超材料技术专利申请分析

龙平

【摘要】 超材料（Metamaterial）是指一类具有特殊性质的人造材料，其由肉眼可见的周期或非周期结构构成。本文主要介绍超材料技术的演进情况，结合超材料相关的专利申请数量对近年来超材料技术相关的专利进行了分析。通过分析专利国际分类号以及国内外专利申请人的类型，探讨了超材料技术在专利申请中的特点。

【关键字】 超材料 metamaterial 左手材料 负折射率 专利

一、引言

超材料（Metamaterial）是指一类具有特殊性质的人造材料，其由肉眼可见的周期或非周期结构构成。Metamaterial一词最早由美国德州大学奥斯汀分校Rodger M. Walser教授于1999年提出。所谓“超”并不意味着这种材料的性能超越了自然界的材料，而是指超材料区别于自然界的天然材质。超材料也叫奇异材料、特异材料、特异介质、人工电磁媒质等。

超材料的诞生与一类被称为“左手材料”的研究息息相关，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苏联科学院Lebedev物理研究所的物理学家Victor. G. Veselago在1967年提出。左手材料也被称为双负材料（DNM， double negative materials）、负折射率材料（NRI， negative refraction index materials）。

伦敦帝国学院的John Pendry在1996年提出了采用金属线的周期结构来实现左手材料。在1999年，Pendry采用C形分裂环（SRR，Split-Ring Resonator）沿着电磁波传播方向排布实现了负磁导率。在同一篇論文中，Pendry提出了金属线和金属环的周期性结构能够导致负折射率。

2000年，加州大学圣迭戈分校的Smith等物理学家提出了在水平面周期排布的分裂环（SRR）结构。该团队在2002年又采用人工集总元件加载的传输线实现了负折射率的超材料。在2005年，梯度折射率媒质的出现使得弯折电磁波成为了可能，这是超材料发展历史上具有革命性的成果。到了2007年，来自全球不同地区的数个团队都声称已经实现了负折射率材料，特别是光学变换理论的引入，使得超材料的含义远比左手材料宽泛。2009年年初，我国东南大学的崔铁军教授与美国杜克大学史密斯教授组成的国际合作团队共同研制出了工作于微波段的二维宽频带“隐身衣”，这一研究成果发表在1月16日第323期的《科学》杂志上，引起了电磁学界的广泛关注。

二、国内外超材料专利申请分析

图1显示了从2000年到2012年关于超材料申请量的数量。从图中可以看出，在2011年以前，在世界范围内关于超材料的专利逐年缓慢递增，主要的申请仍来自国外，国内相关的研究还处于萌芽期。但是在11和12年世界范围内申请量整体出现了急剧增加，而其中增加的数量主要是来自中国的申请，这说明从11年开始中国的专利申请人在超材料领域正迎头赶上。

图2公开了在这些申请当中国际专利分类号的分布情况。从中可以看出，微波天线的分类号H01Q和H01P占据了80%的申请量，其次是光学元件的分类号G02B。从中可以看出，目前超材料主要的应用范围包括天线和微波器件以及光学元件，横跨微波和光学两大领域。其中，IPC分类号“H01Q：天线”是超材料一个重要的应用领域，该领域常见的与超材料相关的分类号有“H01Q1/36：辐射单元的结构形式”、“H01Q1/38在绝缘支架上的导电层”、“H01P1/207空腔波导滤波器”、“H01P7/00波导型谐振器”等。其中H01Q1/38涵盖了绝大部分用基板来承载导电图形的超材料结构。而在H01Q1/38分类号下该领域审查员所熟知的结构是微带贴片天线，与同一分类号下的超材料结构二者互有交集。除此之外，一些采用了光学变换理论设计的超材料还涉及IPC分类号“G02B：光学元件、系统或仪器”。

而根据国内申请量在10件以上的主要的申请人分析发现，深圳光启高等理工研究院和深圳光启创新技术有限公司是超材料领域申请量最大的单位，其次是国内的高校的申请，而来自企业的申请量较少，这说明国内对超材料的研究还处在成长阶段，还没有从学术研究走向产业化应用。而国外主要申请人既有传统的军工背景的企业如Lockheed Martin，Boeing和Raytheon等，也有具有较强技术实力的创业型公司如Searette LLC，还有传统消费电子领域的大公司如SONY，HP等，这显示出超材料应用前景的广泛。其中值得一提的是在Toyota的多个申请中，其共同申请人是美国的Duke大学，在这些申请中公开了将超材料结合雷达天线应用于汽车自动防碰撞技术领域。这说明美国对于超材料这一新兴技术不仅仅停留在理论阶段，还与企业针对实际应用共同开发，专利共享。这种以应用为导向并且具有前瞻性的技术产业化模式值得国内同行借鉴。

四、结束语

由上数据可知，在超材料这一新兴领域，我国关于超材料技术的专利申请在质量和数量上呈追赶和超越态势，但是在产业化应用方面仍有提升的空间。

参 考 文 献

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