， 所述超材料片层 1还包括至少三个第三金属线 c。 所述第三金 属线 c连接于所述第一金属丝 al和 /或第二金属丝 a2上，有的所述第三金属线 c 仅连接于所述第一金属丝 al上， 有的所述第三金属线 c仅连接于所述第二金属 丝 a2上， 有的所述第三金属线 c同时连接于相邻的两个人造微结构的第一金� � 丝 al及第二金属丝 a2上。

本实施例中， 相邻的两个人造 结构的结构示意图如图 5 所示， 两个人造 微结构通过第三金属线 c相连， 第三金属线 c是直线形，每个人造微结构包括相 互平行的第一金属线 al和第二金属线 a2 ,还包括 8个一端与所述第一金属线 al 相连另一端为自由端且朝向第二金属线 a2的第一金属线分支 bl , 以及 8个一端 与所述第二金属线 a2相连另一端为自由端且朝向第一金属线 al的第二金属线分 支 b2 , 第一金属线分支 bl和第二金属线分支 b2依次交错均匀分布。 其中第一 金属线分支 bl和第二金属线分支 b2分别与第一金属线 al和第二金属线 a2垂直。

实施例三

如图 6和图 7所示， 超材料包括三个超材料片层 1 , 三个超材料片层 1沿垂 直于基板平面的方向（ z轴方向）依次堆叠； 将每个超材料片层 1虚拟地划分成 多个完全相同的相互紧挨着的长方体超材料单 元 3，这些超材料单元 3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。 每个超材料单元 3 包括人 造微结构 2和人造微结构所附着的基板单元， 超材料单元 3的边长通常小于入 射电磁波波长的五分之一， 优选为五分之一到十分之一之间。 如图 6所示， 本 实施例的超材料可看作是由多个超材料单元 3沿 x、 y、 z三个方向阵列排布而 成。

相邻的两个人造微结构的结构示意图如图 7 所示， 两个人造微结构通过第 三金属线 c相连，第三金属线 c是弯折的迂回曲线形。 当然，在其他实施方式中， 所述第三金属线 c 也可以是波浪形、 折线形等其他曲线形。 每个人造微结构包 括相互平行的第一金属线 al和第二金属线 a2,还包括 8个一端与所述第一金属 线 al相连另一端为自由端且朝向第二金属线 a2的第一金属线分支 bl , 以及 8 个一端与所述第二金属线 a2相连另一端为自由端且朝向第一金属线 al的第二金 属线分支 b2， 第一金属线分支 bl和第二金属线分支 b2依次交错均匀分布。 其 中第一金属线分支 bl和第二金属线分支 b2分别与第一金属线 al和第二金属线 a2垂直。

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， 还可做出很多变形， 比如第一分支的数量可以与第二分支的 数量不同、 在第一金属线和第二金属线上可以连接上其他 几何形状的金属线等 均属于本发明的保护之内。