專利名稱：一種負磁導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，具體地涉及一種負磁導率超材料。
背景技術(shù)：
目前，國際社會對磁導率方面已有大量的研究，其中對于正磁導率的研究已經(jīng)趨于成熟，對于負磁導率超材料的研究是現(xiàn)在國內(nèi)外研究的熱點，負磁導率具有量子極化作用，可以對入射波產(chǎn)生極化作用，因此作用范圍很大，如在醫(yī)學成像領(lǐng)域中的磁共振成像技術(shù)，負磁導率材料能夠加強電磁波的成像效果，另外負磁導率材料在透鏡研究方面亦有重要作用，在工程領(lǐng)域，磁導率通常都是指相對磁導率，為物質(zhì)的絕對磁導率μ與磁性常數(shù) μ。(又稱真空磁導率)的比值，μ^= μ/μ C1，無量綱值。通?！跋鄬Α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(μ > I) 或減少(μ < D的程度。至今發(fā)現(xiàn)的自然界已存在的材料中，μ都是大于O的。超材料是指一些具有天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的人工復合結(jié)構(gòu)或復合材料。通過在材料的關(guān)鍵物理尺度上的結(jié)構(gòu)有序設(shè)計，可以突破某些表觀自然規(guī)律的限制， 從而獲得超出自然界固有的普通性質(zhì)的超常材料功能。超材料的性質(zhì)和功能主要來自于其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)而非構(gòu)成它們的材料。目前，現(xiàn)有的人造微結(jié)構(gòu)的幾何形狀為“工”字形或者如圖I所示的類似“凹”字形的開口環(huán)形，但這結(jié)構(gòu)都不能實現(xiàn)磁導率μ明顯小于O或使超材料諧振頻率顯著降低，只有通過設(shè)計具有特殊幾何圖形的人造微結(jié)構(gòu)，才能使得該人工電磁材料在特定頻段內(nèi)達到磁導率μ值小于0，并具有較低的諧振頻率。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于，針對現(xiàn)有技術(shù)中負磁導率超材料諧振頻率較高的情況，在超材料人造微結(jié)構(gòu)繞線圈數(shù)較少時，提供一種能使諧振頻率顯著降低的負磁導率超材料。本發(fā)明實現(xiàn)發(fā)明目的采用的技術(shù)方案是，所述超材料包括介質(zhì)基板以及固定在介質(zhì)基板上的人造微結(jié)構(gòu)，所述人造微結(jié)構(gòu)由一根折線由內(nèi)向外旋轉(zhuǎn)而成，所述折線由線段組成，所述任兩相鄰線段均成一百三十五度角。在本發(fā)明所述的負磁導率超材料中，所述線段不少于16根。在本發(fā)明所述的負磁導率超材料中，所述折線的線寬O. 05-0. 15mm。在本發(fā)明所述的負磁導率超材料中，所述折線的線間距O. 05-0. 15mm。在本發(fā)明所述的負磁導率超材料中，所述折線的厚度O. 015-0. 020mm。在本發(fā)明所述的負磁導率超材料中，所述超材料的介質(zhì)基板為FR-4基板或陶瓷基板。在本發(fā)明所述的負磁導率超材料中，所述FR-4基板的介電常數(shù)為4. 2-4. 6，所述陶瓷基板的介電常數(shù)為8-16。在本發(fā)明所述的負磁導率超材料中，所述介質(zhì)基板劃分為多個相同的立方體介質(zhì)基板單元，每個單元上附著有一個人造微結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明所述的負磁導率超材料中，所述介質(zhì)基板單元沿兩兩正交垂直的X、y、z 三個方向陣列排布。本發(fā)明的有益效果在于，人造微結(jié)構(gòu)為一根折線由內(nèi)向外旋轉(zhuǎn)而成，所述折線由線段組成，所述任兩相鄰線段均成一百三十五度角。折線長度的表征結(jié)構(gòu)可以等效為電感， 折線上兩相對線段可以等效為電容，折線長度增加，則電感增大，電容增大，超材料對應的諧振頻率就會降低，甚至在人造微結(jié)構(gòu)繞線圈數(shù)較少的情況下，可以將超材料的諧振頻率降到50MHz以下，根據(jù)上述人造微結(jié)構(gòu)的形狀可知，本發(fā)明超材料呈各項異性。本發(fā)明具有良好的發(fā)展前景。

圖I，現(xiàn)有負磁導率超材料人造微結(jié)構(gòu)不意圖；圖2，本發(fā)明優(yōu)選實施例超材料示意圖；圖3，本發(fā)明優(yōu)選實施例超材料單元示意圖；圖4，本發(fā)明優(yōu)選實施例人造微結(jié)構(gòu)示意圖；圖5，現(xiàn)有負磁導率超材料的磁導率仿真效果示意圖；圖6，本發(fā)明優(yōu)選實施例的磁導率仿真效果示意圖；圖中，I人造微結(jié)構(gòu)、2介質(zhì)基板、3介質(zhì)基板單元、10超材料單元。
具體實施方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細說明。本發(fā)明提供一種負磁導率超材料，如圖2所示，包括介質(zhì)基板2、以及固定在介質(zhì)基板上的人造微結(jié)構(gòu)1，人造微結(jié)構(gòu)I由一根折線由內(nèi)向外旋轉(zhuǎn)而成，此折線由線段組成， 任兩相鄰線段均成一百三十五度角，本發(fā)明人造微結(jié)構(gòu)I的示意圖參見圖4，這種形狀的微結(jié)構(gòu)能夠使超材料呈各向異性。本發(fā)明負磁導率超材料的介質(zhì)基板2可以被虛擬的劃分為完全相同的多個立方體形介質(zhì)基板單元3，介質(zhì)基板2可以看作是由多個這樣的介質(zhì)基板單元3以X方向為行、 I方向為列、z方向為層疊方向組成的陣列,其中x、y、z方向兩兩正交垂直。介質(zhì)基板2可由FR-4，F(xiàn)4b，CEMl, CEM3和TP-I陶瓷材料構(gòu)成，若使用FR-4等級的基板，其介電常數(shù)為 4. 2-4. 6，若使用陶瓷基板，其介電常數(shù)為8-16。本發(fā)明實施例負磁導率超材料的介質(zhì)基板選用FR-4等級的環(huán)氧樹脂基板,介電常數(shù)為4. 4,厚度為O. 4mm。每個介質(zhì)基板單元3上固定有一個人造微結(jié)構(gòu)I，介質(zhì)基板單元3及介質(zhì)基板單元 3上的人造微結(jié)構(gòu)I共同構(gòu)成超材料單元10，如圖3所示，因此本發(fā)明可以看作是由多個超材料單元10沿X、y、Z三個方向陣列排布而成。人造微結(jié)構(gòu)I通常為金屬折線，如銅線、銀線、銅合金，甚至是金線，也可以是由至少兩種金屬制成的合金，甚至是非金屬的導電材料，如導電塑料、ITO(銦錫氧化物)、碳納米管、石墨等，金屬折線的線寬控制在O. 05-0. 15mm,金屬折線的線間距控制在 O. 05-0. 15mm，金屬折線的厚度控制在O. 015-0. 020mm。本發(fā)明人造微結(jié)構(gòu)均對磁場有響應， 且其正對的兩折線間的走線間距d相等，最小可以做到O. 1mm，現(xiàn)有技術(shù)對磁場響應的人造微結(jié)構(gòu)通常為開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)，如圖I所示，此結(jié)構(gòu)是類似于未封口的“凹”字形微結(jié)構(gòu)。下面將結(jié)合附圖，對本發(fā)明實施例的負磁導率超材料的構(gòu)成原理及有益效果做詳細說明。人造微結(jié)構(gòu)I在介質(zhì)基板2的表面呈周期性排布，例如矩形陣列排布，即以一 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四分之一，即例如工作環(huán)境是波長為λ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(shè)計人造微結(jié)構(gòu)時將上述行間距、列間距選擇不大于λ/4，優(yōu)選為λ/10。顯然，為了使人造微結(jié)構(gòu)I不互相交疊，每個人造微結(jié)構(gòu)I的長度和寬度也不大于λ/4。周期性排布還可以有其他具有循環(huán)規(guī)律的排布方式，例如當介質(zhì)基板2為圓形或多邊形時，人造微結(jié)構(gòu)I 沿著圓形或多邊形基板2的外圓柱面等間距地繞一周，本發(fā)明實施例超材料的介質(zhì)基板2 為矩形，參見圖2。本發(fā)明實現(xiàn)負磁導率的原理為，對于本發(fā)明的微結(jié)構(gòu)而言，可以等效為LC震蕩電路，整個折線可以等效為一個極板長度約等于折線總長度的電容，每兩段互相正對折線相當于電容的極板，折線長度表征結(jié)構(gòu)可以等效為電感，通過仿真發(fā)現(xiàn)，在其他條件不改變的情況下，銅線越長，則結(jié)構(gòu)的等效電感值、電容值越大。由LC振蕩電路公式Z0 = 27Γ_^]^可知，當電感值、電容值均增大時，其對應的諧振頻率則降低?，F(xiàn)有技術(shù)是直接將圖I所示的未封口“凹”形開口諧振環(huán)陣列排布在介質(zhì)基板上， 制成超材料，本發(fā)明為將一條折線自一點向外等間距螺旋，形成人造微結(jié)構(gòu)，為比較現(xiàn)有技術(shù)與本發(fā)明負磁導率超材料性能的區(qū)別，用CST對現(xiàn)有技術(shù)負磁導率超材料與本發(fā)明優(yōu)選實施例負磁導率超材料分別進行了仿真，仿真時設(shè)定現(xiàn)有技術(shù)中超材料與本發(fā)明實施例的超材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)完全相同，仿真過程中本發(fā)明實施例的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如下銅線線寬 O. Imm,銅線線間距O. Imm,繞線17圈,銅線厚度O. 018mm,FR-4等級環(huán)氧樹脂基3板厚度為 O. 4mm,介電常數(shù)4. 4,超材料人造微結(jié)構(gòu)I的尺寸為15_X15mm?，F(xiàn)有負磁導超材料的磁導率關(guān)于頻率的電磁響應曲線參見圖5，由圖5可知，現(xiàn)有技術(shù)要實現(xiàn)磁導率小于O，其對應頻率在400MHz以上，且損耗較大，本發(fā)明磁導率仿真效果示意圖參見圖6，由圖6可知，本發(fā)明的超材料實現(xiàn)負磁導率的對應頻率在47. 5MHz左右，大大低于現(xiàn)有技術(shù)超材料實現(xiàn)負磁導率的頻率，降頻效果顯著。本發(fā)明的優(yōu)越之處在于，設(shè)計一種全新的人造微結(jié)構(gòu)1，如圖2、圖3所示，人造微結(jié)構(gòu)I由一根折線由內(nèi)向外旋轉(zhuǎn)而成，此折線由線段組成，任兩相鄰線段均成一百三十五度角，本發(fā)明超材料，不僅能實現(xiàn)磁導率為負，而且能以較少的繞線圈數(shù)，將諧振頻率降到 50MHz以下，這種新型低頻負磁導率超材料對于超材料工業(yè)的發(fā)展，具有重要意義。本發(fā)明中的上述實施例僅作了示范性描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員在閱讀本專利申請后可以在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下對本發(fā)明進行各種修改。
權(quán)利要求
1.一種負磁導率超材料，所述超材料包括介質(zhì)基板以及固定在介質(zhì)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)由一根折線由內(nèi)向外旋轉(zhuǎn)而成，所述折線由線段組成，所述任兩相鄰線段均成一百三十五度角。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的負磁導率超材料，其特征在于，所述線段不少于16根。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的負磁導率超材料，其特征在于，所述折線的線寬0.05-0. 15mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的負磁導率超材料，其特征在于，所述折線的線間距0.05-0. 15mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的負磁導率超材料，其特征在于，所述折線的厚度0.015—0. 020mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的負磁導率超材料，其特征在于，所述超材料的介質(zhì)基板為 FR-4基板或陶瓷基板。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的負磁導率超材料，其特征在于，所述FR-4基板的介電常數(shù)為4.2-4. 6,所述陶瓷基板的介電常數(shù)為8-16。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的負磁導率超材料，其特征在于，所述介質(zhì)基板劃分為多個相同的立方體介質(zhì)基板單元，每個單元上附著有一個人造微結(jié)構(gòu)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的負磁導率超材料，其特征在于，所述介質(zhì)基板單元沿兩兩正交垂直的X、Y、z三個方向陣列排布。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種負磁導率超材料，所述超材料包括介質(zhì)基板以及固定在介質(zhì)基板上的人造微結(jié)構(gòu)，所述人造微結(jié)構(gòu)由一根折線由內(nèi)向外旋轉(zhuǎn)而成，所述折線由線段組成，所述任兩相鄰線段均成一百三十五度角。在實現(xiàn)負磁導率的前提下，采用本發(fā)明可以將超材料的諧振頻率降到50MHz以下，可以在較低頻段實現(xiàn)超材料的磁導率為負，同時，本發(fā)明超材料呈各向異性，對于超材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義，具有良好的發(fā)展前景。
文檔編號H01Q15/00GK102593601SQ20121005107
公開日2012年7月18日 申請日期2012年2月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月29日
發(fā)明者劉若鵬, 劉豫青, 趙治亞, 郭潔 申請人:深圳光啟創(chuàng)新技術(shù)有限公司