[发明专利]一种具有高介电常数的超材料

说明书

技术领域

本发明涉及超材料领域，更具体地说，涉及一种具有高介电常数的超材料。

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，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，电磁波波长很短，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的人造微结构和人造微结构所附着的基材，多个人造微结构在基材上阵列排布，基材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扑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材单元阵列排布而成，单个基材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“I”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。具有“I”形人造微结构的超材料的折射率随频率变化的曲线如图2所示，其折射率一般在5以下，介电常数随频率变化的曲线如图3所示，介电常数的值一般在7以下。

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。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种具有高介电常数的超材料，包括至少一个超材料片层，每个超材料片层包括基材和附着在所述基材上的多个人造微结构，所述人造微结构包括相互平行的第一金属线和第二金属线，以及与所述第一金属线和第二金属线的中间点相连接的第三金属线，所述第三金属线与所述第一金属线和第二金属线垂直，还包括至少两条被所述第三金属线平分且与所述第一金属线相平行的第一金属线段组。

在本发明的优选实施方式中，所述第一金属线、第二金属线和第一金属线段组的长度由所述第三金属线的中点向两侧逐渐增大。

在本发明的优选实施方式中，所述第一金属线、第二金属线和第一金属线段组的长度由所述第三金属线的中点向两侧逐渐减小。

在本发明的优选实施方式中，所述第一金属线、第二金属线和第一金属线段组的长度相同。

在本发明的优选实施方式中，所述人造微结构还包括与所述第三金属线正交的第四金属线、交点为所述第三金属线和第四金属线的中点；还包括相互平行且分别与所述第四金属线的两个端点相连的第五金属线和第六金属线，交点为所述第五金属线和第六金属线的中点，所述第五金属线和第六金属线与所述第四金属线垂直，还包括至少两条被所述第四金属线平分且与所述第五金属线相平行的第二金属线段组。

在本发明的优选实施方式中，所述第一金属线、第二金属线、第五金属线、第六金属线、第一金属线段组和第二金属线段组的长度由所述第三金属线和第四金属线的交点向四周逐渐增大。

在本发明的优选实施方式中，所述第一金属线、第二金属线、第五金属线、第六金属线、第一金属线段组和第二金属线段组的长度由所述第三金属线和第四金属线的交点向四周逐渐减小。

在本发明的优选实施方式中，所述第一金属线、第二金属线、第五金属线、第六金属线、第一金属线段组和第二金属线段组的长度相同。

在本发明的优选实施方式中，所述基材为陶瓷材料、高分子材料、聚四氟乙烯。