專利名稱：負磁導率超材料的制作方法
技術領域：
本發明涉及超材料領域，更具體地說，涉及一種負磁導率超材料。
背景技術：
目前在國際上，對磁導率已有大量研究，正磁導率已經比較成熟，但是目前社會急需負磁導率超材料，因此它的作用很大，因為他具有很特別的功能，有量子極化作用，可以對入射波產生極化，因此作用范圍很大，如在醫學成像領域中，能夠加強電磁波的成像效果，還在透鏡研究方面都有很大用處，有很好的應用前景，因此對負磁導是目前國內外研究的熱點之一。在工程實用中，磁導率通常都是指相對磁導率，為物質的絕對磁導率U與磁性常 數Utl (又稱真空磁導率)的比值，Ur= U/Po，為無量綱值。通常“相対”二字及符號下標r都被省去。磁導率是表示物質受到磁化場H作用時，內部的真磁場相對于H的增加(ii >I)或減少< D的程度。但對于現有的自然界已存在的材料中，其U都是大于0的。超材料(metamaterial),又稱人工電磁材料,是ー種能夠對電磁產生響應的新型人工合成材料，由基板和附著在基板上的人造微結構組成。由于人造微結構通常為金屬線排布成的具有一定幾何圖形的結構，因此能夠對電磁產生響應，從而使超材料整體體現出不同于基板的電磁特性，具有特定的介電常數e、磁導率U或折射率n，而這些參數都是有關電磁波頻率的函數，通常不為恒定值。現有的人造微結構的幾何形狀為“エ”字形或者近“凹”字形的開ロ環形，但這結構都不能實現磁導率U明顯小于0，通常在0. -0.5之間。只有通過設計具有特殊幾何圖形的人造微結構，才能使得該超材料在特定頻段內達到磁導率y值遠小于O。
發明內容
本發明要解決的技術問題在干，針對現有技術的上述磁導率不能明顯小于0達到負磁導率特性的缺陷，提供ー種在所需頻段上絕對值明顯大于0值的負磁導率超材料。本發明解決其技術問題所采用的技術方案是構造ー種負磁導率超材料，包括非金屬材料的基板和附著在基板上的多個人造微結構，所述人造微結構由導電材料的絲線組成，所述人造微結構包括第一雙開ロ環、第二雙開ロ環、第一線段和第二線段；所述第一雙開ロ環包括兩個相向設置且不相接觸的第一半環，所述第一線段位于所述第一雙開ロ環內且連接兩第一半環，所述第二雙開ロ環位于所述第一雙開ロ環內且包括兩個相向設置且不相接觸的第二半環，所述第二線段位于所述第二雙開ロ環內且連接兩第二半環，所述第一、第二線段相交。在本發明所述的負磁導率超材料中，所述人造微結構還包括位于所述第一雙開ロ環與第二雙開ロ環之間的繞線。在本發明所述的負磁導率超材料中，所述繞線為自所述第一半環末端延伸出的絲線。
在本發明所述的負磁導率超材料中，所述繞線為自所述第二半環末端延伸出的絲線。在本發明所述的負磁導率超材料中，所述繞線為在所述第一雙開ロ環和第二雙開ロ環之間間隙中繞行的絲線。在本發明所述的負磁導率超材料中，所述繞線螺旋繞行或蛇形繞行。在本發明所述的負磁導率超材料中，所述繞線的走線間距等于線寬。在本發明所述的負磁導率超材料中，所述負磁導率超材料包括多塊基板，每塊基板上均具有多個周期性排布的人造微結構。在本發明所述的負磁導率超材料中，所述人造微結構由銀線或銅線制成。
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在本發明所述的負磁導率超材料中，所述基板由聚四氟こ烯、FR-4材料或陶瓷材料制成。實施本發明的負磁導率超材料，具有以下有益效果采用本發明的人造微結構，能夠明顯提高超材料的負磁導率絕對值的最大值，從而強化負磁導率效果，以滿足特定條件下對負磁導率值的要求。
下面將結合附圖及實施例對本發明作進ー步說明，附圖中圖I是本發明優選實施例的負磁導率超材料的結構示意圖；圖2是圖I所示負磁導率超材料的其中ー個材料單元的結構示意圖；圖3是圖2所示材料單元的人造微結構的示意圖；圖4是另ー實施例中的人造微結構的示意圖；圖5是具有圖4所不人造微結構的負磁導率超材料的仿真不意圖；圖6至圖8是另三種人造微結構的示意圖。
具體實施例方式本發明涉及一種負磁導率超材料，如圖I所示，包括至少ー個材料片層1，每個材料片層I包括基板2和附著在基板2表面上的多個人造微結構3。基板2為平板狀，也可以為彎成圓環的薄片狀，或者多個長條板正交扣合組成的柵格形。基板2通常選用聚四氟こ烯、環氧樹脂、FR-4、陶瓷、鐵氧材料、SiO2等非金屬材料。人造微結構3在基板2表面上呈周期性排布，例如矩形陣列排布，即以ー 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。優選行間距、列間距不大于所要響應的入射電磁波的波長的五分之一，也即例如工作環境是波長為\的電磁波，需要超材料對此電磁波的電磁特性是呈現負磁導率，則設計人造微結構時將上述行間距、列間距選擇不大于入/5，優選為入/10。顯然，為了使人造微結構3不互相交疊，每個人造微結構3的長度和寬度也不大于入/5。周期性排布還可以是其他具有循環規律的排布方式，例如基板2為圓環形吋，人造微結構3沿著圓環形基板2的外圓柱面等間距地繞一周。當材料片層I有多個時，按照一定的規律將它們封裝起來，例如當基板2為平板狀時，各材料片層I沿垂直于基板2表面的z方向依次排列，片層之間相互平行設置，優選地平行且間距相等；當基板2為上述圓環形，則可以將多個材料片層I共圓心軸地安裝固定。如圖3所示，人造微結構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基板単元20，基板単元20的長度等于上述行間距、寬度等于列間距、厚度等于基板2厚度。每個基板單元20的表面上正好對應有ー個人造微結構3。由基板單元20及其表面上的人造微結構3構成的材料單元10如圖2所示。如圖2、圖3所示，本發明的人造微結構3包括兩個第一半環31、連接兩個第一半環31的第一線段32、兩個第二半環33以及連接兩個第二半環33的第二線段34。其中，兩個第一半環31相向設置且互不接觸，使得兩端端點分別相對而形成兩個開ロ，即兩個第一半環31構成ー個第一雙開ロ環，本實施例中，兩開ロ成180度設置，第一線段32位于第一雙開ロ環內且連接兩個第一半環31的中點。同樣，兩個第二半環33相向設置而不接觸，形成具有兩個開ロ的第二雙開ロ環，且第二雙開ロ環位于第一雙開ロ環內部，一第二線段34兩端分別連接兩個第二半環33的中點。由圖3可知，第一雙開ロ環的兩開ロ連線垂直于第 ニ雙開ロ環的兩開ロ連線，且第一線段32與第二線段34垂直平分。其中，構成人造微結構3的各個絲線即第一、第二半環31、33和第一、第二線段32、34均是由導電材料制成的，這樣的導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電材料例如導電塑料、ITO(銦錫氧化物)、碳納米管、石墨等。采用這樣的雙開ロ環垂直正交構成的人造微結構，能夠實現超材料具有負磁導率。為了進一步增強負磁導率的效果，提高負磁導率的絕對值，本發明的人造微結構3還包括位于第一雙開ロ環與第二雙開ロ環之間的繞線35。這里的繞線35有多種走線形式，例如其可以如圖4所示，為兩條各自獨立的絲線，在第一雙開ロ環與第二雙開ロ環之間的間隙里延伸，當間隙中還可以走線時，該繞線35還可以如圖6所示在間隙中螺旋繞行，當然也可以蛇形繞行；如圖7所示，該繞線35還可以為自第一半環31的末端延伸出來的絲線，并在第一、第二雙開ロ環之間的間隙延伸，同樣間隙足夠的話該繞線也可以螺旋或蛇形繞行；同樣，如圖8所示，該繞線35也可以為自第二半環33末端延伸出的絲線，也可如圖所示地螺旋繞行。為了最大限度地填充基板単元的表面，繞線的走線間距可以等于線寬，而線寬可采用機械加工所能達到的最小線寬如0. 1_。為了驗證本發明的負磁導率特性，對本發明的超材料進行仿真，其中，選定的人造微結構3其形狀如圖4所示，基板2選擇FR-4材料，厚度為0. 4mm,基板單元20的尺寸為4mmX 4mmX0. 4mm,其中0. 4mm為厚度；人造微結構3由銅線制成,厚度為0. 018mm,到基板單元的四條邊均預留0. 2mm,線寬也為0. 2mm,所有的走線間距也為0. 2mm。對上述材料單元10陣列得到的超材料進行仿真,得到的磁導率關于頻率的電磁響應曲線如圖5所示。由圖可知，本實施例的材料單元在3. 45 6. IOGHz范圍內其磁導率均為負值，且最低磁導率能夠達到-4. 3，且達到最低磁導率是其虛部的損耗非常小，基本上為O。當所需頻段不在上述范圍時，還可以通過調整人造微結構的尺寸來調整負磁導率所在的頻段區域。因此，采用本發明的人造微結構，能夠明顯提高超材料的負磁導率的絕對值，從而強化負磁導率效果，以滿足特定條件下對負磁導率值的要求。上面結合附圖對本發明的實施例進行了描述，但是本發明并不局限于上述的具體實施方式
，上述的具體實施方式
僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領域的普通技術人員在本發明的啟示下，在不脫離本發明宗g和權利要求所保護的范圍情況下，還可做出很多 形式，這些均屬于本發明的保護之內。
權利要求
1.一種負磁導率超材料，包括非金屬材料的基板和附著在基板上的多個人造微結構，所述人造微結構由導電材料的絲線組成，其特征在于，所述人造微結構包括第一雙開ロ環、第二雙開ロ環、第一線段和第二線段； 所述第一雙開ロ環包括兩個相向設置且不相接觸的第一半環，所述第一線段位于所述第一雙開ロ環內且連接兩第一半環，所述第二雙開ロ環位于所述第一雙開ロ環內且包括兩個相向設置且不相接觸的第二半環，所述第二線段位于所述第二雙開ロ環內且連接兩第二半環，所述第一、第二線段相交。
2.根據權利要求I所述的負磁導率超材料，其特征在于，所述人造微結構還包括位于所述第一雙開ロ環與第二雙開ロ環之間的繞線。
3.根據權利要求2所述的負磁導率超材料，其特征在于，所述繞線為自所述第一半環末端延伸出的絲線。
4.根據權利要求2所述的負磁導率超材料，其特征在于，所述繞線為自所述第二半環末端延伸出的絲線。
5.根據權利要求2所述的負磁導率超材料，其特征在干，所述繞線為在所述第一雙開ロ環和第二雙開ロ環之間間隙中繞行的絲線。
6.根據權利要求3至5任一項所述的負磁導率超材料，其特征在于，所述繞線螺旋繞行或蛇形繞行。
7.根據權利要求6所述的負磁導率超材料，其特征在于，所述繞線的走線間距等于線寬。
8.根據權利要求I所述的負磁導率超材料，其特征在于，所述負磁導率超材料包括多塊基板，每塊基板上均具有多個周期性排布的人造微結構。
9.根據權利要求I所述的負磁導率超材料，其特征在于，所述人造微結構由銀線或銅線制成。
10.根據權利要求I所述的負磁導率超材料，其特征在于，所述基板由聚四氟こ烯、FR-4材料或陶瓷材料制成。
全文摘要
本發明涉及一種負磁導率超材料，包括非金屬材料的基板和附著在基板上的多個人造微結構，所述人造微結構由導電材料的絲線組成，所述人造微結構包括第一雙開口環、第二雙開口環、第一線段和第二線段；所述第一雙開口環包括兩個相向設置且不相接觸的第一半環，所述第一線段位于所述第一雙開口環內且連接兩第一半環，所述第二雙開口環位于所述第一雙開口環內且包括兩個相向設置且不相接觸的第二半環，所述第二線段位于所述第二雙開口環內且連接兩第二半環，所述第一、第二線段相交。采用本發明的人造微結構，能夠明顯提高超材料的負磁導率的絕對值，從而強化負磁導率效果，以滿足特定條件下對負磁導率值的要求。
文檔編號H01Q15/00GK102969571SQ20111025650
公開日2013年3月13日 申請日期2011年9月1日 優先權日2011年9月1日
發明者劉若鵬, 欒琳, 寇超鋒, 葉金財 申請人:深圳光啟高等理工研究院, 深圳光啟創新技術有限公司