CN101662055B - 一种宽频带异向介质材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽频带异向介质材料及其制备方法，属于电磁材料领域。该宽频带异向介质材料主要包括第一介质、第二介质和异向介质环，异向介质环同时具有负磁导率与负介电常数，第二介质在异向介质环的环内，第一介质在异向介质环的环外，第二介质的磁导率的绝对值大于第一介质的磁导率的绝对值。本发明的优点是异向介质材料的负折射率频带的相对带宽百分比可以接近200％，从而可以减轻这些材料的色散特性；本发明在微波、红外、光等各个频段均可适用。

Description

一种宽频带异向介质材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种异向介质材料及其制备方法，属于电磁材料领域。

背景技术

自然界中的材料在频率超过GHz波段时磁性特征将不明显，很少表现出负的折射率特性。上世纪末英国帝国理工学院J.B.Pendry等人提出了采用金属开路环谐振器阵列与金属细导线阵列构造异向介质的方法，这一方法于2001年被美国加州大学San Diego分校的D.R.Smith等人实验实现，在此以后，与异向介质材料相关的研究得到了迅速的发展。Smith等人实现的异向介质材料其异向介质环内外的介质相对磁导率都为1，工作频带普遍很窄，只有0.5％，这使得异向介质材料的应用得到了很大的限制。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种工作频带得到提高的宽频带异向介质材料及其制备方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该宽频带异向介质材料主要包括第一介质、第二介质和异向介质环，所述异向介质环同时具有负磁导率与负介电常数，所述第二介质在所述异向介质环的环内，所述第一介质在所述异向介质环的环外，所述第二介质的磁导率的绝对值大于第一介质的磁导率的绝对值。

进一步地，本发明所述异向介质环为次波长异向介质环。

进一步地，本发明所述第一介质为闭合的金属环。

进一步地，本发明所述第一介质由闭合的金属环和支撑体共同构成，所述闭合的金属环和支撑体设置在所述异向介质环的环外，所述闭合的金属环由所述支撑体支撑。

本发明宽频带异向介质材料的一种制备方法主要包括如下步骤：

1)将同时具有负磁导率与负介电常数的异向介质环印制或刻蚀在第一介质上；将第一介质在异向介质环的环内部分去除；

2)用第二介质填充该异向介质环的环内区域，所述第二介质的磁导率的绝对值大于第一介质的磁导率的绝对值。

本发明宽频带异向介质材料的另一种制备方法主要包括如下步骤：

1)将同时具有负磁导率与负介电常数的异向介质环印制或刻蚀在第二介质上，使异向介质环的外边界与第二介质的外边界吻合；

2)去除第一介质中与异向介质环外边界尺寸相同的部分，将印制有异向介质环的第二介质填充到第一介质的空出区域中，所述第二介质的磁导率的绝对值大于第一介质的磁导率的绝对值。

本发明通过增加异向介质环内外介质的磁导率比值来获得宽频带负磁导率材料。在同时具有负磁导率与负介电常数的异向介质环中填充具有较高磁导率物质，即第二介质，而异向介质环的外部填充磁导率的绝对值相对于第二介质较低的第一介质，例如：可将异向介质环印制在高磁导率物质的基板上，而异向介质环外部的基板具有低的磁导率值；或者在高磁导率物质上印制好异向介质环，嵌入到低磁导率物质之中；或者采用注入法等各种工艺在异向介质环中填充高磁导率物质，而在异向介质环之外填充低磁导率物质，均可以使材料的工作频带带宽增加，均可以构造宽频带异向介质材料。其中填充的高磁导率物质或者低磁导率物质可以是均匀的介质，也可以是非均匀的具有等效磁导率特性的结构。

本发明具有的有益的效果是：通过增加第二介质与第一介质的磁导率比率，可以大大增加异向介质材料的频率带宽，可以达到接近200％的相对带宽，这里相对带宽定义为频率带宽与带宽中心频率的比值。由这种方法实现的异向介质材料将具有较小的材料色散，同时实现原理简单，方法简便，性能稳定，在应用中具有很大的优越性。此方法适用于任意频段的异向介质材料。

附图说明

图1是本发明一种实施方式的宽频带异向介质材料的横截面示意图；

图2是本发明宽频带异向介质材料的第一介质为闭合金属环时的横截面示意图；

图3是本发明将第一介质在异向介质环的环内部分去除后的结构示意图；

图4是用于填充图3中空出区域的第二介质的横截面示意图；

图5是本发明将异向介质环印制或刻蚀在第二介质时的横截面示意图；

图6是第一介质在去除与图5的异向介质环外边界尺寸相同的部分后的横截面示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的宽频带异向介质材料包括第一介质1、第二介质2和异向介质环3，异向介质环3具有负磁导率与负介电常数，第二介质2在异向介质环3的环内，第一介质1在异向介质环3的环外，其中，第二介质2的磁导率的绝对值大于第一介质1的磁导率的绝对值。第二介质的磁导率与第一介质的磁导率的比值越大，所获得的异向介质材料频带越宽，色散特性越小，性能也越好。研究结果表明，在其他尺寸相同的情况下，在第一介质与第二介质的磁导率相同时的情况下，所获的异向介质材料频带相对带宽为6％，而当第二介质的磁导率的绝对值是第一介质磁导率的绝对值的4倍时，所获得的异向介质材料频带相对带宽为33％，这说明采用本发明异向介质材料对提高异向介质频带带宽非常有效。

本发明的宽频带异向介质材料中的异向介质环3可以是尺寸大于工作波长的异向介质环3，也可以是尺寸小于工作波长的次波长异向介质环。次波长是指异向介质环尺寸小于其工作的波长。由次波长异向介质环制备的异向介质材料在均匀性能方面会更好。

本发明的宽频带异向介质材料中的异向介质环3的材料可以为金属，也可以是由电介质构成：异向介质环3可以是无源的介质材料实现，也可以是由有源的介质材料实现。异向介质环3的形状可以是层状的、圆环形的、方框形的、立体球形状的、也可以是其他任意形状的。异向介质环3的排列可以是周期的，即每个异向介质环3之间的距离相等；也可以是非周期的，随机的，或者是杂乱无章的。

本发明的宽频带异向介质材料的第一介质1和第二介质2可以是均匀的各向同性材料，也可以是各向异性的，或者是双各向异性的材料，同时也可以是非均匀的具有等效磁导率特性的结构。只要增加第二介质2的磁导率与第一介质1的磁导率的比值就可以达到增加异向介质材料频率带宽的效果。

本发明的宽频带异向介质材料可以是层状立体结构的，也可以是三维立体结构的。所制备的宽频带异向介质材料可以是各向同性的，也可以是各向异性的，或者双各向异性的。

如图2所示，本发明的宽频带异向介质材料的第一介质1可以是闭合金属环4构成的周期阵列，也可以是由闭合金属环4随意堆叠而成的结构。

作为本发明的另一种实施方式，第一介质1可以是由闭合金属环4阵列和支撑该闭合金属环4的支撑体(未在图中示出)共同构成。闭合金属环4可以印制或刻蚀在支撑体上，或用任意方式固定在支撑体上。该支撑体可以是基板，该基板和印制在上面的闭合金属环4阵列共同构成第一介质。

制备本发明宽频带异向介质材料的方法之一主要包括如下步骤：

1)如图3所示，将同时具有负磁导率与负介电常数的异向介质环3印制或刻蚀在第一介质1上，将第一介质1在异向介质环3的环内部分去除，由此在第一介质1上形成如图3所示的空出的环内区域5；

2)再用如图4所示的第二介质2填充该异向介质环3的环内区域5，该第二介质2的形状和尺寸正好与环内区域5相吻合，从而形成如图1所示的宽频带异向介质材料结构。其中，第二介质2的磁导率的绝对值大于第一介质1的磁导率的绝对值。

具体地说，如图3所示，所用异向介质环3可以为由铜构成的“8”字形金属谐振器结构，所用第一介质1为FR4印刷电路基板，第二介质2为铁氧体。采用印刷电路板工艺把异向介质环3印制在第一介质1上；采用机械加工工艺将第一介质1在异向介质环3的环内部分去除，从而在异向介质环3上形成空出的环内区域5；采用陶瓷工艺制作与异向介质环3的环内区域5尺寸相同的铁氧体，将铁氧体嵌入到所述异向介质环3的环内区域5，将上述层状结构在三维方向上周期排列，即可以实现三维的宽频带异向介质材料。

作为本发明宽频带异向介质材料的另一种制备方法，主要包括如下步骤：

1)如图5所示，将同时具有负磁导率与负介电常数的异向介质环3印制或刻蚀在第二介质2上，使异向介质环3的外边界与第二介质2的外边界吻合；

2)如图6所示，去除第一介质1中与异向介质环3外边界尺寸相同的部分，从而在第一介质1上形成空出区域6；将如图5所示的印制有异向介质环3的第二介质2填充到第一介质1上的空出区域6中，形成如图1所示的宽频带异向介质材料结构。其中，第二介质2的磁导率的绝对值大于第一介质1的磁导率的绝对值。所述填充是指通过嵌入、注入等方法把印制有异向介质环3的第二介质2设置在第一介质1的空出区域6中。

以下举例说明。如图5所示，所用的异向介质环3为由金(Au)构成的“8”字形的谐振器结构，所用的第一介质1为FR4印刷电路基板、第二介质2为铁氧体。采用印刷电路板工艺把所述异向介质环3印制在第二介质2上，使异向介质环3的外边界与第二介质2的外边界吻合；采用机械加工工艺将第一介质1中与异向介质环3外边界尺寸相同的部分去除，形成空出区域6；再将印制有异向介质环3的铁氧体嵌入到第一介质1的空出区域6中，将上述层状结构在三维方向上周期排列，即可以实现三维的宽频带异向介质材料。

Claims (6)

1.一种宽频带异向介质材料，其特征是：它包括第一介质、第二介质和异向介质环，所述异向介质环同时具有负磁导率与负介电常数，所述第二介质在所述异向介质环的环内，所述第一介质在所述异向介质环的环外，所述第二介质的磁导率的绝对值大于第一介质的磁导率的绝对值。

2.根据权利要求1所述的一种宽频带异向介质材料，其特征是：所述异向介质环为次波长异向介质环。

3.根据权利要求1或2所述的一种宽频带异向介质材料，其特征是：所述第一介质为闭合的金属环。

4.根据权利要求1或2所述的一种宽频带异向介质材料，其特征是：所述第一介质由闭合的金属环和支撑体共同构成，所述闭合的金属环和支撑体设置在所述异向介质环的环外，所述闭合的金属环由所述支撑体支撑。

5.一种权利要求1的宽频带异向介质材料的制备方法，其特征是它包括如下步骤：

1)将同时具有负磁导率与负介电常数的异向介质环印制或刻蚀在第一介质上；将第一介质在异向介质环的环内部分去除；

2)用第二介质填充该异向介质环的环内区域，所述第二介质的磁导率的绝对值大于第一介质的磁导率的绝对值。

6.一种权利要求1的宽频带异向介质材料的制备方法，其特征是它包括如下步骤：

1)将同时具有负磁导率与负介电常数的异向介质环印制或刻蚀在第二介质上，使异向介质环的外边界与第二介质的外边界吻合；

2)去除第一介质中与异向介质环外边界尺寸相同的部分，将印制有异向介质环的第二介质填充到第一介质的空出区域中，所述第二介质的磁导率的绝对值大于第一介质的磁导率的绝对值。

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