超材料天线、超材料天线的基板及超材料天线的制作方法

技术领域

本发明涉及超材料领域，特别是涉及一种超材料天线、超材料天线 的基板及超材料天线的制作方法。

背景技术

超材料是指一些具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复 合结构或复合材料。通过在材料的关键物理尺度上的结构的有序设计， 可以突破某些表现自然规律的限制，从而获得超出自然界固有的普通性 质的超常材料功能。

目前发展出的超材料包括“左手材料”、光子晶体、“超磁性材料”。 其中，“左手材料”是指使用周期性排列的金属线和开环共振器（SRR， Split Ring Resonators）的复合结构实现介电常数和磁导率同时为负的双 负材料。而通过在印刷电路板上制作金属线和开环共振器复合结构可以 实现二维的双负材料。

超材料结构的实现主要还是以在印刷电路板上制作金属线完成，具 有较独特的磁特性。这些特性使天线实现了小型化和性能改善，可以在 有限的空间里实现高效运作。

现有技术中，超材料天线主要是采用F4B、FR4或PS等电路板板 材作为天线的基板，这些板材较重。而基板的重量占了超材料天线重量 的绝大部分，因此使用传统板材作为超材料天线的基板，会使得超材料 天线的重量较重，不利于天线的运输、安装和使用。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种超材料天线、超材料天线的 基板及超材料天线的制作方法，能够减小超材料天线的重量，更方便超 材料天线的运输、安装和使用。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种超 材料天线的基板，基板的材料是由高分子聚合物发泡而形成的发泡材 料。

其中，高分子聚合物包括聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚甲醛、 聚乙烯醇缩甲醛、聚醋酸乙烯、聚氯乙烯溶胶或聚氨酯。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种超 材料天线，包括基板和附着于基板上的人造微结构，所述基板的材料是 由高分子聚合物发泡而形成的发泡材料。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种超 材料天线的制作方法，包括：将高分子聚合物进行发泡形成发泡材料； 将发泡材料加工成超材料天线的基板；在基板的表面覆一层铜膜，并将 所述铜膜通过蚀刻的方法蚀刻成人造微结构，所述人造微结构周期的排 布在所述基板上，进而得到超材料天线。

其中，高分子聚合物包括聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚甲醛、 聚乙烯醇缩甲醛、聚醋酸乙烯、聚氯乙烯溶胶或聚氨酯。

其中，将高分子聚合物进行发泡形成发泡材料的步骤包括：将聚乙 烯或聚氯乙烯形成熔融聚合物；将惰性气体压入熔融聚合物；降低压力 并升高温度使惰性气体释放膨胀而使熔融聚合物发泡形成发泡材料，并 利用挤出成型或者注塑成型的方法制得作为超材料天线基板的薄膜或 薄板。

其中，将高分子聚合物进行发泡形成发泡材料的步骤包括：将比聚 苯乙烯沸点低的液体压入聚苯乙烯中，然后加热使液体蒸发气化，进而 发泡形成发泡材料，并利用挤出成型或者注塑成型的方法制得作为超材 料天线基板的薄膜或薄板。

其中，比聚苯乙烯沸点低的液体包括：脂肪族烃类、含氯脂肪族烃 类或含氟脂肪族烃类的液体。

其中，将高分子聚合物进行发泡形成发泡材料的步骤包括：将聚甲 醛、聚乙烯醇缩甲醛、聚醋酸乙烯或聚氯乙烯溶胶进行搅拌，形成均匀 的泡沫体后制作成凝胶并进一步固化形成发泡材料，以制得作为超材料 天线基板的薄膜或薄板。

其中，将高分子聚合物进行发泡形成发泡材料的步骤包括：将聚醚、 二异氰酸酯、发泡催化剂、发泡剂和发泡稳定剂加入到聚氨酯中混合， 并搅拌、发泡形成发泡材料，以制得作为超材料天线基板的薄膜或薄板。

本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明通过将高分 子聚合物发泡形成发泡材料，将发泡材料加工成超材料天线的基板，对 基板进行加工处理以形成超材料天线，由于发泡形成的基板重量较轻， 能够减小超材料天线的重量；而且，发泡形成的基板较为柔软，能进行 卷曲，从而方便天线的运输、安装和使用。

附图说明

图1是本发明超材料天线的基本单元的立体结构示意图；

图2是本发明超材料天线的制作方法第一实施例的流程图；

图3是本发明超材料天线的制作方法第二实施例的流程图；

图4是本发明超材料天线的制作方法第三实施例的流程图；

图5是本发明超材料天线的制作方法第四实施例的流程图；

图6是本发明超材料天线的制作方法第五实施例的流程图。

具体实施方式

光，作为电磁波的一种，其在穿过玻璃的时候，因为光线的波长远 大于原子的尺寸，因此可以用玻璃的整体参数，例如折射率，而不是组 成玻璃的原子的细节参数来描述玻璃对光线的响应。相应的，在研究材 料对其他电磁波响应的时候，材料中任何尺度远小于电磁波波长的结构 对电磁波的响应也可以用材料的整体参数，例如介电常数ε和磁导率μ 来描述。通过设计材料每点的结构使得材料各点的介电常数和磁导率都 相同或者不同从而使得材料整体的介电常数和磁导率呈一定规律排布， 规律排布的磁导率和介电常数即可使得材料对电磁波具有宏观上的响 应，例如汇聚电磁波、发散电磁波、吸收电磁波等。该类具有规律排布 的磁导率和介电常数的材料称之为超材料。

如图1所示，图1为本发明超材料天线的基本单元的立体结构示意 图。超材料天线的基本单元包括人造微结构2以及该人造微结构2附着 的基板1。本发明中，人造微结构2为人造金属微结构，人造金属微结 构具有能对入射电磁波电场和/或磁场产生响应的平面或立体拓扑结构， 改变每个超材料天线的基本单元上的人造金属微结构的图案和/或尺寸 即可改变每个超材料天线的基本单元对入射电磁波的响应。基板1由高 分子聚合物发泡而形成，其中，高分子聚合物是聚乙烯、聚氯乙烯、聚 苯乙烯、聚甲醛、聚乙烯醇缩甲醛、聚醋酸乙烯、聚氯乙烯溶胶或聚氨 酯等等。

本发明一实施例中，人造微结构2上还覆盖有覆盖层3，覆盖层3、 人造微结构2以及基板1构成本发明超材料天线的基本单元。多个超材 料天线的基本单元按一定规律排列即可使得超材料天线对电磁波具有 宏观的响应。由于超材料天线整体需对入射电磁波有宏观电磁响应因此 各个超材料天线的基本单元对入射电磁波的响应需形成连续响应，这要 求每一超材料天线的基本单元的尺寸小于入射电磁波波长的五分之一， 优选为入射电磁波波长的十分之一。本段描述中，人为的将超材料天线 整体划分为多个超材料天线基本单元，但应知此种划分方法仅为描述方 便，不应看成超材料天线由多个超材料天线基本单元拼接或组装而成， 实际应用中超材料天线是将人造金属微结构周期排布于基板1上即可构 成，工艺简单且成本低廉。周期排布的各个超材料天线的基本单元上的 人造金属微结构能对入射电磁波产生连续的电磁响应。

超材料天线的生产位于产业链的上游，是整个产业链的命脉，下面 结合附图和实施例对本发明超材料天线的制作方法进行详细说明。

参阅图2，图2是本发明超材料天线的制作方法第一实施例的流程 图。在本实施例中，超材料天线的制作方法包括如下步骤：

步骤S201，将高分子聚合物进行发泡形成发泡材料。

具体地，可先将高分子聚合物进行发泡形成发泡材料，然后利用挤 出成型、注塑成型或其他的方法制得作为超材料天线基板的薄膜或薄 板。其中，高分子聚合物包括聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚甲醛、 聚乙烯醇缩甲醛、聚醋酸乙烯、聚氯乙烯溶胶或聚氨酯等。对于不同的 高分子聚合物，其具体的制作方法有所不同，具体的制作方法请参阅下 文。

步骤S202，将发泡材料加工成超材料天线的基板。

步骤S203，在基板的表面覆一层铜膜，并将铜膜通过蚀刻的方法蚀 刻成人造微结构，所述人造微结构周期的排布在所述基板上，进而得到 超材料天线。

在制成作为超材料天线基板后，通过在基板的表面覆一层铜膜并加 工形成人造微结构以得到超材料天线。具体地，可以通过在所述薄膜或 薄板的表面覆铜、银或者铝等材料以形成铜膜、银膜或者铝膜等，然后 通过蚀刻、电镀或离子刻等方法将该层膜刻成人造微结构，并使所述人 造微结构周期排布在薄膜或薄板上，进而制得超材料天线。当然，也可 以通过在薄膜或薄板的表面电镀或沉铜、银或者铝等材料的其他方式以 形成铜膜、银膜或者铝膜等。

在本实施例中，由于发泡形成基板的重量较轻，能够减小超材料天 线的重量；而且，发泡形成的基板较为柔软，能实现卷曲功能，从而方 便天线的运输、安装和使用。

下面以聚乙烯和聚氯乙烯作为高分子聚合物进行超材料天线的制 作为例，阐述本发明超材料天线的制作方法第二实施例。

参阅图3，图3是本发明超材料天线的制作方法第二实施例的流程 图。在本实施例中，超材料天线的制作方法包括如下步骤：

步骤S301，将聚乙烯或聚氯乙烯形成熔融聚合物。

将聚乙烯或聚氯乙烯加入到熔融炉中，控制熔融炉的温度进行加 热，直到固态的聚乙烯或聚氯乙烯熔融成液态的熔融聚合物。为了美化 超材料天线，还可以在此步骤中掺杂色母，以调整出各种颜色。

步骤S302，将惰性气体压入熔融聚合物。

在盛有熔融聚合物的熔融炉中，增加炉内压力，使得惰性气体尽可 能地压入熔融聚合物中。其中，惰性气体包括：氦(He)、氖(Ne)、氩(Ar)、 氪(Kr)、氙(Xe)或氡(Rn)等等。

步骤S303，降低压力并升高温度使惰性气体释放膨胀而使熔融聚合 物发泡，并利用挤出成型或者注塑成型的方法制得作为超材料天线基板 的薄膜或薄板。

在降低压力并升高温度的情况下，惰性气体从熔融聚合物中释放， 使得熔融聚合物膨胀而发泡，并通过挤出成型、注塑成型或其它的方法 制得作为超材料天线基板的薄膜或薄板的雏形。此处的挤出成型、注塑 成型方法仅仅为举例说明，还可以有其它制作薄膜或薄板的雏形的方 法。当薄膜或薄板的雏形被放置冷却并凝固后，即成为薄膜或薄板。控 制薄膜或薄板的厚度，使其位于0.001至4毫米之间，例如：薄膜或薄 板的厚度为0.001毫米、2毫米或4毫米。其中，薄膜或薄板可以直接 用作基板，也可以经过切割加工后用作基板。

步骤S304，在薄膜或薄板的表面覆一层铜膜，并将铜膜通过蚀刻的 方法蚀刻成人造微结构，所述人造微结构周期的排布在所述基板上，进 而得到超材料天线。

在制成作为超材料天线基板的薄膜或薄板后，通过在薄膜或薄板的 表面覆一层铜膜并加工形成人造微结构以得到超材料天线。具体地，可 以通过在所述薄膜或薄板的表面覆铜、银或者铝等材料以形成铜膜、银 膜或者铝膜等，然后通过蚀刻、电镀或离子刻等方法将该层膜刻成人造 微结构，并使所述人造微结构周期排布在薄膜或薄板上，进而制得超材 料天线。当然，也可以通过在薄膜或薄板的表面电镀或沉铜、银或者铝 等材料的其他方式以形成铜膜、银膜或者铝膜等。

此外，本实施例还可以将聚乙烯和聚氯乙烯混合形成糊状复合物进 行发泡形成发泡材料，在此不再赘述。

下面以聚苯乙烯作为高分子聚合物进行超材料天线的制作为例，阐 述本发明超材料天线的制作方法第三实施例。

参阅图4，图4是本发明超材料天线的制作方法第三实施例的流程 图。在本实施例中，超材料天线的制作方法包括如下步骤：

步骤S401，将比聚苯乙烯沸点低的液体压入聚苯乙烯中。

先将聚苯乙烯加入加热炉中，然后通过加压泵将比聚苯乙烯沸点低 的液体压入加热炉。其中，比聚苯乙烯沸点低的液体可以为脂肪族烃类、 含氯脂肪族烃类或含氟脂肪族烃类的液体等等。为了美化超材料天线， 还可以在此步骤中掺杂色母，以调整出各种颜色。

步骤S402，加热使液体蒸发气化，进而发泡形成发泡材料，并利用 挤出成型或者注塑成型的方法制得作为超材料天线基板的薄膜或薄板。

控制加热炉的温度对压入液体的聚苯乙烯进行加热。在高温加热的 情况下，比聚苯乙烯沸点低的液体被蒸发气化，剩下的聚苯乙烯因聚膨 胀而发泡形成发泡材料，并通过挤出成型、注塑成型或者其它方法制得 薄膜或薄板的雏形。此处的挤出成型、注塑成型方法仅仅为举例说明， 还可以有其它制作薄膜或薄板的雏形的方法。当薄膜或薄板的雏形被放 置冷却并凝固后，即成为薄膜或薄板。控制薄膜或薄板的厚度，使其位 于0.001至4毫米之间，例如：薄膜或薄板的厚度为0.001毫米、2毫米 或4毫米。其中，薄膜或薄板可以直接用作基板，也可以经过切割加工 后用作基板。

步骤S403，在薄膜或薄板的表面覆一层铜膜，并将铜膜通过蚀刻的 方法蚀刻成人造微结构，所述人造微结构周期的排布在所述基板上，进 而得到超材料天线。

在制成作为超材料天线基板的薄膜或薄板后，通过在薄膜或薄板的 表面覆一层铜膜并加工形成人造微结构以得到超材料天线。具体地，可 以通过在所述薄膜或薄板的表面覆铜、银或者铝等材料以形成铜膜、银 膜或者铝膜等，然后通过蚀刻、电镀或离子刻等方法将该层膜刻成人造 微结构，并使所述人造微结构周期排布在薄膜或薄板上，进而制得超材 料天线。当然，也可以通过在薄膜或薄板的表面电镀或沉铜、银或者铝 等材料的其他方式以形成铜膜、银膜或者铝膜等。

下面以聚甲醛、聚乙烯醇缩甲醛、聚醋酸乙烯和聚氯乙烯溶胶作为 高分子聚合物进行超材料天线的制作为例，阐述本发明超材料天线的制 作方法第四实施例。

参阅图5，图5是本发明超材料天线的制作方法第四实施例的流程 图。在本实施例中，超材料天线的制作方法包括如下步骤：

步骤S501，将聚甲醛、聚乙烯醇缩甲醛、聚醋酸乙烯或聚氯乙烯溶 胶进行搅拌以形成均匀的泡沫体。

将聚甲醛、聚乙烯醇缩甲醛、聚醋酸乙烯或聚氯乙烯溶胶加入溶剂 中形成高分子聚合物溶液，由于重力的作用，高分子聚合物溶液会自然 分成树脂溶液、悬浮液和溶液。在容器中进行机械搅拌，使得空气卷入 树脂溶液、悬浮液或者溶液中形成均匀的泡沫体。为了美化超材料天线， 还可以在此步骤中掺杂色母，以调整出各种颜色。

步骤S502，将泡沫体制作成凝胶并进一步固化形成发泡材料，以制 得作为超材料天线基板的薄膜或薄板。

将泡沫体进行静置陈化或者加入表面活性剂，使得泡沫体成为凝胶 并固化形成发泡材料，通过将发泡材料挤出成型、注塑成型或者其它方 法制得薄膜或薄板的雏形。此处的挤出成型、注塑成型方法仅仅为举例 说明，还可以有其它制作薄膜或薄板的雏形的方法。控制薄膜或薄板的 厚度，使其位于0.001至4毫米之间，例如：薄膜或薄板的厚度为0.001 毫米、2毫米或4毫米。其中，薄膜或薄板可以直接用作基板，也可以 经过切割加工后用作基板。

步骤S503，在薄膜或薄板的表面覆一层铜膜，并将铜膜通过蚀刻的 方法蚀刻成人造微结构，所述人造微结构周期的排布在所述基板上，进 而得到超材料天线。

在制成作为超材料天线基板的薄膜或薄板后，通过在薄膜或薄板的 表面覆一层铜膜并加工形成人造微结构以得到超材料天线。具体地，可 以通过在所述薄膜或薄板的表面覆铜、银或者铝等材料以形成铜膜、银 膜或者铝膜等，然后通过蚀刻、电镀或离子刻等方法将该层膜刻成人造 微结构，并使所述人造微结构周期排布在薄膜或薄板上，进而制得超材 料天线。当然，也可以通过在薄膜或薄板的表面电镀或沉铜、银或者铝 等材料的其他方式以形成铜膜、银膜或者铝膜等。

下面以聚氨酯作为高分子聚合物进行超材料天线的制作为例，阐述 本发明超材料天线的制作方法第五实施例。

参阅图6，图6是本发明超材料天线的制作方法第五实施例的流程 图。在本实施例中，超材料天线的制作方法包括如下步骤：

步骤S601，将聚醚、二异氰酸酯、发泡催化剂、发泡剂和发泡稳定 剂加入到聚氨酯中混合，并搅拌、发泡形成发泡材料，以制得作为超材 料天线基板的薄膜或薄板。

在本实施例中，选取聚醚、二异氰酸酯、发泡催化剂、发泡剂和发 泡稳定剂做为原料，经过混合搅拌后，生成的惰性气体使得聚氨酯膨胀 发泡形成发泡材料，通过将发泡材料挤出成型、注塑成型或者其它方法 制得薄膜或薄板的雏形。此处的挤出成型、注塑成型方法仅仅为举例说 明，还可以有其它制作薄膜或薄板的雏形的方法。当薄膜或薄板的雏形 被放置陈化后，即成为薄膜或薄板。控制薄膜或薄板的厚度，使其位于 0.001至4毫米之间，例如：薄膜或薄板的厚度为0.001毫米、2毫米或 4毫米。其中，薄膜或薄板可以直接用作基板，也可以经过切割加工后 用作基板。在其它的实施例中，也可以选用其它的原料，此时，生成的 高分子聚合物和惰性气体将有所不同。

步骤S602，在薄膜或薄板的表面覆一层铜膜，并将铜膜通过蚀刻的 方法蚀刻成人造微结构，所述人造微结构周期的排布在所述基板上，进 而得到超材料天线。

在制成作为超材料天线基板的薄膜或薄板后，通过在薄膜或薄板的 表面覆一层铜膜并加工形成人造微结构以得到超材料天线。具体地，可 以通过在所述薄膜或薄板的表面覆铜、银或者铝等材料以形成铜膜、银 膜或者铝膜等，然后通过蚀刻、电镀或离子刻等方法将该层膜刻成人造 微结构，并使所述人造微结构周期排布在薄膜或薄板上，进而制得超材 料天线。当然，也可以通过在薄膜或薄板的表面电镀或沉铜、银或者铝 等材料的其他方式以形成铜膜、银膜或者铝膜等。

区别于现有技术的情况，本发明通过将高分子聚合物发泡形成发泡 材料，再将发泡材料加工成超材料天线的基板，对基板进行加工处理以 形成超材料天线，由于发泡形成基板的重量较轻，能够减小超材料天线 的重量；而且，发泡形成的基板较为柔软，能进行卷曲，从而方便天线 的运输、安装和使用。

本发明还提供一种超材料天线的基板，所述基板的材料是由高分子 聚合物发泡而形成的发泡材料。

其中，高分子聚合物包括聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚甲醛、 聚乙烯醇缩甲醛、聚醋酸乙烯、聚氯乙烯溶胶或聚氨酯。

本发明还提供一种超材料天线，包括基板和附着于所述基板上的人 造微结构，所述基板的材料是由高分子聚合物发泡而形成的发泡材料。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围， 凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或 直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保 护范围内。