一种人工电磁材料及使用该材料的滤波器制造技术

本发明专利技术涉及一种人工电磁材料，包括介质基板和附着在所述介质基板上且周期性排布的多个人造微结构，每个所述人造微结构为一导电材料制成的基片上设有多个通孔而成的结构。本发明专利技术还涉及使用该人工电磁材料的滤波器。本发明专利技术的人工电磁材料具有较高介电常数且损耗较低，采用这种人工电磁材料的滤波器因为介电常数高而降低谐振频率进而减小体积，同时由于损耗低而具有较高的Q值。

【技术实现步骤摘要】
一种人工电磁材料及使用该材料的滤波器
本专利技术涉及电磁材料，更具体地说，涉及一种人工电磁材料及使用该材料的滤波器。
技术介绍
人工电磁材料，特指一种对电磁场有特殊响应的人工材料，也称超材料(metamaterial)，如图1所示，其包括介质基板10和附着在介质基板10上周期性排布的人造微结构20构成的。把介质基板10按与人造微结构相同的排布规律虚拟地划分为一个个周期性排布的基板单元，每个人造微结构及其所附着的基板单元共同构成一个材料单元，则该人工电磁材料可以看作是由材料单元以上述周期性排布而成的。人造微结构通常为导电材料如金属的丝线组成具有一定几何图形的结构，例如图1所示的“工”字形，这些结构在电磁场中可被等效为电容、电感的组成电路，使得每个材料单元具有不同于介质基板的等效介电常数和磁导率，因此通过设计特定形状的人造微结构可以使人工电磁材料具有特定的介电常数和磁导率。人造微结构的长、宽尺寸通常在索要响应的电磁波波长的二分之一以内，优选在十分之一或十分之一以下，以使材料单元对电磁波的响应对电磁波来说在空间商是连续的。要使人工电磁材料具有较高的介电常数，通常需要每个人造微结构在相应的基板单元上尽可能地填铺该单元的表面，例如对于相同几何形状的几何图形且其他条件均不变化的情况下，线宽大的人造微结构所构成的人工电磁材料比线宽小的介电常数高。但是，线宽大会带来损耗大的问题。因此在一些对损耗很敏感的应用场合，例如腔体滤波器(损耗要求在10-4级别)，即使介电常数高能起到降低谐振频率、减小体积等诸多优点，但因为损耗大使得该人工电磁材料仍不可用在滤波器中。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述人工电磁材料损耗大的缺陷，提供一种基本不影响介电常数而损耗小的人工电磁材料及使用该材料的滤波器。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种人工电磁材料，包括介质基板和附着在所述介质基板上且周期性排布的多个人造微结构，每个所述人造微结构为一导电材料制成的基片上开设有多个通孔而成的结构。在本专利技术所述的人工电磁材料中，所述多个通孔呈矩形阵列排布。在本专利技术所述的人工电磁材料中，所述多个通孔均形状、尺寸相同。在本专利技术所述的人工电磁材料中，所述阵列排布的通孔中相邻两通孔的间距与通孔的宽度相当。在本专利技术所述的人工电磁材料中，所述相邻两通孔之间的桥接部分的宽度小于0.1mm。在本专利技术所述的人工电磁材料中，所述基片为方片形、切除四角的方片形、圆形或三角形。在本专利技术所述的人工电磁材料中，所述通孔为方形、圆形、三角形或正多边形。在本专利技术所述的人工电磁材料中，所述基片为金属片或者非金属的导电材料制成的片层，所述金属的主要成分为铜或银或金，所述非金属的导电材料为铟锡氧化物、掺铝氧化锌、碳纳米管导电薄膜或者导电塑料。在本专利技术所述的人工电磁材料中，所述基板由陶瓷、环氧树脂、聚四氟乙烯、铁氧体或SiO2制成。本专利技术还涉及一种滤波器，包括谐振腔和置于所述谐振腔内的谐振子，所述谐振子为人工电磁材料，其包括介质基板和附着在所述介质基板上且周期性排布的多个人造微结构，每个所述人造微结构为一导电材料制成的基片上开设有多个通孔而成的结构。实施本专利技术的人工电磁材料及使用该材料的滤波器，具有以下有益效果：本专利技术的人工电磁材料具有较高介电常数且损耗较低，采用这种人工电磁材料的滤波器因为介电常数高而降低谐振频率进而减小体积，同时由于损耗低而具有较高的Q值。附图说明下面将结合附图及实施例对本专利技术作进一步说明，附图中：图1是现有技术的人工电磁材料的结构示意图；图2是本专利技术第一实施例的人工电磁材料的结构示意图；图3是本专利技术第二实施例的人造微结构的示意图；图4是本专利技术第三实施例的人造微结构的示意图；图5是本专利技术第四实施例的人造微结构的示意图；图6是本专利技术第五实施例的人造微结构的示意图；图7是本专利技术第六实施例的人造微结构的示意图。具体实施方式本专利技术涉及一种人工电磁材料，如图2所示，包括至少一个材料片层，每个材料片层包括介质基板1和附着在介质基板1表面上的多个人造微结构2。介质基板1为平板状，也可以为弯成圆环的薄片状，或者多个长条板正交扣合组成的栅格形。介质基板1通常选用聚四氟乙烯、FR-4、环氧树脂、铁氧体、SiO2、陶瓷等非金属材料。人造微结构2在介质基板1表面上呈周期性排布，例如矩形阵列排布，即以一x方向为行、以垂直于x方向的y方向为列地排列，且各行间距、各列间距分别相等，甚至行间距等于列间距均可。优选行间距、列间距不大于所要响应的入射电磁波的波长的二分之一，也即例如工作环境是波长为λ的电磁波，需要超材料对此电磁波的电磁特性是呈现负磁导率，则设计人造微结构时将上述行间距、列间距选择不大于λ/2，优选为λ/10。显然，为了使人造微结构2不互相交叠，每个人造微结构2的长度和宽度也不大于λ/2。为了得到较大的介电常数，通常人造微结构的长、宽或者当量直径(即面积除以周长)基本上与行间距、列间距相当，相邻两人造微结构之间的空隙宽度为几毫米甚至可以小于1毫米。人造微结构的周期性排布还可以是其他具有循环规律的排布方式，例如介质基板1为圆环形时，人造微结构3沿着圆环形基板2的外圆柱面等间距地绕一周。当材料片层有多个时，按照一定的规律将它们封装起来，例如当介质基板1为平板状时，各材料片层沿垂直于介质基板1表面的z方向依次排列，片层之间相互平行设置，优选地平行且间距相等；当介质基板1为上述圆环形，则可以将多个材料片层1共圆心轴地安装固定。如图2、图3所示，人造微结构2阵列排布，因此可以将介质基板1虚拟地划分为同样阵列排布的多个基板单元100，基板单元100的长度等于上述行间距、宽度等于列间距、厚度等于介质基板1厚度。每个基板单元100的表面上正好对应有一个人造微结构2。本专利技术的优点在于，设计了一种具有新的几何图形的人造微结构2，如图2至图7所示，每个所述人造微结构为一导电材料制成的基片(即图中黑色填充部分)上设有多个通孔300而成的结构。导电材料通常为金属材料例如银、铜或金，或者为主要成分(即质量百分比大于50％)为铜、银或金的材料，例如铜合金、银合金等，也可以是其他非金属的导电材料例如导电塑料、ITO(铟锡氧化物)、ZAO(掺铝氧化锌)、碳纳米管、石墨等。基片可以是方片形如图3、图5所示，也可以是切除四角的方片形如图2、图4所示，或者不规则平面形状如图6所示，还可以是其他任意平面形状如远行、三角形等。通孔300位于基板内部，且尽可能多地排布在基片上，即只要空间允许就可在该空间上设置通孔，前提是通孔与通孔之间不连通。通孔300的形状也是不限定的，可以为如图2、图3、图4及图7所示的正方形，也可以为如图5、图6所示的圆形，还可以是三角形、正多边形或其他不规则的平面形状，只要其为封闭曲线构成的图形、且通过这一个个封闭曲线将基片表面划分为桥接成网状的结构即可。每个基片上的多个通孔可以相同，也可以不同。为了结构的均匀性和电磁响应的一致性，优选每个基片上的多个通孔相同且规则排布例如呈矩形阵列排布。要将基片划分尽可能多的通孔300，可将通孔和通孔之间的桥接部分设计得尽可能小，以现在的常规加工工艺例如电镀蚀刻、LTCC(低温共烧)工艺来说，最小宽度可以达到几微米或者十几、几十微米，此本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种人工电磁材料，包括介质基板和附着在所述介质基板上且周期性排布的多个人造微结构，其特征在于，每个所述人造微结构为一导电材料制成的基片上设有多个通孔而成的结构。

【技术特征摘要】
1.一种人工电磁材料，包括介质基板和附着在所述介质基板上且周期性排布的多个人造微结构，其特征在于，所述多个人造微结构呈矩形阵列间隔排布，且所述多个人造微结构之间彼此断开，且所述多个人造微结构之间的各行间距均相等，所述多个人造微结构之间的各列间距均相等，且所述行间距和所述列间距均小于所要响应的入射电磁波的波长的二分之一；每个所述人造微结构为一导电材料制成的基片上设有多个通孔而成的结构；所述多个通孔呈矩形阵列排布，所述多个通孔均相同，所述阵列排布的通孔中相邻两通孔的间距与通孔的宽度相当。2.根据权利要求1所述的人工电磁材料，其特征在于，所述相邻两通孔之间的桥接部分的宽度小于0.1mm。3.根据权利要求1所述的人工电磁材料，其特征在于，所述基片为方片形、切除四角的方片形、圆形或三角形。4.根据权利要求1所述的人工电磁材料，其特征在于，所述通孔的横截面为方形、圆形、三角形或正多边形。5.根据权利要求1所述的人工电磁材料，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘若鹏，徐冠雄，刘京京，
申请(专利权)人：深圳光启创新技术有限公司，
类型：发明
国别省市：