專利名稱：一種負(fù)磁導(dǎo)率超材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超材料領(lǐng)域，更具體地說(shuō)，涉及一種負(fù)磁導(dǎo)率超材料。
背景技術(shù)：
目前在國(guó)際上，對(duì)磁導(dǎo)率已有大量研究，正磁導(dǎo)率已經(jīng)比較成熟，但是目前社會(huì)急需負(fù)磁導(dǎo)率超材料，因?yàn)樗哂泻芴貏e的功能，例如當(dāng)材料的磁導(dǎo)率為負(fù)值且介電常數(shù)為負(fù)時(shí)，該材料具有負(fù)折射率的特性也即為左手材料。在低頻磁場(chǎng)中，只需要一個(gè)參數(shù)為負(fù)， 即可達(dá)到負(fù)折射的功能。此時(shí)，當(dāng)磁導(dǎo)率為-1時(shí)，折射率也達(dá)到-1，就能實(shí)現(xiàn)完美透鏡的功倉(cāng)泛。
超材料(metamaterial),又稱人工電磁材料,是一種能夠?qū)﹄姶艌?chǎng)產(chǎn)生響應(yīng)的新型人工合成材料，由基板和附著在基板上的人造微結(jié)構(gòu)組成。由于人造微結(jié)構(gòu)通常為金屬線排布成的具有一定幾何形狀的結(jié)構(gòu)，因此能夠?qū)﹄姶女a(chǎn)生響應(yīng)，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)ε、磁導(dǎo)率μ或折射率η，而這些參數(shù)都是入射電磁波頻率的函數(shù)，通常不為恒定值。
現(xiàn)有的人造微結(jié)構(gòu)的幾何形狀為“工”字形或者開(kāi)口諧振環(huán)的形狀，這些結(jié)構(gòu)的超材料雖然能在特定頻率或頻段下實(shí)現(xiàn)負(fù)磁導(dǎo)率，但所在頻段通常都較高，在幾個(gè)GHz或者十幾GHz范圍，此時(shí)是不能實(shí)現(xiàn)完美透鏡的。要在低頻磁場(chǎng)即小于IGHz的范圍甚至幾十 MHz的頻率范圍實(shí)現(xiàn)磁導(dǎo)率為-1，必須要設(shè)計(jì)出新的具有特殊幾何圖形的人造微結(jié)構(gòu)才能實(shí)現(xiàn)。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)的上述磁導(dǎo)率不能明顯小于O達(dá)到負(fù)磁導(dǎo)率特性的缺陷，提供一種在所需頻段上絕對(duì)值明顯大于O值的負(fù)磁導(dǎo)率超材料。
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)造一種負(fù)磁導(dǎo)率超材料，包括非金屬材料的基板和附著在基板上的多個(gè)成周期性排布的人造微結(jié)構(gòu)，所述人造微結(jié)構(gòu)由導(dǎo)電材料的絲線組成，所述人造微結(jié)構(gòu)包括“工”字形結(jié)構(gòu)和套在所述“工”字形結(jié)構(gòu)外面的近 “凹”字形開(kāi)口環(huán)結(jié)構(gòu)，所述“工”字形結(jié)構(gòu)包括一中間豎線和分別連接所述中間豎線兩端的第一橫線和第二橫線；所述近“凹”字形開(kāi)口環(huán)結(jié)構(gòu)包括開(kāi)口環(huán)和自所述開(kāi)口環(huán)的形成開(kāi)口的兩端點(diǎn)向環(huán)內(nèi)延伸的一對(duì)平行線；所述“工”字形結(jié)構(gòu)的中間豎線位于所述一對(duì)平行線之間，且所述第一橫線位于所述近“凹”字形開(kāi)口環(huán)結(jié)構(gòu)外部而第二橫線位于其內(nèi)部。在本發(fā)明所述的負(fù)磁導(dǎo)率超材料中，所述中間豎線與所述近“凹”字形開(kāi)口環(huán)結(jié)構(gòu)的平行線平行。
在本發(fā)明所述的負(fù)磁導(dǎo)率超材料中，所述第二橫線上還設(shè)有至少一條自所述第二橫線上一點(diǎn)向第一橫線延伸的、與所述中間豎線平行的第一線段，多個(gè)所述第一線段構(gòu)成第一線段組。
在本發(fā)明所述的負(fù)磁導(dǎo)率超材料中，所述開(kāi)口環(huán)上設(shè)有至少一條自所述開(kāi)口環(huán)上一點(diǎn)向環(huán)內(nèi)延伸的、與所述中間豎線平行的第二線段，多個(gè)所述第二線段構(gòu)成第二線段組。
在本發(fā)明所述的負(fù)磁導(dǎo)率超材料中，所述第一、第二線段組的第一、第二線段依次交替排布。
在本發(fā)明所述的負(fù)磁導(dǎo)率超材料中，所述開(kāi)口環(huán)為矩形開(kāi)口環(huán)。
在本發(fā)明所述的負(fù)磁導(dǎo)率超材料中，所述人造微結(jié)構(gòu)導(dǎo)電絲線的走線間距等于線寬。
在本發(fā)明所述的負(fù)磁導(dǎo)率超材料中，所述負(fù)磁導(dǎo)率超材料包括多塊基板，每塊基板上均具有多個(gè)周期性排布的人造微結(jié)構(gòu)。
在本發(fā)明所述的負(fù)磁導(dǎo)率超材料中，所述人造微結(jié)構(gòu)由銀線或銅線制成。
在本發(fā)明所述的負(fù)磁導(dǎo)率超材料中，所述基板由聚四氟乙烯、FR-4材料或陶瓷材料制成。
實(shí)施本發(fā)明的負(fù)磁導(dǎo)率超材料，具有以下有益效果采用本發(fā)明的人造微結(jié)構(gòu)，能夠在低頻電磁場(chǎng)中實(shí)現(xiàn)磁導(dǎo)率為-1。


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)明第一實(shí)施例的負(fù)磁導(dǎo)率超材料的結(jié)構(gòu)示意圖2是圖1所示負(fù)磁導(dǎo)率超材料的其中一個(gè)材料單元的結(jié)構(gòu)示意圖3是本發(fā)明第二實(shí)施例的負(fù)磁導(dǎo)率超材料的結(jié)構(gòu)示意圖4是圖3所示負(fù)磁導(dǎo)率超材料的其中一個(gè)材料單元的結(jié)構(gòu)示意圖5是本發(fā)明第三實(shí)施例的負(fù)磁導(dǎo)率超材料的其中一個(gè)材料單元的結(jié)構(gòu)示意圖6是本發(fā)明第二實(shí)施例的仿真效果圖。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明涉及一種負(fù)磁導(dǎo)率超材料，如圖1所示，包括至少一個(gè)材料片層1，每個(gè)材料片層I包括基板2和附著在基板2表面上的多個(gè)人造微結(jié)構(gòu)3?；?為平板狀，也可以為彎成圓環(huán)的薄片狀，或者多個(gè)長(zhǎng)條板正交扣合組成的柵格形?；?通常選用聚四氟乙烯、環(huán)氧樹(shù)脂、FR-4、陶瓷、鐵氧材料、SiO2等非金屬材料。
人造微結(jié)構(gòu)3在基板2表面上呈周期性排布，例如矩形陣列排布，即以一 X方向?yàn)樾?、以垂直于X方向的y方向?yàn)榱械嘏帕?，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(yīng)的入射電磁波的波長(zhǎng)的五分之一，也即例如工作環(huán)境是波長(zhǎng)為λ的電磁波，需要超材料對(duì)此電磁波的電磁特性是呈現(xiàn)負(fù)磁導(dǎo)率，則設(shè)計(jì)人造微結(jié)構(gòu)時(shí)將上述行間距、列間距選擇不大于λ/5，優(yōu)選為λ/10。顯然，為了使人造微結(jié)構(gòu)3不互相交疊，每個(gè)人造微結(jié)構(gòu)3的長(zhǎng)度和寬度也不大于λ/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)形時(shí)，人造微結(jié)構(gòu)3沿著圓環(huán)形基板 2的外圓柱面等間距地繞一周。
當(dāng)材料片層I有多個(gè)時(shí)，按照一定的規(guī)律將它們封裝起來(lái)，例如當(dāng)基板2為平板狀時(shí)，各材料片層I沿垂直于基板2表面的ζ方向依次排列，片層之間相互平行設(shè)置，優(yōu)選地平行且間距相等；當(dāng)基板2為上述圓環(huán)形，則可以將多個(gè)材料片層I共圓心軸地安裝固定。
如圖1所示，人造微結(jié)構(gòu)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(gè)基板單元20，基板單元20的長(zhǎng)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(gè)基板單元20的表面上正好對(duì)應(yīng)有一個(gè)人造微結(jié)構(gòu)3。由基板單元20及其表面上的人造微結(jié)構(gòu)3構(gòu)成的材料單元10如圖2所示。
如圖2所示，本發(fā)明的人造微結(jié)構(gòu)3包括“工”字形結(jié)構(gòu)和套在“工”字形結(jié)構(gòu)外面的近“凹”字形開(kāi)口環(huán)結(jié)構(gòu)，其中“工”字形結(jié)構(gòu)包括一中間豎線303和分別連接中間豎線303兩端的第一橫線301和第二橫線302 ;近“凹”字形開(kāi)口環(huán)結(jié)構(gòu)包括開(kāi)口環(huán)305和自開(kāi)口環(huán)305的形成開(kāi)口的兩端點(diǎn)向環(huán)內(nèi)延伸的一對(duì)平行線306 ;“工”字形結(jié)構(gòu)的中間豎線 303位于一對(duì)平行線306之間，且第一橫線301位于近“凹”字形開(kāi)口環(huán)結(jié)構(gòu)外部而第二橫線302位于其內(nèi)部。
其中，“工”字形結(jié)構(gòu)和近“凹”字形開(kāi)口環(huán)結(jié)構(gòu)的各個(gè)絲線均是由導(dǎo)電材料制成的，這樣的導(dǎo)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(dǎo)電材料例如導(dǎo)電塑料、ITO (銦錫氧化物)、碳納米管、石墨等。
通過(guò)“工”字形和近“凹”字形開(kāi)口環(huán)兩種結(jié)構(gòu)的組合，前者可對(duì)電場(chǎng)響應(yīng)提高等效電容值，后者則對(duì)磁場(chǎng)響應(yīng)提高等效電感值，根據(jù)諧振頻率與電容、電感的關(guān)系式可知， 通過(guò)電場(chǎng)響應(yīng)和磁場(chǎng)響應(yīng)的疊加，能夠降低材料的諧振頻率，而近“凹”字形開(kāi)口環(huán)結(jié)構(gòu)具有實(shí)現(xiàn)負(fù)磁導(dǎo)率且為-1的效果，因此采用本發(fā)明的人造微結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)低頻電磁場(chǎng)中的負(fù)磁導(dǎo)率。
為進(jìn)一步使本發(fā)明的超材料磁導(dǎo)率為-1時(shí)的諧振頻率盡可能降低，對(duì)上述結(jié)構(gòu)做進(jìn)一步改進(jìn)，如圖3、圖4所示。
本實(shí)施例的人造微結(jié)構(gòu)不僅包括上述“工”字形結(jié)構(gòu)和近“凹”字形開(kāi)口環(huán)結(jié)構(gòu)， 還包括第一線段組和第二線段組。其中，“工”字形結(jié)構(gòu)的中間豎線303與近“凹”字形開(kāi)口環(huán)結(jié)構(gòu)的平行線306平行，第一線段組和第二線段組均與所述中間豎線303平行。
其中，第一線段組包括多個(gè)相互平行的第一線段308，當(dāng)然第一線段308也可以只有一條。每條第一線段308自第二橫線302上一點(diǎn)向第一橫線301延伸且與中間豎線303 平行，多條第一線段308沿第二橫線302依次排列，還可以分別位于中間豎線303的兩側(cè)。
同樣，第二線段組包括多個(gè)相互平行的第二線段309，當(dāng)然第二線段309也可以只有一條。每條第二線段309自開(kāi)口環(huán)305上一點(diǎn)向環(huán)內(nèi)延伸的且與中間豎線303平行，多條第二線段309沿開(kāi)口環(huán)305依次排列，同樣也可以在中間豎線303的兩側(cè)均設(shè)有上述第二線段309。
優(yōu)選地，第一、第二線段組的第一、第二線段依次交替排布，如圖3、圖4所示，使得每組相鄰的第一線段308和第二線段309構(gòu)成一個(gè)等效電容，進(jìn)一步增大電容，從而降低諧振頻率，以便通過(guò)低頻負(fù)磁導(dǎo)率實(shí)現(xiàn)負(fù)折射，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)完美透鏡的功能。
本發(fā)明實(shí)施例中，優(yōu)選開(kāi)口環(huán)為305矩形開(kāi)口環(huán)，即矩形環(huán)上開(kāi)設(shè)一個(gè)斷口而成。 因?yàn)椴捎镁匦伍_(kāi)口環(huán)能最大限度的占據(jù)基材單元的表面積，獲得最長(zhǎng)的線長(zhǎng)，進(jìn)而提高電感，達(dá)到降頻效果。同樣為了盡可能布滿基材單元的表面，導(dǎo)電絲線的走線間距優(yōu)選等于線寬，而線寬可采用現(xiàn)有加工技術(shù)中能實(shí)現(xiàn)的最小 導(dǎo)線寬度，通常為O. 018mm。
為了驗(yàn)證本發(fā)明的負(fù)磁導(dǎo)率特性，對(duì)本發(fā)明的超材料進(jìn)行仿真，其中，選定的人造微結(jié)構(gòu)3其形狀如圖3、圖4所示，基板2選擇FR-4材料，厚度為O. 4_，基板單元20的尺寸為4mmX4mmX0. 4mm,其中O. 4mm為厚度；人造微結(jié)構(gòu)3由銅線制成,厚度為O. 018mm,到基板單元20的四條邊均預(yù)留O. 2mm，線寬為O. 1mm，所有的相鄰兩走線之間間距為O. 2mm。
對(duì)上述材料單元10陣列得到的超材料進(jìn)行仿真，仿真圖如圖6所示，由得到的磁導(dǎo)率關(guān)于頻率的電磁響應(yīng)曲線可知，本實(shí)施例的材料單元在3. 21GHz時(shí)其磁導(dǎo)率-1. 006， 約為-1，且磁導(dǎo)率為-1時(shí)其虛部的損耗非常小，基本上為O。還可以通過(guò)調(diào)整人造微結(jié)構(gòu)的尺寸來(lái)調(diào)整負(fù)磁導(dǎo)率所在的頻段區(qū)域，從而實(shí)現(xiàn)低頻負(fù)磁導(dǎo)率。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)得知，當(dāng)FR-4 材料的基板單元20的尺寸為15mmX 15mmX0. 4mm,其中O. 4mm為厚度,銅線制成的人造微結(jié)構(gòu)3厚度為O. 018mm,到基板單元20的四條邊均預(yù)留1. 2mm,線寬為O. 5mm,所有的走線間距為O. 5mm，得到的超材料在16MHz時(shí)滿足磁導(dǎo)率等于_1。
因此，采用本發(fā)明的人造微結(jié)構(gòu)，能夠在實(shí)現(xiàn)磁導(dǎo)率為-1的同時(shí)明顯降低諧振頻率，以實(shí)現(xiàn)負(fù)折射率進(jìn)而實(shí)現(xiàn)完美透鏡的要求。
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，例如本發(fā)明并不限定必然有第一、第二線段，可以只有第一線段308如圖5所示；又如本發(fā)明的人造微結(jié)構(gòu)3的開(kāi)口環(huán)305并不限定為矩形，可以為圓形開(kāi)口環(huán)、橢圓形開(kāi)口環(huán)等；另外，本發(fā)明的“平行”是指兩線段相對(duì)設(shè)置且不相交，并不必然完全符合幾何上的平行要求，本發(fā)明中所描述的相平行的兩條線段允許存在一定的夾角，例如夾角小于45度范圍內(nèi)均屬于本發(fā)明所 述的平行，等等，以上這些均屬于本發(fā)明的保護(hù)之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種負(fù)磁導(dǎo)率超材料，包括非金屬材料的基板和附著在基板上的多個(gè)成周期性排布的人造微結(jié)構(gòu)，所述人造微結(jié)構(gòu)由導(dǎo)電材料的絲線組成，其特征在于，所述人造微結(jié)構(gòu)包括“工”字形結(jié)構(gòu)和套在所述“工”字形結(jié)構(gòu)外面的近“凹”字形開(kāi)口環(huán)結(jié)構(gòu)，所述“工”字形結(jié)構(gòu)包括一中間豎線和分別連接所述中間豎線兩端的第一橫線和第二橫線；所述近“凹”字形開(kāi)口環(huán)結(jié)構(gòu)包括開(kāi)口環(huán)和自所述開(kāi)口環(huán)的形成開(kāi)口的兩端點(diǎn)向環(huán)內(nèi)延伸的一對(duì)平行線；所述“工”字形結(jié)構(gòu)的中間豎線位于所述一對(duì)平行線之間，且所述第一橫線位于所述近 “凹”字形開(kāi)口環(huán)結(jié)構(gòu)外部而第二橫線位于其內(nèi)部。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的負(fù)磁導(dǎo)率超材料，其特征在于，所述中間豎線與所述近“凹” 字形開(kāi)口環(huán)結(jié)構(gòu)的平行線平行。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的負(fù)磁導(dǎo)率超材料，其特征在于，所述第二橫線上還設(shè)有至少一條自所述第二橫線上一點(diǎn)向第一橫線延伸的、與所述中間豎線平行的第一線段，多個(gè)所述第一線段構(gòu)成第一線段組。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的負(fù)磁導(dǎo)率超材料，其特征在于，所述開(kāi)口環(huán)上設(shè)有至少一條自所述開(kāi)口環(huán)上一點(diǎn)向環(huán)內(nèi)延伸的、與所述中間豎線平行的第二線段，多個(gè)所述第二線段構(gòu)成第二線段組。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的負(fù)磁導(dǎo)率超材料，其特征在于，所述第一、第二線段組的第一、第二線段依次交替排布。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的負(fù)磁導(dǎo)率超材料，其特征在于，所述開(kāi)口環(huán)為矩形開(kāi)口環(huán)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的負(fù)磁導(dǎo)率超材料，其特征在于，所述人造微結(jié)構(gòu)導(dǎo)電絲線的走線間距等于線寬。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的負(fù)磁導(dǎo)率超材料，其特征在于，所述負(fù)磁導(dǎo)率超材料包括多塊基板，每塊基板上均具有多個(gè)周期性排布的人造微結(jié)構(gòu)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的負(fù)磁導(dǎo)率超材料，其特征在于，所述人造微結(jié)構(gòu)由銀線或銅線制成。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的負(fù)磁導(dǎo)率超材料，其特征在于，所述基板由聚四氟乙烯、 FR-4材料或陶瓷材料制成。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種負(fù)磁導(dǎo)率超材料，包括非金屬材料的基板和附著在基板上的多個(gè)成周期性排布的人造微結(jié)構(gòu)，所述人造微結(jié)構(gòu)由導(dǎo)電材料的絲線組成，所述人造微結(jié)構(gòu)包括“工”字形結(jié)構(gòu)和套在所述“工”字形結(jié)構(gòu)外面的近“凹”字形開(kāi)口環(huán)結(jié)構(gòu)，所述“工”字形結(jié)構(gòu)包括一中間豎線和分別連接所述中間豎線兩端的第一橫線和第二橫線；所述近“凹”字形開(kāi)口環(huán)結(jié)構(gòu)包括開(kāi)口環(huán)和自所述開(kāi)口環(huán)的形成開(kāi)口的兩端點(diǎn)向環(huán)內(nèi)延伸的一對(duì)平行線；所述“工”字形結(jié)構(gòu)的中間豎線位于所述一對(duì)平行線之間，且所述第一橫線位于所述近“凹”字形開(kāi)口環(huán)結(jié)構(gòu)外部而第二橫線位于其內(nèi)部。采用本發(fā)明的人造微結(jié)構(gòu)，能夠在低頻電磁場(chǎng)中實(shí)現(xiàn)磁導(dǎo)率為-1。
文檔編號(hào)H01Q15/00GK103036050SQ20111029586
公開(kāi)日2013年4月10日 申請(qǐng)日期2011年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月30日
發(fā)明者劉若鵬, 欒琳, 寇超鋒 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