CN102480055A - 一种负磁导率超材料 - Google Patents

一种负磁导率超材料 Download PDF

Info

Publication number
CN102480055A
CN102480055A CN2011102978763A CN201110297876A CN102480055A CN 102480055 A CN102480055 A CN 102480055A CN 2011102978763 A CN2011102978763 A CN 2011102978763A CN 201110297876 A CN201110297876 A CN 201110297876A CN 102480055 A CN102480055 A CN 102480055A
Authority
CN
China
Prior art keywords
negative magnetoconductivity
structural
ultra material
artificial micro
snakelike
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN2011102978763A
Other languages
English (en)
Other versions
CN102480055B (zh
Inventor
刘若鹏
栾琳
寇超锋
叶金财
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kuang Chi Institute of Advanced Technology
Kuang Chi Innovative Technology Ltd
Original Assignee
Kuang Chi Institute of Advanced Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Kuang Chi Institute of Advanced Technology filed Critical Kuang Chi Institute of Advanced Technology
Priority to CN 201110297876 priority Critical patent/CN102480055B/zh
Publication of CN102480055A publication Critical patent/CN102480055A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN102480055B publication Critical patent/CN102480055B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Prostheses (AREA)
  • Shielding Devices Or Components To Electric Or Magnetic Fields (AREA)

Abstract

本发明涉及一种负磁导率超材料，包括非金属材料制成的基板和附着在基板上且成周期性排布的多个人造微结构，所述人造微结构为导电材料的丝线，所述人造微结构包括形成开口环的外框线和自所述外框线的形成开口的两末端点向开口环内延伸的两条平行线，所述外框线上具有蛇形弯折部。采用本发明的人造微结构，能够明显提高超材料的负磁导率的绝对值，从而强化负磁导率效果，以满足特定条件下对负磁导率值的要求。

Description

一种负磁导率超材料
技术领域
本发明涉及超材料领域，更具体地说，涉及一种负磁导率超材料。
背景技术
目前在国际上，对磁导率已有大量研究，正磁导率已经比较成熟，但是目前社会急需负磁导率超材料，因此它的作用很大，因为他具有很特别的功能，有量子极化作用，可以对入射波产生极化，因此作用范围很大，如在医学成像领域中，能够加强电磁波的成像效果，还在透镜研究方面都有很大用处，有很好的应用前景，因此对负磁导是目前国内外研究的热点之一。
在工程实用中，磁导率通常都是指相对磁导率，为物质的绝对磁导率μ与磁性常数μ0(又称真空磁导率)的比值，μr＝μ/μ0，为无量纲值。通常“相对”二字及符号下标r都被省去。磁导率是表示物质受到磁化场H作用时，内部的真磁场相对于H的增加(μ＞1)或减少(μ＜1)的程度。但对于现有的自然界已存在的材料中，其μ都是大于0的。
超材料(metamaterial)，又称人工电磁材料，是一种能够对电磁产生响应的新型人工合成材料，如图1所示，由基板200和附着在基板200上周期性排布的人造微结构300组成。由于人造微结构300通常为金属线排布成的具有一定几何图形的结构，因此能够对电磁产生响应，从而使超材料整体体现出不同于基板200的电磁特性，具有特定的介电常数ε、磁导率μ或折射率n，而这些参数都是有关电磁波频率的函数，通常不为恒定值。现有的人造微结构300的几何形状为“工”字形或者如图1所示的近“凹”字形的开口环形，但这结构都不能实现磁导率μ明显小于0，通常在0～-0.5之间。只有通过设计具有特殊几何图形的人造微结构，才能使得该超材料在特定频段内达到磁导率μ值远小于0。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述磁导率不能明显小于0达到负磁导率特性的缺陷，提供一种在所需频段绝对值明显大于0值的负磁导率超材料。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种负磁导率超材料，包括非金属材料制成的基板和附着在基板上的多个人造微结构，所述人造微结构为导电材料的丝线，所述人造微结构包括形成开口环的外框线和自所述外框线的形成开口的两末端点向开口环内延伸的两条平行线，所述外框线上具有蛇形弯折部。
在本发明所述的负磁导率超材料中，所述蛇形弯折部的走线间距等于线宽。
在本发明所述的负磁导率超材料中，所述蛇形弯折部的拐角为直角或者圆角。
在本发明所述的负磁导率超材料中，所述外框线上具有两个蛇形弯折部，且所述两个蛇形弯折部对称设置。
在本发明所述的负磁导率超材料中，所述外框线为矩形开口环，所述蛇形弯折部位于所述矩形开口环的直边上。
在本发明所述的负磁导率超材料中，所述两条平行线各自的末端还连接有一段折线，两条所述折线相背延伸。
在本发明所述的负磁导率超材料中，所述人造微结构在所述基板上成矩形阵列排布，且行间距和列间距均小于一入射电磁波波长的五分之一。
在本发明所述的负磁导率超材料中，所述基板由陶瓷、聚四氟乙烯或环氧树脂材料制成。
在本发明所述的负磁导率超材料中，所述人造微结构为铜线或者银线。
在本发明所述的负磁导率超材料中，所述人造微结构的材料为ITO、碳纳米管或者石墨。
实施本发明的负磁导率超材料，具有以下有益效果：采用本发明的人造微结构，能够明显提高超材料的负磁导率绝对值的最大值，从而强化负磁导率效果，以满足特定条件下对负磁导率值的要求。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是现有技术的超材料的结构示意图；
图2是图1所示超材料的磁导率仿真效果图；
图3是本发明优选实施例的负磁导率超材料的结构示意图；
图4是图3所示负磁导率超材料的一个材料单元的结构示意图；
图5是图3所示负磁导率超材料的磁导率仿真效果图；
图6至图9为本发明的人造微结构的其他几种可能结构的示意图。
具体实施方式
本发明涉及一种负磁导率超材料，如图3、图4所示，包括至少一个材料片层1，每个材料片层1包括基板2和附着在基板2表面上的多个人造微结构3。基板2为平板状，也可以为弯成圆环的薄片状，或者多个长条板正交扣合组成的栅格形。基板2通常选用聚四氟乙烯、环氧树脂、FR-4、陶瓷、铁氧材料、SiO2等非金属材料。
人造微结构3在基板2表面上呈周期性排布，例如矩形阵列排布，即以一x方向为行、以垂直于x方向的y方向为列地排列，且各行间距、各列间距分别相等，甚至行间距等于列间距均可。优选行间距、列间距不大于所要响应的入射电磁波的波长的五分之一，也即例如工作环境是波长为λ的电磁波，需要超材料对此电磁波的电磁特性是呈现负磁导率，则设计人造微结构时将上述行间距、列间距选择不大于λ/5，优选为λ/10。显然，为了使人造微结构3不互相交叠，每个人造微结构3的长度和宽度也不大于λ/5。周期性排布还可以是其他具有循环规律的排布方式，例如基板2为圆环形时，人造微结构3沿着圆环形基板2的外圆柱面等间距地绕一周。
当材料片层1有多个时，按照一定的规律将它们封装起来，例如当基板2为平板状时，各材料片层1沿垂直于基板2表面的z方向依次排列，片层之间相互平行设置，优选地平行且间距相等；当基板2为上述圆环形，则可以将多个材料片层1共圆心轴地安装固定。
如图3所示，人造微结构3阵列排布，因此可以将基板2虚拟地划分为同样阵列排布的多个基板单元20，基板单元20的长度等于上述行间距、宽度等于列间距、厚度等于基板2厚度。每个基板单元20的表面上正好对应有一个人造微结构3。由基板单元20及其表面上的人造微结构3构成的材料单元10如图4所示。
本发明的优点在于，设计了一种具有新的几何图形的人造微结构3，如图3、图4所示，其包括形成开口环的外框线30和自所述外框线30的形成开口的两末端点向开口环内延伸的两条平行线31，所述外框线30上具有蛇形弯折部32。图中所示实施例中，两条平行线31各自的末端还连接有一段折线，且两条所述折线相背延伸。外框线30和平行线31均是由导电材料制成的，这样的导电材料通常为金属材料例如银、铜、铜合金等，也可以是其他非金属的导电材料例如导电塑料、ITO(铟锡氧化物)、碳纳米管、石墨等。
外框线30是由一根导电材料制成的丝线如铜线或银线围成的，丝线两端端部靠拢而不连接从而形成开口，构成开口环。现有技术中的开口谐振环(SplitRing Resonator，简称SRR)，就是一种典型的开口环结构，通常为具有开口的圆环即圆形开口环或者具有开口的矩形环即矩形开口环。图1所示的现有技术中，其人造微结构即为由矩形开口环和自矩形开口环的两末端引出一对平行线从而构成的近“凹”字形结构。现有的这些开口环和近“凹”字形结构虽然在一定频段范围内能够实现负磁导率，但是其绝对值仍然较小，接近于0，通常在0～-5之间，不具有明显的负磁导率特性。
本发明是在现有的人造微结构基础上进行的改进，能够大大提高负磁导率的绝对值。图3、图4所示的优选实施例中，形成矩形开口环的外框线30上具有蛇形弯折部32。这里的蛇形弯折，是指一点自一起始点始终向前(或者不倒退)行进的同时在垂直于其行进的方向来回往复所形成的轨迹。图4中，在矩形开口环的垂直于开口所在直边的另两条直边上分别设置有一蛇形弯折部32，且二者对称分布。
在超材料领域中，可以通过将人造微结构3等效为电路来分析人造微结构3对超材料的电磁特性的影响。上述近“凹”字形人造微结构可以等效为一个电容和电感串联，其中一对平行线等效为电容，而构成矩形开口环的外框线则相当于电感。本发明中，在外框线上增设蛇形弯折部32，使得走线线长增大，相当于增大了电感，进而提高负磁导率的绝对值。
例如，在本发明的优选实施例中，每个基板单元20、人造微结构3构成的材料单元如图4所示，基板2选择FR-4环氧树脂材料，厚度为0.4mm，基板单元的尺寸为4mm×4mm×0.4mm，其中0.4mm为厚度；人造微结构3由铜线制成，厚度为0.018mm，到基板单元的四条边均预留0.2mm，线宽也为0.2mm，所有的走线间距为0.1mm。
对上述材料单元10阵列得到的超材料进行仿真，得到的磁导率关于频率的电磁响应曲线如图5所示。由图可知，本实施例的材料单元在0.21～0.24GHz范围内其磁导率均为负值，且最低磁导率能够达到-26，且达到最低磁导率是其虚部的损耗非常小，基本上为0。当所需频段不在上述范围时，还可以通过调整人造微结构的尺寸来调整负磁导率所在的频段区域。
而其他条件与上述图4所示实施例完全相同，只是没有图4中矩形开口环两条直边上所设置的蛇形弯折部从而形成如图1所示的近“凹”字形开口环，其仿真得到的电磁响应曲线如图2所示。由图可知，其在0.38～0.46GHz范围内其磁导率为负值，且最小只能达到-5.5，其绝对值相对较小，很难达到所需要的负磁导率效果。
因此，采用本发明的人造微结构，能够明显提高超材料的负磁导率的绝对值，从而强化负磁导率效果，以满足特定条件下对负磁导率值的要求。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，例如蛇形弯折部32与平行线31的距离不必然等于线宽，可以如图6所示地隔有较大距离；蛇形弯折部32的弯折角不一定为直角，可以为如图8所示的圆角过渡；另外，蛇形弯折部32不一定在矩形开口环的与开口所在直边垂直的两条直边上，也可以在开口所在的直边上，如图8所示；蛇形弯折部32的每次弯折往复的距离可以与平行线31不相等，也可以相等，如图9所示。同时，蛇形弯折部32可以为一个也可以有多个，或者可以同时设置在矩形开口环的各条直边上，甚至外框线30并不必然为矩形开口环，也可以为圆形开口环，等等。上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种负磁导率超材料，包括非金属材料制成的基板和附着在基板上的多个人造微结构，所述人造微结构为导电材料的丝线，其特征在于，所述人造微结构包括形成开口环的外框线和自所述外框线的形成开口的两末端点向开口环内延伸的两条平行线，所述外框线上具有蛇形弯折部。
2.根据权利要求1所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述蛇形弯折部的走线间距等于线宽。
3.根据权利要求1所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述蛇形弯折部的拐角为直角或者圆角。
4.根据权利要求1所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述外框线上具有两个蛇形弯折部，且所述两个蛇形弯折部对称设置。
5.根据权利要求1所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述外框线为矩形开口环，所述蛇形弯折部位于所述矩形开口环的直边上。
6.根据权利要求1所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述两条平行线各自的末端还连接有一段折线，两条所述折线相背延伸。
7.根据权利要求1所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述人造微结构在所述基板上成矩形阵列排布，且行间距和列间距均小于一入射电磁波波长的五分之一。
8.根据权利要求1所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述基板由陶瓷、聚四氟乙烯或环氧树脂材料制成。
9.根据权利要求1所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述人造微结构为铜线或者银线。
10.根据权利要求1所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述人造微结构的材料为ITO、碳纳米管或者石墨。
CN 201110297876 2011-09-28 2011-09-28 一种负磁导率超材料 Active CN102480055B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN 201110297876 CN102480055B (zh) 2011-09-28 2011-09-28 一种负磁导率超材料

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN 201110297876 CN102480055B (zh) 2011-09-28 2011-09-28 一种负磁导率超材料

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN102480055A true CN102480055A (zh) 2012-05-30
CN102480055B CN102480055B (zh) 2013-07-03

Family

ID=46092592

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN 201110297876 Active CN102480055B (zh) 2011-09-28 2011-09-28 一种负磁导率超材料

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN102480055B (zh)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102751584A (zh) * 2012-06-12 2012-10-24 西安电子科技大学 基于两层基板的小型化人工电磁材料及制备方法
CN103050749A (zh) * 2012-12-27 2013-04-17 中国科学院空间科学与应用研究中心 一种极化稳定的双层介质加载的亚毫米波空间滤波器
CN103582403A (zh) * 2012-08-03 2014-02-12 深圳光启创新技术有限公司 一种吸波材料
CN112467392A (zh) * 2020-11-17 2021-03-09 厦门大学 中心对称类π形单边多频左手材料

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090096545A1 (en) * 2007-10-12 2009-04-16 Los Alamos National Security Llc Dynamic frequency tuning of electric and magnetic metamaterial response
CN101740862A (zh) * 2008-11-20 2010-06-16 东莞市启汉电子科技有限公司 一种射频芯片小天线
CN102124382A (zh) * 2008-06-19 2011-07-13 雷文布里克有限责任公司 光学超偏振器器件

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090096545A1 (en) * 2007-10-12 2009-04-16 Los Alamos National Security Llc Dynamic frequency tuning of electric and magnetic metamaterial response
CN102124382A (zh) * 2008-06-19 2011-07-13 雷文布里克有限责任公司 光学超偏振器器件
CN101740862A (zh) * 2008-11-20 2010-06-16 东莞市启汉电子科技有限公司 一种射频芯片小天线

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102751584A (zh) * 2012-06-12 2012-10-24 西安电子科技大学 基于两层基板的小型化人工电磁材料及制备方法
CN103582403A (zh) * 2012-08-03 2014-02-12 深圳光启创新技术有限公司 一种吸波材料
CN103582403B (zh) * 2012-08-03 2018-07-06 深圳光启创新技术有限公司 一种吸波材料
CN103050749A (zh) * 2012-12-27 2013-04-17 中国科学院空间科学与应用研究中心 一种极化稳定的双层介质加载的亚毫米波空间滤波器
CN103050749B (zh) * 2012-12-27 2015-04-15 中国科学院空间科学与应用研究中心 一种极化稳定的双层介质加载的亚毫米波空间滤波器
CN112467392A (zh) * 2020-11-17 2021-03-09 厦门大学 中心对称类π形单边多频左手材料
CN112467392B (zh) * 2020-11-17 2021-09-07 厦门大学 中心对称类π形单边多频左手材料

Also Published As

Publication number Publication date
CN102480055B (zh) 2013-07-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN102969572B (zh) 一种低频负磁导率超材料
CN102723608B (zh) 一种超材料
CN104064422B (zh) 一种小型全金属慢波器件
CN102480055B (zh) 一种负磁导率超材料
CN102593611A (zh) 一种点聚焦平板透镜天线
CN102610923B (zh) 负磁导率超材料
CN202275917U (zh) 一种谐振腔
CN103036050B (zh) 一种负磁导率超材料
CN102480009A (zh) 一种具有高介电常数的超材料
CN102969571B (zh) 负磁导率超材料
CN103022720A (zh) 一种负磁导率超材料
CN102593593B (zh) 一种负磁导率超材料
CN102800981B (zh) 一种具有高负磁导率的超材料
CN102856642B (zh) 宽频带超材料天线罩
CN103296356A (zh) 一种人工电磁材料及使用该材料的滤波器
CN202275920U (zh) 一种谐振腔
CN103094696A (zh) 一种具有宽频高折射率和低色散特性的人工电磁材料
CN102800979B (zh) 一种宽频人工电磁材料
CN103296369A (zh) 一种谐振腔
CN202217777U (zh) 一种谐振腔
CN102760961A (zh) 一种宽频低色散超材料
CN102723606A (zh) 一种宽频低色散超材料
CN103187632A (zh) 负磁导率人工电磁材料
CN103035999A (zh) 一种谐振腔
CN102790286B (zh) 一种天线

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
ASS Succession or assignment of patent right

Owner name: SHENZHEN KUANG-CHI INNOVATION TECHNOLOGY CO., LTD.

Effective date: 20120613

C10 Entry into substantive examination
C41 Transfer of patent application or patent right or utility model
SE01 Entry into force of request for substantive examination
TA01 Transfer of patent application right

Effective date of registration: 20120613

Address after: 518000 Nanshan District City, Guangdong province high tech Zone in the middle of a high tech building, No. 9 software building

Applicant after: Shenzhen Kuang-Chi Institute of Advanced Technology

Co-applicant after: Shenzhen Kuang-Chi Innovation Technology Co., Ltd.

Address before: 518000 Nanshan District City, Guangdong province high tech Zone in the middle of a high tech building, No. 9 software building

Applicant before: Shenzhen Kuang-Chi Institute of Advanced Technology

C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant