專利名稱：低磁導(dǎo)率的人工電磁材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種人工電磁材料，更具體地說(shuō)，涉及一種低磁導(dǎo)率的人工電磁材料。
技術(shù)背景
人工電磁材料，俗稱超材料，是一種新型人工合成材料，是由非金屬材料制成的基板和附著在基板表面上或嵌入在基板內(nèi)部的多個(gè)人造微結(jié)構(gòu)構(gòu)成的?；蹇梢蕴摂M地劃分為矩形陣列排布的多個(gè)方形基板單元，每個(gè)基板單元上附著有一個(gè)人造微結(jié)構(gòu)從而形成一個(gè)超材料單元，整個(gè)超材料即是由數(shù)十萬(wàn)、百萬(wàn)甚至上億的這樣的超材料單元組成的，就像晶體是由無(wú)數(shù)的晶格按照一定的排布構(gòu)成的。每個(gè)超材料單元上的人造微結(jié)構(gòu)相同或者不完全相同。人造微結(jié)構(gòu)是組成一定幾何圖形的圓柱形或扁平狀金屬絲，例如組成圓環(huán)形、 “工”形的金屬絲等。
由于人造微結(jié)構(gòu)的存在，每個(gè)超材料單元具有不同于基板本身的等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率，因此所有的超材料單元構(gòu)成的超材料對(duì)電場(chǎng)和磁場(chǎng)呈現(xiàn)出特殊的響應(yīng)特性； 同時(shí)，對(duì)人造微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不同的具體結(jié)構(gòu)和形狀，可改變其單元的等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率，進(jìn)而改變整個(gè)超材料的響應(yīng)特性。
自然界的材料，除了鐵氧體等少數(shù)幾種材料的磁導(dǎo)率非常高之外，大部分材料的磁導(dǎo)率等于I或者1±0.001，但是幾乎沒(méi)有負(fù)磁導(dǎo)率或者磁導(dǎo)率在O左右的材料。但在一些電磁應(yīng)用場(chǎng)合,低磁導(dǎo)率的材料即磁導(dǎo)率在O至O. 8范圍內(nèi)的材料是非常必要的。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題在于，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，提供一種低磁導(dǎo)率的人工電磁材料。
本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是構(gòu)造一種低磁導(dǎo)率的人工電磁材料，包括至少一個(gè)材料片層，每個(gè)材料片層包括片狀基板和附著在所述基板上的人造微結(jié)構(gòu)，所述人造微結(jié)構(gòu)有至少一對(duì)，每對(duì)人造微結(jié)構(gòu)包括附著在所述基板正面的第一人造微結(jié)構(gòu)和附著在所述基板背面且正對(duì)著所述第一人造微結(jié)構(gòu)的第二人造微結(jié)構(gòu)，所述第一、 第二人造微結(jié)構(gòu)為尺寸不相同的兩個(gè)開(kāi)口諧振環(huán)。
在本發(fā)明所述的低磁導(dǎo)率的人工電磁材料中，所述第一人造微結(jié)構(gòu)為近“凹”字形開(kāi)口諧振環(huán)，所述第二人造微結(jié)構(gòu)為近“ 口”字形開(kāi)口諧振環(huán)。
在本發(fā)明所述的低磁導(dǎo)率的人工電磁材料中，所述第一人造微結(jié)構(gòu)為近“凹”字形開(kāi)口諧振環(huán)的衍生結(jié)構(gòu)，所述第二人造微結(jié)構(gòu)為近“ 口 ”字形開(kāi)口諧振環(huán)的衍生結(jié)構(gòu)。
在本發(fā)明所述的低磁導(dǎo)率的人工電磁材料中，所述第二人造微結(jié)構(gòu)小于第一人造微結(jié)構(gòu)，且位于所述第一人造微結(jié)構(gòu)的垂直投影內(nèi)部。
在本發(fā)明所述的低磁導(dǎo)率的人工電磁材料中，所述第二人造微結(jié)構(gòu)位于所述第一人造微結(jié)構(gòu)的垂直投影的正中間位置。
在本發(fā)明所述的低 磁導(dǎo)率的人工電磁材料中，所述第一人造微結(jié)構(gòu)、第二人造微結(jié)構(gòu)分別陣列分布在所述基板的正面、背面，且一一對(duì)應(yīng)。
在本發(fā)明所述的低磁導(dǎo)率的人工電磁材料中，所述第一、第二人造微結(jié)構(gòu)的陣列的行間距相等，二者陣列的列間距也相等。
在本發(fā)明所述的低磁導(dǎo)率的人工電磁材料中，所述行間距和列間距不大于所述人工電磁材料響應(yīng)的入射電磁波波長(zhǎng)的十分之一。
在本發(fā)明所述的低磁導(dǎo)率的人工電磁材料中，所述人造微結(jié)構(gòu)由銅線或銀線制成。
在本發(fā)明所述的低磁導(dǎo)率的人工電磁材料中，所述基板由聚四氟乙烯、環(huán)氧樹(shù)脂或者陶瓷制成。
實(shí)施本發(fā)明的低磁導(dǎo)率的人工電磁材料，具有以下有益效果本發(fā)明通過(guò)大小兩個(gè)開(kāi)口諧振環(huán)的響應(yīng)實(shí)現(xiàn)雙諧振峰甚至多諧振峰，從而在一定頻率范圍內(nèi)的磁導(dǎo)率能夠?qū)崿F(xiàn)從零開(kāi)始平滑緩慢變化，也即在一定頻段的材料具有低磁導(dǎo)率的特性。


下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，附圖中
圖1是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的低磁導(dǎo)率的人工電磁材料的正面結(jié)構(gòu)圖2是圖1所示人工電磁材料的背面結(jié)構(gòu)圖3是圖1所示人工電磁材料的其中一個(gè)材料單元的結(jié)構(gòu)示意圖4是對(duì)圖3所示材料單元仿真得到的仿真效果圖5是另一材料單元的仿真效果圖。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明涉及一種低磁導(dǎo)率的人工電磁材料，其包括至少一個(gè)材料片層，當(dāng)具有多個(gè)材料片層時(shí)，這些片層沿垂直于其表面的方向堆疊到一起，并通過(guò)一定的封裝工藝?yán)绾附印T接、粘接等方式制成為一個(gè)整體的元件。
每個(gè)材料片層如圖1、圖2所示，包括片狀基板和附著在所述基板上的人造微結(jié)構(gòu)。其中，基板通常選用環(huán)氧樹(shù)脂、聚四氟乙烯、陶瓷等材料制成，人造微結(jié)構(gòu)為銀線或銅線等金屬絲線構(gòu)成的具有一定幾何圖案的平面結(jié)構(gòu)。每個(gè)基板可虛擬地劃分為多個(gè)長(zhǎng)度和寬度分別相等的方體形網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格的厚度等于基板的厚度，長(zhǎng)度和寬度則不大于將要響應(yīng)的入射電磁波波長(zhǎng)的十分之一。每一個(gè)方體形網(wǎng)格為一個(gè)基板單元，每個(gè)基板單元及其表面上附著的人造微結(jié)構(gòu)構(gòu)成一個(gè)材料單元，每個(gè)材料片層可以看作是由這些材料單元以一個(gè)材料單元的寬度為行間距、長(zhǎng)度為列間距進(jìn)行陣列得到的，第一人造微結(jié)構(gòu)、第二人造微結(jié)構(gòu)以同樣的行間距、列間距分別陣列排布在基板的正面、背面。第一人造微結(jié)構(gòu)(第二人造微結(jié)構(gòu))的行間距為相鄰兩行第一人造微結(jié)構(gòu)(第二人造微結(jié)構(gòu))在同一列上的兩個(gè)第一人造微結(jié)構(gòu)(第二人造微結(jié)構(gòu))的中心點(diǎn)的距離，列間距同理可得。
每個(gè)基板單元上 附著有一對(duì)人造微結(jié)構(gòu)，包括附著在基板正面的第一人造微結(jié)構(gòu)和附著在基板背面的第二人造微結(jié)構(gòu)，第一、第二人造微結(jié)構(gòu)正對(duì)著，也即二者分別位于同一個(gè)基板單元的正面和背面范圍之內(nèi)。并且，第一、第二人造微結(jié)構(gòu)為尺寸不相同的兩個(gè)開(kāi)口諧振環(huán)。
開(kāi)口諧振環(huán)，是由單根金屬絲圍成的、起始端和末端之間隔有一定距離從而形成開(kāi)口的近似環(huán)形結(jié)構(gòu)，能夠起到諧振效果。本發(fā)明的第一人造微結(jié)構(gòu)和第二人造微結(jié)構(gòu)二者的開(kāi)口諧振環(huán)尺寸不同，因此二者各自的諧振效果也不同，通過(guò)組合而得到的材料單元能夠?qū)崿F(xiàn)負(fù)磁導(dǎo)率的效果。
如圖2所示，優(yōu)選實(shí)施例中，第二人造微結(jié)構(gòu)為近“ 口”字形開(kāi)口諧振環(huán)，包括“U” 字形金屬絲和分別自所述“U”字形金屬絲兩端水平向中間延伸的兩根不相接的橫線。如圖1所示，第一人造微結(jié)構(gòu)為近“凹”字形開(kāi)口諧振環(huán)，其除包括近“口”字形開(kāi)口諧振環(huán)所具有的“U”字形金屬絲和兩根橫線外，還包括自兩根橫線末端豎直向下延伸且未到達(dá)“U” 字形金屬絲底部的兩根相平行的豎線。第一、第二人造微結(jié)構(gòu)的形狀可以互換，即第一人造微結(jié)構(gòu)為近“ 口”字形開(kāi)口諧振環(huán)，第二人造微結(jié)構(gòu)為近“凹”字形開(kāi)口諧振環(huán)。
當(dāng)然，本發(fā)明的第一、第二人造微結(jié)構(gòu)并不僅限于上述近“凹”字形、近“口 ”字形開(kāi)口諧振環(huán)，還可以是上述開(kāi)口諧振環(huán)的衍生結(jié)構(gòu)，例如近“凹”字形開(kāi)口諧振環(huán)的衍生結(jié)構(gòu)即為該開(kāi)口諧振環(huán)及自其兩條豎線的末端向環(huán)內(nèi)部任意延伸且不相交的金屬線所構(gòu)成的結(jié)構(gòu)，近“口”字形開(kāi)口諧振環(huán)的衍生結(jié)構(gòu)為該開(kāi)口諧振環(huán)及自其兩條橫線的末端向環(huán)內(nèi)部任意延伸且不相交的金屬線所構(gòu)成的結(jié)構(gòu)。
在本優(yōu)選實(shí)施例中，近“口”字形的第二人造微結(jié)構(gòu)小于近“凹”字形的第一人造微結(jié)構(gòu)，且位于第一人造微結(jié)構(gòu)沿垂直于基板正面的垂直投影的內(nèi)部，如圖3所示。優(yōu)選地， 第二人造微結(jié)構(gòu)位于第一人造微結(jié)構(gòu)的垂直投影的正中間，即二者的中心點(diǎn)重合。
本發(fā)明正是利用上述這樣一大一小兩個(gè)開(kāi)口諧振環(huán)、通過(guò)兩個(gè)開(kāi)口諧振環(huán)得到兩個(gè)諧振峰，改變兩個(gè)諧振環(huán)之間的距離和調(diào)節(jié)二者的尺寸，可以控制兩個(gè)諧振峰的諧振強(qiáng)度和諧振頻率，進(jìn)而由一個(gè)諧振環(huán)得到的負(fù)磁導(dǎo)率和另一個(gè)諧振環(huán)產(chǎn)生的諧振之間可取得一段從零開(kāi)始的平滑連續(xù)的磁導(dǎo)率，也即得到低磁導(dǎo)率的材料。
以本優(yōu)選實(shí)施例為例，當(dāng)入射電磁波頻率為60 80GHz時(shí)，則取材料單元的寬度 H也即人造微結(jié)構(gòu)的行間距為2. 5mm，取材料單元的長(zhǎng)度W也即列間距為2. 5mm，人造微結(jié)構(gòu)的金屬絲線寬為O. 018mm ;其中，所述第一人造微結(jié)構(gòu)的尺寸Hl XWl為2. 2mmX 2. 2mm,兩側(cè)距離材料單元的側(cè)壁距離dl為O. 3mm，底部距離材料單元的下底面的距離bl為O. 3mm, 兩條豎線之間的距離al為O. 5mm ;第二人造微結(jié)構(gòu)的尺寸H2XW2為1. 5mmX1. 5mm,其兩側(cè)到第一人造微結(jié)構(gòu)的兩側(cè)線距離d2為O. 7mm，底部到第一人造微結(jié)構(gòu)的底部距離b2為 O. 7mm，兩條橫線之間的距離a2為O. 24mm。并且，本發(fā)明的基板選用聚四氟乙烯，人造微結(jié)構(gòu)由銅線制成。
此材料單元的仿真結(jié)果如圖4所示，圖4為仿真出的磁導(dǎo)率頻譜圖的實(shí)部，f0頻段的磁導(dǎo)率即是所要求的從零開(kāi)始且連續(xù)平滑變化到I的磁導(dǎo)率，f0的范圍大約為55 78GHz，帶寬為 25GHz。
&頻率段可通過(guò)調(diào)節(jié)第一或第二人造微結(jié)構(gòu)的開(kāi)口諧振環(huán)的尺寸來(lái)實(shí)現(xiàn)前移或后移。
例如，在上述實(shí)施例中，保持基板材料為聚四氟乙烯、人造微結(jié)構(gòu)由銅線制成，并且不改變材料單元、第一人造微結(jié)構(gòu)的尺寸和二者的相對(duì)位置即W、H、Wl、Hl、al、bl、dl均不變，線寬仍為O. 018mm，只減小第二人造微結(jié)構(gòu)的尺寸，改變后的尺寸分為為W2 =1.1mm, H2 =1. 1mm, a2 = O. 2 4mm, d2 =1. 1mm, b2 =1. 1mm。
尺寸改變后的材料單元，其仿真結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，磁導(dǎo)率從零開(kāi)始且緩慢變化的頻段fo為58 63GHz，帶寬為5GHz。
由此可知，減小第二人造微結(jié)構(gòu)的尺寸，能夠使低磁導(dǎo)率頻段帶寬變窄。第一個(gè)諧振峰后移，第二個(gè)諧振峰前移。
另外，根據(jù)將要響應(yīng)的入射電磁波頻率的不同，材料單元及第一、第二人造微結(jié)構(gòu)的尺寸也相應(yīng)不同。例如，當(dāng)入射電磁波頻率減小為40 60GHz時(shí)，材料單元的長(zhǎng)度和寬度優(yōu)選為4mm,所述第一人造微結(jié)構(gòu)的尺寸為3. 5mmX 3. 5mm,第二人造微結(jié)構(gòu)的尺寸為 2mmX 2mm0
上面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實(shí)施方式
，上述的具體實(shí)施方式
僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨和權(quán)利要求所保護(hù)的范圍情況 下，還可做出很多形式，這些均屬于本發(fā)明的保護(hù)之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種低磁導(dǎo)率的人工電磁材料，包括至少一個(gè)材料片層，每個(gè)材料片層包括片狀基板和附著在所述基板上的人造微結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述人造微結(jié)構(gòu)有至少一對(duì)，每對(duì)人造微結(jié)構(gòu)包括附著在所述基板正面的第一人造微結(jié)構(gòu)和附著在所述基板背面且正對(duì)著所述第一人造微結(jié)構(gòu)的第二人造微結(jié)構(gòu)，所述第一、第二人造微結(jié)構(gòu)為尺寸不相同的兩個(gè)開(kāi)口諧振環(huán)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低磁導(dǎo)率的人工電磁材料，其特征在于，所述第一人造微結(jié)構(gòu)為近“凹”字形開(kāi)口諧振環(huán)，所述第二人造微結(jié)構(gòu)為近“ 口 ”字形開(kāi)口諧振環(huán)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低磁導(dǎo)率的人工電磁材料，其特征在于，所述第一人造微結(jié)構(gòu)為近“凹”字形開(kāi)口諧振環(huán)的衍生結(jié)構(gòu)，所述第二人造微結(jié)構(gòu)為近“ 口 ”字形開(kāi)口諧振環(huán)的衍生結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低磁導(dǎo)率的人工電磁材料，其特征在于，所述第二人造微結(jié)構(gòu)小于第一人造微結(jié)構(gòu)，且位于所述第一人造微結(jié)構(gòu)的垂直投影內(nèi)部。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的低磁導(dǎo)率的人工電磁材料，其特征在于，所述第二人造微結(jié)構(gòu)位于所述第一人造微結(jié)構(gòu)的垂直投影的正中間位置。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的低磁導(dǎo)率的人工電磁材料,其特征在于,所述第一人造微結(jié)構(gòu)、第二人造微結(jié)構(gòu)分別陣列分布在所述基板的正面、背面，且一一對(duì)應(yīng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的低磁導(dǎo)率的人工電磁材料，其特征在于，所述第一、第二人造微結(jié)構(gòu)的陣列的行間距相等，二者陣列的列間距也相等。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的低磁導(dǎo)率的人工電磁材料，其特征在于，所述行間距和列間距不大于所述人工電磁材料響應(yīng)的入射電磁波波長(zhǎng)的十分之一。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低磁導(dǎo)率的人工電磁材料，其特征在于，所述人造微結(jié)構(gòu)由銅線或銀線制成。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低磁導(dǎo)率的人工電磁材料，其特征在于，所述基板由聚四氟乙烯、環(huán)氧樹(shù)脂或者陶瓷制成。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種低磁導(dǎo)率的人工電磁材料，包括至少一個(gè)材料片層，每個(gè)材料片層包括片狀基板和附著在所述基板上的人造微結(jié)構(gòu)，所述人造微結(jié)構(gòu)有至少一對(duì)，每對(duì)人造微結(jié)構(gòu)包括附著在所述基板正面的第一人造微結(jié)構(gòu)和附著在所述基板背面且正對(duì)著所述第一人造微結(jié)構(gòu)的第二人造微結(jié)構(gòu)，所述第一、第二人造微結(jié)構(gòu)為尺寸不相同的兩個(gè)開(kāi)口諧振環(huán)。通過(guò)大小兩個(gè)開(kāi)口諧振環(huán)的響應(yīng)實(shí)現(xiàn)雙諧振峰甚至多諧振峰，從而在一定頻率范圍內(nèi)的磁導(dǎo)率能夠?qū)崿F(xiàn)從零開(kāi)始平滑緩慢變化，也即在一定頻段的材料具有低磁導(dǎo)率的特性。
文檔編號(hào)H01Q15/00GK103036032SQ201110163730
公開(kāi)日2013年4月10日 申請(qǐng)日期2011年6月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月17日
發(fā)明者劉若鵬, 欒琳, 寇超峰, 蔣楠楠 申請(qǐng)人:深圳光啟高等理工研究院, 深圳光啟創(chuàng)新技術(shù)有限公司