CN102593592A - 一种负磁导率超材料 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种负磁导率超材料，所述超材料包括介质基板以及固定在介质基板上的多个人造微结构，所述人造微结构由四根相同的金属线自内向外等间距嵌套而成，所述金属线为多重螺旋线，所述每重螺旋线包括四段等圆心角的圆弧线，所述任两相邻圆弧线的半径差相等，所述任两相邻圆弧线由一金属连接线相连。本发明可通过调整金属线的长度或缩放人造微结构的尺寸改变超材料实现负磁导率的谐振频率频点，同时，本发明超材料的人造微结构呈各向同性，使得超材料在各个方向对电磁波的响应均相等，对于超材料产业的发展具有重要意义，具有较好的发展前景。

Description

一种负磁导率超材料

技术领域

本发明涉及超材料领域，具体地涉及一种负磁导率超材料。

背景技术

目前，国际社会对磁导率方面已有大量的研究，其中对于正磁导率的研究已经趋于成熟，对于负磁导率超材料的研究是现在国内外研究的热点，负磁导率具有量子极化作用，可以对入射波产生极化作用，因此作用范围很大，如在医学成像领域中的磁共振成像技术，负磁导率材料能够加强电磁波的成像效果，另外负磁导率材料在透镜研究方面亦有重要作用，在工程领域，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，μ_r＝μ/μ₀，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。至今发现的自然界已存在的材料中，μ都是大于0的。

超材料是指一些具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。通过在材料的关键物理尺度上的结构有序设计，可以突破某些表观自然规律的限制，从而获得超出自然界固有的普通性质的超常材料功能。超材料的性质和功能主要来自于其内部的结构而非构成它们的材料。目前，现有的人造微结构的几何形状为“工”字形或者如图1所示的类似“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或使超材料谐振频率显著降低，只有通过设计具有特殊几何图形的人造微结构，才能使得该人工电磁材料在特定频段内达到磁导率μ值小于0，并具有较低的谐振频率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，针对现有技术中负磁导率超材料呈各向异性且谐振频率范围较窄的情况，提供一种频点范围较宽的各向同性负磁导率超材料。

本发明实现发明目的采用的技术方案是，所述超材料包括介质基板以及固定在介质基板上的多个人造微结构，所述人造微结构由四根相同的金属线自内向外等间距嵌套而成，所述金属线为多重螺旋线，所述每重螺旋线包括四段等圆心角的圆弧线，所述任两相邻圆弧线的半径差相等，所述任两相邻圆弧线由一金属连接线相连。

在本发明所述的负磁导率超材料中，所述金属连接线为斜线。

在本发明所述的负磁导率超材料中，所述圆弧线与所述金属连接线的线宽相等。

在本发明所述的负磁导率超材料中，所述人造微结构的尺寸为，长2-7mm，宽2-7mm。

在本发明所述的负磁导率超材料中，所述任两相邻圆弧线的半径差不小于0.2mm。

在本发明所述的负磁导率超材料中，所述金属线的线宽0.05-0.15mm，所述金属连接线的线宽0.05-0.15mm。

在本发明所述的负磁导率超材料中，所述金属线的线间距0.05-0.15mm，所述金属连接线的线间距0.05-0.15mm。

在本发明所述的负磁导率超材料中，所述金属线的厚度0.015-0.020mm，所述金属连接线的厚度0.015-0.020mm。

在本发明所述的负磁导率超材料中，所述超材料的介质基板为FR-4基板或陶瓷基板。

在本发明所述的负磁导率超材料中，所述介质基板划分为多个相同的立方体介质基板单元，每个介质基板单元上附着有一个人造微结构。

在本发明所述的负磁导率超材料中，所述介质基板单元沿两两正交垂直的x、y、z三个方向阵列排布。

本发明的有益效果在于，人造微结构由四根相同的金属线自内向外等间距嵌套而成，金属线长度的表征结构可以等效为电感，相邻两金属线可以等效为电容，金属线绕线圈数增加，金属线长度随之增加，则电感增大，电容增大，在实现超材料负磁导率的同时，对应的谐振频率点就会降低，可以根据需要，调整谐振频率频点及频段，根据本发明人造微结构的形状可知，超材料呈各向同性，具有良好的发展前景。

附图说明

图1，现有负磁导率超材料人造微结构示意图；

图2，本发明优选实施例超材料示意图；

图3，本发明优选实施例超材料单元示意图；

图4，本发明优选实施例人造微结构示意图；

图5，现有负磁导率超材料的磁导率仿真效果示意图；

图6，本发明优选实施例的磁导率仿真效果示意图；

图中，1人造微结构、2介质基板、3介质基板单元、10超材料单元。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

本发明提供一种负磁导率超材料，如图2所示，包括介质基板2、以及固定在介质基板2表面上的多个人造微结构1，人造微结构1由四根相同的金属线自内向外等间距嵌套而成，金属线为多重螺旋线，每重螺旋线包括四段等圆心角的圆弧线，任两相邻圆弧线的半径差相等，任两相邻圆弧线的半径差不小于0.2mm，任两相邻圆弧线由一金属连接线相连，上述所有圆弧均为同心圆弧，上述金属连接线均为斜线。本发明人造微结构1的示意图参见图4，人造微结构1能够使超材料呈各向同性。

本发明负磁导率超材料的介质基板2可以被虚拟的划分为完全相同的多个立方体形介质基板单元3，介质基板2可以看作是由多个这样的介质基板单元3以x方向为行、y方向为列、z方向为层叠方向组成的阵列，其中x、y、z方向两两正交垂直。介质基板2可由FR-4，F4b，CEM1，CEM3和TP-1陶瓷材料构成，若使用FR-4等级的基板，其介电常数为4.2-4.6，若使用陶瓷基板，其介电常数为8-16。本发明实施例超材料的介质基板选用FR-4等级的环氧树脂基板，介电常数为4.4，厚度为0.164mm。

每个介质基板单元3上固定有一个人造微结构1，介质基板单元3及介质基板单元3上的人造微结构1共同构成超材料单元10，如图3所示，因此本发明可以看作是由多个超材料单元10沿x、y、z三个方向阵列排布而成。

人造微结构1通常为金属线，如铜线、银线、铜合金，甚至是金线，也可以是由至少两种金属制成的合金，甚至是非金属的导电材料，如导电塑料、ITO(铟锡氧化物)、碳纳米管、石墨等。金属线与金属连接线的线宽控制在0.05-0.15mm，金属线与金属连接线的线间距控制在0.05-0.15mm，金属线与金属连接线的厚度控制在0.015-0.020mm。本发明人造微结构均对磁场有响应，且其正对的两金属圆弧间的走线间距d相等，目前最小可以做到0.2mm，现有技术对磁场响应的人造微结构通常为开口谐振环结构，如图1所示，此结构是类似于未封口的“凹”字形微结构。

下面将结合附图，对本发明实施例的负磁导率超材料的构成原理及有益效果做详细说明。

人造微结构1在介质基板2的表面呈周期性排布，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，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1不互相交叠，每个人造微结构1的长度和宽度也不大于λ/5。周期性排布还可以有其他具有循环规律的排布方式，例如当介质基板2为圆形或多边形时，人造微结构1沿着圆形或多边形基板2的外圆柱面等间距地绕一周，本发明实施例介质基板2为矩形，参见图2。

本发明实现负磁导率的原理为，对于本发明的微结构而言，可以等效为LC震荡电路，整个金属线可以等效为一个极板长度约等于线总长的电容，每两段互相正对金属线相当于电容的极板，金属线长度表征结构可以等效为电感，通过仿真发现，在其他条件不改变的情况下，铜线越长，金属线旋转的圈数越多，则结构的等效电感值、电容值越大。

由LC振荡电路公式

可知，当电感值、电容值均增大时，其对应的谐振频率则降低。

现有技术是直接将图1所示的未封口“凹”形开口谐振环阵列排布在介质基板上，制成超材料，本发明为四条金属线自内向外等间距旋转，形成人造微结构，为比较现有技术与本发明负磁导率超材料性能的区别，用CST对现有技术负磁导率超材料与本发明优选实施例负磁导率超材料分别进行了仿真，仿真时设定现有技术中超材料与本发明实施例超材料的结构参数完全相同，仿真过程中本发明实施例具体结构参数如下：铜线线宽0.1mm，铜线线间距0.1mm，绕线1圈，铜线厚度0.035mm，FR-4等级环氧树脂基板2的厚度为0.164mm，介电常数4.8，超材料人造微结构1的尺寸为，长5mm，宽5mm。现有负磁导超材料的磁导率关于频率的电磁响应曲线参见图5，由图5可知，现有技术要实现磁导率小于0，其对应谐振频率在400MHz，本发明磁导率仿真效果示意图参见图6，由图6可知，本发明超材料在1.7GHz-2.4GHz之间均可实现超材料磁导率为负，扩大了负磁导率超材料频段的选择范围，同时，还可以通过调节人造微结构金属线绕线圈数或缩放人造微结构的大小来调节负磁导率的频点。

本发明的优越之处在于，设计一种全新的人造微结构1，如图4所示，这种人造微结构1不仅使本发明的负磁导率超材料呈各向同性，而且在1.7GHz-2.4GHz之间均可实现超材料磁导率为负，增加或减少超材料的绕线圈数，得到需要的频点，这种新型低频负磁导率超材料对于超材料工业的发展，具有重要意义。

本发明中的上述实施例仅作了示范性描述，本领域技术人员在阅读本专利申请后可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本发明进行各种修改。

Claims (11)

1.一种负磁导率超材料，所述超材料包括介质基板以及固定在介质基板上的多个人造微结构，其特征在于，所述人造微结构由四根相同的金属线自内向外等间距嵌套而成，所述金属线为多重螺旋线，所述每重螺旋线包括四段等圆心角的圆弧线，所述任两相邻圆弧线的半径差相等，所述任两相邻圆弧线由一金属连接线相连。

2.根据权利要求1所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述金属连接线为斜线。

3.根据权利要求1所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述圆弧线与所述金属连接线的线宽相等。

4.根据权利要求1所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述人造微结构的尺寸为，长2-7mm，宽2-7mm。

5.根据权利要求1所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述任两相邻圆弧线的半径差不小于0.2mm。

6.根据权利要求1所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述金属线的线宽0.05-0.15mm，所述金属连接线的线宽0.05-0.15mm。

7.根据权利要求1所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述金属线的线间距0.05-0.15mm，所述金属连接线的线间距0.05-0.15mm。

8.根据权利要求1所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述金属线的厚度0.015-0.020mm，所述金属连接线的厚度0.015-0.020mm。

9.根据权利要求1所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述超材料的介质基板为FR-4基板或陶瓷基板。

10.根据权利要求1所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述介质基板划分为多个相同的立方体介质基板单元，每个介质基板单元上附着有一个人造微结构。

11.根据权利要求10所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述介质基板单元沿两两正交垂直的x、y、z三个方向阵列排布。

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