一種具有類矩形微結(jié)構(gòu)的負磁導(dǎo)率超材料的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種具有類矩形微結(jié)構(gòu)的負磁導(dǎo)率超材料，包括介質(zhì)基板和固定在介質(zhì)基板上的微結(jié)構(gòu)層；所述微結(jié)構(gòu)層包括N個呈周期性陣列排列的單個微結(jié)構(gòu)，N≥1；所述單個微結(jié)構(gòu)包括四根金屬線，所述四根金屬線分別為第一金屬線、第二金屬線、第三金屬線和第四金屬線，所述四根金屬線的長度相等；每根金屬線均呈L形，所述L形的夾角為90度，所述L形的末端為矩形脈沖形狀的彎折結(jié)構(gòu)；所述單個微結(jié)構(gòu)呈類矩形，所述四根金屬線在同一平面上圍繞同一中心旋轉(zhuǎn)排列，組成類矩形。采用本發(fā)明實施例，實現(xiàn)了負磁導(dǎo)率的頻段出現(xiàn)在較低的頻率范圍，采用彎折結(jié)構(gòu)，減小了微結(jié)構(gòu)的尺寸，采用旋轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)，使超材料符合各向同性的特性。
【專利說明】 一種具有類矩形微結(jié)構(gòu)的負磁導(dǎo)率超材料

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電磁通信領(lǐng)域，尤其涉及一種具有類矩形微結(jié)構(gòu)的負磁導(dǎo)率超材料。

【背景技術(shù)】
[0002]目前，國際社會對磁導(dǎo)率方面已有大量的研究，其中對于正磁導(dǎo)率的研究已經(jīng)趨于成熟，對于負磁導(dǎo)率超材料的研究是現(xiàn)在國內(nèi)外研究的熱點，負磁導(dǎo)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(xué)成像領(lǐng)域中的磁共振成像技術(shù)，負磁導(dǎo)率材料能夠加強電磁波的成像效果，另外負磁導(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)率通常都是指相對磁導(dǎo)率，為物質(zhì)的絕對磁導(dǎo)率μ與磁性常數(shù)μ。(又稱真空磁導(dǎo)率)的比值，Ur= μ/μ O，無量綱值。通?！跋鄬Α倍旨胺栂聵?biāo)r都被省去。磁導(dǎo)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 < I)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。
[0003]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”字形或者類似“凹”字形的開口環(huán)形，但這些結(jié)構(gòu)都不能實現(xiàn)磁導(dǎo)率μ明顯小于O或使超材料諧振頻率降低，也不能實現(xiàn)各向同性，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(dǎo)率μ值小于0，并具有較低的諧振頻率。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明實施例提供一種具有類矩形微結(jié)構(gòu)的負磁導(dǎo)率超材料，通過使用由四根L形金屬線在同一平面上圍繞同一中心旋轉(zhuǎn)排列而成的金屬微結(jié)構(gòu)，所述L形的末端為矩形脈沖形狀的彎折結(jié)構(gòu)。本發(fā)明實施例實現(xiàn)了負磁導(dǎo)率的頻段出現(xiàn)在較低的頻率范圍，采用彎折結(jié)構(gòu)，減小了微結(jié)構(gòu)的尺寸，采用旋轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)，使超材料符合各向同性的特性。
[0005]本發(fā)明實施例提供一種具有類矩形微結(jié)構(gòu)的負磁導(dǎo)率超材料，其特征在于，包括:介質(zhì)基板和固定在介質(zhì)基板上的微結(jié)構(gòu)層；
[0006]所述微結(jié)構(gòu)層包括N個呈周期性陣列排列的單個微結(jié)構(gòu)，N^l；
[0007]所述單個微結(jié)構(gòu)包括四根金屬線，所述四根金屬線分別為第一金屬線、第二金屬線、第三金屬線和第四金屬線，所述四根金屬線的長度相等；
[0008]每根金屬線均呈L形，所述L形的夾角為90度，所述L形的末端為矩形脈沖形狀的彎折結(jié)構(gòu)；
[0009]所述單個微結(jié)構(gòu)呈類矩形，所述四根金屬線在同一平面上圍繞同一中心旋轉(zhuǎn)排列，組成類矩形；所述第二金屬線旋轉(zhuǎn)90°后與所述第一金屬線重合，所述第三金屬線旋轉(zhuǎn)180°后與所述第一金屬線重合，所述第四金屬線旋轉(zhuǎn)270°后與所述第一金屬線重合。
[0010]進一步的，所述超材料由兩層所述介質(zhì)基板與兩層所述微結(jié)構(gòu)層相間層疊而成。
[0011]再進一步的，所述兩層介質(zhì)基板包括第一介質(zhì)基板和第二介質(zhì)基板，第一介質(zhì)基板的介電常數(shù)為10-20,第二介質(zhì)基板的介電常數(shù)為5-10。
[0012]更進一步的，所述第一介質(zhì)基板的厚度為0.005-0.015mm。
[0013]又進一步的,所述第二介質(zhì)基板的厚度為0.1Omm-0.30mm。
[0014]本發(fā)明實施例提供的一種具有類矩形微結(jié)構(gòu)的負磁導(dǎo)率超材料，采用了四根金屬線在同一平面上圍繞同一中心旋轉(zhuǎn)排列而成的金屬微結(jié)構(gòu)，每根金屬線均為兩個L形首尾相連的形狀，增加了超材料的電容和電感，在實現(xiàn)超材料的負磁導(dǎo)率的前提下，可以有效降低超材料的諧振頻率，滿足一些特殊條件下對超材料的負磁導(dǎo)率值的要求；采用具有彎折結(jié)構(gòu)的微結(jié)構(gòu)，減小了微結(jié)構(gòu)的尺寸；同時，包含N個呈周期性陣列排列的單個微結(jié)構(gòu)的微結(jié)構(gòu)層，每個微結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)對稱，使整個超材料符合各向同性，實用性強。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明提供的具有類矩形微結(jié)構(gòu)的負磁導(dǎo)率超材料的實施例的單個微結(jié)構(gòu)的示意圖；
[0016]圖2為本發(fā)明提供的具有類矩形微結(jié)構(gòu)的負磁導(dǎo)率超材料的實施例的超材料的側(cè)視圖；
[0017]圖3為本發(fā)明提供的具有類矩形微結(jié)構(gòu)的負磁導(dǎo)率超材料的實施例的微結(jié)構(gòu)層的不意圖；
[0018]圖4為現(xiàn)有技術(shù)中的負磁導(dǎo)率超材料的仿真結(jié)果示意圖。
[0019]圖5為本發(fā)明提供的具有類矩形微結(jié)構(gòu)的負磁導(dǎo)率超材料的實施例的超材料的仿真結(jié)果示意圖。

【具體實施方式】
[0020]下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0021]參見圖1-3，對本發(fā)明提供的具有類矩形微結(jié)構(gòu)的負磁導(dǎo)率超材料的實施例的結(jié)構(gòu)進行詳細說明。
[0022]參見圖1，為本發(fā)明提供的具有類矩形微結(jié)構(gòu)的負磁導(dǎo)率超材料的實施例的單個微結(jié)構(gòu)的示意圖；
[0023]所述單個微結(jié)構(gòu)10包括四根金屬線，所述四根金屬線分別為金屬線11、金屬線12、金屬線13和金屬線14，所述四根金屬線的長度相等；
[0024]金屬線11、金屬線12、金屬線13和金屬線14均呈L形，所述L形的夾角為90度，所述L形的末端為矩形脈沖形狀的彎折結(jié)構(gòu)；
[0025]所述單個微結(jié)構(gòu)10呈類矩形，金屬線11、金屬線12、金屬線13和金屬線14在微結(jié)構(gòu)層所在平面上圍繞同一中心旋轉(zhuǎn)排列，組成類矩形；所述金屬線12旋轉(zhuǎn)90°后與金屬線11重合，所述金屬線13旋轉(zhuǎn)180°后與金屬線11重合，所述金屬線14旋轉(zhuǎn)270°后與金屬線11重合。
[0026]金屬線11、金屬線12、金屬線13和金屬線14均為銅線，銅線的線寬為0.10mm，銅線的厚度為0.018mm,銅線的線間距為0.10mm。
[0027]需要說明的是，本實施例僅以微結(jié)構(gòu)的金屬線為銅線，銅線的線寬為0.10_，銅線的厚度為0.018mm，銅線的線間距為0.10mm。為例進行說明。在具體實施當(dāng)中，金屬線可以是銅質(zhì)、銀質(zhì)、銅合金質(zhì)和金質(zhì)；也可以是非金屬的導(dǎo)電材料，如導(dǎo)電塑料等。微結(jié)構(gòu)中金屬線的線寬、厚度和線間距還可以為其他數(shù)值。
[0028]參見圖2，是本發(fā)明提供的具有類矩形微結(jié)構(gòu)的負磁導(dǎo)率超材料的實施例的超材料的側(cè)視圖。
[0029]本發(fā)明實施例提供的超材料片層20包括介質(zhì)基板22、介質(zhì)基板24、固定在介質(zhì)基板22上的微結(jié)構(gòu)層21和固定在介質(zhì)基板24上的微結(jié)構(gòu)層23 ;介質(zhì)基板22、介質(zhì)基板24與微結(jié)構(gòu)層21、微結(jié)構(gòu)層23相間層疊。
[0030]介質(zhì)基板22選用介電常數(shù)為16的高介電常數(shù)陶瓷矩形基板,厚度為0.0llmm,介質(zhì)基板22的介電常數(shù)越高、厚度越薄能使超材料整體的諧振頻率降低。
[0031]可選的，介質(zhì)基板22的介電常數(shù)可為10-20，介質(zhì)基板22的厚度可為0.005—0.015mm。
[0032]介質(zhì)基板24選用介電常數(shù)為7.7的聚丙烯矩形基板,厚度為0.139mm,介質(zhì)基板24主要選擇損耗較小的基板，起到保護微結(jié)構(gòu)、降低整體損耗的作用。
[0033]可選的，介質(zhì)基板24的介電常數(shù)可為5-10，介質(zhì)基板24的厚度可為0.10mm-Q.30mm。
[0034]可選的，介質(zhì)基板22、24可以使用FR-4基板、聚丙烯基板或陶瓷基板，介質(zhì)基板22,24還可以是圓形或多邊形。
[0035]需要說明的是，在具體實施當(dāng)中，一個超材料成品也可以由多個超材料片層20組成。當(dāng)一個超材料成品由多個超材料片層20組成時，可以按照一定的規(guī)律將多個超材料片層20封裝起來。當(dāng)介質(zhì)基板22、24為平板狀時，各超材料片層20沿垂直于介質(zhì)基板22、24平面的方向依次排列，片層之間相互平行設(shè)置，優(yōu)選平行且間距相等；當(dāng)介質(zhì)基板22、24為圓形或多邊形時，則可以將多個超材料片層20共圓心軸地安裝固定。
[0036]參見圖3，為本發(fā)明提供的具有類矩形微結(jié)構(gòu)的負磁導(dǎo)率超材料的實施例的微結(jié)構(gòu)層的不意圖；
[0037]微結(jié)構(gòu)層22包括16個以4X4矩陣排布的單個微結(jié)構(gòu)10，所述矩陣各行間距相等，所述矩陣各列間距相等。
[0038]需要說明的是，在具體實施當(dāng)中，所述矩陣的行間距、列間距應(yīng)不大于所要響應(yīng)的入射電磁波的波長的四分之一，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(dǎo)率，則設(shè)計微結(jié)構(gòu)的排布矩陣時矩陣的行間距、列間距應(yīng)不大于λ/4,優(yōu)選為λ/10。顯然，為了使微結(jié)構(gòu)10不互相交疊,每個微結(jié)構(gòu)10的長度和寬度也應(yīng)不大于λ/4。
[0039]微結(jié)構(gòu)層23上的微結(jié)構(gòu)排布與微結(jié)構(gòu)層22上的完全相同。
[0040]需要說明的是，在具體實施當(dāng)中，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22、24為圓形或多邊形時，微結(jié)構(gòu)10沿著圓形或多邊形基板22、24的外圓柱面等間距排布。
[0041]參見圖4、5，對本發(fā)明提供的具有類矩形微結(jié)構(gòu)的負磁導(dǎo)率超材料的實施例的仿真效果進行詳細說明。
[0042]現(xiàn)有技術(shù)中的超材料是直接將凹形開口諧振環(huán)陣列排布在介質(zhì)基板上。為比較現(xiàn)有技術(shù)中的超材料與本發(fā)明實施例提供的超材料的區(qū)別，用三維電磁場仿真軟件對現(xiàn)有技術(shù)中的超材料與本發(fā)明實施例提供的超材料進行了仿真，仿真時設(shè)定現(xiàn)有技術(shù)中的超材料與本發(fā)明實施例提供的超材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)完全相同，現(xiàn)有技術(shù)中的超材料仿真結(jié)果示意圖參見圖4，由圖4可知，現(xiàn)有技術(shù)中的超材料要實現(xiàn)磁導(dǎo)率小于0，其對應(yīng)頻率在400MHz以上，且損耗較大，本發(fā)明實施例提供的超材料的仿真結(jié)果示意圖參見圖5，由圖5可知，本發(fā)明實施例提供的超材料實現(xiàn)負磁導(dǎo)率的對應(yīng)頻率在150MHz以內(nèi)，低于現(xiàn)有技術(shù)中的超材料實現(xiàn)負磁導(dǎo)率的頻率，降頻效果顯著，損耗較小，并且能實現(xiàn)超材料的各向同性。
[0043]本發(fā)明實施例提供的一種具有類矩形微結(jié)構(gòu)的負磁導(dǎo)率超材料，所述超材料包括介質(zhì)基板和固定在介質(zhì)基板上的微結(jié)構(gòu)層，所述微結(jié)構(gòu)層包括N個呈周期性陣列排列的單個微結(jié)構(gòu)；所述微結(jié)構(gòu)采用了四根金屬線在同一平面上圍繞同一中心旋轉(zhuǎn)排列而成的金屬微結(jié)構(gòu)，每根金屬線均呈L形，所述L形的末端為矩形脈沖形狀的彎折結(jié)構(gòu)，增加了超材料的電容和電感，在實現(xiàn)超材料的負磁導(dǎo)率的前提下，可以有效降低超材料的諧振頻率，滿足一些特殊條件下對超材料的負磁導(dǎo)率值的要求；所述負磁導(dǎo)率超材料的兩層介質(zhì)基板與兩層微結(jié)構(gòu)層相間排列，且選用高介電常數(shù)的介質(zhì)基板夾在兩層微結(jié)構(gòu)之間，增加了超材料的電容，進一步降低了超材料的頻率；同時，包含N個呈周期性陣列排列的單個微結(jié)構(gòu)的微結(jié)構(gòu)層，每個微結(jié)構(gòu)采用旋轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)，使整個超材料符合各向同性，實用性強。
[0044]以上所述是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也視為本發(fā)明的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種具有類矩形微結(jié)構(gòu)的負磁導(dǎo)率超材料，其特征在于，包括:介質(zhì)基板和固定在介質(zhì)基板上的微結(jié)構(gòu)層； 所述微結(jié)構(gòu)層包括N個呈周期性陣列排列的單個微結(jié)構(gòu)，N^l； 所述單個微結(jié)構(gòu)包括四根金屬線，所述四根金屬線分別為第一金屬線、第二金屬線、第三金屬線和第四金屬線，所述四根金屬線的長度相等； 每根金屬線均呈L形，所述L形的夾角為90度，所述L形的末端為矩形脈沖形狀的彎折結(jié)構(gòu)； 所述單個微結(jié)構(gòu)呈類矩形，所述四根金屬線在同一平面上圍繞同一中心旋轉(zhuǎn)排列，組成類矩形；所述第二金屬線旋轉(zhuǎn)90°后與所述第一金屬線重合，所述第三金屬線旋轉(zhuǎn)180°后與所述第一金屬線重合，所述第四金屬線旋轉(zhuǎn)270°后與所述第一金屬線重合。
2.如權(quán)利要求1所述的一種具有類矩形微結(jié)構(gòu)的負磁導(dǎo)率超材料，其特征在于:所述超材料由兩層所述介質(zhì)基板與兩層所述微結(jié)構(gòu)層相間層疊而成。
3.如權(quán)利要求2所述的一種具有類矩形微結(jié)構(gòu)的負磁導(dǎo)率超材料，其特征在于:所述兩層介質(zhì)基板包括第一介質(zhì)基板和第二介質(zhì)基板，第一介質(zhì)基板的介電常數(shù)為10-20，第二介質(zhì)基板的介電常數(shù)為5-10。
4.如權(quán)利要求3所述的一種具有類矩形微結(jié)構(gòu)的負磁導(dǎo)率超材料，其特征在于:所述第一介質(zhì)基板的厚度為0.005-0.015_。
5.如權(quán)利要求3所述的一種具有類矩形微結(jié)構(gòu)的負磁導(dǎo)率超材料，其特征在于:所述第二介質(zhì)基板的厚度為0.1Omm-0.30mm。
【文檔編號】H01Q15/00GK104409861SQ201410690294
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年11月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月25日
【發(fā)明者】張永超 申請人:張永超