專利名稱：一種負磁導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，具體地涉及一種負磁導率超材料。
背景技術(shù)：
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(jīng)趨于成熟，對于負磁導率超材料的研究是現(xiàn)在國內(nèi)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(chǎn)生極化作用，因此作用范圍很大，如在醫(yī)學成像領(lǐng)域中的磁共振成像技術(shù)，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(lǐng)域，磁導率通常都是指相對磁導率，為物質(zhì)的絕對磁導率U與磁性常數(shù) U。(又稱真空磁導率)的比值，h= U/U。，無量綱值。通?！跋鄬Α倍旨胺栂聵藃都被省去。磁導率是表示物質(zhì)受到磁化場H作用時，內(nèi)部的真磁場相對于H的增加(ii > I) 或減少< D的程度。至今發(fā)現(xiàn)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(zhì)的人工復(fù)合結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料。通過在材料的關(guān)鍵物理尺度上的結(jié)構(gòu)有序設(shè)計，可以突破某些表觀自然規(guī)律的限制， 從而獲得超出自然界固有的普通性質(zhì)的超常材料功能。超材料的性質(zhì)和功能主要來自于其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)而非構(gòu)成它們的材料。目前，現(xiàn)有的人造微結(jié)構(gòu)的幾何形狀為“工”字形或者如圖I所示的類似“凹”字形的開口環(huán)形，但這結(jié)構(gòu)都不能實現(xiàn)磁導率U明顯小于0或使超材料諧振頻率降低，也不能實現(xiàn)各向同性，只有通過設(shè)計具有特殊幾何圖形的人造微結(jié)構(gòu)， 才能使得該人工電磁材料在特定頻段內(nèi)達到磁導率y值小于0，并具有較低的諧振頻率。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于，針對現(xiàn)有技術(shù)中負磁導率超材料諧振頻率較高、不能實現(xiàn)各向同性的情況，提供一種諧振頻率較低的各向同性負磁導率超材料。本發(fā)明實現(xiàn)發(fā)明目的采用的技術(shù)方案是，所述超材料包括介質(zhì)基板以及固定在介質(zhì)基板上的微結(jié)構(gòu)層，所述微結(jié)構(gòu)層上周期性的陣列著微結(jié)構(gòu)，所述微結(jié)構(gòu)由四根長度相等的螺旋金屬線等間距嵌套而成，所述微結(jié)構(gòu)繞其旋轉(zhuǎn)對稱中心旋轉(zhuǎn)90°、180°、270°后分別與初始微結(jié)構(gòu)重合。在本發(fā)明所述的負磁導率超材料中，所述超材料由兩層所述介質(zhì)基板與兩層所述微結(jié)構(gòu)層相間層疊而成。在本發(fā)明所述的負磁導率超材料中，所述兩層介質(zhì)基板，一層為介電常數(shù)為10-20 的第一介質(zhì)基板，一層為介電常數(shù)為5-10的第二介質(zhì)基板。在本發(fā)明所述的負磁導率超材料中，所述第一介質(zhì)基板的厚度為0. 005-0. 015mm。在本發(fā)明所述的負磁導率超材料中，，所述第二介質(zhì)基板的厚度為 0. IOmm-O. 30mm。在本發(fā)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(fā)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。
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在本發(fā)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(fā)明所述的負磁導率超材料中，所述螺旋金屬線的截面為矩形。在本發(fā)明所述的負磁導率超材料中，所述螺旋金屬線嵌套層數(shù)大于2。本發(fā)明的有益效果在于，由四根金屬線嵌套而成的金屬微結(jié)構(gòu)，相當于增加了電容和電感，電容和電感增加，其對應(yīng)的諧振頻率就會降低，本發(fā)明設(shè)計了兩層介質(zhì)基板與兩層微結(jié)構(gòu)層相間排列，且選用一層第一高介電常數(shù)的介質(zhì)基板夾在兩層微結(jié)構(gòu)之間，增加了超材料的電容，進一步降低了超材料的頻率，同時，微結(jié)構(gòu)的排列方式，使整個超材料呈各向同性，實用性強，具有良好的發(fā)展前景。

圖1，現(xiàn)有的負磁導率超材料微結(jié)構(gòu)示意圖；圖2，本發(fā)明微結(jié)構(gòu)示意圖；圖3，本發(fā)明實施例側(cè)視圖；圖4，圖3的左視圖；圖5，現(xiàn)有的負磁導率超材料的微結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果示意圖；圖6，本發(fā)明微結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果示意圖；圖中，I微結(jié)構(gòu)層、2第一介質(zhì)基板、3第二介質(zhì)基板、4微結(jié)構(gòu)、10超材料片層。
具體實施方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細說明。本發(fā)明提供一種負磁導率超材料，包括介質(zhì)基板2、3以及固定在介質(zhì)基板上的微結(jié)構(gòu)層1，微結(jié)構(gòu)層I上周期性的陣列著微結(jié)構(gòu)4，微結(jié)構(gòu)4由四根長度相等的矩形螺旋金屬線等間距嵌套而成，微結(jié)構(gòu)4繞其旋轉(zhuǎn)對稱中心旋轉(zhuǎn)90°、180°、270°后分別與初始微結(jié)構(gòu)重合，微結(jié)構(gòu)4的示意圖參見圖2，這種對稱的微結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)超材料的各向同性。下面將結(jié)合附圖，對本發(fā)明實施例的負磁導率超材料的構(gòu)成原理及有益效果做詳細說明。如圖3本發(fā)明實施例側(cè)視圖所不,本發(fā)明實施例的負磁導率超材料由一層第一介質(zhì)基板2、一層第二介質(zhì)基板3與兩層微結(jié)構(gòu)層I相間層疊而成。本發(fā)明超材料由兩層微結(jié)構(gòu)層組合而成，可以增強內(nèi)部電磁場響應(yīng)，達到降頻的目的。微結(jié)構(gòu)4在介質(zhì)基板2、3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(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四分之一，即例如工作環(huán)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(xiàn)負磁導率，則設(shè)計人造微結(jié)構(gòu)時將上述行間距、列間距選擇不大于入/4，優(yōu)選為入/10。顯然，為了使微結(jié)構(gòu)4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X/4。周期性排布還可以有其他具有循環(huán)規(guī)律的排布方式，例如當介質(zhì)基板2、3為圓形或多邊形時，微結(jié)構(gòu)4沿著圓形或多邊形基板2、3的外圓柱面等間距地繞一周。本發(fā)明優(yōu)選實施例的介質(zhì)基板2、3為矩形， 參見圖3、圖4。當超材料片層10有多個時，可以按照一定的規(guī)律將它們封裝起來，例如當介質(zhì)基板2、3為平板狀時，各超材料片層10沿垂直于介質(zhì)基板2、3表面的方向依次排列，片層之間相互平行設(shè)置，優(yōu)選平行且間距相等，當介質(zhì)基板2、3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(fā)明的負磁導率超材料介質(zhì)基板可以使用FR-4基板、聚丙烯基板或陶瓷基板， 微結(jié)構(gòu)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，如導電塑料等。本發(fā)明實施例超材料兩層微結(jié)構(gòu)層中間的第一介質(zhì)基板2選用介電常數(shù)為16 的高介電常數(shù)陶瓷基板，厚度0.011mm，第一介質(zhì)基板2的介電常數(shù)越高、厚度越薄能使超材料整體的諧振頻率降低，第二介質(zhì)基板3選用聚丙烯基板，厚度為0. 139mm，介電常數(shù)為
7.7，第二介質(zhì)基板3主要選擇損耗較小的基板，起到保護微結(jié)構(gòu)、降低整體損耗的作用。如圖2所示的微結(jié)構(gòu)使用銅線，銅線的線寬為0. 10mm，銅線的厚度為0. 018mm，銅線的線間距為0. IOmm,超材料的整體尺寸為15mmX15mm。本發(fā)明實現(xiàn)負磁導率的原理為，對于開口諧振環(huán)微結(jié)構(gòu)而言，可以等效為LC震蕩電路，金屬線等效為電感L，線間電容、開口諧振環(huán)之間的耦合電容等效電容C，通過仿真發(fā)現(xiàn)，在其他條件不改變的情況下，銅線越長，線間距越近，則等效電容值C越大。同理我們可以定性的判斷電感L的變化，銅線線長越長，電感L越大。本發(fā)明中微結(jié)構(gòu)單元的銅線繞線圈數(shù)越多，其電感越大(存在互感)。由LC振蕩電路公式/o 可知，當電感值增大時，其對應(yīng)的諧振頻率則降低。下文將以圖I所示的現(xiàn)有技術(shù)的微結(jié)構(gòu)為例，比較本發(fā)明的微結(jié)構(gòu)相對于現(xiàn)有技術(shù)微結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性?，F(xiàn)有技術(shù)是直接將圖I所示的凹形開口諧振環(huán)陣列排布在介質(zhì)基板上，制成超材料，本發(fā)明將四根長度相等的方形螺旋金屬線等間距嵌套，形成微結(jié)構(gòu)，再將若干微結(jié)構(gòu)陣列排布在介質(zhì)基板上形成微結(jié)構(gòu)層，最后將微結(jié)構(gòu)層與介質(zhì)基板按圖3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(xiàn)超材料的各向同性。為比較現(xiàn)有技術(shù)與本發(fā)明性能的區(qū)別，用CST對現(xiàn)有技術(shù)負磁導率超材料與本發(fā)明實施例的負磁導率超材料進行了仿真，仿真時設(shè)定現(xiàn)有技術(shù)中的超材料與本發(fā)明實施例的超材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)完全相同，現(xiàn)有的負磁導超材料的微結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果示意圖參見圖5，由圖5可知，現(xiàn)有技術(shù)要實現(xiàn)磁導率小于O，其對應(yīng)頻率在400MHz以上，且損耗較大，本發(fā)明微結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果示意圖參見圖6，由圖6可知，本發(fā)明的超材料實現(xiàn)負磁導率的對應(yīng)頻率在 150MHz以內(nèi)，低于現(xiàn)有技術(shù)超材料實現(xiàn)負磁導率的頻率，降頻效果顯著，損耗較小，并且能實現(xiàn)超材料的各向同性，對于超材料工業(yè)的發(fā)展，具有重要意義。本發(fā)明中的上述實施例僅作了示范性描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員在閱讀本專利申請后可以在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下對本發(fā)明進行各種修改。
權(quán)利要求
1.一種負磁導率超材料，所述超材料包括介質(zhì)基板以及固定在介質(zhì)基板上的微結(jié)構(gòu)層，其特征在于，所述微結(jié)構(gòu)層上周期性的陣列著微結(jié)構(gòu)，所述微結(jié)構(gòu)由四根長度相等的螺旋金屬線等間距嵌套而成，所述微結(jié)構(gòu)繞其旋轉(zhuǎn)對稱中心旋轉(zhuǎn)90°、180°、270°后分別與初始微結(jié)構(gòu)重合。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的負磁導率超材料，其特征在于，所述超材料由兩層所述介質(zhì)基板與兩層所述微結(jié)構(gòu)層相間層疊而成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的負磁導率超材料，其特征在于，所述兩層介質(zhì)基板，一層為介電常數(shù)為10-20的第一介質(zhì)基板,一層為介電常數(shù)為5-10的第二介質(zhì)基板。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的負磁導率超材料，其特征在于，所述第一介質(zhì)基板的厚度為 0. 005—0. 015mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的負磁導率超材料，其特征在于，所述第二介質(zhì)基板的厚度為0.IOmm-O. 30mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求I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。
7.根據(jù)權(quán)利要求I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。
8.根據(jù)權(quán)利要求I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。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的負磁導率超材料，其特征在于，所述螺旋金屬線的截面為矩形。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的負磁導率超材料，其特征在于，所述螺旋金屬線嵌套層數(shù)大于2。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種負磁導率超材料，所述超材料包括介質(zhì)基板以及固定在介質(zhì)基板上的微結(jié)構(gòu)層，所述微結(jié)構(gòu)層上周期性的陣列著微結(jié)構(gòu)，所述微結(jié)構(gòu)由四根長度相等的螺旋金屬線等間距嵌套而成，所述微結(jié)構(gòu)繞其旋轉(zhuǎn)對稱中心旋轉(zhuǎn)90°、180°、270°后分別與初始微結(jié)構(gòu)重合。在實現(xiàn)負磁導率的前提下，采用本發(fā)明可以有效降低超材料的諧振頻率，滿足一些特殊條件下對負磁導率值的要求，制成的超材料符合各向同性，本發(fā)明對于超材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義，具有良好的應(yīng)用前景。
文檔編號H01Q15/00GK102593599SQ201210051068
公開日2012年7月18日 申請日期2012年2月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月29日
發(fā)明者余銓強, 劉若鵬, 趙治亞, 郭潔 申請人:深圳光啟創(chuàng)新技術(shù)有限公司