龍平

【摘要】 超材料（Metamaterial）是指一類(lèi)具有特殊性質(zhì)的人造材料，其由肉眼可見(jiàn)的周期或非周期結(jié)構(gòu)構(gòu)成。本文主要介紹超材料技術(shù)的演進(jìn)情況，結(jié)合超材料相關(guān)的專(zhuān)利申請(qǐng)數(shù)量對(duì)近年來(lái)超材料技術(shù)相關(guān)的專(zhuān)利進(jìn)行了分析。通過(guò)分析專(zhuān)利國(guó)際分類(lèi)號(hào)以及國(guó)內(nèi)外專(zhuān)利申請(qǐng)人的類(lèi)型，探討了超材料技術(shù)在專(zhuān)利申請(qǐng)中的特點(diǎn)。

【關(guān)鍵字】 超材料 metamaterial 左手材料 負(fù)折射率 專(zhuān)利

一、引言

超材料（Metamaterial）是指一類(lèi)具有特殊性質(zhì)的人造材料，其由肉眼可見(jiàn)的周期或非周期結(jié)構(gòu)構(gòu)成。Metamaterial一詞最早由美國(guó)德州大學(xué)奧斯汀分校Rodger M. Walser教授于1999年提出。所謂“超”并不意味著這種材料的性能超越了自然界的材料，而是指超材料區(qū)別于自然界的天然材質(zhì)。超材料也叫奇異材料、特異材料、特異介質(zhì)、人工電磁媒質(zhì)等。

超材料的誕生與一類(lèi)被稱(chēng)為“左手材料”的研究息息相關(guān)，甚至在最初超材料所指的就是左手材料。左手材料的概念最早由前蘇聯(lián)科學(xué)院Lebedev物理研究所的物理學(xué)家Victor. G. Veselago在1967年提出。左手材料也被稱(chēng)為雙負(fù)材料（DNM， double negative materials）、負(fù)折射率材料（NRI， negative refraction index materials）。

倫敦帝國(guó)學(xué)院的John Pendry在1996年提出了采用金屬線的周期結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)左手材料。在1999年，Pendry采用C形分裂環(huán)（SRR，Split-Ring Resonator）沿著電磁波傳播方向排布實(shí)現(xiàn)了負(fù)磁導(dǎo)率。在同一篇論文中，Pendry提出了金屬線和金屬環(huán)的周期性結(jié)構(gòu)能夠?qū)е仑?fù)折射率。

2000年，加州大學(xué)圣迭戈分校的Smith等物理學(xué)家提出了在水平面周期排布的分裂環(huán)（SRR）結(jié)構(gòu)。該團(tuán)隊(duì)在2002年又采用人工集總元件加載的傳輸線實(shí)現(xiàn)了負(fù)折射率的超材料。在2005年，梯度折射率媒質(zhì)的出現(xiàn)使得彎折電磁波成為了可能，這是超材料發(fā)展歷史上具有革命性的成果。到了2007年，來(lái)自全球不同地區(qū)的數(shù)個(gè)團(tuán)隊(duì)都聲稱(chēng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了負(fù)折射率材料，特別是光學(xué)變換理論的引入，使得超材料的含義遠(yuǎn)比左手材料寬泛。2009年年初，我國(guó)東南大學(xué)的崔鐵軍教授與美國(guó)杜克大學(xué)史密斯教授組成的國(guó)際合作團(tuán)隊(duì)共同研制出了工作于微波段的二維寬頻帶“隱身衣”，這一研究成果發(fā)表在1月16日第323期的《科學(xué)》雜志上，引起了電磁學(xué)界的廣泛關(guān)注。

二、國(guó)內(nèi)外超材料專(zhuān)利申請(qǐng)分析

圖1顯示了從2000年到2012年關(guān)于超材料申請(qǐng)量的數(shù)量。從圖中可以看出，在2011年以前，在世界范圍內(nèi)關(guān)于超材料的專(zhuān)利逐年緩慢遞增，主要的申請(qǐng)仍來(lái)自國(guó)外，國(guó)內(nèi)相關(guān)的研究還處于萌芽期。但是在11和12年世界范圍內(nèi)申請(qǐng)量整體出現(xiàn)了急劇增加，而其中增加的數(shù)量主要是來(lái)自中國(guó)的申請(qǐng)，這說(shuō)明從11年開(kāi)始中國(guó)的專(zhuān)利申請(qǐng)人在超材料領(lǐng)域正迎頭趕上。

圖2公開(kāi)了在這些申請(qǐng)當(dāng)中國(guó)際專(zhuān)利分類(lèi)號(hào)的分布情況。從中可以看出，微波天線的分類(lèi)號(hào)H01Q和H01P占據(jù)了80%的申請(qǐng)量，其次是光學(xué)元件的分類(lèi)號(hào)G02B。從中可以看出，目前超材料主要的應(yīng)用范圍包括天線和微波器件以及光學(xué)元件，橫跨微波和光學(xué)兩大領(lǐng)域。其中，IPC分類(lèi)號(hào)“H01Q：天線”是超材料一個(gè)重要的應(yīng)用領(lǐng)域，該領(lǐng)域常見(jiàn)的與超材料相關(guān)的分類(lèi)號(hào)有“H01Q1/36：輻射單元的結(jié)構(gòu)形式”、“H01Q1/38在絕緣支架上的導(dǎo)電層”、“H01P1/207空腔波導(dǎo)濾波器”、“H01P7/00波導(dǎo)型諧振器”等。其中H01Q1/38涵蓋了絕大部分用基板來(lái)承載導(dǎo)電圖形的超材料結(jié)構(gòu)。而在H01Q1/38分類(lèi)號(hào)下該領(lǐng)域?qū)彶閱T所熟知的結(jié)構(gòu)是微帶貼片天線，與同一分類(lèi)號(hào)下的超材料結(jié)構(gòu)二者互有交集。除此之外，一些采用了光學(xué)變換理論設(shè)計(jì)的超材料還涉及IPC分類(lèi)號(hào)“G02B：光學(xué)元件、系統(tǒng)或儀器”。

而根據(jù)國(guó)內(nèi)申請(qǐng)量在10件以上的主要的申請(qǐng)人分析發(fā)現(xiàn)，深圳光啟高等理工研究院和深圳光啟創(chuàng)新技術(shù)有限公司是超材料領(lǐng)域申請(qǐng)量最大的單位，其次是國(guó)內(nèi)的高校的申請(qǐng)，而來(lái)自企業(yè)的申請(qǐng)量較少，這說(shuō)明國(guó)內(nèi)對(duì)超材料的研究還處在成長(zhǎng)階段，還沒(méi)有從學(xué)術(shù)研究走向產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。而國(guó)外主要申請(qǐng)人既有傳統(tǒng)的軍工背景的企業(yè)如Lockheed Martin，Boeing和Raytheon等，也有具有較強(qiáng)技術(shù)實(shí)力的創(chuàng)業(yè)型公司如Searette LLC，還有傳統(tǒng)消費(fèi)電子領(lǐng)域的大公司如SONY，HP等，這顯示出超材料應(yīng)用前景的廣泛。其中值得一提的是在Toyota的多個(gè)申請(qǐng)中，其共同申請(qǐng)人是美國(guó)的Duke大學(xué)，在這些申請(qǐng)中公開(kāi)了將超材料結(jié)合雷達(dá)天線應(yīng)用于汽車(chē)自動(dòng)防碰撞技術(shù)領(lǐng)域。這說(shuō)明美國(guó)對(duì)于超材料這一新興技術(shù)不僅僅停留在理論階段，還與企業(yè)針對(duì)實(shí)際應(yīng)用共同開(kāi)發(fā)，專(zhuān)利共享。這種以應(yīng)用為導(dǎo)向并且具有前瞻性的技術(shù)產(chǎn)業(yè)化模式值得國(guó)內(nèi)同行借鑒。

四、結(jié)束語(yǔ)

由上數(shù)據(jù)可知，在超材料這一新興領(lǐng)域，我國(guó)關(guān)于超材料技術(shù)的專(zhuān)利申請(qǐng)?jiān)谫|(zhì)量和數(shù)量上呈追趕和超越態(tài)勢(shì)，但是在產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用方面仍有提升的空間。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] R Liu，C Ji，JJ Mock， et al. Broadband ground-plane cloak[J]. Science， 2009， 323（5912）： 366-369.