專利名稱：一種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，具體地涉及一種負磁導率超材料。
背景技術：
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趨于成熟，對于負磁導率超材料的研究是現在國內外研究的熱點，負磁導率具有量子極化作用，可以對入射波產生極化作用，因此作用范圍很大，如在醫學成像領域中的磁共振成像技術，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，在工程領域，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 PO(又稱真空磁導率)的比值，ur= y/PO，無量綱值。通常“相對”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。至今發現的自然界已存在的材料中，U都是大于0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的人工復合結構或復合材料。通過在材料的關鍵物理尺度上的結構有序設計，可以突破某些表觀自然規律的限制， 從而獲得超出自然界固有的普通性質的超常材料功能。超材料的性質和功能主要來自于其內部的結構而非構成它們的材料。目前，現有的人造微結構的幾何形狀為“工”字形或者如圖I所示的類似“凹”字形的開口環形，但這結構都不能實現磁導率U明顯小于0或使超材料諧振頻率顯著降低，只有通過設計具有特殊幾何圖形的人造微結構，才能使得該人工電磁材料在特定頻段內達到磁導率y值小于0，并具有較低的諧振頻率。
發明內容本發明所要解決的技術問題在于，針對現有技術中負磁導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磁導率超材料。本發明實現發明目的采用的技術方案是，所述超材料包括介質基板以及固定在介質基板上的微結構層，所述微結構層上周期性的陣列多個微結構，所述微結構為螺旋形微結構。在本發明所述的負磁導率超材料中，所述螺旋形微結構為阿基米德螺線形微結構。在本發明所述的負磁導率超材料中，所述金屬線的線寬0. 05-0. 15mm。在本發明所述的負磁導率超材料中，所述金屬線的線間距0. 05-0. 15mm。在本發明所述的負磁導率超材料中，所述金屬線的厚度0. 015-0. 020mm。在本發明所述的負磁導率超材料中，所述超材料的介質基板為FR-4基板或陶瓷基板。在本發明所述的負磁導率超材料中，所述FR-4基板的介電常數為4. 2-4. 6。在本發明所述的負磁導率超材料中，所述陶瓷基板的介電常數為8-16。在本發明所述的負磁導率超材料中，所述金屬線旋轉圈數大于2。
本發明的有益效果在于，本法明的微結構為阿基米德螺線形微結構，每一圈金屬線都有線間電容，繞線圈數越多，相當于增加了超材料電容，同時，金屬線長度越長，相當于增加了超材料的電感，電容和電感增加，超材料對應的諧振頻率就會降低，根據上述微結構的形狀可知，超材料呈各項異性，這種可以顯著降低諧振頻率的負磁導率超材料具有良好的發展前景。
圖1，現有的負磁導率超材料微結構示意圖；圖2，本發明微結構示意圖；圖3，本發明微結構放大示意圖；圖4，本發明實施例側視圖；圖5，圖4的左視圖；圖6，現有的負磁導率超材料的磁導率仿真效果示意圖；圖7，本發明負磁導率超材料的磁導率仿真效果示意圖；圖中，I微結構層、2介質基板、3微結構、10超材料片層。
具體實施方式下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細說明。本發明提供一種負磁導率超材料，如圖4、圖5所不,包括介質基板2、以及固定在介質基板上的微結構層1，微結構層I上周期性的陣列著微結構3，微結構3阿基米德螺線形微結構，本發明微結構示意圖參見圖2，這種微結構能夠使超材料呈各向異性。這里的阿基米德螺線是指，對于平面上的一點P沿動射線OP以等速率運動的同時，該射線又以等角速度繞0旋轉，點P的軌跡稱為阿基米德螺線。本發明微結構金屬線繞線的形狀為阿基米德螺線，對于圖2中的微結構，Oe為極坐標系的極點，Oe與阿基米德螺線的一個端點的連線為極坐標系的極軸，則此螺線上的任一一點均可用極坐標(Pe，0)表示，其中Pe為該點的極徑，0為該點的極角，P e(0)表示極長關于極角的函數，阿基米德螺線滿足下列條件1) p e = a 0 ；2)此螺線每條臂的距離永遠等于2 a，a為常數。下面將結合附圖，對本發明實施例的負磁導率超材料的構成原理及有益效果做詳細說明。微結構3在介質基板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/4，優選為入/10。顯然，為了使微結構3不互相交疊，每個人造微結構3的長度和寬度也不大于X/4。周期性排布還可以有其他具有循環規律的排布方式，例如當介質基板2為圓形或多邊形時，微結構3沿著圓形或多邊形基板2的外圓柱面等間距地繞一周。本發明優選實施例的介質基板2為矩形，參見圖 5。當超材料片層10有多個時，可以按照一定的規律將它們封裝起來，例如當介質基板2為平板狀時，各超材料片層10沿垂直于介質基板2表面的方向依次排列，片層之間相互平行設置，優選平行且間距相等，當介質基板2為上述圓形或多邊形，則可以將多個超材料片層10共圓心軸地安裝固定。本發明的負磁導率超材料介質基板可以使用FR-4基板或陶瓷基板，微結構可以使用金屬線，如銅線、銀線、銅合金，甚至是金線，或者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。本發明實施例負磁導率超材料的介質基板為FR-4 基板，介電常數為4. 4。如圖2所示的微結構使用銅線。本發明實現負磁導率的原理為，對于本發明的微結構而言，可以等效為LC震蕩電路，整個螺線可以等效為一個極板長度約等于螺旋線總長度的、極板呈螺旋形的電容，螺線長度表征結構可以等效為電感，通過仿真發現，在其他條件不改變的情況下，銅線越長，則結構的等效電感值、電容值越大。由LC振蕩電路公式/o = ln\jLC可知，當電感值、電容值均增大時，其對應的諧振頻率則降低。現有技術是直接將圖I所示的凹形開口諧振環陣列排布在介質基板上，制成超材料，本發明微結構為阿基米德螺線形微結構，再將若干微結構周期性的陣列排布在介質基板上形成微結構層，最后將微結構層與介質基板按圖4所示的方式層疊在一起形成超材料，不僅可以有效的降低超材料的諧振頻率，還可以實現超材料的各向異性。為比較現有技術與本發明負磁導率超材料性能的區別，用CST對現有技術負磁導率超材料與本發明優選實施例負磁導率超材料分別進行了仿真，仿真時設定現有技術中超材料與本發明實施例的超材料的結構參數完全相同，仿真過程中本發明實施例的具體參數如下銅線線寬0. Imm,銅線線間距0. Imm,繞線35圈，銅線厚度0. 018mm, FR-4基板厚度為 0. 4mm,介電常數4. 4,超材料微結構的尺寸為15_X15mm。現有負磁導超材料的磁導率關于頻率的電磁響應曲線參見圖6，由圖6可知，現有技術要實現磁導率小于0，其對應頻率在 400MHz以上，且損耗較大，本發明磁導率仿真效果示意圖參見圖7，由圖7可知，本發明的超材料實現負磁導率的對應頻率在48MHz左右，大大低于現有技術超材料實現負磁導率的頻率，降頻效果顯著。本發明的優越之處在于，設計一種全新的微結構3，如圖2、圖3所示，阿基米德螺線形微結構不僅使本發明的負磁導率超材料呈各向異性，滿足特定條件下的需求，而且能在50MHz以下實現超材料的磁導率為負，這種新型低頻負磁導率超材料對于超材料工業的
發展，具有重要意義。本發明中的上述實施例僅作了示范性描述，本領域技術人員在閱讀本專利申請后可以在不脫離本發明的精神和范圍的情況下對本發明進行各種修改。
權利要求
1.一種負磁導率超材料，所述超材料包括介質基板以及固定在介質基板上的微結構 層，其特征在于，所述微結構層上周期性的陣列多個微結構，所述微結構為螺旋形微結構。
2.根據權利要求1所述的負磁導率超材料，其特征在于，所述螺旋形微結構為阿基米 德螺線形微結構。
3.根據權利要求1所述的負磁導率超材料，其特征在于，所述金屬線的線寬 0. 05-0. 15mm。
4.根據權利要求1所述的負磁導率超材料，其特征在于，所述金屬線的線間距 0. 05-0. 15mm。
5.根據權利要求1所述的負磁導率超材料，其特征在于，所述金屬線的厚度 0. 015—0. 020mm。
6.根據權利要求1所述的負磁導率超材料，其特征在于，所述超材料的介質基板為 FR-4基板或陶瓷基板。
7.根據權利要求1所述的負磁導率超材料，其特征在于，所述FR-4基板的介電常數為 4. 2-4. 6。
8.根據權利要求1所述的負磁導率超材料，其特征在于，所述陶瓷基板的介電常數為 8-16。
9.根據權利要求1所述的負磁導率超材料，其特征在于，所述金屬線旋轉圈數大于2。
全文摘要
本發明涉及一種負磁導率超材料，所述超材料包括介質基板以及固定在介質基板上的微結構層，所述微結構層上周期性的陣列多個微結構，所述微結構為螺旋形微結構。在實現負磁導率的前提下，采用本發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超材料的磁導率為負，同時，本發明超材料呈各向異性，對于超材料產業的發展具有重要意義，具有良好的發展前景。
文檔編號H01Q15/00GK102593600SQ201210051069
公開日2012年7月18日 申請日期2012年2月29日 優先權日2012年2月29日
發明者劉若鵬, 劉豫青, 趙治亞, 郭潔 申請人:深圳光啟創新技術有限公司