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，具體地涉及一種負(fù)磁導(dǎo)率超材料。
背景技術(shù)：
目前，國(guó)際社會(huì)對(duì)磁導(dǎo)率方面已有大量的研究，其中對(duì)于正磁導(dǎo)率的研究已經(jīng)趨于成熟，對(duì)于負(fù)磁導(dǎo)率超材料的研究是現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，負(fù)磁導(dǎo)率具有量子極化作用，可以對(duì)入射波產(chǎn)生極化作用，因此作用范圍很大，如在醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域中的磁共振成像技術(shù)，負(fù)磁導(dǎo)率材料能夠加強(qiáng)電磁波的成像效果，另外負(fù)磁導(dǎo)率材料在透鏡研究方面亦有重要作用，在工程領(lǐng)域，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U與磁性常數(shù) PO(又稱真空磁導(dǎo)率)的比值，ur= y/PO，無(wú)量綱值。通?！跋鄬?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(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(guò)在材料的關(guān)鍵物理尺度上的結(jié)構(gòu)有序設(shè)計(jì)，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(lái)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(kāi)口環(huán)形，但這結(jié)構(gòu)都不能實(shí)現(xiàn)磁導(dǎo)率U明顯小于0或使超材料諧振頻率顯著降低，只有通過(guò)設(shè)計(jì)具有特殊幾何圖形的人造微結(jié)構(gòu)，才能使得該人工電磁材料在特定頻段內(nèi)達(dá)到磁導(dǎo)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(wèn)題在于，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中負(fù)磁導(dǎo)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(fù)磁導(dǎo)率超材料。本發(fā)明實(shí)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)層上周期性的陣列多個(gè)微結(jié)構(gòu)，所述微結(jié)構(gòu)為螺旋形微結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明所述的負(fù)磁導(dǎo)率超材料中，所述螺旋形微結(jié)構(gòu)為阿基米德螺線形微結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明所述的負(fù)磁導(dǎo)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(fù)磁導(dǎo)率超材料中，所述金屬線的線間距0. 05-0. 15mm。在本發(fā)明所述的負(fù)磁導(dǎo)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(fù)磁導(dǎo)率超材料中，所述超材料的介質(zhì)基板為FR-4基板或陶瓷基板。在本發(fā)明所述的負(fù)磁導(dǎo)率超材料中，所述FR-4基板的介電常數(shù)為4. 2-4. 6。在本發(fā)明所述的負(fù)磁導(dǎo)率超材料中，所述陶瓷基板的介電常數(shù)為8-16。在本發(fā)明所述的負(fù)磁導(dǎo)率超材料中，所述金屬線旋轉(zhuǎn)圈數(shù)大于2。
本發(fā)明的有益效果在于，本法明的微結(jié)構(gòu)為阿基米德螺線形微結(jié)構(gòu)，每一圈金屬線都有線間電容，繞線圈數(shù)越多，相當(dāng)于增加了超材料電容，同時(shí)，金屬線長(zhǎng)度越長(zhǎng)，相當(dāng)于增加了超材料的電感，電容和電感增加，超材料對(duì)應(yīng)的諧振頻率就會(huì)降低，根據(jù)上述微結(jié)構(gòu)的形狀可知，超材料呈各項(xiàng)異性，這種可以顯著降低諧振頻率的負(fù)磁導(dǎo)率超材料具有良好的發(fā)展前景。

圖1，現(xiàn)有的負(fù)磁導(dǎo)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)明微結(jié)構(gòu)放大示意圖；圖4，本發(fā)明實(shí)施例側(cè)視圖；圖5，圖4的左視圖；圖6，現(xiàn)有的負(fù)磁導(dǎo)率超材料的磁導(dǎo)率仿真效果示意圖；圖7，本發(fā)明負(fù)磁導(dǎo)率超材料的磁導(dǎo)率仿真效果示意圖；圖中，I微結(jié)構(gòu)層、2介質(zhì)基板、3微結(jié)構(gòu)、10超材料片層。
具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。本發(fā)明提供一種負(fù)磁導(dǎo)率超材料，如圖4、圖5所不,包括介質(zhì)基板2、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)3，微結(jié)構(gòu)3阿基米德螺線形微結(jié)構(gòu)，本發(fā)明微結(jié)構(gòu)示意圖參見(jiàn)圖2，這種微結(jié)構(gòu)能夠使超材料呈各向異性。這里的阿基米德螺線是指，對(duì)于平面上的一點(diǎn)P沿動(dòng)射線OP以等速率運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，該射線又以等角速度繞0旋轉(zhuǎn)，點(diǎn)P的軌跡稱為阿基米德螺線。本發(fā)明微結(jié)構(gòu)金屬線繞線的形狀為阿基米德螺線，對(duì)于圖2中的微結(jié)構(gòu)，Oe為極坐標(biāo)系的極點(diǎn)，Oe與阿基米德螺線的一個(gè)端點(diǎn)的連線為極坐標(biāo)系的極軸，則此螺線上的任一一點(diǎn)均可用極坐標(biāo)(Pe，0)表示，其中Pe為該點(diǎn)的極徑，0為該點(diǎn)的極角，P e(0)表示極長(zhǎng)關(guān)于極角的函數(shù)，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(yuǎn)等于2 a，a為常數(shù)。下面將結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的負(fù)磁導(dǎo)率超材料的構(gòu)成原理及有益效果做詳細(xì)說(shuō)明。微結(jié)構(gòu)3在介質(zhì)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?yàn)樾?、以垂直于X方向的y方向?yàn)榱械嘏帕?，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(zhǎng)的四分之一，即例如工作環(huán)境是波長(zhǎng)為、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、列間距選擇不大于入/4，優(yōu)選為入/10。顯然，為了使微結(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(dāng)介質(zhì)基板2為圓形或多邊形時(shí)，微結(jié)構(gòu)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(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的介質(zhì)基板2為矩形，參見(jiàn)圖 5。當(dāng)超材料片層10有多個(gè)時(shí)，可以按照一定的規(guī)律將它們封裝起來(lái)，例如當(dāng)介質(zhì)基板2為平板狀時(shí)，各超材料片層10沿垂直于介質(zhì)基板2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(dāng)介質(zhì)基板2為上述圓形或多邊形，則可以將多個(gè)超材料片層10共圓心軸地安裝固定。本發(fā)明的負(fù)磁導(dǎo)率超材料介質(zhì)基板可以使用FR-4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(dǎo)電材料，如導(dǎo)電塑料、 ITO(銦錫氧化物)、碳納米管、石墨等。本發(fā)明實(shí)施例負(fù)磁導(dǎo)率超材料的介質(zhì)基板為FR-4 基板，介電常數(shù)為4. 4。如圖2所示的微結(jié)構(gòu)使用銅線。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)負(fù)磁導(dǎo)率的原理為，對(duì)于本發(fā)明的微結(jié)構(gòu)而言，可以等效為L(zhǎng)C震蕩電路，整個(gè)螺線可以等效為一個(gè)極板長(zhǎng)度約等于螺旋線總長(zhǎng)度的、極板呈螺旋形的電容，螺線長(zhǎng)度表征結(jié)構(gòu)可以等效為電感，通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)，在其他條件不改變的情況下，銅線越長(zhǎng)，則結(jié)構(gòu)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(dāng)電感值、電容值均增大時(shí)，其對(duì)應(yīng)的諧振頻率則降低?，F(xiàn)有技術(shù)是直接將圖I所示的凹形開(kāi)口諧振環(huán)陣列排布在介質(zhì)基板上，制成超材料，本發(fā)明微結(jié)構(gòu)為阿基米德螺線形微結(jié)構(gòu)，再將若干微結(jié)構(gòu)周期性的陣列排布在介質(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(shí)現(xiàn)超材料的各向異性。為比較現(xiàn)有技術(shù)與本發(fā)明負(fù)磁導(dǎo)率超材料性能的區(qū)別，用CST對(duì)現(xiàn)有技術(shù)負(fù)磁導(dǎo)率超材料與本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例負(fù)磁導(dǎo)率超材料分別進(jìn)行了仿真，仿真時(shí)設(shè)定現(xiàn)有技術(shù)中超材料與本發(fā)明實(shí)施例的超材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)完全相同，仿真過(guò)程中本發(fā)明實(shí)施例的具體參數(shù)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(shù)4. 4,超材料微結(jié)構(gòu)的尺寸為15_X15mm。現(xiàn)有負(fù)磁導(dǎo)超材料的磁導(dǎo)率關(guān)于頻率的電磁響應(yīng)曲線參見(jiàn)圖6，由圖6可知，現(xiàn)有技術(shù)要實(shí)現(xiàn)磁導(dǎo)率小于0，其對(duì)應(yīng)頻率在 400MHz以上，且損耗較大，本發(fā)明磁導(dǎo)率仿真效果示意圖參見(jiàn)圖7，由圖7可知，本發(fā)明的超材料實(shí)現(xiàn)負(fù)磁導(dǎo)率的對(duì)應(yīng)頻率在48MHz左右，大大低于現(xiàn)有技術(shù)超材料實(shí)現(xiàn)負(fù)磁導(dǎo)率的頻率，降頻效果顯著。本發(fā)明的優(yōu)越之處在于，設(shè)計(jì)一種全新的微結(jié)構(gòu)3，如圖2、圖3所示，阿基米德螺線形微結(jié)構(gòu)不僅使本發(fā)明的負(fù)磁導(dǎo)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(shí)現(xiàn)超材料的磁導(dǎo)率為負(fù)，這種新型低頻負(fù)磁導(dǎo)率超材料對(duì)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(shí)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(qǐng)后可以在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種修改。
權(quán)利要求
1.一種負(fù)磁導(dǎo)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)層上周期性的陣列多個(gè)微結(jié)構(gòu)，所述微結(jié)構(gòu)為螺旋形微結(jié)構(gòu)。
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，所述螺旋形微結(jié)構(gòu)為阿基米 德螺線形微結(jié)構(gòu)。
3.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，所述金屬線的線寬 0. 05-0. 15mm。
4.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，所述金屬線的線間距 0. 05-0. 15mm。
5.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，所述金屬線的厚度 0. 015—0. 020mm。
6.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，所述超材料的介質(zhì)基板為 FR-4基板或陶瓷基板。
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FR-4基板的介電常數(shù)為 4. 2-4. 6。
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，所述陶瓷基板的介電常數(shù)為 8-16。
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，所述金屬線旋轉(zhuǎn)圈數(shù)大于2。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種負(fù)磁導(dǎo)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)層上周期性的陣列多個(gè)微結(jié)構(gòu)，所述微結(jié)構(gòu)為螺旋形微結(jié)構(gòu)。在實(shí)現(xiàn)負(fù)磁導(dǎo)率的前提下，采用本發(fā)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(shí)現(xiàn)超材料的磁導(dǎo)率為負(fù)，同時(shí)，本發(fā)明超材料呈各向異性，對(duì)于超材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義，具有良好的發(fā)展前景。
文檔編號(hào)H01Q15/00GK102593600SQ201210051069
公開(kāi)日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2012年2月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月29日
發(fā)明者劉若鵬, 劉豫青, 趙治亞, 郭潔 申請(qǐng)人:深圳光啟創(chuàng)新技術(shù)有限公司