一種三維各向同性負(fù)磁導(dǎo)率結(jié)構(gòu)及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種負(fù)磁導(dǎo)率材料，特別是一種三維各向同性負(fù)磁導(dǎo)率結(jié)構(gòu)及其制備 方法，屬于磁負(fù)"超材料"結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 1968年，前蘇聯(lián)科學(xué)家Veselago對介電常數(shù)e和磁導(dǎo)率]i同時(shí)為負(fù)值的媒介 做了深入研究，并從理論上提出了左手材料的概念。盡管左手材料有很多新奇的電磁特性， 但是自然界中并不存在實(shí)際的左手材料，Veselago的成果被忽視近30年。直到1999年， 英國的Pendry等提出周期性排列的金屬線（ROD)在其等離子體效應(yīng)的作用下能產(chǎn)生負(fù)的 介電常數(shù)，并且發(fā)現(xiàn)金屬開口諧振環(huán)（SRRs)結(jié)構(gòu)的磁導(dǎo)率在一定頻域內(nèi)表現(xiàn)為負(fù)值。2001 年，美國加州大學(xué)的Smith等人用電路板刻蝕技術(shù)將Pendry提出的兩種結(jié)構(gòu)組合成一種人 工復(fù)合材料，首次實(shí)現(xiàn)了微波段的雙負(fù)特性，從此左手材料的結(jié)構(gòu)研究得以復(fù)。
[0003] SRRs是左手材料中實(shí)現(xiàn)負(fù)磁導(dǎo)率的微結(jié)構(gòu)單元，因此對SRRs的研究成為左手材 料發(fā)展的關(guān)鍵，基于SRRs結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出磁導(dǎo)率為負(fù)的材料也一度成為"超材料"的研究熱潮。 例如隨后提出的矩形諧振環(huán)結(jié)構(gòu)，樹叉型結(jié)構(gòu)，八邊形諧振環(huán)結(jié)構(gòu)等都是在SRRs的基礎(chǔ)上 改進(jìn)的負(fù)磁導(dǎo)率結(jié)構(gòu)，同時(shí)也在一定程度改善了 SRRs結(jié)構(gòu)損耗大，頻帶窄的缺陷。然而這 些類SRRs結(jié)構(gòu)基本都是一維的，即只有電磁波以平行SRRs平面的方向入射時(shí)，才能實(shí)現(xiàn)磁 負(fù)特性。一維磁負(fù)材料在實(shí)用性方面存在很大的局限性，對于磁負(fù)材料這種異向介質(zhì)而言， 只有實(shí)現(xiàn)各向同性才能得到更好的實(shí)際應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上，有學(xué)者提出了利用多個(gè)SRRs組 成三維立體結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)各向同性的新思路，例如塞維利亞大學(xué)的Baena等利用六個(gè)SRRs圍 成了各向同性的正方體結(jié)構(gòu)；瑞士的Philippe等提出了兩個(gè)SRRs相互正交的結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn) 各向同性。但是，前者雖然能實(shí)現(xiàn)三維各向同性，但其結(jié)構(gòu)完全是由多個(gè)SRRs堆砌而成，制 備較為復(fù)雜；后者則只能在單一的平面內(nèi)（(^面）實(shí)現(xiàn)各向同性，不能實(shí)現(xiàn)三維各向同性。
[0004] 本發(fā)明在傳統(tǒng)開口諧振環(huán)（SRRs)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上提出了一種新型的八開口諧振環(huán) (ESRRs)，ESRRs與SRRs具有相似的磁響應(yīng)機(jī)理，都能夠?qū)崿F(xiàn)磁導(dǎo)率為負(fù)的特性。本發(fā)明將 三個(gè)八開口諧振環(huán)相互正交構(gòu)成一種三維立體結(jié)構(gòu)（CESRRs)，該三維立體結(jié)構(gòu)具有很好的 自身對稱性，克服了傳統(tǒng)開口諧振環(huán)只能實(shí)現(xiàn)單一平面各向同性的局限，能夠真正實(shí)現(xiàn)三 維各向同性。通過仿真分析發(fā)現(xiàn)ESRRs在C波段（4. 0-8. 0GHz)內(nèi)能實(shí)現(xiàn)磁導(dǎo)率為負(fù)特性， 并且實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了 CESRRs是一種C波段內(nèi)的三維各向同性磁負(fù)結(jié)構(gòu)?？蓪?shí)現(xiàn)在衛(wèi)星電視廣 播和各類小型衛(wèi)星地面站中的應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是基于傳統(tǒng)開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)，提出一種三維各向同性負(fù)磁導(dǎo)率結(jié)構(gòu) 及其制備方法，該結(jié)構(gòu)不僅可在C波段（4.0-8. 0GHz)內(nèi)實(shí)現(xiàn)磁導(dǎo)率為負(fù)特性，而且能夠完 美實(shí)現(xiàn)三維各向同性，是一種良好的三維各向同性磁負(fù)結(jié)構(gòu)，解決了傳統(tǒng)磁負(fù)"超材料"制 備的復(fù)雜性和入射方向的局限性問題。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的設(shè)計(jì)方案是：一種三維各向同性負(fù)磁導(dǎo)率結(jié)構(gòu)，所述的 三維各向同性負(fù)磁導(dǎo)率結(jié)構(gòu)包括三個(gè)八開口諧振環(huán)，所述的八開口諧振環(huán)由一個(gè)鋁制內(nèi)圓 環(huán)和一個(gè)鋁制外圓環(huán)嵌套組成，所述內(nèi)圓環(huán)和外圓環(huán)的四等分處均設(shè)置有切口，所述內(nèi)圓 環(huán)4個(gè)切口的中心分別與外圓環(huán)4個(gè)1/4圓弧的中心對應(yīng)放置，所述三個(gè)八開口諧振環(huán)的 三個(gè)外圓環(huán)在外圓環(huán)切口處兩兩正交設(shè)置，所述三個(gè)八開口諧振環(huán)的三個(gè)內(nèi)圓環(huán)在內(nèi)圓環(huán) 1/4圓弧的中心處兩兩正交設(shè)置。
[0007] 根據(jù)本發(fā)明所述的八開口諧振環(huán)，進(jìn)一步地，所述外圓環(huán)和內(nèi)圓環(huán)的鋁條厚度為 50um，寬度為4mm + 1臟。
[0008] 根據(jù)本發(fā)明所述的八開口諧振環(huán)，進(jìn)一步地，所述外圓環(huán)和內(nèi)圓環(huán)的切口寬度為 6mm土1mm。
[0009] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提供一種三維各向同性負(fù)磁導(dǎo)率結(jié)構(gòu)的制備方法，所 述的三維各向同性負(fù)磁導(dǎo)率結(jié)構(gòu)包括三個(gè)八開口諧振環(huán)，每個(gè)八開口諧振環(huán)均由一個(gè)內(nèi)圓 環(huán)和一個(gè)外圓環(huán)嵌套組成，所述內(nèi)圓環(huán)和外圓環(huán)的四等分處均設(shè)置有切口，內(nèi)圓環(huán)4個(gè)切 口的中心分別與外圓環(huán)4個(gè)1/4圓弧的中心對應(yīng)放置，所述三個(gè)八開口諧振環(huán)的三個(gè)外圓 環(huán)在外圓環(huán)切口處兩兩正交設(shè)置，所述三個(gè)八開口諧振環(huán)的三個(gè)內(nèi)圓環(huán)在內(nèi)圓環(huán)1/4圓弧 的中心處兩兩正交設(shè)置，該制備方法包括如下步驟：
[0010] (1)從具有吸附性的鋁箔片上裁得用于制作八開口諧振環(huán)的鋁條，每個(gè)八開口諧 振環(huán)均需要八根鋁條；
[0011] (2)用低介電常數(shù)的泡沫板加工三個(gè)與八開口諧振環(huán)相配合的環(huán)形泡沫；
[0012] (3)按照三個(gè)八開口諧振環(huán)的正交方式，將三個(gè)環(huán)形泡沫組合在一起；
[0013] (4)將裁得的三個(gè)八開口諧振環(huán)的鋁條分別粘附在所述環(huán)形泡沫的相應(yīng)位置；
[0014] (5)用泡沫板制作一個(gè)底座來固定諧振環(huán)。
[0015] 根據(jù)本發(fā)明所述的制備方法，進(jìn)一步地，所述泡沫板的介電常數(shù)為1. 07。
[0016] 根據(jù)本發(fā)明所述的制備方法，進(jìn)一步地，所述環(huán)形泡沫的寬度為4mm± 1mm，內(nèi)徑為 15mm±2mm，夕卜徑為 20mm±2mm。
[0017] 有益效果：
[0018] 1.本發(fā)明取材方便，制備簡單，尺寸較小，無需傳統(tǒng)制備過程中的焊接、覆銅、刻蝕 等工序，便于加工，具有極大的實(shí)用價(jià)值。
[0019] 2.本發(fā)明的三維各向同性負(fù)磁導(dǎo)率結(jié)構(gòu)由三個(gè)八開口諧振環(huán)相互正交而成，三個(gè) 外圓環(huán)在切口處兩兩相交，三個(gè)內(nèi)圓環(huán)在鋁條中心（中性點(diǎn)）處兩兩相交，這種正交方式不 會(huì)影響結(jié)構(gòu)的磁諧振行為，各諧振環(huán)之間不會(huì)產(chǎn)生電磁感應(yīng)，材料整體呈現(xiàn)穩(wěn)定的特性。
[0020] 3.本發(fā)明是基于傳統(tǒng)開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)提出來的，二者具有相似的磁響應(yīng)機(jī)理，都 能夠?qū)崿F(xiàn)磁導(dǎo)率為負(fù)的特性。
[0021] 4.本發(fā)明的三維各向同性負(fù)磁導(dǎo)率結(jié)構(gòu)是由三個(gè)八開口諧振環(huán)相互正交構(gòu)成一 種三維立體結(jié)構(gòu)。在三維空間中，該三維立體結(jié)構(gòu)的磁諧振行為不依賴于電磁波的入射角 度，并且能在同一頻域范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)負(fù)磁導(dǎo)率特性，可實(shí)現(xiàn)三維各向同性，是一種性能優(yōu)良的 三維各向同性磁負(fù)材料。
【附圖說明】
[0022] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
[0023] 圖1是本發(fā)明八開口諧振環(huán)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024] 圖2是本發(fā)明八開口諧振環(huán)的HFSS建模結(jié)構(gòu)圖；
[0025] 圖3是采用本發(fā)明八開口諧振環(huán)時(shí)的電磁波平行入射的S參數(shù)幅值（dB)圖；
[0026] 圖4是采用本發(fā)明八開口諧振環(huán)時(shí)的電磁波平行入射的等效磁導(dǎo)率實(shí)部圖。
[0027] 圖5是本發(fā)明實(shí)施例三維各向同性負(fù)磁導(dǎo)率結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028] 圖6是本發(fā)明實(shí)施例三維各向同性負(fù)磁導(dǎo)率結(jié)構(gòu)的HFSS建模結(jié)構(gòu)圖；
[0029] 圖7是本發(fā)明實(shí)施例三維各向同性負(fù)磁導(dǎo)率結(jié)構(gòu)繞其自身對稱軸z軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn) 一周，在〇xy平面的四個(gè)象限內(nèi)各自隨機(jī)選取一個(gè)旋轉(zhuǎn)角度，這四個(gè)旋轉(zhuǎn)角度對應(yīng)的S 21參數(shù) 幅值（dB)對比圖；
[0030] 圖8是本發(fā)明實(shí)施例三維各向同性負(fù)磁導(dǎo)率結(jié)構(gòu)繞其自身對稱軸z軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn) 一周，在〇xy平面的四個(gè)象限內(nèi)各自隨機(jī)選取一個(gè)旋轉(zhuǎn)角度，這四個(gè)旋轉(zhuǎn)角度對應(yīng)的等效磁 導(dǎo)率實(shí)部對比圖；
[0031] 圖9是本發(fā)明實(shí)施例三維各向同性負(fù)磁導(dǎo)率結(jié)構(gòu)同時(shí)繞三個(gè)坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)不同的 角度，隨機(jī)選取四種不同的旋轉(zhuǎn)方式，這四種旋轉(zhuǎn)條件對應(yīng)的S 21參數(shù)幅值（dB)對比圖；
[0032] 圖10是本發(fā)明八開口諧振環(huán)外圓環(huán)結(jié)構(gòu)；
[0033] 圖11是本發(fā)明八開口諧振環(huán)內(nèi)圓環(huán)結(jié)構(gòu)。
【具體實(shí)施方式】
[0034] 本發(fā)明三維各向同性負(fù)磁導(dǎo)率結(jié)構(gòu)實(shí)施例：
[0035] 本發(fā)明所述的三維各向同性負(fù)磁導(dǎo)率結(jié)構(gòu)包括三個(gè)八開口諧振環(huán)，所述的八開口 諧振環(huán)由一個(gè)鋁制內(nèi)圓環(huán)和一個(gè)鋁制外圓環(huán)嵌套組成，所述內(nèi)圓環(huán)和外圓環(huán)的四等分處均 設(shè)置有切口，所述內(nèi)圓環(huán)4個(gè)切口的中心分別與外圓環(huán)4個(gè)1/4圓弧的中心對應(yīng)放置，所述 三個(gè)八開口諧振環(huán)的三個(gè)外圓環(huán)在外圓環(huán)切口處兩兩正交設(shè)置，所述三個(gè)八開口諧振環(huán)的 三個(gè)內(nèi)圓環(huán)在內(nèi)圓環(huán)1/4圓弧的中心處兩兩正交設(shè)置。這種正交方式不會(huì)影響結(jié)構(gòu)的磁諧 振行為，有利于結(jié)構(gòu)的分析和制作，是一種C波段內(nèi)的三維各向同性磁負(fù)結(jié)構(gòu)。
[0036] 本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例詳述如下：
[0037] 如圖1，八開口諧振環(huán)由兩個(gè)鋁制圓環(huán)內(nèi)外嵌套而成，內(nèi)圓環(huán)和外圓環(huán)的四等分處 均設(shè)置有切口，由于內(nèi)外兩個(gè)圓環(huán)共引入八個(gè)切口，故命名其為八開口諧振環(huán)。內(nèi)圓環(huán)切口 中心分別與外圓環(huán)鋁條中心對應(yīng)放置。如圖5,本實(shí)施例三維各向同性負(fù)磁導(dǎo)率結(jié)構(gòu)由三個(gè) 八開口諧振環(huán)組成，三個(gè)八開口諧振環(huán)相互正交構(gòu)成的一種三維立體結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)中三個(gè)外 圓環(huán)在切口處相互正交，三個(gè)內(nèi)圓環(huán)則在鋁條中心處相互正交。圖2為本發(fā)明八開口諧振 環(huán)諧振環(huán)結(jié)構(gòu)的HFSS建模結(jié)構(gòu)，建模參數(shù)為錯(cuò)條寬度w a= 4mm，厚度t = 0. 05mm，外圓環(huán) 半徑r?t= 20?1，內(nèi)圓環(huán)半徑r in= 15mm，切口的寬度wg= 6mm。仿真實(shí)驗(yàn)中采用波端口激 勵(lì)，利用理想周期邊界條件，分別選取x方向?yàn)殡娺吔纾≒EC)，z方向?yàn)榇胚吔纾≒MC)，y方向 設(shè)置為激勵(lì)入射端口。通過仿真得到該結(jié)構(gòu)的S參數(shù)幅度（dB)曲線如圖3所示，觀察可以 發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)在4. 4GHz左右出現(xiàn)明顯諧振，通過參數(shù)提取法提取的等效磁導(dǎo)率如圖4所示， 可見在圖3對應(yīng)的4. 13-4. 31GHz的頻帶范圍內(nèi)磁導(dǎo)率為負(fù)值。
[0038] 在電磁波水平入射時(shí)，八開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)具有相同的磁響 應(yīng)機(jī)理。開口諧振環(huán)是一種磁響應(yīng)結(jié)構(gòu)單元，可以產(chǎn)生磁諧振實(shí)現(xiàn)負(fù)磁導(dǎo)率。當(dāng)入射波的 磁場分量垂直穿過諧振環(huán)平面時(shí)，由電磁感應(yīng)定律可知在諧振環(huán)內(nèi)有感應(yīng)電流產(chǎn)生，從而 引入分布電感L ;同時(shí)由于內(nèi)外兩環(huán)之間縫隙和環(huán)上切口的存在，從而引入分布電容C。因 此開口諧振環(huán)就可以等效為與其結(jié)構(gòu)相關(guān)的LC諧振電路，并且磁諧振頻率《與分布電感L 和分布電容C之間存在以下關(guān)系：似=1/# >當(dāng)入射電磁波頻率與磁諧振頻率一致時(shí)，諧 振環(huán)即可產(chǎn)生磁諧振而實(shí)現(xiàn)負(fù)磁導(dǎo)率。
[0039] 本發(fā)明的八開口諧振環(huán)與傳統(tǒng)開口諧振環(huán)的不同之處在于：本發(fā)明引入八個(gè)切 口，多切口的引入能夠同時(shí)增加結(jié)構(gòu)的分布電容和分布電感，可以使結(jié)構(gòu)的磁諧振頻率向 低頻移動(dòng)。除此之外，同時(shí)增加電容和電感還會(huì)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的磁諧振，可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)低損耗、 寬頻帶的優(yōu)點(diǎn)，所以本發(fā)明的八開口諧振環(huán)不失為一種良好的磁負(fù)"超材料"。
[0040] 為了充分準(zhǔn)確的驗(yàn)證本發(fā)明實(shí)