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，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(chēng)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)和分別連接所述中間豎線(xiàn)兩端的第一橫線(xiàn)和第二橫線(xiàn)；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(xiàn)；所述“工”字形結(jié)構(gòu)的中間豎線(xiàn)位于所述一對(duì)平行線(xiàn)之間，且所述第一橫線(xiàn)位于所述近“凹”字形開(kāi)口環(huán)結(jié)構(gòu)外部而第二橫線(xiàn)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(xiàn)與所述近“凹”字形開(kāi)口環(huán)結(jié)構(gòu)的平行線(xiàn)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(xiàn)上還設(shè)有至少一條自所述第二橫線(xiàn)上一點(diǎn)向第一橫線(xiàn)延伸的、與所述中間豎線(xiàn)平行的第一線(xiàn)段，多個(gè)所述第一線(xiàn)段構(gòu)成第一線(xiàn)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(xiàn)平行的第二線(xiàn)段，多個(gè)所述第二線(xiàn)段構(gòu)成第二線(xiàn)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(xiàn)段組的第一、第二線(xiàn)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(xiàn)的走線(xiàn)間距等于線(xiàn)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(xiàn)或銅線(xiàn)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)榱械嘏帕校腋餍虚g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(xiàn)303和分別連接中間豎線(xiàn)303兩端的第一橫線(xiàn)301和第二橫線(xiàn)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(xiàn)306 ;“工”字形結(jié)構(gòu)的中間豎線(xiàn) 303位于一對(duì)平行線(xiàn)306之間，且第一橫線(xiàn)301位于近“凹”字形開(kāi)口環(huán)結(jié)構(gòu)外部而第二橫線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)段組和第二線(xiàn)段組。其中，“工”字形結(jié)構(gòu)的中間豎線(xiàn)303與近“凹”字形開(kāi)口環(huán)結(jié)構(gòu)的平行線(xiàn)306平行，第一線(xiàn)段組和第二線(xiàn)段組均與所述中間豎線(xiàn)303平行。
其中，第一線(xiàn)段組包括多個(gè)相互平行的第一線(xiàn)段308，當(dāng)然第一線(xiàn)段308也可以只有一條。每條第一線(xiàn)段308自第二橫線(xiàn)302上一點(diǎn)向第一橫線(xiàn)301延伸且與中間豎線(xiàn)303 平行，多條第一線(xiàn)段308沿第二橫線(xiàn)302依次排列，還可以分別位于中間豎線(xiàn)303的兩側(cè)。
同樣，第二線(xiàn)段組包括多個(gè)相互平行的第二線(xiàn)段309，當(dāng)然第二線(xiàn)段309也可以只有一條。每條第二線(xiàn)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(xiàn)303平行，多條第二線(xiàn)段309沿開(kāi)口環(huán)305依次排列，同樣也可以在中間豎線(xiàn)303的兩側(cè)均設(shè)有上述第二線(xiàn)段309。
優(yōu)選地，第一、第二線(xiàn)段組的第一、第二線(xiàn)段依次交替排布，如圖3、圖4所示，使得每組相鄰的第一線(xiàn)段308和第二線(xiàn)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(xiàn)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(mǎn)基材單元的表面，導(dǎo)電絲線(xiàn)的走線(xiàn)間距優(yōu)選等于線(xiàn)寬，而線(xiàn)寬可采用現(xiàn)有加工技術(shù)中能實(shí)現(xiàn)的最小 導(dǎo)線(xiàn)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(xiàn)制成,厚度為O. 018mm,到基板單元20的四條邊均預(yù)留O. 2mm，線(xiàn)寬為O. 1mm，所有的相鄰兩走線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)寬為O. 5mm,所有的走線(xiàn)間距為O. 5mm，得到的超材料在16MHz時(shí)滿(mǎn)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(xiàn)段，可以只有第一線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)和分別連接所述中間豎線(xiàn)兩端的第一橫線(xiàn)和第二橫線(xiàn)；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(xiàn)；所述“工”字形結(jié)構(gòu)的中間豎線(xiàn)位于所述一對(duì)平行線(xiàn)之間，且所述第一橫線(xiàn)位于所述近 “凹”字形開(kāi)口環(huán)結(jié)構(gòu)外部而第二橫線(xiàn)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(xiàn)與所述近“凹” 字形開(kāi)口環(huán)結(jié)構(gòu)的平行線(xiàn)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(xiàn)上還設(shè)有至少一條自所述第二橫線(xiàn)上一點(diǎn)向第一橫線(xiàn)延伸的、與所述中間豎線(xiàn)平行的第一線(xiàn)段，多個(gè)所述第一線(xiàn)段構(gòu)成第一線(xiàn)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(xiàn)平行的第二線(xiàn)段，多個(gè)所述第二線(xiàn)段構(gòu)成第二線(xiàn)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(xiàn)段組的第一、第二線(xiàn)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(xiàn)的走線(xiàn)間距等于線(xiàn)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(xiàn)或銅線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)和分別連接所述中間豎線(xiàn)兩端的第一橫線(xiàn)和第二橫線(xiàn)；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(xiàn)；所述“工”字形結(jié)構(gòu)的中間豎線(xiàn)位于所述一對(duì)平行線(xiàn)之間，且所述第一橫線(xiàn)位于所述近“凹”字形開(kāi)口環(huán)結(jié)構(gòu)外部而第二橫線(xiàn)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