專(zhuān)利名稱(chēng)：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，具體地涉及一種負(fù)磁導(dǎo)率超材料。
背景技術(shù)：
目前，國(guó)際社會(huì)對(duì)磁導(dǎo)率方面已有大量的研究，其中對(duì)于正磁導(dǎo)率的研究已經(jīng)趨于成熟，對(duì)于負(fù)磁導(dǎo)率超材料的研究是現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，負(fù)磁導(dǎo)率具有量子極化作用，可以對(duì)入射波產(chǎn)生極化作用，因此作用范圍很大，如在醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域中的磁共振成像技術(shù)，負(fù)磁導(dǎo)率材料能夠加強(qiáng)電磁波的成像效果，另外負(fù)磁導(dǎo)率材料在透鏡研究方面亦有重要作用，在工程領(lǐng)域，磁導(dǎo)率通常都是指相對(duì)磁導(dǎo)率，為物質(zhì)的絕對(duì)磁導(dǎo)率μ與磁性常數(shù) μ。(又稱(chēng)真空磁導(dǎo)率)的比值，μ^= μ/μ C1，無(wú)量綱值。通?！跋鄬?duì)”二字及符號(hào)下標(biāo)r都被省去。磁導(dǎo)率是表示物質(zhì)受到磁化場(chǎng)H作用時(shí)，內(nèi)部的真磁場(chǎng)相對(duì)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(fù)合結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料。通過(guò)在材料的關(guān)鍵物理尺度上的結(jié)構(gòu)有序設(shè)計(jì)，可以突破某些表觀(guān)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(lái)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(lèi)似“凹”字形的開(kāi)口環(huán)形，但這結(jié)構(gòu)都不能實(shí)現(xiàn)磁導(dǎo)率μ明顯小于O或使超材料諧振頻率顯著降低，只有通過(guò)設(shè)計(jì)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(dá)到磁導(dǎo)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(wèn)題在于，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中負(fù)磁導(dǎo)率超材料諧振頻率較高的情況，提供一種能使諧振頻率顯著降低的負(fù)磁導(dǎo)率超材料。本發(fā)明實(shí)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)為一條折線(xiàn)，所述折線(xiàn)為自一點(diǎn)向外等間距螺旋 。在本發(fā)明所述的負(fù)磁導(dǎo)率超材料中，所述折線(xiàn)由線(xiàn)段組成，所述任兩相鄰線(xiàn)段均成九十度角。在本發(fā)明所述的負(fù)磁導(dǎo)率超材料中，所述折線(xiàn)的線(xiàn)寬O. 05-0. 15mm。在本發(fā)明所述的負(fù)磁導(dǎo)率超材料中，所述折線(xiàn)的線(xiàn)間距O. 05-0. 15mm。在本發(fā)明所述的負(fù)磁導(dǎo)率超材料中，所述折線(xiàn)的厚度O. 015-0. 020mm。在本發(fā)明所述的負(fù)磁導(dǎo)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(fù)磁導(dǎo)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(fù)磁導(dǎo)率超材料中，所述介質(zhì)基板劃分為多個(gè)相同的立方體介質(zhì)基板單元，每個(gè)單元上附著有一個(gè)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，所述介質(zhì)基板單元沿兩兩正交垂直的X、y、z 三個(gè)方向陣列排布。在本發(fā)明所述的負(fù)磁導(dǎo)率超材料中，所述折線(xiàn)螺旋的圈數(shù)大于2。本發(fā)明的有益效果在于，人造微結(jié)構(gòu)為一條折線(xiàn)，所述折線(xiàn)為自一點(diǎn)向外等間距螺旋而成，折線(xiàn)長(zhǎng)度的表征結(jié)構(gòu)可以等效為電感，折線(xiàn)上兩相對(duì)線(xiàn)段可以等效為電容，折線(xiàn)長(zhǎng)度增加，則電感增大，電容增大，超材料對(duì)應(yīng)的諧振頻率就會(huì)降低，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(xiàng)異性，具有良好的發(fā)展前景。

圖I，現(xiàn)有負(fù)磁導(dǎo)率超材料人造微結(jié)構(gòu)不意圖；圖2，本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例超材料示意圖；圖3，本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例超材料單元示意圖；圖4，本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例人造微結(jié)構(gòu)示意圖；圖5，現(xiàn)有負(fù)磁導(dǎo)率超材料的磁導(dǎo)率仿真效果示意圖；圖6，本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的磁導(dǎo)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(shí)施方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。本發(fā)明提供一種負(fù)磁導(dǎo)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為一條折線(xiàn)，此折線(xiàn)為自一點(diǎn)向外等間距螺旋而成， 折線(xiàn)由線(xiàn)段組成，任兩相鄰線(xiàn)段均成九十度角，本發(fā)明人造微結(jié)構(gòu)I的示意圖參見(jiàn)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(fù)磁導(dǎo)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(gè)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(gè)這樣的介質(zhì)基板單元3以X方向?yàn)樾小?I方向?yàn)榱?、z方向?yàn)閷盈B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(jí)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(shí)施例負(fù)磁導(dǎo)率超材料的介質(zhì)基板選用FR-4等級(jí)的環(huán)氧樹(shù)脂基板,介電常數(shù)為4. 4,厚度為O. 4mm。每個(gè)介質(zhì)基板單元3上固定有一個(gè)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(gè)超材料單元10沿X、y、Z三個(gè)方向陣列排布而成。人造微結(jié)構(gòu)I通常為金屬折線(xiàn)，如銅線(xiàn)、銀線(xiàn)、銅合金，甚至是金線(xiàn)，也可以是由至少兩種金屬制成的合金，甚至是非金屬的導(dǎo)電材料，如導(dǎo)電塑料、ITO(銦錫氧化物)、碳納米管、石墨等，金屬折線(xiàn)的線(xiàn)寬控制在O. 05-0. 15mm,金屬折線(xiàn)的線(xiàn)間距控制在 O. 05-0. 15mm，金屬折線(xiàn)的厚度控制在O. 015-0. 020mm。本發(fā)明人造微結(jié)構(gòu)均對(duì)磁場(chǎng)有響應(yīng)， 且其正對(duì)的兩折線(xiàn)間的走線(xiàn)間距d相等，最小可以做到O. 1mm，現(xiàn)有技術(shù)對(duì)磁場(chǎng)響應(yīng)的人造微結(jié)構(gòu)通常為開(kāi)口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)，如圖I所示，此結(jié)構(gòu)是類(lèi)似于未封口的“凹”字形微結(jié)構(gòu)。
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下面將結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的負(fù)磁導(dǎo)率超材料的構(gòu)成原理及有益效果做詳細(xì)說(shuō)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?yàn)樾小⒁源怪庇赬方向的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)的四分之一，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/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(gè)人造微結(jié)構(gòu)I的長(zhǎng)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(dāng)介質(zhì)基板2為圓形或多邊形時(shí)，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(shí)施例超材料的介質(zhì)基板2 為矩形，參見(jiàn)圖2。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)負(fù)磁導(dǎo)率的原理為，對(duì)于本發(fā)明的微結(jié)構(gòu)而言，可以等效為L(zhǎng)C震蕩電路，整個(gè)折線(xiàn)可以等效為一個(gè)極板長(zhǎng)度約等于折線(xiàn)總長(zhǎng)度的電容，每?jī)啥位ハ嗾龑?duì)折線(xiàn)相當(dāng)于電容的極板，折線(xiàn)長(zhǎng)度表征結(jié)構(gòu)可以等效為電感，通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)，在其他條件不改變的情況下，銅線(xiàn)越長(zhǎng)，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(dāng)電感值、電容值均增大時(shí)，其對(duì)應(yīng)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(kāi)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(xiàn)自一點(diǎn)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(fù)磁導(dǎo)率超材料性能的區(qū)別，用CST對(duì)現(xiàn)有技術(shù)負(fù)磁導(dǎo)率超材料與本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例負(fù)磁導(dǎo)率超材料分別進(jìn)行了仿真，仿真時(shí)設(shè)定現(xiàn)有技術(shù)中超材料與本發(fā)明實(shí)施例的超材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)完全相同，仿真過(guò)程中本發(fā)明實(shí)施例的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如下銅線(xiàn)線(xiàn)寬 O. Imm,銅線(xiàn)線(xiàn)間距O. Imm,繞線(xiàn)37圈,銅線(xiàn)厚度O. 018mm,FR-4等級(jí)環(huán)氧樹(shù)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(fù)磁導(dǎo)超材料的磁導(dǎo)率關(guān)于頻率的電磁響應(yīng)曲線(xiàn)參見(jiàn)圖5，由圖5可知，現(xiàn)有技術(shù)要實(shí)現(xiàn)磁導(dǎo)率小于O，其對(duì)應(yīng)頻率在400MHz以上，且損耗較大，本發(fā)明磁導(dǎo)率仿真效果示意圖參見(jiàn)圖6，由圖6可知，本發(fā)明的超材料實(shí)現(xiàn)負(fù)磁導(dǎo)率的對(duì)應(yīng)頻率在33. 5MHz左右，大大低于現(xiàn)有技術(shù)超材料實(shí)現(xiàn)負(fù)磁導(dǎo)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(jì)一種全新的人造微結(jié)構(gòu)1，如圖2、圖3所示，由一條折線(xiàn)自一點(diǎn)向外等間距螺旋而成，這種人造微結(jié)構(gòu)不僅使本發(fā)明的負(fù)磁導(dǎo)率超材料呈各向異性，而且能在50MHz以下實(shí)現(xiàn)超材料的磁導(dǎo)率為負(fù)，這種新型低頻負(fù)磁導(dǎo)率超材料對(duì)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(shí)施例僅作了示范性描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員在閱讀本專(zhuān)利申請(qǐng)后可以在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種修改。
權(quán)利要求
1.一種負(fù)磁導(dǎo)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)為一條折線(xiàn)，所述折線(xiàn)為自一點(diǎn)向外等間距螺旋而成。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的負(fù)磁導(dǎo)率超材料，其特征在于，所述折線(xiàn)由線(xiàn)段組成，所述任兩相鄰線(xiàn)段均成九十度角。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的負(fù)磁導(dǎo)率超材料，其特征在于，所述折線(xiàn)的線(xiàn)寬0.05-0. 15mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的負(fù)磁導(dǎo)率超材料，其特征在于，所述折線(xiàn)的線(xiàn)間距0.05-0. 15mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的負(fù)磁導(dǎo)率超材料，其特征在于，所述折線(xiàn)的厚度0.015—0. 020mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的負(fù)磁導(dǎo)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(fù)磁導(dǎo)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(fù)磁導(dǎo)率超材料，其特征在于，所述介質(zhì)基板劃分為多個(gè)相同的立方體介質(zhì)基板單元，每個(gè)單元上附著有一個(gè)人造微結(jié)構(gòu)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的負(fù)磁導(dǎo)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(gè)方向陣列排布。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的負(fù)磁導(dǎo)率超材料，其特征在于，所述折線(xiàn)螺旋的圈數(shù)大于2。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種負(fù)磁導(dǎo)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)為一條折線(xiàn)，所述折線(xiàn)為自一點(diǎn)向外等間距螺旋而成。在實(shí)現(xiàn)負(fù)磁導(dǎo)率的前提下，將超材料的諧振頻率降到50MHz以下，因此可以在較低頻段實(shí)現(xiàn)超材料的磁導(dǎo)率為負(fù)，同時(shí)，本發(fā)明超材料呈各向異性，對(duì)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(hào)H01Q15/00GK102593602SQ20121005107
公開(kāi)日2012年7月18日 申請(qǐng)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(qǐng)人:深圳光啟創(chuàng)新技術(shù)有限公司