專利名稱：一種各向同性的雙負(fù)人工材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于功能材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及人工結(jié)構(gòu)材料，具體指一種各向同性的雙負(fù)人工材料。
背景技術(shù)：
雙負(fù)人工材料(Double-Negative Metamaterials)是指一種介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時(shí)為負(fù)值的介質(zhì)材料。電磁波在其傳播時(shí)，波矢k、電場(chǎng)E和磁場(chǎng)H之間的關(guān)系符合左手定律，因此雙負(fù)人工材料也稱為“左手材料”。雙負(fù)人工材料具有一些不同尋常的電磁特性，例如負(fù)的折射率、反向切倫科夫輻射、反向多普勒效應(yīng)、反折射定律等。雙負(fù)人工材料的實(shí)現(xiàn)被美國《科學(xué)》雜志評(píng)為2003年度十大科技突破之一。2006年利用超常材料 (Metamaterials)制成的“隱身衣”被美國《科學(xué)》雜志再度評(píng)為當(dāng)年十大科技突破之一。 2010年美國《科學(xué)》雜志將超常材料評(píng)為過去十年科學(xué)界“十大卓見ansights of the Decade)，，之一。2001年，R. A. Shelby和D. R. Smith等人基于J. B. Pendry提出的構(gòu)造單負(fù)介電常數(shù)材料、單負(fù)磁導(dǎo)率材料的思想，首次實(shí)現(xiàn)了等效介電常數(shù)和磁導(dǎo)率的實(shí)部均為負(fù)的雙負(fù)人工材料。隨后，A. Grbic和G. V. Eleftheriades于2002年首次報(bào)道了基于雙負(fù)人工材料的CPWkoplanarwaveguide)能夠?qū)崿F(xiàn)類似于反向切倫科夫輻射的反向輻射。2008年， Argonne國家實(shí)驗(yàn)室的S. Antipov等人報(bào)道了在一種填充雙負(fù)人工材料的矩形波導(dǎo)中傳播的TM波并且間接驗(yàn)證了由電子團(tuán)所產(chǎn)生的反向切倫科夫輻射。目前所制備的雙負(fù)人工材料主要是一維、二維，極少數(shù)為三維雙負(fù)人工材料，所選用的介質(zhì)基片如FR-4介質(zhì)基板，根本不適合工作于真空環(huán)境中。本發(fā)明的三維雙負(fù)人工材料的介質(zhì)基片為聚酰亞胺(用于支撐)和陶瓷(用作PCB板)，可工作于真空及高溫環(huán)境下，而且是各向同性的，更適合應(yīng)用于微波毫米波真空電子器件。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)單電子以一定速度在雙負(fù)人工材料上方通過時(shí)，如圖 1所示，上方區(qū)域?yàn)檎婵?Vacuum)，下方區(qū)域?yàn)楦飨蛲噪p負(fù)人工材料(WMs Double-NegativeMetamaterials)，分界面在χ = _d處，電子在真空中以速度 沿ζ方向運(yùn)動(dòng)，χ軸垂直于分界面，y軸和ζ軸平行于分界面，電子電量為q。由雙負(fù)人工材料填充的區(qū)域會(huì)有反向切倫科夫輻射發(fā)生，而更值得讓人關(guān)注的特性是雙負(fù)人工材料上方真空區(qū)域內(nèi)的凋落波明顯強(qiáng)于同一情形下普通介質(zhì)上方真空區(qū)域內(nèi)的凋落波。利用上述特性，有可能實(shí)現(xiàn)一種新型的基于雙負(fù)人工材料的平板型高功率微波毫米波源。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種各向同性的雙負(fù)人工材料，所述雙負(fù)人工材料為三維結(jié)構(gòu)、各向同性的雙負(fù)人工材料，可應(yīng)用于基于雙負(fù)人工材料的平板型高功率微波毫米波源。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為一種各向同性的雙負(fù)人工材料，如圖4所示，由三維結(jié)構(gòu)的雙負(fù)人工材料單元沿直角坐標(biāo)系三維方向周期性密集堆積而成。所述三維結(jié)構(gòu)的雙負(fù)人工材料單元如圖3所示，包括介質(zhì)材料立方體和位于介質(zhì)材料立方體中具有公共頂點(diǎn)的三個(gè)面上的雙負(fù)結(jié)構(gòu)單元。其中，所述雙負(fù)結(jié)構(gòu)單元如圖2所示，包括一個(gè)與介質(zhì)材料立方體的一個(gè)面相同大小的介質(zhì)基板、金屬開路環(huán)諧振器和金屬細(xì)線；所述金屬開路環(huán)諧振器位于介質(zhì)基板正面，由兩個(gè)大小不同、開口相反的開路環(huán)構(gòu)成，其中小開路環(huán)套于大開路環(huán)中；所述金屬細(xì)線位于介質(zhì)基板背面，與兩個(gè)開口環(huán)的開口中心連線平行且距離等于介質(zhì)基板厚度。三維結(jié)構(gòu)的雙負(fù)人工材料單元中，三個(gè)雙負(fù)結(jié)構(gòu)單元的金屬細(xì)線兩兩垂直。上述技術(shù)方案中，所述介質(zhì)材料立方體材料為聚酰亞胺；所述介質(zhì)基板為聚酰亞胺或陶瓷介質(zhì)基板。本發(fā)明提供的各向同性的雙負(fù)人工材料，可以用先制備介質(zhì)材料立方體、然后再介質(zhì)材料立方體表面粘貼雙負(fù)結(jié)構(gòu)單元、最后將三維結(jié)構(gòu)的雙負(fù)人工材料單元沿直角坐標(biāo)系三維方向周期性密集堆積而成的方法制備。也可以用先在長方體介質(zhì)材料三個(gè)面上等距離開孔、然后將兩面分別制備了金屬細(xì)線和雙開口環(huán)的介質(zhì)基板插入長方體介質(zhì)材料孔中的方法實(shí)現(xiàn)制備。其中雙負(fù)結(jié)構(gòu)單元可采用聚酰亞胺雙面覆銅板經(jīng)光刻工藝實(shí)現(xiàn)，或是先在陶瓷介質(zhì)基板兩面沉積金屬層、然后分別光刻出金屬細(xì)線和雙開口環(huán)的方法實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明提供了一種各向同性的雙負(fù)人工材料，所述雙負(fù)人工材料具有三維結(jié)構(gòu)、 各向同性的特點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)尺寸可結(jié)合工作頻段、加工工藝靈活設(shè)計(jì)。本發(fā)明提供的各向同性的雙負(fù)人工材料可應(yīng)用于高功率微波毫米波源用于激發(fā)微波毫米波。


圖1是單電子在各向同性雙負(fù)人工材料上方通過的示意圖。圖2是金屬開路環(huán)諧振器(SRR)和金屬細(xì)線(Rod)組合而成的雙負(fù)結(jié)構(gòu)。圖3是具有三維對(duì)稱性的各向同性雙負(fù)人工材料單元結(jié)構(gòu)。圖4是由雙負(fù)人工材料單元結(jié)構(gòu)組成的各向同性雙負(fù)人工材料的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5是在一個(gè)實(shí)心長方體的聚酰亞胺介質(zhì)基板上開通孔后的局部放大示意圖。圖6，7，8分別是圖5的主視圖，俯視圖和側(cè)視圖。圖9是裝入通孔中的三種介質(zhì)板的示意圖，其中Al、A2、Bi、B2、Cl、C2分別為A、 B、C的正反兩面。A型介質(zhì)板裝入平行于χ-y面的通孔；B型介質(zhì)板裝入平行于x-z面的通孔；C型介質(zhì)板裝入平行于y-ζ面的通孔。圖10是雙負(fù)人工材料的等效相對(duì)介電常數(shù)隨頻率變化的規(guī)律圖。圖11是雙負(fù)人工材料的等效相對(duì)磁導(dǎo)率隨頻率變化的規(guī)律圖。圖12是雙負(fù)人工材料的折射率隨頻率變化的規(guī)律圖。
具體實(shí)施例方式1.構(gòu)造各向同性雙負(fù)人工材料(加工工藝)利用金屬開路環(huán)諧振器(SRR)和金屬細(xì)線(Rod)組合而成的結(jié)構(gòu)(如圖2)來構(gòu)造一種具有三維對(duì)稱性的單元結(jié)構(gòu)(如圖3)。將圖3中的單元結(jié)構(gòu)，按一定周期組合排列起來(如圖4)，從而構(gòu)成圖1中下方區(qū)域所示的各向同性雙負(fù)人工材料。具體結(jié)構(gòu)尺寸如下(單位mm) :t = 0. 14,w = 2. 2，g = 0. 3，e = 0. 15,h = 0. 2。同時(shí)，金屬細(xì)線長 2. 5mm,金屬開路環(huán)諧振器和金屬細(xì)線的材料為銅片，其厚度為0.017mm;陶瓷底板的長和寬均為 5mm，厚0.25mm，相對(duì)介電常數(shù)ε ^ = 5. 6，損耗角正切tan δ = 0. 0041 ；圖4中的單元周期長度為5mmο由于圖3中的單元結(jié)構(gòu)很難直接實(shí)現(xiàn)，本發(fā)明通過在實(shí)心聚酰亞胺介質(zhì)基板開孔，并在所開的孔中裝入光刻后的介質(zhì)板來實(shí)現(xiàn)圖4所示的各向同性雙負(fù)人工材料。具體加工工藝如下1)利用超聲加工技術(shù)，在一個(gè)實(shí)心長方體的聚酰亞胺介質(zhì)基板上開孔，長方體的長為61mm，寬為53mm，高為58mm。在平行于x_z、x-y、y-z面上分別開通孔，孔長均為2. 5mm, 寬為0. ^4mm，兩孔之間的中心距離為5mm，所開孔的具體位置還須參考圖6，7和8中的具體尺寸。2)利用雙面光刻技術(shù)，分別在A、B、C型陶瓷基片上刻出如圖9所示的結(jié)構(gòu)(Al、 A2、Bi、B2、Cl、C2分別為A、B、C的正反兩面)，結(jié)構(gòu)材料采用銅片。其中，A型介質(zhì)板的長對(duì)應(yīng)長方體的長61mm，寬對(duì)應(yīng)平行于χ-y面的兩個(gè)面上的孔長2. 5mm,厚為0. 25mm ；B型介質(zhì)板的長對(duì)應(yīng)長方體的寬53mm，寬對(duì)應(yīng)平行于x-z面的兩個(gè)面上的孔長2. 5m，厚為0. 25mm ； C型介質(zhì)板的長對(duì)應(yīng)長方體的高58mm，寬對(duì)應(yīng)平行于y_z面上孔的長2. 5mm,厚為0. 25mm。 同時(shí)，所刻的結(jié)構(gòu)的中心距離為5mm。金屬開路環(huán)諧振器和金屬細(xì)線在三種介質(zhì)板上的具體位置由圖9中的具體尺寸來決定。3)分別將A、B、C三種光刻處理后的介質(zhì)板裝入所對(duì)應(yīng)的孔。4)在該長方體的六個(gè)面分別加一層可以覆蓋該平面的5mm厚的聚酰亞胺介質(zhì)基板，并在新加的六個(gè)面上分別用螺釘固定好這個(gè)整體。2.提取各向同性雙負(fù)人工材料的等效介電常數(shù)和磁導(dǎo)率利用三維電磁仿真軟件HFSS對(duì)圖3中的單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，將仿真得到的S11和 S21的幅度及相位的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最后求得各向同性雙負(fù)人工材料的等效相對(duì)介電常數(shù)和磁導(dǎo)率，如圖10和圖11所示，各向同性雙負(fù)人工材料的雙負(fù)頻段落在X波段內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種各向同性的雙負(fù)人工材料，由三維結(jié)構(gòu)的雙負(fù)人工材料單元沿直角坐標(biāo)系三維方向周期性密集堆積而成；所述三維結(jié)構(gòu)的雙負(fù)人工材料單元包括介質(zhì)材料立方體和位于介質(zhì)材料立方體中具有公共頂點(diǎn)的三個(gè)面上的雙負(fù)結(jié)構(gòu)單元；其中，所述雙負(fù)結(jié)構(gòu)單元包括一個(gè)與介質(zhì)材料立方體的一個(gè)面相同大小的介質(zhì)基板、金屬開路環(huán)諧振器和金屬細(xì)線； 所述金屬開路環(huán)諧振器位于介質(zhì)基板正面，由兩個(gè)大小不同、開口相反的開路環(huán)構(gòu)成，其中小開路環(huán)套于大開路環(huán)中；所述金屬細(xì)線位于介質(zhì)基板背面，與兩個(gè)開口環(huán)的開口中心連線平行且距離等于介質(zhì)基板厚度；三維結(jié)構(gòu)的雙負(fù)人工材料單元中，三個(gè)雙負(fù)結(jié)構(gòu)單元的金屬細(xì)線兩兩垂直。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的各向同性的雙負(fù)人工材料，其特征在于，所述介質(zhì)材料立方體材料為聚酰亞胺；所述介質(zhì)基板為聚酰亞胺或陶瓷介質(zhì)基板。
全文摘要
一種各向同性的雙負(fù)人工材料，屬于功能材料技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明由三維結(jié)構(gòu)的雙負(fù)人工材料單元周期性密集堆積而成；三維結(jié)構(gòu)的雙負(fù)人工材料單元包括介質(zhì)材料立方體和位于介質(zhì)材料立方體中相鄰三個(gè)面上的雙負(fù)結(jié)構(gòu)單元；雙負(fù)結(jié)構(gòu)單元包括介質(zhì)基板、金屬開路環(huán)諧振器和金屬細(xì)線；金屬開路環(huán)諧振器位于介質(zhì)基板正面，由兩個(gè)大小不同、開口相反的開路環(huán)構(gòu)成，其中小開路環(huán)套于大開路環(huán)中；金屬細(xì)線位于介質(zhì)基板背面，與兩個(gè)開口環(huán)的開口中心連線平行且距離等于介質(zhì)基板厚度；三維結(jié)構(gòu)的雙負(fù)人工材料單元中，三個(gè)雙負(fù)結(jié)構(gòu)單元的金屬細(xì)線兩兩垂直。本發(fā)明提供的雙負(fù)人工材料具有三維結(jié)構(gòu)、各向同性的特點(diǎn)，可應(yīng)用于高功率微波毫米波源用于激發(fā)微波毫米波。
文檔編號(hào)H01P7/00GK102280712SQ20111013975
公開日2011年12月14日 申請(qǐng)日期2011年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月27日
發(fā)明者唐濤, 段兆云, 郭晨 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)