專利名稱：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(guó)際上，對(duì)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(huì)急需負(fù)磁導(dǎo)率超材料，因此它的作用很大，因?yàn)樗哂泻芴貏e的功能，有量子極化作用，可以對(duì)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(qiáng)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(duì)負(fù)磁導(dǎo)是目前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)之一。在工程實(shí)用中，磁導(dǎo)率通常都是指相對(duì)磁導(dǎo)率，為物質(zhì)的絕對(duì)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(wú)量綱值。通常“相對(duì)”二字及符號(hào)下標(biāo) r都被省去。磁導(dǎo)率是表示物質(zhì)受到磁化場(chǎng)H作用時(shí)，內(nèi)部的真磁場(chǎng)相對(duì)于H的增加(μ > D或減少(μ < I)的程度。但對(duì)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I所示，由基板和附著在基板上的人造微結(jié)構(gòu)組成。由于人造微結(jié)構(gòu)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?，F(xiàn)有的人造微結(jié)構(gòu)的幾何形狀為“工” 字形或者如圖I所示的近“凹”字形的開口環(huán)形，但這結(jié)構(gòu)都不能實(shí)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(jì)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(dá)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(duì)現(xiàn)有技術(shù)的上述磁導(dǎo)率不能明顯小于O達(dá)到負(fù)磁導(dǎo)率特性的缺陷，提供一種絕對(duì)值明顯遠(yuǎn)離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且成周期性排布的多個(gè)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)包括開口環(huán)和自所述開口環(huán)的兩端端點(diǎn)分別向環(huán)內(nèi)蛇形彎曲延伸的兩根彎曲線，所述兩彎曲線互不相交且不與所述開口環(huán)相交。在本發(fā)明所述的負(fù)磁導(dǎo)率超材料中，所述彎曲線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，所述彎曲線的蛇形彎曲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，所述兩根彎曲線成對(duì)稱分布。在本發(fā)明所述的負(fù)磁導(dǎo)率超材料中，所述開口環(huán)為矩形開口環(huán)或者圓形開口環(huán)。在本發(fā)明所述的負(fù)磁導(dǎo)率超材料中，所述開口環(huán)為近“凹”字形開口環(huán)，包括矩形開口環(huán)和自所述矩形開口環(huán)的兩端端點(diǎn)向環(huán)內(nèi)延伸的一對(duì)平行線。
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)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(zhǎng)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)為ΙΤ0、碳納米管或者石墨。實(shí)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)率的絕對(duì)值，從而強(qiáng)化負(fù)磁導(dǎo)率效果，以滿足特定條件下對(duì)負(fù)磁導(dǎo)率值的要求。


下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，附圖中圖I是現(xiàn)有技術(shù)的超材料的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明第一實(shí)施例的負(fù)磁導(dǎo)率超材料的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是圖2所示負(fù)磁導(dǎo)率超材料的一個(gè)材料單元的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是圖3所示材料單元的尺寸示意圖；圖5是現(xiàn)有技術(shù)的超材料的仿真示意圖；圖6是圖2所示實(shí)施例的負(fù)磁導(dǎo)率超材料的仿真示意圖；圖7是本發(fā)明第二實(shí)施例的人造微結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖8是本發(fā)明第三實(shí)施例的人造微結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明涉及一種負(fù)磁導(dǎo)率超材料，如圖2、圖3所示，包括至少一個(gè)材料片層1，每個(gè)材料片層I包括基板2和附著在基板2表面上的多個(gè)人造微結(jié)構(gòu)3。基板2為平板狀，也可以為彎成圓環(huán)的薄片狀，或者多個(gè)長(zhǎng)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、FR4、陶瓷等非金屬材料。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?yàn)樾?、以垂直于X方向的y方向?yàn)榱械嘏帕校腋餍虚g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(zhǎng)的五分之一，也即例如工作環(huán)境是波長(zhǎng)為λ的電磁波，需要超材料對(duì)此電磁波的電磁特性是呈現(xiàn)負(fù)磁導(dǎo)率，則設(shè)計(jì)人造微結(jié)構(gòu)時(shí)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(gè)人造微結(jié)構(gòu)3的長(zhǎng)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(shí)，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(gè)時(shí)，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(shí)，各材料片層I沿垂直于基板2表面的ζ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(gè)材料片層I共圓心軸地安裝固定。如圖2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(gè)基板單元20，基板單元20的長(zhǎng)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(gè)基板單元20的表面上正好對(duì)應(yīng)有一個(gè)人造微結(jié)構(gòu)3。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，設(shè)計(jì)了一種具有新的幾何圖形的人造微結(jié)構(gòu)3，如圖2、圖3所示，其包括開口環(huán)31和自所述開口環(huán)31的兩端端點(diǎn)分別向環(huán)內(nèi)蛇形彎曲延伸的兩根彎曲線32，所述兩彎曲線32互不相交且不與所述開口環(huán)31相交。開口環(huán)31的絲線和彎曲線 32均是由導(dǎo)電材料制成的，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。開口環(huán)31是由一根導(dǎo)電材料制成的絲線如銅線或銀線圍成的，絲線兩端端部靠攏而不連接從而形成開口，現(xiàn)有技術(shù)中的開口諧振環(huán)(Split RingResonator,簡(jiǎn)稱SRR),就是一種典型的開口環(huán)結(jié)構(gòu)，通常為具有開口的圓環(huán)即圓形開口環(huán)或者具有開口的矩形環(huán)即矩形開口環(huán)，也有近“凹”字形結(jié)構(gòu)，如圖I所示，其包括矩形開口環(huán)和自所述矩形開口環(huán)的兩端端點(diǎn)向環(huán)內(nèi)延伸的一對(duì)平行線。現(xiàn)在的這些開口環(huán)雖然在一定頻段范圍內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)負(fù)磁導(dǎo)率，但是其絕對(duì)值仍然較小，接近于0，通常在O -5之間，不具有明顯的負(fù)磁導(dǎo)率特性。本發(fā)明是在現(xiàn)有的開口環(huán)基礎(chǔ)上進(jìn)行的改進(jìn)，能夠大大提聞負(fù)磁導(dǎo)率的絕對(duì)值。 圖2、圖3所示的第一實(shí)施例中，兩根彎曲線32是從近“凹”字形開口環(huán)的所述兩平行線末端分別向兩側(cè)的內(nèi)部區(qū)域蛇形彎曲延伸的。這里的蛇形彎曲延伸，是指一點(diǎn)自一起始點(diǎn)始終向前(或者不倒退)行進(jìn)的同時(shí)在垂直于其行進(jìn)的方向來回往復(fù)所形成的軌跡。在超材料領(lǐng)域中，可以通過將人造微結(jié)構(gòu)等效為電路來分析人造微結(jié)構(gòu)對(duì)超材料的電磁特性的影響。本發(fā)明中，在開口環(huán)中增設(shè)蛇形的彎曲線，每?jī)上噜徸呔€可以等效為一個(gè)電容的兩個(gè)極板，因此每個(gè)彎曲線相當(dāng)于多個(gè)電容串聯(lián)得到一個(gè)總電阻，增加其電容量， 而兩個(gè)彎曲線相當(dāng)于一個(gè)總電容。與沒有設(shè)置彎曲線的開口環(huán)相比，本發(fā)明的人造微結(jié)構(gòu)相當(dāng)于增加了電容。在電磁學(xué)中，已知磁導(dǎo)率μ與磁場(chǎng)強(qiáng)度H、磁感應(yīng)強(qiáng)度B及磁導(dǎo)率μ之間的關(guān)系為μ =Β/Η。由公式可以看出，磁導(dǎo)率μ與磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比，另外，增加電容等效于電容量的提升，有助于大量電量的集聚，進(jìn)而通過電磁效應(yīng)，有效地提高磁感應(yīng)強(qiáng)度，本發(fā)明的改進(jìn)后的人造微結(jié)構(gòu)相當(dāng)于增加了電容，從而提高了結(jié)構(gòu)內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，進(jìn)而提高負(fù)磁導(dǎo)率的絕對(duì)值。例如，在本發(fā)明的第一實(shí)施例中，每個(gè)基板單元20、人造微結(jié)構(gòu)3構(gòu)成的材料單元如圖4所示，基板2選擇FR-4環(huán)氧樹脂材料，厚度為O. 4_，基板單元的尺寸為 40mmX40mmX0. 4mm,即A = 40mm ;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W= Imm,線寬也為W,即Imm,且所有的走線間距也為W,即1mm。對(duì)上述材料單元進(jìn)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6所示。 由圖可知，本實(shí)施例的材料單元在O. 21 O. 24GHz范圍內(nèi)其磁導(dǎo)率均為負(fù)值，且最低磁導(dǎo)率能夠達(dá)到-26，且達(dá)到最低磁導(dǎo)率是其虛部的損耗非常小，基本上為O。而其他條件與上述圖4所示實(shí)施例完全相同，只是沒有圖4中的兩條彎曲線從而形成如圖I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5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(dá)到-5. 5，其絕對(duì)值相對(duì)較小，很難達(dá)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(duì)值，從而強(qiáng)化負(fù)磁導(dǎo)率效果，以滿足特定條件下對(duì)負(fù)磁導(dǎo)率值的要求。上面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實(shí)施方式
，例如開口環(huán)的邊角不一定為直角，可以為如圖7所示的圓角過渡，另外，開口環(huán)也并不必然為近“凹”字形，還可以是具有缺口的圓環(huán)形，如圖8所示。兩個(gè)彎曲線可以相同，也可以不同，可以為鏡像對(duì)稱分布，也可以為平行并排設(shè)置。上述的具體實(shí)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(hù)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(hù)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且成周期性排布的多個(gè)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)包括開口環(huán)和自所述開口環(huán)的兩端端點(diǎn)分別向環(huán)內(nèi)蛇形彎曲延伸的兩根彎曲線，所述兩彎曲線互不相交且不與所述開口環(huán)相交。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的負(fù)磁導(dǎo)率超材料，其特征在于，所述彎曲線的走線間距等于線寬。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的負(fù)磁導(dǎo)率超材料，其特征在于，所述彎曲線的蛇形彎曲的拐角為直角或者圓角。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的負(fù)磁導(dǎo)率超材料，其特征在于，所述兩根彎曲線成對(duì)稱分布。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的負(fù)磁導(dǎo)率超材料，其特征在于，所述開口環(huán)為矩形開口環(huán)或者圓形開口環(huán)。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的負(fù)磁導(dǎo)率超材料，其特征在于，所述開口環(huán)為近“凹”字形開口環(huán)，包括矩形開口環(huán)和自所述矩形開口環(huán)的兩端端點(diǎn)向環(huán)內(nèi)延伸的一對(duì)平行線。
7.根據(jù)權(quán)利要求I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(zhǎng)的五分之一。
8.根據(jù)權(quán)利要求I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I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I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且成周期性排布的多個(gè)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)包括開口環(huán)和自所述開口環(huán)的兩端端點(diǎn)分別向環(huán)內(nèi)蛇形彎曲延伸的兩根彎曲線，所述兩彎曲線互不相交且不與所述開口環(huán)相交。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(duì)值，從而強(qiáng)化負(fù)磁導(dǎo)率效果，以滿足特定條件下對(duì)負(fù)磁導(dǎo)率值的要求。
文檔編號(hào)H01Q15/00GK102610923SQ20111029806
公開日2012年7月25日 申請(qǐng)日期2011年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月28日
發(fā)明者何嘉威, 劉若鵬, 寇超鋒, 欒琳 申請(qǐng)人:深圳光啟創(chuàng)新技術(shù)有限公司, 深圳光啟高等理工研究院