專利名稱：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，涉及一種負(fù)磁導(dǎo)率超材料。
背景技術(shù)：
目前在國際上，對磁導(dǎo)率已有大量研究，正磁導(dǎo)率已經(jīng)比較成熟，但是目前社會急需負(fù)磁導(dǎo)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(chǎn)生極化，因此作用范圍很大，如在醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)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(yīng)用前景，因此對負(fù)磁導(dǎo)是目前國內(nèi)外研究的熱點之一。
在工程實用中，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)μC1 (又稱真空磁導(dǎo)率)的比值，μ^= μ/μO，為無量綱值。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 > D或減少(μ < I)的程度。但對于現(xiàn)有的自然界已存在的材料中，其μ都是大于O的。
超材料(metamaterial),又稱人工電磁材料,是一種能夠?qū)﹄姶女a(chǎn)生響應(yīng)的新型人工合成材料，如圖1所示，由基板200和附著在基板200上周期性排布的人造微結(jié)構(gòu)300 組成。由于人造微結(jié)構(gòu)300通常為金屬線排布成的具有一定幾何圖形的結(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200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)都是有關(guān)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)300的幾何形狀為“工”字形或者近“凹”字形開口環(huán)。所述近“凹”字形開口環(huán)如圖1所示，包括一矩形線框的一條直邊上有斷開而形成的矩形開口環(huán)和自斷開的線框兩端點向開口環(huán)內(nèi)部垂直延伸的一對平行線。但這結(jié)構(gòu)都不能實現(xiàn)磁導(dǎo)率μ明顯小于 0，通常在O -O. 5之間。只有通過設(shè)計具有特殊幾何圖形的人造微結(jié)構(gòu)，才能使得該超材料在特定頻段內(nèi)達到磁導(dǎo)率μ值遠(yuǎn)小于O。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于，針對現(xiàn)有技術(shù)的上述磁導(dǎo)率不能明顯小于O達到負(fù)磁導(dǎo)率特性的缺陷，提供一種在所需頻段絕對值明顯大于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，包括非金屬材料制成的基板和附 著在基板上的多個人造微結(jié)構(gòu)，所述人造微結(jié)構(gòu)為導(dǎo)電材料的絲線，所述人造微結(jié)構(gòu)包括近“凹”字形開口環(huán)和自所述近“凹”字形開口環(huán)的兩末端點延伸的蛇形彎折部。
在本發(fā)明所述的負(fù)磁導(dǎo)率超材料中，所述近“凹”字形開口環(huán)包括一矩形線框的一條直邊上有斷開而形成的矩形開口環(huán)和自斷開的所述線框的兩端點向所述矩形開口環(huán)內(nèi)部垂直延伸的一對平行線，所述近“凹”字形開口環(huán)的兩末端點為所述一對平行線的末端
在本發(fā)明所述的負(fù)磁導(dǎo)率超材料中，所述兩末端點上各連接有一蛇形彎折部，且兩個所述蛇形彎折部對稱設(shè)置。
在本發(fā)明所述的負(fù)磁導(dǎo)率超材料中，所述兩個蛇形彎折部相向延伸。
在本發(fā)明所述的負(fù)磁導(dǎo)率超材料中，所述蛇形彎折部的拐角為直角或者圓角。
在本發(fā)明所述的負(fù)磁導(dǎo)率超材料中，所述蛇形彎折部的走線間距等于線寬。
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)在所述基板上成矩形陣列排布，且行間距和列間距均小于一入射電磁波波長的五分之一。
在本發(fā)明所述的負(fù)磁導(dǎo)率超材料中，所述基板由陶瓷、聚四氟乙烯或環(huán)氧樹脂材料制成。
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)為銅線或者銀線。
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)的材料為ΙΤ0、碳納米管或者石墨。
實施本發(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)，能夠明顯提高超材料的負(fù)磁導(dǎo)率絕對值的最大值，從而強化負(fù)磁導(dǎo)率效果，以滿足特定條件下對負(fù)磁導(dǎo)率值的要求。


下面將結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步說明，附圖中
圖1是現(xiàn)有技術(shù)的超材料的結(jié)構(gòu)不意圖2是圖1所示超材料的磁導(dǎo)率仿真效果圖3是本發(fā)明優(yōu)選實施例的負(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)率超材料的一個材料單元的結(jié)構(gòu)示意圖5是第二實施例的人造微結(jié)構(gòu)的示意圖6是第三實施例的人造微結(jié)構(gòu)的示意圖 是具有圖5所示人造微結(jié)構(gòu)的負(fù)磁導(dǎo)率超材料的磁導(dǎo)率仿真效果圖。
具體實施方式
本發(fā)明涉及一種負(fù)磁導(dǎo)率超材料，如圖3、圖4所示，包括至少一個材料片層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(jié)構(gòu)3?；?為平板狀，也可以為彎成圓環(huán)的薄片狀，或者多個長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(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的五分之一，也即例如工作環(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(fù)磁導(dǎo)率，則設(shè)計人造微結(jié)構(gòu)時將上述行間距、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，每個人造微結(jié)構(gòu)3的長度和寬度也不大于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，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有多個時，按照一定的規(guī)律將它們封裝起來，例如當(dāng)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(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，則可以將多個材料片層I共圓心軸地安裝固定。
如圖3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基板單元20，基板單元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(yīng)有一個人造微結(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4所示。
人造微結(jié)構(gòu)3是由導(dǎo)電材料制成的絲線組成的，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。通過與現(xiàn)有技術(shù)的PCB印制電路板相類似的銅線電路制作工藝類似，本發(fā)明的人造微結(jié)構(gòu)即可采用這種蝕刻工藝附著在基板2上。
本發(fā)明的優(yōu)點在于，設(shè)計了一種具有新的幾何圖形的人造微結(jié)構(gòu)3，如圖3、圖4所示，其包括近“凹”字形開口環(huán)30和自所述近“凹”字形開口環(huán)30的兩末端點延伸的蛇形彎折部31。
近“凹”字形開口環(huán)30的形狀如圖1所示，包括一矩形線框的一條直邊上有斷開而形成的矩形開口環(huán)和自斷開的所述線框的兩端點向矩形開口環(huán)內(nèi)部垂直延伸的一對平行線，上述近“凹”字形開口環(huán)30的兩末端點即為該一對平行線的自由端的末端點。
蛇形彎折部31連接在上述平行線自由端的末端點上。圖4所示的實施例中，兩平行線的末端點上各自連接有一蛇形彎折部，且兩個所述蛇形彎折部31對稱地相向設(shè)置。
這里的蛇形彎折,是指一點自一起始點始終向前(或者不倒退)行進的同時在垂直于其行進的方向來回往復(fù) 所形成的軌跡。蛇形彎折部相向設(shè)置，即二者的行進方向相向成180度。圖4所示的蛇形彎折部31，其只往復(fù)一次而成；圖5所示的實施例中，其蛇形彎折部31則往復(fù)2. 5次；而圖6所示的實施例中，人造微結(jié)構(gòu)3的蛇形彎折部31各往復(fù)3次而成。另外，圖4至圖6所示的實施例中，每次往復(fù)彎折均為直角彎折，在其他實施例中，還可以是圓角或尖角彎折，往復(fù)的兩條折線可以如圖中所示地相互平行，也可以互成一定夾角；同時，兩條折線也不一定要為直線，可以為波浪線、任意曲線等。
采用具有本發(fā)明所述人造微結(jié)構(gòu)的超材料，能夠?qū)崿F(xiàn)高負(fù)磁導(dǎo)率。這是因為，在超材料領(lǐng)域中，可以通過將人造微結(jié)構(gòu)3等效為電路來分析人造微結(jié)構(gòu)3對超材料的電磁特性的影響。上述近“凹”字形人造微結(jié)構(gòu)可以等效為一個電容和電感串聯(lián)，其中一對平行線等效為電容，而構(gòu)成矩形開口環(huán)的外框線則相當(dāng)于電感。本發(fā)明中，在平行線末端連接蛇形彎折部31，使得走線線長增大，相當(dāng)于增大了電容，進而提高負(fù)磁導(dǎo)率的絕對值。
例如，在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，每個材料單元10如圖4所示，且人造微結(jié)構(gòu) 3的形狀如圖5所示，基板2選擇FR-4環(huán)氧樹脂材料，厚度為O. 4mm,基板單元的尺寸為 4mmX4mmX0. 4mm,其中O. 4mm為厚度；人造微結(jié)構(gòu)3由銅線制成,厚度為O. 018mm,到基板單元的四條邊均預(yù)留O. 38mm，線寬也為O. 12臟，所有的走線間距為O. 12mm。
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(dǎo)率關(guān)于頻率的電磁響應(yīng)曲線如圖5所示。由圖可知，本實施例的材料單元在3. 95 4. 26GHz范圍內(nèi)其磁導(dǎo)率均為負(fù)值，且最低磁導(dǎo)率能夠達到-5。當(dāng)所需頻段不在上述范圍時，還可以通過調(diào)整人造微結(jié)構(gòu)的尺寸來調(diào)整負(fù)磁導(dǎo)率所在的頻段區(qū)域。
而其他條件與上述圖4所示實施例完全相同，只是沒有圖4中平行線末端點連接的蛇形彎折部31從而形成如圖1所示的近“凹”字形開口環(huán)，其仿真得到的電磁響應(yīng)曲線如圖2所示。由圖可知，其在O. 38 O. 46GHz范圍內(nèi)其磁導(dǎo)率為負(fù)值，且最小只能達到-5. 5， 其絕對值相對較小，很難達到所需要的負(fù)磁導(dǎo)率效果。
因此，采用本發(fā)明的人造微結(jié)構(gòu)，能夠明顯提高超材料的負(fù)磁導(dǎo)率的絕對值，從而強化負(fù)磁導(dǎo)率效果，以滿足特定條件下對負(fù)磁導(dǎo)率值的要求。
上面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例進行了描述，但是本發(fā)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(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)利要求所保護的范圍情況下，還可做出很多形式，這些均屬于本發(fā)明的保護之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種負(fù)磁導(dǎo)率超材料，包括非金屬材料制成的基板和附著在基板上的多個人造微結(jié)構(gòu)，所述人造微結(jié)構(gòu)為導(dǎo)電材料的絲線，其特征在于，所述人造微結(jié)構(gòu)包括近“凹”字形開口環(huán)和自所述近“凹”字形開口環(huán)的兩末端點延伸的蛇形彎折部。
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，所述近“凹”字形開口環(huán)包括一矩形線框的一條直邊上有斷開而形成的矩形開口環(huán)和自斷開的所述線框的兩端點向所述矩形開口環(huán)內(nèi)部垂直延伸的一對平行線，所述近“凹”字形開口環(huán)的兩末端點為所述一對平行線的末端點。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的負(fù)磁導(dǎo)率超材料，其特征在于，所述兩末端點上各連接有一蛇形彎折部，且兩個所述蛇形彎折部對稱設(shè)置。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的負(fù)磁導(dǎo)率超材料，其特征在于，所述兩個蛇形彎折部相向延伸。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的負(fù)磁導(dǎo)率超材料，其特征在于，所述蛇形彎折部的拐角為直角或者圓角。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的負(fù)磁導(dǎo)率超材料，其特征在于，所述蛇形彎折部的走線間距等于線寬。
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)在所述基板上成矩形陣列排布，且行間距和列間距均小于一入射電磁波波長的五分之一。
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，所述基板由陶瓷、聚四氟乙烯或環(huán)氧樹脂材料制成。
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)為銅線或者銀線。
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，所述人造微結(jié)構(gòu)的材料為 ΙΤ0、碳納米管或者石墨。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種負(fù)磁導(dǎo)率超材料，包括非金屬材料制成的基板和附著在基板上的多個人造微結(jié)構(gòu)，所述人造微結(jié)構(gòu)為導(dǎo)電材料的絲線，所述人造微結(jié)構(gòu)包括近“凹”字形開口環(huán)和自所述近“凹”字形開口環(huán)的兩末端點延伸的蛇形彎折部。采用本發(fā)明的人造微結(jié)構(gòu)，能夠明顯提高超材料的負(fù)磁導(dǎo)率絕對值的最大值，從而強化負(fù)磁導(dǎo)率效果，以滿足特定條件下對負(fù)磁導(dǎo)率值的要求。
文檔編號H01Q15/00GK103022720SQ201110297868
公開日2013年4月3日 申請日期2011年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月28日
發(fā)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(chuàng)新技術(shù)有限公司