專利名稱：一種寬頻帶負磁導(dǎo)率材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種負磁導(dǎo)率材料及其制備方法，屬于電磁材料領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
自然界中的材料在頻率超過GHz波段時磁性特征將不明顯，很少具有負的磁導(dǎo)率。上世紀末英國帝國理工學院J. B. Pendry等人提出了采用金屬開路環(huán)諧振器陣列構(gòu)造負磁導(dǎo)率的方法，這一方法于2001年被美國加州大學San Diego分校的D.R. Smith等人實驗實現(xiàn)，在此以后，與負磁導(dǎo)率材料相關(guān)的研究得到了迅速的發(fā)展。Smith等人實現(xiàn)的負磁導(dǎo)率材料其磁諧振環(huán)內(nèi)外的介質(zhì)相對磁導(dǎo)率都為l，工作頻帶普遍很窄，只有0.5%，這使得負磁導(dǎo)率材料的應(yīng)用得到了很大的限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種工作頻帶得到提高的寬頻帶負磁導(dǎo)率材料及其制備方法。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是該寬頻帶負磁導(dǎo)率材料主要包括第一介質(zhì)、第二介質(zhì)和磁諧振環(huán)，所述磁諧振環(huán)具有負磁導(dǎo)率，所述第二介質(zhì)在所述磁諧振環(huán)的環(huán)內(nèi)，所述第一介質(zhì)在所述磁諧振環(huán)的環(huán)外，所述第二介質(zhì)的磁導(dǎo)率的絕對值大于第一介質(zhì)的磁導(dǎo)率的絕對值。
進一步地，本發(fā)明所述磁諧振環(huán)為次波長磁諧振環(huán)。
進一步地，本發(fā)明所述第一介質(zhì)為閉合的金屬環(huán)。
進一步地，本發(fā)明在所述磁諧振環(huán)的環(huán)外設(shè)置有閉合的金屬環(huán)和支撐體，所述閉合的金屬環(huán)由所述支撐體支撐，所述閉合的金屬環(huán)和支撐體共同構(gòu)成第一介質(zhì)。
本發(fā)明寬頻帶負磁導(dǎo)率材料的一種制備方法主要包括如下步驟
1) 將具有負磁導(dǎo)率的磁諧振環(huán)印制或刻蝕在第一介質(zhì)上；將第一介質(zhì)在磁諧振環(huán)的環(huán)內(nèi)部分去除；
2) 用第二介質(zhì)填充該磁諧振環(huán)的環(huán)內(nèi)區(qū)域，所述第二介質(zhì)的磁導(dǎo)率的絕對值大于第一介質(zhì)的磁導(dǎo)率的絕對值。本發(fā)明寬頻帶負磁導(dǎo)率材料的另一種制備方法主要包括如下步驟
1) 將具有負磁導(dǎo)率的磁諧振環(huán)印制或刻蝕在第二介質(zhì)上，使磁諧振環(huán)的外邊界與第二介質(zhì)的外邊界吻合；
2) 去除第一介質(zhì)中與磁諧振環(huán)外邊界尺寸相同的部分，將印制有磁諧振環(huán)的第二介質(zhì)填充到第一介質(zhì)的空出區(qū)域中，所述第二介質(zhì)的磁導(dǎo)率的絕對值大于第一介質(zhì)的磁導(dǎo)率的絕對值。
本發(fā)明通過增加磁諧振環(huán)內(nèi)外介質(zhì)的磁導(dǎo)率比值來獲得寬頻帶負磁導(dǎo)率材料。在具有負磁導(dǎo)率的磁諧振環(huán)中填充具有較高磁導(dǎo)率物質(zhì)，即第二介質(zhì)，而磁諧振環(huán)的外部填充磁導(dǎo)率的絕對值相對于第二介質(zhì)較低的第一介質(zhì)，可以使材料的工作頻帶帶寬增加，構(gòu)造寬頻帶負磁導(dǎo)率材料。其中填充的高磁導(dǎo)率物質(zhì)或者低磁導(dǎo)率物質(zhì)可以是均勻的介質(zhì)，也可以是非均勻的具有等效磁導(dǎo)率特性的結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明具有的有益效果是通過增加第二介質(zhì)與第一介質(zhì)的磁導(dǎo)率比率，可以大大增加負磁導(dǎo)率材料的頻率帶寬，可以達到接近200%的相對帶寬，這里相對帶寬定義為頻率帶寬與帶寬中心頻率的比值。由這種方法實現(xiàn)的負磁導(dǎo)率材料將具有較小的材料色散，同時實現(xiàn)原理簡單，方法簡便，性能穩(wěn)定，在應(yīng)用中具有很大的優(yōu)越性。此方法適用于任意頻段的負磁導(dǎo)率材料。


圖1是本發(fā)明一種實施方式的寬頻帶負磁導(dǎo)率材料的橫截面示意圖；圖2是本發(fā)明另一種實施方式的寬頻帶負磁導(dǎo)率材料的橫截面示意圖；圖3是本發(fā)明中將第一介質(zhì)在磁諧振環(huán)的環(huán)內(nèi)部分去除后的橫截面示意圖；圖4是本發(fā)明中用于填充圖3中空出的環(huán)內(nèi)區(qū)域的第二介質(zhì)的橫截面示意
圖5是將圖4中的第二介質(zhì)填充到圖3中空出的環(huán)內(nèi)區(qū)域后的寬頻帶負磁導(dǎo)率材料的橫截面示意圖6是本發(fā)明中將磁諧振環(huán)印制或刻蝕在第二介質(zhì)時的橫截面示意圖7是本發(fā)明中第一介質(zhì)在去除與圖6的磁諧振環(huán)外邊界尺寸相同的部分后的橫截面示意圖8是將圖6的第二介質(zhì)填充到圖7的空出區(qū)域后的寬頻帶負磁導(dǎo)率材料的橫截面示意圖。
具體實施方式
如圖1所示，本發(fā)明的寬頻帶負磁導(dǎo)率材料包括第一介質(zhì)1、第二介質(zhì)2和磁諧振環(huán)3，磁諧振環(huán)3具有負磁導(dǎo)率，第二介質(zhì)2在磁諧振環(huán)3的環(huán)內(nèi)，第一介質(zhì)1在磁諧振環(huán)3的環(huán)外，其中，第二介質(zhì)2的磁導(dǎo)率的絕對值大于第一介質(zhì)1的磁導(dǎo)率的絕對值。第二介質(zhì)的磁導(dǎo)率與第一介質(zhì)的磁導(dǎo)率的比值越大，所獲得的負磁導(dǎo)率材料頻帶越寬，色散特性越小，性能也越好。在其他尺寸相同的情況下，當?shù)谝唤橘|(zhì)與第二介質(zhì)的磁導(dǎo)率相同時，所獲得的負磁導(dǎo)率材料頻帶相對帶寬為6%，而當?shù)诙橘|(zhì)的磁導(dǎo)率的絕對值是第一介質(zhì)磁導(dǎo)率的絕對值的4倍時，所獲得的負磁導(dǎo)率材料頻帶相對帶寬為33%，這說明采用本發(fā)明結(jié)構(gòu)的負磁導(dǎo)率材料的方法提高負磁導(dǎo)率頻帶帶寬非常有效。
本發(fā)明的寬頻帶負磁導(dǎo)率材料中的磁諧振環(huán)3可以是尺寸大于工作波長的磁諧振環(huán)3，也可以是尺寸小于工作波長的次波長磁諧振環(huán)。次波長是指磁諧振環(huán)尺寸小于負磁導(dǎo)率材料的工作波長。由次波長磁諧振環(huán)制備的負磁導(dǎo)率材料在均勻性能方面會更好。
本發(fā)明的寬頻帶負磁導(dǎo)率材料中的磁諧振環(huán)3的材料可以為金屬，也可以是由電介質(zhì)構(gòu)成磁諧振環(huán)3可以是無源的介質(zhì)材料實現(xiàn)，也可以是由有源的介質(zhì)材料實現(xiàn)。磁諧振環(huán)3的形狀可以是層狀的、環(huán)形的、方形的、立體球形狀的、也可以是其他任意形狀的；磁諧振環(huán)3的排列可以是如圖1、 2、 3、 5、 7、8所示為周期性的排列，即每個磁諧振環(huán)3之間的距離相等，也可以是非周期的，隨機的，或者是雜亂無章的。
本發(fā)明的寬頻帶負磁導(dǎo)率材料的第一介質(zhì)1和第二介質(zhì)2可以是均勻的各向同性材料，也可以是各向異性的，或者雙各向異性的材料，同時也可以是非均勻的具有等效磁導(dǎo)率特性的結(jié)構(gòu)。只要增加第二介質(zhì)2的磁導(dǎo)率與第一介質(zhì)1
的磁導(dǎo)率的比值就可以達到增加負磁導(dǎo)率材料頻率帶寬的效果。
本發(fā)明的寬頻帶負磁導(dǎo)率材料可以是層狀立體結(jié)構(gòu)的，也可以是三維立體結(jié)構(gòu)的。所制備的寬頻帶負磁導(dǎo)率材料可以是各向同性的，也可以是各向異性的，或者雙各向異性的。
如圖2所示，本發(fā)明的寬頻帶負磁導(dǎo)率材料的第一介質(zhì)1可以是閉合金屬環(huán)4構(gòu)成的的周期陣列，也可以是由閉合金屬環(huán)4隨意堆疊而成的結(jié)構(gòu)。
作為本發(fā)明的另一種實施方式，第一介質(zhì)1可以是由閉合金屬環(huán)4陣列和支撐該閉合金屬環(huán)4的支撐體共同構(gòu)成。閉合金屬環(huán)4可以印制或刻蝕在支撐體上，或用任意方式固定在支撐體上。該支撐體可以是基板，該基板和印制在上面的閉合金屬環(huán)4陣列共同構(gòu)成第一介質(zhì)。
制備本發(fā)明寬頻帶負磁導(dǎo)率材料的方法之一主要包括如下步驟1) 如圖3所示，將具有負磁導(dǎo)率的磁諧振環(huán)3印制或刻蝕在第一介質(zhì)1上,將第一介質(zhì)1在磁諧振環(huán)3的環(huán)內(nèi)部分去除，形成如圖3所示的空出的環(huán)內(nèi)區(qū)
域5;
2) 再用如圖4所示的第二介質(zhì)2填充該磁諧振環(huán)3的空出的環(huán)內(nèi)區(qū)域5，形成圖5所示的寬頻帶負磁導(dǎo)率材料結(jié)構(gòu)。其中，第二介質(zhì)2的磁導(dǎo)率的絕對值大于第一介質(zhì)1的磁導(dǎo)率的絕對值。
具體地說，如圖3所示，所用磁諧振環(huán)3可以為由銅構(gòu)成的開路環(huán)諧振器結(jié)構(gòu)，所用第一介質(zhì)1為FR4印刷電路基板，第二介質(zhì)2為鐵氧體。采用印刷電路板工藝把磁諧振環(huán)3印制在第一介質(zhì)1上，采用機械加工工藝將第一介質(zhì)1在磁諧振環(huán)3的環(huán)內(nèi)部分5去除，采用陶瓷工藝制作與磁諧振環(huán)3的環(huán)內(nèi)尺寸相同的鐵氧體，將鐵氧體嵌入到所述磁諧振環(huán)3的環(huán)內(nèi)區(qū)域5，將上述層狀結(jié)構(gòu)在三維方向上周期排列，即可以實現(xiàn)三維的寬頻帶負磁導(dǎo)率材料。
作為本發(fā)明寬頻帶負磁導(dǎo)率材料的另一種制備方法，主要包括如下步驟
1) 如圖6所示，將具有負磁導(dǎo)率的磁諧振環(huán)3印制或刻蝕在第二介質(zhì)2上，使磁諧振環(huán)3的外邊界與第二介質(zhì)2的外邊界吻合；
2) 如圖7所示，去除第一介質(zhì)1中與磁諧振環(huán)3外邊界尺寸相同的部分，形成空出區(qū)域6;將印制有磁諧振環(huán)3的第二介質(zhì)2設(shè)置在第一介質(zhì)1中，形成如圖8所示的寬頻帶負磁導(dǎo)率材料結(jié)構(gòu)。其中，第二介質(zhì)2的磁導(dǎo)率的絕對值大于第一介質(zhì)1的磁導(dǎo)率的絕對值。所述填充是指通過嵌入、注入等方法把印制有磁諧振環(huán)的第二介質(zhì)2放置在第一介質(zhì)1中。
具體地說，如圖6所示，所用磁諧振環(huán)3為由金構(gòu)成的開路環(huán)諧振器結(jié)構(gòu)，所用第一介質(zhì)1為FR4印刷電路基板，第二介質(zhì)2為鐵氧體。采用印刷電路板工藝把所述磁諧振環(huán)3印制在第二介質(zhì)2上，使磁諧振環(huán)3的外邊界與第二介質(zhì)2的外邊界吻合；采用機械加工工藝將第一介質(zhì)1中與磁諧振環(huán)3外邊界尺寸相同的部分去除，再將印制有磁諧振環(huán)3的鐵氧體嵌入到第一介質(zhì)1中，將上述層狀結(jié)構(gòu)在三維方向上周期排列，即可以實現(xiàn)三維的寬頻帶負磁導(dǎo)率材料。
權(quán)利要求
1.一種寬頻帶負磁導(dǎo)率材料，其特征是它包括第一介質(zhì)、第二介質(zhì)和磁諧振環(huán)，所述磁諧振環(huán)具有負磁導(dǎo)率，所述第二介質(zhì)在所述磁諧振環(huán)的環(huán)內(nèi)，所述第一介質(zhì)在所述磁諧振環(huán)的環(huán)外，所述第二介質(zhì)的磁導(dǎo)率的絕對值大于第一介質(zhì)的磁導(dǎo)率的絕對值。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種寬頻帶負磁導(dǎo)率材料，其特征是所述磁諧 振環(huán)為次波長磁諧振環(huán)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種寬頻帶負磁導(dǎo)率材料，其特征是所述 第一介質(zhì)為閉合的金屬環(huán)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種寬頻帶負磁導(dǎo)率材料，其特征是在所 述磁諧振環(huán)的環(huán)外設(shè)置有閉合的金屬環(huán)和支撐體，所述閉合的金屬環(huán)由所述支 撐體支撐，所述閉合的金屬環(huán)和支撐體共同構(gòu)成第一介質(zhì)。
5. —種權(quán)利要求1的寬頻帶負磁導(dǎo)率材料的制備方法，其特征是它包括如 下步驟1) 將具有負磁導(dǎo)率的磁諧振環(huán)印制或刻蝕在第一介質(zhì)上；將第一介質(zhì)在磁 諧振環(huán)的環(huán)內(nèi)部分去除；2) 用第二介質(zhì)填充所述磁諧振環(huán)的環(huán)內(nèi)區(qū)域，所述第二介質(zhì)的磁導(dǎo)率的絕 對值大于第一介質(zhì)的磁導(dǎo)率的絕對值。
6. —種權(quán)利要求1的寬頻帶負磁導(dǎo)率材料的制備方法，其特征是它包括如 下步驟1) 將具有負磁導(dǎo)率的磁諧振環(huán)印制或刻蝕在第二介質(zhì)上，使磁諧振環(huán)的外 邊界與第二介質(zhì)的外邊界吻合；2) 去除第一介質(zhì)中與磁諧振環(huán)外邊界尺寸相同的部分，將印制有磁諧振環(huán) 的第二介質(zhì)填充到第一介質(zhì)的空出區(qū)域中，所述第二介質(zhì)的磁導(dǎo)率的絕對值大 于第一介質(zhì)的磁導(dǎo)率的絕對值。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種寬頻帶負磁導(dǎo)率材料及其制備方法，屬于電磁材料領(lǐng)域。該寬頻帶負磁導(dǎo)率材料主要包括第一介質(zhì)、第二介質(zhì)和磁諧振環(huán)，磁諧振環(huán)具有負磁導(dǎo)率，第二介質(zhì)在磁諧振環(huán)的環(huán)內(nèi)，第一介質(zhì)在磁諧振環(huán)的環(huán)外，第二介質(zhì)的磁導(dǎo)率的絕對值大于第一介質(zhì)的磁導(dǎo)率的絕對值。本發(fā)明的優(yōu)點是負磁導(dǎo)率材料的頻帶的相對帶寬百分比可以接近200％，從而可以減輕這些材料的色散特性。本發(fā)明在微波、紅外、光等各個頻段均可適用。
文檔編號H01P1/00GK101604777SQ20091010128
公開日2009年12月16日 申請日期2009年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月27日
發(fā)明者陳紅勝 申請人:浙江大學