[发明专利]一种可重构通用型超材料

说明书

本发明提出了一种可重构通用型超材料，解决了目前超材料结构固定之后功能和工作频率无法改变的技术问题。该超材料包括第一谐振单元(1)、介质基板(2)和第二谐振单元(3)，所述第一谐振单元(1)和第二谐振单元(3)分别印制在介质基板(2)的上表面和下表面，且三者的几何中心重合。第一谐振单元(1)由一个单开口谐振环(11)和变容二极管(12)组成，第二谐振单元(3)由两个单开口谐振环(31)与变容二极管(32)组成。本发明通过改变两层结构上的变容管的电容值，对该超材料介电常数ε和磁导率μ的频率和大小进行调节，通过合理的选择不同的电容值能够实现双正媒质ε＞0,μ＞0，电单负媒质ε＜0,μ＞0，双负媒质ε＜0,μ＜0，磁单负媒质ε＞0,μ＜0这四种不同特性的功能。

技术领域

本发明属于电磁介质特性研究技术领域，具体涉及一种可重构通用型超材料，用于实现介电常数和磁导率的大小以及频率的调节，可用于天线系统、微波器件和电磁隐身领域。

背景技术

电磁超材料是近年来国际上提出的一种新概念和新材料。电磁超材料的定义是：“具有自然界中常规媒质所不具备的超常物理特性的人工复合媒质或复合结构”。电磁超材料的内在本质是通过人工工程的手段来构建亚波长结构来实现电偶极子和磁偶极子的极化特性。根据介电常数和磁导率的媒质参数特性，人们可以把材料广义地分为四个象限，第一象限是双正媒质，ε＞0,μ＞0，大多数自然界中的介质材料属于这一象限。第二象限是电负媒质，ε＜0,μ＞0，对于金属和电等离子体来说，在紫外波段，它们对电场的响应呈现负介电常数特性，在其中传输的电磁波是凋落模。第三象限是双负媒质，ε＜0,μ＜0，这种材料在自然界并不存在，但理论上电磁波也能在其中传播，且电场矢量、磁场矢量和波矢量三个矢量方向之间构成左手螺旋关系，故称其为左手媒质。第四象限为磁负媒质，ε＞0,μ＜0，在微波段具有负μ的材料有铁磁或反铁磁系，但它们同时具有正ε，且铁磁谐振频率也难以改变，在其中传输的电磁波也是凋落模。

电磁超材料的一个重要应用是调控电磁波。若想要实现对电磁波的传播进行复杂细致的控制，理论上要求对所用媒质的介电常数、磁导率在空间上按照一定规律变化，或选定某些特殊的值。因此，传统媒质和传统的导波结构无法实现。而近年来实时可重构技术正成为国内外研究的热点。在无线通信系统和认知无线电技术中，可重构天线以及可重构微波器件成为当前研究的热点领域。通过加载电子器件或使用机械方法来改变天线的辐射特性，即在同一辐射结构体下，天线的频率特性、辐射特性和极化特性会根据外部需求灵活调整，成为多个天线在功能上的叠加，具有多样性和实时可控性。

1968年前苏联科学家Veselago首次提出左手材料的思想，1996年Pendry教授提出用金属细导线周期排列来构建等效的负介电常数材料，2002年，Smith教授采用棱镜实验验证了负折射现象。之后Chen等研究者分别研究了将谐振环与金属线集合与一体的“弓”型、“工”型、“Ω”型等。这些结构或方法存在工作频率固定或只能实现双负这一特性的问题。

针对不同的应用对象，超材料可以对外呈现不同的电磁介质特性。但是，纵观各类电磁超材料，一旦物理参数确定，超材料的工作频率和电磁介质特性就无法再改变。

如厦门大学在其申请的专利“一种双频段背向交叉耦合周期阵列左手材料及其制备方法”(申请号：201410045559.6，公开号：CN 103746190A)中，公开了一种由形如“E”字型的三叉结构金属线单元组成的左手材料，通过在介质基板两侧印制至少三个互相对称的三叉金属线单元，且至少三排介质基板进行排列，可以实现在12GHz与17GHz附近两个不同频段上同时产生负介电常数和负磁导率。但是该材料只能实现介电常数和磁导率均为负这一种特性，而且只能工作在两个频段；