專利名稱：負磁導率超材料的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及超材料領域，更具體地說，涉及一種負磁導率超材料。
背景技術：
目前在國際上，對磁導率已有大量研究，正磁導率已經(jīng)比較成熟，但是目前社會急需負磁導率超材料，因此它的作用很大，因為他具有很特別的功能，有量子極化作用，可以對入射波產(chǎn)生極化，因此作用范圍很大，如在醫(yī)學成像領域中，能夠加強電磁波的成像效果，還在透鏡研究方面都有很大用處，有很好的應用前景，因此對負磁導是目前國內(nèi)外研究的熱點之一。在工程實用中，磁導率通常都是指相對磁導率，為物質(zhì)的絕對磁導率U與磁性常 數(shù)Utl (又稱真空磁導率)的比值，Ur= U/Po，為無量綱值。通?！跋鄬潯倍旨胺栂聵藃都被省去。磁導率是表示物質(zhì)受到磁化場H作用時，內(nèi)部的真磁場相對于H的增加(ii >I)或減少< D的程度。但對于現(xiàn)有的自然界已存在的材料中，其U都是大于0的。超材料(metamaterial),又稱人工電磁材料,是ー種能夠對電磁產(chǎn)生響應的新型人工合成材料，由基板和附著在基板上的人造微結構組成。由于人造微結構通常為金屬線排布成的具有一定幾何圖形的結構，因此能夠對電磁產(chǎn)生響應，從而使超材料整體體現(xiàn)出不同于基板的電磁特性，具有特定的介電常數(shù)e、磁導率U或折射率n，而這些參數(shù)都是有關電磁波頻率的函數(shù)，通常不為恒定值?，F(xiàn)有的人造微結構的幾何形狀為“エ”字形或者近“凹”字形的開ロ環(huán)形，但這結構都不能實現(xiàn)磁導率U明顯小于0，通常在0. -0.5之間。只有通過設計具有特殊幾何圖形的人造微結構，才能使得該超材料在特定頻段內(nèi)達到磁導率y值遠小于O。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術問題在干，針對現(xiàn)有技術的上述磁導率不能明顯小于0達到負磁導率特性的缺陷，提供ー種在所需頻段上絕對值明顯大于0值的負磁導率超材料。本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是構造ー種負磁導率超材料，包括非金屬材料的基板和附著在基板上的多個人造微結構，所述人造微結構由導電材料的絲線組成，所述人造微結構包括第一雙開ロ環(huán)、第二雙開ロ環(huán)、第一線段和第二線段；所述第一雙開ロ環(huán)包括兩個相向設置且不相接觸的第一半環(huán)，所述第一線段位于所述第一雙開ロ環(huán)內(nèi)且連接兩第一半環(huán)，所述第二雙開ロ環(huán)位于所述第一雙開ロ環(huán)內(nèi)且包括兩個相向設置且不相接觸的第二半環(huán)，所述第二線段位于所述第二雙開ロ環(huán)內(nèi)且連接兩第二半環(huán)，所述第一、第二線段相交。在本發(fā)明所述的負磁導率超材料中，所述人造微結構還包括位于所述第一雙開ロ環(huán)與第二雙開ロ環(huán)之間的繞線。在本發(fā)明所述的負磁導率超材料中，所述繞線為自所述第一半環(huán)末端延伸出的絲線。
在本發(fā)明所述的負磁導率超材料中，所述繞線為自所述第二半環(huán)末端延伸出的絲線。在本發(fā)明所述的負磁導率超材料中，所述繞線為在所述第一雙開ロ環(huán)和第二雙開ロ環(huán)之間間隙中繞行的絲線。在本發(fā)明所述的負磁導率超材料中，所述繞線螺旋繞行或蛇形繞行。在本發(fā)明所述的負磁導率超材料中，所述繞線的走線間距等于線寬。在本發(fā)明所述的負磁導率超材料中，所述負磁導率超材料包括多塊基板，每塊基板上均具有多個周期性排布的人造微結構。在本發(fā)明所述的負磁導率超材料中，所述人造微結構由銀線或銅線制成。
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在本發(fā)明所述的負磁導率超材料中，所述基板由聚四氟こ烯、FR-4材料或陶瓷材料制成。實施本發(fā)明的負磁導率超材料，具有以下有益效果采用本發(fā)明的人造微結構，能夠明顯提高超材料的負磁導率絕對值的最大值，從而強化負磁導率效果，以滿足特定條件下對負磁導率值的要求。


下面將結合附圖及實施例對本發(fā)明作進ー步說明，附圖中圖I是本發(fā)明優(yōu)選實施例的負磁導率超材料的結構示意圖；圖2是圖I所示負磁導率超材料的其中ー個材料單元的結構示意圖；圖3是圖2所示材料單元的人造微結構的示意圖；圖4是另ー實施例中的人造微結構的示意圖；圖5是具有圖4所不人造微結構的負磁導率超材料的仿真不意圖；圖6至圖8是另三種人造微結構的示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明涉及一種負磁導率超材料，如圖I所示，包括至少ー個材料片層1，每個材料片層I包括基板2和附著在基板2表面上的多個人造微結構3?；?為平板狀，也可以為彎成圓環(huán)的薄片狀，或者多個長條板正交扣合組成的柵格形?；?通常選用聚四氟こ烯、環(huán)氧樹脂、FR-4、陶瓷、鐵氧材料、SiO2等非金屬材料。人造微結構3在基板2表面上呈周期性排布，例如矩形陣列排布，即以ー X方向為行、以垂直于X方向的y方向為列地排列，且各行間距、各列間距分別相等，甚至行間距等于列間距均可。優(yōu)選行間距、列間距不大于所要響應的入射電磁波的波長的五分之一，也即例如工作環(huán)境是波長為\的電磁波，需要超材料對此電磁波的電磁特性是呈現(xiàn)負磁導率，則設計人造微結構時將上述行間距、列間距選擇不大于入/5，優(yōu)選為入/10。顯然，為了使人造微結構3不互相交疊，每個人造微結構3的長度和寬度也不大于入/5。周期性排布還可以是其他具有循環(huán)規(guī)律的排布方式，例如基板2為圓環(huán)形吋，人造微結構3沿著圓環(huán)形基板2的外圓柱面等間距地繞一周。當材料片層I有多個時，按照一定的規(guī)律將它們封裝起來，例如當基板2為平板狀時，各材料片層I沿垂直于基板2表面的z方向依次排列，片層之間相互平行設置，優(yōu)選地平行且間距相等；當基板2為上述圓環(huán)形，則可以將多個材料片層I共圓心軸地安裝固定。如圖3所示，人造微結構3陣列排布，因此可以將基板2虛擬地劃分為同樣陣列排布的多個基板単元20，基板単元20的長度等于上述行間距、寬度等于列間距、厚度等于基板2厚度。每個基板單元20的表面上正好對應有ー個人造微結構3。由基板單元20及其表面上的人造微結構3構成的材料單元10如圖2所示。如圖2、圖3所示，本發(fā)明的人造微結構3包括兩個第一半環(huán)31、連接兩個第一半環(huán)31的第一線段32、兩個第二半環(huán)33以及連接兩個第二半環(huán)33的第二線段34。其中，兩個第一半環(huán)31相向設置且互不接觸，使得兩端端點分別相對而形成兩個開ロ，即兩個第一半環(huán)31構成ー個第一雙開ロ環(huán)，本實施例中，兩開ロ成180度設置，第一線段32位于第一雙開ロ環(huán)內(nèi)且連接兩個第一半環(huán)31的中點。同樣，兩個第二半環(huán)33相向設置而不接觸，形成具有兩個開ロ的第二雙開ロ環(huán)，且第二雙開ロ環(huán)位于第一雙開ロ環(huán)內(nèi)部，一第二線段34兩端分別連接兩個第二半環(huán)33的中點。由圖3可知，第一雙開ロ環(huán)的兩開ロ連線垂直于第 ニ雙開ロ環(huán)的兩開ロ連線，且第一線段32與第二線段34垂直平分。其中，構成人造微結構3的各個絲線即第一、第二半環(huán)31、33和第一、第二線段32、34均是由導電材料制成的，這樣的導電材料通常為金屬材料例如銀、銅、銅合金等，也可以是其他非金屬的導電材料例如導電塑料、ITO(銦錫氧化物)、碳納米管、石墨等。采用這樣的雙開ロ環(huán)垂直正交構成的人造微結構，能夠實現(xiàn)超材料具有負磁導率。為了進一步增強負磁導率的效果，提高負磁導率的絕對值，本發(fā)明的人造微結構3還包括位于第一雙開ロ環(huán)與第二雙開ロ環(huán)之間的繞線35。這里的繞線35有多種走線形式，例如其可以如圖4所示，為兩條各自獨立的絲線，在第一雙開ロ環(huán)與第二雙開ロ環(huán)之間的間隙里延伸，當間隙中還可以走線時，該繞線35還可以如圖6所示在間隙中螺旋繞行，當然也可以蛇形繞行；如圖7所示，該繞線35還可以為自第一半環(huán)31的末端延伸出來的絲線，并在第一、第二雙開ロ環(huán)之間的間隙延伸，同樣間隙足夠的話該繞線也可以螺旋或蛇形繞行；同樣，如圖8所示，該繞線35也可以為自第二半環(huán)33末端延伸出的絲線，也可如圖所示地螺旋繞行。為了最大限度地填充基板単元的表面，繞線的走線間距可以等于線寬，而線寬可采用機械加工所能達到的最小線寬如0. 1_。為了驗證本發(fā)明的負磁導率特性，對本發(fā)明的超材料進行仿真，其中，選定的人造微結構3其形狀如圖4所示，基板2選擇FR-4材料，厚度為0. 4mm,基板單元20的尺寸為4mmX 4mmX0. 4mm,其中0. 4mm為厚度；人造微結構3由銅線制成,厚度為0. 018mm,到基板單元的四條邊均預留0. 2mm,線寬也為0. 2mm,所有的走線間距也為0. 2mm。對上述材料單元10陣列得到的超材料進行仿真,得到的磁導率關于頻率的電磁響應曲線如圖5所示。由圖可知，本實施例的材料單元在3. 45 6. IOGHz范圍內(nèi)其磁導率均為負值，且最低磁導率能夠達到-4. 3，且達到最低磁導率是其虛部的損耗非常小，基本上為O。當所需頻段不在上述范圍時，還可以通過調(diào)整人造微結構的尺寸來調(diào)整負磁導率所在的頻段區(qū)域。因此，采用本發(fā)明的人造微結構，能夠明顯提高超材料的負磁導率的絕對值，從而強化負磁導率效果，以滿足特定條件下對負磁導率值的要求。上面結合附圖對本發(fā)明的實施例進行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實施方式
，上述的具體實施方式
僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領域的普通技術人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗g和權利要求所保護的范圍情況下，還可做出很多 形式，這些均屬于本發(fā)明的保護之內(nèi)。
權利要求
1.一種負磁導率超材料，包括非金屬材料的基板和附著在基板上的多個人造微結構，所述人造微結構由導電材料的絲線組成，其特征在于，所述人造微結構包括第一雙開ロ環(huán)、第二雙開ロ環(huán)、第一線段和第二線段； 所述第一雙開ロ環(huán)包括兩個相向設置且不相接觸的第一半環(huán)，所述第一線段位于所述第一雙開ロ環(huán)內(nèi)且連接兩第一半環(huán)，所述第二雙開ロ環(huán)位于所述第一雙開ロ環(huán)內(nèi)且包括兩個相向設置且不相接觸的第二半環(huán)，所述第二線段位于所述第二雙開ロ環(huán)內(nèi)且連接兩第二半環(huán)，所述第一、第二線段相交。
2.根據(jù)權利要求I所述的負磁導率超材料，其特征在于，所述人造微結構還包括位于所述第一雙開ロ環(huán)與第二雙開ロ環(huán)之間的繞線。
3.根據(jù)權利要求2所述的負磁導率超材料，其特征在于，所述繞線為自所述第一半環(huán)末端延伸出的絲線。
4.根據(jù)權利要求2所述的負磁導率超材料，其特征在于，所述繞線為自所述第二半環(huán)末端延伸出的絲線。
5.根據(jù)權利要求2所述的負磁導率超材料，其特征在干，所述繞線為在所述第一雙開ロ環(huán)和第二雙開ロ環(huán)之間間隙中繞行的絲線。
6.根據(jù)權利要求3至5任一項所述的負磁導率超材料，其特征在于，所述繞線螺旋繞行或蛇形繞行。
7.根據(jù)權利要求6所述的負磁導率超材料，其特征在于，所述繞線的走線間距等于線寬。
8.根據(jù)權利要求I所述的負磁導率超材料，其特征在于，所述負磁導率超材料包括多塊基板，每塊基板上均具有多個周期性排布的人造微結構。
9.根據(jù)權利要求I所述的負磁導率超材料，其特征在于，所述人造微結構由銀線或銅線制成。
10.根據(jù)權利要求I所述的負磁導率超材料，其特征在于，所述基板由聚四氟こ烯、FR-4材料或陶瓷材料制成。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種負磁導率超材料，包括非金屬材料的基板和附著在基板上的多個人造微結構，所述人造微結構由導電材料的絲線組成，所述人造微結構包括第一雙開口環(huán)、第二雙開口環(huán)、第一線段和第二線段；所述第一雙開口環(huán)包括兩個相向設置且不相接觸的第一半環(huán)，所述第一線段位于所述第一雙開口環(huán)內(nèi)且連接兩第一半環(huán)，所述第二雙開口環(huán)位于所述第一雙開口環(huán)內(nèi)且包括兩個相向設置且不相接觸的第二半環(huán)，所述第二線段位于所述第二雙開口環(huán)內(nèi)且連接兩第二半環(huán)，所述第一、第二線段相交。采用本發(fā)明的人造微結構，能夠明顯提高超材料的負磁導率的絕對值，從而強化負磁導率效果，以滿足特定條件下對負磁導率值的要求。
文檔編號H01Q15/00GK102969571SQ20111025650
公開日2013年3月13日 申請日期2011年9月1日 優(yōu)先權日2011年9月1日
發(fā)明者劉若鵬, 欒琳, 寇超鋒, 葉金財 申請人:深圳光啟高等理工研究院, 深圳光啟創(chuàng)新技術有限公司