專利名稱：一種低頻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，涉及一種低頻負磁導率超材料。
背景技術：
目前在國際上，對磁導率已有大量研究，正磁導率已經比較成熟，但是目前社會急需負磁導率超材料，因為它具有很特別的功能，例如可以對入射波產生極化，又如在醫(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外研究的熱點之一。超材料(metamaterial),又稱人工電磁材料,是ー種能夠對電磁產生響應的新型人工合成材料，其中一個顯著的響應特性就是呈現(xiàn)負磁導率特性。超材料由基板和附著在 基板上的人造微結構組成，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，每個人造微結構的尺寸遠小于電磁波波長，其形狀和尺寸能直接影響到負磁導率的值和呈現(xiàn)負磁導率時的頻段范圍?，F(xiàn)有的超材料中，用來實現(xiàn)負磁導率的人造微結構通常為開ロ諧振環(huán)，但是滿足負磁導率時的頻率一般都在幾個GHz的范圍。在ー些特殊的應用場合例如核磁共振儀中，要減少對人體的損害則電磁場頻率應盡可能地低(例如15. 3MHz)，現(xiàn)有的超材料不能滿足要求。另外，在高頻范圍中，要實現(xiàn)負折射必須要磁導率和介電常數(shù)同時為負。而在低頻磁場中，只要磁導率和介電常數(shù)其中ー個值為負，即可實現(xiàn)負折射，從而實現(xiàn)完美透鏡的效果。具有負折射也是超材料應用到核磁共振儀上必須滿足的條件之一。因此，現(xiàn)有的超材料很難滿足低頻負折射的要求。

發(fā)明內容
本發(fā)明要解決的技術問題在干，針對現(xiàn)有技術的上述現(xiàn)有超材料的負磁導率只出現(xiàn)在較高頻段內的缺陷，提供一種低頻負磁導率超材料。本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是構造ー種低頻負磁導率超材料，包括非金屬材料制成的基板和附著在所述基板表面上的多個人造微結構，所述人造微結構為導電材料的絲線組成的具有幾何圖形的結構，其特征在于，所述人造微結構包括在所述基板正面上的多個第一人造微結構以及在所述基板背面上的多個第二人造微結構，且所述第二人造微結構小于所述第一人造微結構，所述第一人造微結構為開ロ諧振環(huán)或者開ロ諧振環(huán)的衍生結構。在本發(fā)明所述的低頻負磁導率超材料中，所述第一人造微結構在所述基板上陣列排布，且陣列排布的行間距和列間距小于將要響應的電磁波波長的五分之一。在本發(fā)明所述的低頻負磁導率超材料中，所述第一人造微結構的行間距和列間距等于將要響應的電磁波波長的十分之一。在本發(fā)明所述的低頻負磁導率超材料中，所述第二人造微結構為矩形陣列排布，且第二人造微結構陣列的行間距和列間距分別小于所述第一人造微結構陣列的行間距和列間距的五分之一。在本發(fā)明所述的低頻負磁導率超材料中，所述第二人造微結構陣列的行間距和列間距分別小于所述第一人造微結構陣列的行間距和列間距的十分之一。 在本發(fā)明所述的低頻負磁導率超材料中，所述開ロ諧振環(huán)的衍生結構包括共中心而依次嵌套的至少兩個開ロ諧振環(huán)。在本發(fā)明所述的低頻負磁導率超材料中，所述開ロ諧振環(huán)的衍生結構為雙開ロ環(huán)，包括具有兩個開ロ從而分成兩段的開ロ諧振環(huán)和兩端分別連接所述兩段的中點的中間連線。在本發(fā)明所述的低頻負磁導率超材料中，所述開ロ諧振環(huán)的衍生結構包括大小不同的兩個雙開ロ環(huán)，且所述兩個雙開ロ環(huán)的中間連線相互垂直平分。在本發(fā)明所述的低頻負磁導率超材料中，所述開ロ諧振環(huán)的衍生結構為開ロ諧振 環(huán)的走線上蛇形彎折而形成的結構。在本發(fā)明所述的低頻負磁導率超材料中，所述第二人造微結構為十字形結構的衍生結構。在本發(fā)明所述的低頻負磁導率超材料中，所述第二人造微結構為走線上螺旋繞行而構成的結構。實施本發(fā)明的低頻負磁導率超材料，具有以下有益效果采用本發(fā)明的低頻負磁導率超材料，利用第一人造微結構的開ロ諧振環(huán)及其衍生結構實現(xiàn)負磁導率特性，尤其是實現(xiàn)U=-I ;同時在基板背面附著遠小于第一人造微結構的第二人造微結構，使得超材料的介電常數(shù)増大，而諧振頻率則隨著介電常數(shù)的増大而減小，從而使諧振頻率左移，最終實現(xiàn)負磁導率的頻段出現(xiàn)在較低的頻率范圍例如小于15 16MHz。本發(fā)明實現(xiàn)了低頻磁場的負磁導率，即可達到負折射率的效果，因此利用其負折射的特點可以將其應用在核磁共振中。


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)選實施例的低頻負磁導率超材料的正面示意圖；圖2是圖I所示低頻負磁導率超材料的基板單元的正面示意圖；圖3是圖I所不低頻負磁導率超材料的背面不意圖；圖4是圖3所不低頻負磁導率超材料的基板單兀的背面不意圖；圖5至圖14為第一人造微結構的幾種可能的結構示意圖；圖15至圖18為第二人造微結構的幾種可能的結構示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明涉及一種低頻負磁導率超材料，用來實現(xiàn)在較低頻段達到負磁導率的特性，從而應用在需要在低頻電磁波環(huán)境中介質具有負磁導率的場合。如圖I、圖3所示，本發(fā)明的低頻負磁導率超材料，至少包括ー個材料片層1，每個材料片層I包括非金屬材料制成的基板2和附著在基板2表面上的多個人造微結構，人造微結構是由導電材料的絲線組成的具有一定幾何圖形的平面結構?；?的非金屬材料通常為陶瓷、FR-4材料、聚四氟こ烯、環(huán)氧樹脂、SiO2等，人造微結構的導電材料可以為銅、銀等金屬，也可以選用其他能夠導電的材料如IT0(銦錫氧化物)、石墨、碳納米管等。本發(fā)明的創(chuàng)新之處在于，在基板2的正面和背面均設置有人造微結構，定義位于基板2正面的人造微結構為第一人造微結構3，位于基板2背面的為第二人造微結構4，第一、第二人造微結構分別在基板正面、背面上周期性排布。當基板2為如圖I所示的平板吋，常見的周期性排布為矩形陣列排布，即以基板正面或背面上一 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、各列間距分另IJ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，需要超材料對此頻率的電磁波呈現(xiàn)負磁導率，則設計第一人造微結構3時將上述行間距、列間距選擇不大于\ /5，優(yōu)選為入/10或者小于入/10。顯然，為了使第一人造微結構3不互相交疊，每個第一人造微結構3的長度和寬度也不大于上述行間距和列間距。周期性排布還可以是其他具有循環(huán)規(guī)律的排布方式，例如基板為圓環(huán)形時，第一、第二人造微結構分別沿著圓環(huán)形基板的外圓柱面、內圓柱面等間距地繞一周。
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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I所示，第一人造微結構3矩形陣列排布，且行間距和列間距均為低頻電磁波波長、的1/10，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，基板單元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的厚度。每個基板単元20的表面上正好對應有ー個第一人造微結構3，如圖2所示。第一人造微結構3的存在，是為了使超材料整體體現(xiàn)出負磁導率的特性，因此優(yōu)選第一人造微結構3為對磁場相應的結構，常見的為開ロ諧振環(huán)或者開ロ諧振環(huán)的衍生結構。開ロ諧振環(huán)(split ring resonator, SRR)在左手材料的研究中比較常見,是由單根金屬線兩端靠近而不接觸以形成開ロ的環(huán)狀結構，主要是圓形開ロ環(huán)或者矩形開ロ環(huán)，或者如圖I、圖2所示的近“凹”字形開ロ環(huán)，其包括ー個矩形開ロ環(huán)和自矩形開ロ環(huán)的兩端向環(huán)內延伸的ー對平行線。開ロ諧振環(huán)的衍生結構是基于上述開ロ諧振環(huán)所做的改進或者組合結構。如圖5所示，現(xiàn)有的ー種衍生結構包括兩個共圓心的一大一小兩個圓形開ロ諧振環(huán)301，二者相互嵌套且開ロ位于圓心的兩側而成180度設置。圖6示出的衍生結構包括三個矩形開ロ諧振環(huán)301，同樣共中心且從大到小依次嵌套。另ー種開ロ諧振環(huán)的衍生結構為雙開ロ環(huán)302，如圖7所示，其包括具有兩個開ロ從而分成兩段的開ロ諧振環(huán)和兩端分別連接所述兩段的中點的中間連線，類似于兩個“山”字一上一下相向設置且中間豎線連接到一起的形狀。圖8所述第一人造微結構3是基于雙開ロ環(huán)302的衍生變形，其包括大小不同從而內外嵌套的兩個雙開ロ環(huán)302，且兩個雙開ロ環(huán)302的中間連線相互垂直平分。圖9所示第一人造微結構3是圖8所示結構的進ー步衍生，其除具有圖8所示的兩個正交的雙開ロ環(huán)302外，在兩個雙開ロ環(huán)302的走線間隙上還具有繞線303。
開ロ諧振環(huán)的衍生結構還可以是開ロ諧振環(huán)301的走線上蛇形彎折而形成的結構。例如，對于上述近“凹”字形開ロ環(huán)，其走線包括外部構成外框的開ロ諧振環(huán)301，還包括內部的ー對平行線，蛇形彎折的部分可以處于開ロ諧振環(huán)301上，也可以位于平行線上。如圖10、圖11所示的衍生結構中，蛇形彎折部分位于開ロ諧振環(huán)301上，而圖12所示的示例中，蛇形彎折部分則位于中間的平行線上。另外，圖13、圖14所示的第一人造微結構3，其衍生結構是在開ロ諧振環(huán)301的兩端端部設置有多組平行線，也能達到負磁導率的效果。以上示例只是示意性地說明第一人造微結構3可能的形狀，凡是基于開ロ諧振環(huán)或開ロ諧振環(huán)的衍生結構所做的變形，均屬于本發(fā)明保護范圍之內。第一人造微結構3位于基板2正面，基板2背面上還附著有周期性排布的多個第二人造微結構4，如圖3、圖4所示。第二人造微結構4明顯小于第一人造微結構3，使得其周期性排布的密度明顯大于第一人造微結構3的排布密度。本實施例中，第一、第二人造微 結構均矩形陣列排布，第二人造微結構4的行間距和列間距分別為第一人造微結構3行間距和列間距的五分之一，即低頻電磁波波長入的1/50。因此如圖4所示，每個基板単元20的背面附著有以5X5矩陣排布的25個第二人造微結構4。優(yōu)選第一、第二人造微結構的行間距或列間距的比值不小于5，優(yōu)選大于10，即第二人造微結構4的行間距和列間距小于入/100。同樣，為了使每個第二人造微結構4不互相交疊，其長、寬尺寸應位于ー個行間距和列間距所圍成的矩形単元格內。第二人造微結構4的存在，是為了增大超材料整體的介電常數(shù)，同時不影響第一人造微結構3對電磁場的響應。由于其尺寸明顯小于第一人造微結構3,因此與第一人造微結構3的尺寸不在ー個數(shù)量級上，不會影響到電磁場響應。而增大介電常數(shù)，可以通過選擇能夠對電場響應的結構形式來實現(xiàn)?，F(xiàn)有超材料的エ字形人造微結構，就是ー種典型的對電場響應的結構。本發(fā)明的第二人造微結構4，除了為エ字形，還可以為十字形結構或者十字形結構的衍生結構。十字形結構及其衍生結構相較于エ字形人造微結構的優(yōu)勢在于，エ字形人造微結構主要對平行于其中間連線的方向的電場產生響應，而十字形結構及其衍生結構能夠對相互垂直的兩個方向均產生響應。圖4所示實施例的第二人造微結構4，即為ー種十字形結構的衍生結構，包括相互正交平分從而構成十字形的第一金屬線和連接在每個第一金屬線端部且被第一金屬線垂直平分的第二金屬線。該結構進ー步的衍生結構還包括連接在每個第二金屬線端部且被第二金屬線垂直平分的第三金屬線；同樣，更進一歩的衍生結構如圖15所示，還包括連接在每個第三金屬線端部且被第三金屬線垂直平分的第四金屬線，依此類推。十字形結構的衍生結構可以理解為，具有四個完全相同且共端點的支路304，每個支路304以該端點為旋轉中心依次旋轉90度、180度和270度后分別與另外三個支路304重合，顯然圖4、圖15所示的示例均屬于這種十字形結構的衍生結構。圖16所示的十字形結構的衍生結構，每個支路304上具有彎折部，以增大繞線長度，有利于進ー步提高介電常數(shù)。増大繞線長度的另ー種方法是在走線上螺旋繞行，如圖17所示的十字形結構的衍生結構，每個支路304為ー個三角形螺旋線，在基板表面充分繞行利用空間。螺旋繞行的結構不一定為十字形結構的衍生結構，如圖18所示的第二人造微結構4即為ー根絲線兩端分別向內螺旋繞行而成的結構。
顯然，只要是導電絲線組成的平面結構，或多或少都可以對電場產生響應，因此本發(fā)明的第二人造微結構4并不限定為上述エ字形結構、十字形結構及其衍生結構、具有螺旋走線的結構，還可以為任意具有幾何圖形的結構。而為了盡可能地増大介電常數(shù)，第二人造微結構的走線應盡可能地占滿基板単元的表面，例如其四邊離基板単元20的四邊只預留ー個線寬或接近一個線寬的距離。另外，本文中的陣列排布，其行間距和列間距的設定，是確保相鄰兩第一或第二人造微結構之間不夠插入另一第一或第二人造微結構為準。采用本發(fā)明的低頻負磁導率超材料，利用第一人造微結構3的開ロ諧振環(huán)及其衍生結構實現(xiàn)負磁導率特性，尤其是實現(xiàn)U=-I ;同時在基板背面附著遠小于第一人造微結構3的第二人造微結構4，使得超材料的介電常數(shù)増大，而諧振頻率則隨著介電常數(shù)的増大而減小，從而使諧振頻率左移，最終實現(xiàn)負磁導率的頻段出現(xiàn)在較低的頻率范圍例如小于15 16MHz。這種低頻負磁導率超材料可以應用在核磁共振儀上，尤其是0. 36T核磁共振儀，其激發(fā)線圈和接收線圈的電磁場頻率為15. 3MHz，本發(fā)明的超材料在此儀器中即具有負磁導率特性，從而大大提高成像效果。
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。
權利要求
1.一種低頻負磁導率超材料，包括非金屬材料制成的基板和附著在所述基板表面上的多個人造微結構，所述人造微結構為導電材料的絲線組成的具有幾何圖形的結構，其特征在于，所述人造微結構包括在所述基板正面上的多個第一人造微結構以及在所述基板背面上的多個第二人造微結構，且所述第二人造微結構小于所述第一人造微結構，所述第一人造微結構為開ロ諧振環(huán)或者開ロ諧振環(huán)的衍生結構。
2.根據權利要求I所述的低頻負磁導率超材料，其特征在于，所述第一人造微結構在所述基板上陣列排布，且陣列排布的行間距和列間距小于將要響應的電磁波波長的五分之 一
3.根據權利要求2所述的低頻負磁導率超材料，其特征在于，所述第一人造微結構的 行間距和列間距等于將要響應的電磁波波長的十分之一。
4.根據權利要求2所述的低頻負磁導率超材料，其特征在于，所述第二人造微結構為矩形陣列排布，且第二人造微結構陣列的行間距和列間距分別小于所述第一人造微結構陣列的行間距和列間距的五分之一。
5.根據權利要求4所述的低頻負磁導率超材料，其特征在于，所述第二人造微結構陣列的行間距和列間距分別小于所述第一人造微結構陣列的行間距和列間距的十分之一。
6.根據權利要求I所述的低頻負磁導率超材料，其特征在于，所述開ロ諧振環(huán)的衍生結構包括共中心而依次嵌套的至少兩個開ロ諧振環(huán)。
7.根據權利要求I所述的低頻負磁導率超材料，其特征在于，所述開ロ諧振環(huán)的衍生結構為雙開ロ環(huán)，包括具有兩個開ロ從而分成兩段的開ロ諧振環(huán)和兩端分別連接所述兩段的中點的中間連線。
8.根據權利要求7所述的低頻負磁導率超材料，其特征在于，所述開ロ諧振環(huán)的衍生結構包括大小不同的兩個雙開ロ環(huán)，且所述兩個雙開ロ環(huán)的中間連線相互垂直平分。
9.根據權利要求I所述的低頻負磁導率超材料，其特征在于，所述開ロ諧振環(huán)的衍生結構為開ロ諧振環(huán)的走線上蛇形彎折而形成的結構。
10.根據權利要求I所述的低頻負磁導率超材料，其特征在于，所述第二人造微結構為十字形結構的衍生結構。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種低頻負磁導率超材料，包括非金屬材料制成的基板和附著在所述基板表面上的多個人造微結構，所述人造微結構為導電材料的絲線組成的具有幾何圖形的結構，所述人造微結構包括在所述基板正面上的多個第一人造微結構以及在所述基板背面上的多個第二人造微結構，且所述第二人造微結構小于所述第一人造微結構，所述第一人造微結構為開口諧振環(huán)或者開口諧振環(huán)的衍生結構。采用本發(fā)明，能夠實現(xiàn)負磁導率特性，尤其是實現(xiàn)μ＝-1；同時在基板背面附著遠小于第一人造微結構的第二人造微結構，使得超材料的介電常數(shù)增大，從而使諧振頻率左移，最終實現(xiàn)負磁導率的頻段出現(xiàn)在較低的頻率范圍例如小于15～16MHz。
文檔編號H01Q15/00GK102969572SQ201110256508
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, 郭潔, 許毓欽 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