CN102593593B - 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，超材料包括三层介质基板以及分别固定在三层介质基板两侧的四层人造微结构层，第一人造微结构层与第二人造微结构层人造微结构分别通过多个第一金属过孔连接，第三人造微结构层与第四人造微结构层人造微结构分别通过多个第二金属过孔连接，上述人造微结构均为阿基米德金属螺线。在超材料人造微结构尺寸相同的条件下，采用本发明可以大大降低超材料的谐振频率，同时，本发明超材料能在其工作频段上实现磁导率为-1，对于超材料产业的发展具有重要意义，具有良好的开发与应用前景。

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值远远小于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的实现磁导率为负的频点较高的情况，提供一种低谐振频率高负磁导率超材料，此超材料的磁导率可以达到-1。

本发明实现发明目的采用的技术方案是，提供一种负磁导率超材料，所述超材料包括第一介质基板、第二介质基板、第三介质基板以及固定在所述介质基板上的第一人造微结构、第二人造微结构、第三人造微结构、第四人造微结构，所述第一人造微结构与所述第二人造微结构分别固定在所述第一介质基板两侧，所述第一人造微结构与所述第二人造微结构通过第一金属过孔连接，所述第二人造微结构与所述第三人造微结构分别固定在所述第二介质基板两侧，所述第三人造微结构与所述第四人造微结构分别固定在所述第三介质基板两侧，所述第三人造微结构与所述第四人造微结构通过第二金属过孔连接，所述第一人造微结构、第二人造微结构、第三人造微结构、第四人造微结构为阿基米德金属螺线。

在本发明所述的负磁导率超材料中，所述第一介质基板、第三介质基板为陶瓷基板，所述第一介质基板、第三介质基板的厚度控制在0.500-0.700mm。

在本发明所述的负磁导率超材料中，所述第一介质基板、第三介质基板的介电常数控制在8-12。

在本发明所述的负磁导率超材料中，所述第一介质基板、第三介质基板的损耗正切值控制在0.0025-0.0045。

在本发明所述的负磁导率超材料中，所述第二介质基板为FR-4等级的基板。

在本发明所述的负磁导率超材料中，所述第二介质基板厚度控制在0.04-0.06。

在本发明所述的负磁导率超材料中，所述第二介质基板的介电常数控制在4-6。

在本发明所述的负磁导率超材料中，所述第二介质基板的损耗正切值控制在0.020-0.035。

在本发明所述的负磁导率超材料中，所述金属过孔的半径控制在0.050-0.150。

在本发明所述的负磁导率超材料中，所述第一人造微结构、第二人造微结构、第三人造微结构、第四人造微结构的尺寸为15mm×15mm。

本发明的有益效果在于，采用本发明的负磁导率超材料，使介质基板与人造微结构层叠排布，且人造微结构使用阿基米德金属螺线，增大了超材料的电容、电感，进而降低了超材料的谐振频率，通过缩放人造微结构的大小，可以使此超材料在工作频段上实现磁导率为-1，具有良好的发展前景。

附图说明

图1为现有负磁导率超材料人造微结构示意图；

图2为本发明优选实施例负磁导率超材料结构示意图；

图3为本发明优选实施例第二人造微结构示意图；

图4为本发明优选实施例第一人造微结构示意图；

图5为本发明优选实施例第三人造微结构示意图；

图6为本发明优选实施例第四人造微结构示意图；

图7为本发明优选实施例第一、第二人造微结构与第一金属通孔位置示意图；

图8为本发明优选实施例第三、第四人造微结构与第二金属通孔位置示意图；

图9为现有技术超材料磁导率仿真效果示意图；

图10为本发明优选实施例的磁导率仿真效果示意图；

图中，1第一人造微结构、2第二人造微结构、3第三人造微结构、4第四人造微结构、5第一介质基板、6第二介质基板、7第三介质基板、8第一金属过孔、9第二金属过孔，A第一人造微结构末端点、B第二人造微结构末端点、C第三人造微结构末端点、D第四人造微结构末端点。

具体实施方式

本发明提供一种负磁导率超材料，如图2所示，包括超材料包括第一介质基板5、第二介质基板6、第三介质基板7以及固定在所述介质基板上的第一人造微结构1、第二人造微结构2、第三人造微结构3、第四人造微结构4，第一人造微结构1与所述第二人造微结构2分别固定在所述第一介质基板5两侧，第一人造微结构1与第二人造微结构2通过第一金属过孔8连接，第二人造微结构2与所述第三人造微结构3分别固定在所述第二介质基板6两侧，第三人造微结构3与第四人造微结构4分别固定在第三介质基板7两侧，第三人造微结构3与所述第四人造微结构4通过第二金属过孔9连接，所述第一人造微结构1、第二人造微结构2、第三人造微结构3、第四人造微结构4为阿基米德金属螺线，第一人造微结构、第二人造微结构、第三人造微结构、第四人造微结构示意图分别如图4、图3、图5、图6所示。

这里的阿基米德螺线是指，对于平面上的一点P沿动射线OP以等速率运动的同时，该射线又以等角速度绕O旋转，点P的轨迹称为阿基米德螺线。本发明微结构金属线绕线的形状为阿基米德螺线，对于图3中的第二人造微结构，O_e为极坐标系的极点，O_e与阿基米德螺线的一个端点的连线为极坐标系的极轴，则此螺线上的任意一点均可用极坐标（ρ_e，θ）表示，其中ρ_e为该点的极径，θ为该点的极角，ρ_e(θ)表示极长关于极角的函数，阿基米德螺线满足下列条件：1）ρ_e=aθ；2）此螺线每条臂的距离永远等于2πa，a为常数。

第一人造微结构1、第二人造微结构2、第三人造微结构3、第四人造微结构4绕线圈数应大于1圈，本文的一圈，是指如图3所示，以阿基米德螺线所围成的环形内部的一点为极坐标的极点O_e，阿基米德螺线两末端点中离极点O_e近的一个末端点到极点的连线为该极坐标的极轴，取逆时针为正方向，则沿阿基米德螺线上的每一点依次用极坐标（ρ_e，θ）来表示，每到一个360度为一圈，直到达到阿基米德螺线上离极点远的另一末端点。

第一人造微结构1与第二人造微结构2通过第一金属过孔8连接，连接方式如图7本发明优选实施例第一、第二人造微结构与第一金属过孔位置示意图所示，图中，第一人造微结构1离极点远的末端点A、第二人造微结构2离极点远的末端点B通过第一金属过孔8相连接，同样的，如图8本发明优选实施例第三、第四人造微结构与第二金属过孔位置示意图所示，图中，第四人造微结构4离极点远的末端点D、第三人造微结构3离极点远的末端点C通过第四金属过孔相连接。金属过孔的半径控制在0.050-0.150，本发明实施例金属过孔半径为0.1mm，

本发明负磁导率超材料的第一、第三介质基板使用陶瓷基板，其介电常数为8-12，损耗正切值控制在0.0025-0.0045，厚度控制在0.500-0.700mm。本发明优选实施例中，第一、第三介质基板选用介电常数为10，厚度为0.635mm，损耗正切值为0.0035的陶瓷基板。本发明第二介质基板为FR-4等级的基板，厚度控制在0.04-0.06，介电常数控制在4-6，损耗正切值控制在0.020-0.035，在本发明优选实施例中，第二介质基板选用FR-4等级的聚丙烯基板，厚度为0.05mm，介电常数4.3，损耗正切值为0.025。

第一人造微结构1、第二人造微结构2、第三人造微结构3、第四人造微结构4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。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。

第一人造微结构1、第二人造微结构2、第三人造微结构3、第四人造微结构4在第一介质基板5、第二介质基板6、第三介质基板7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四分之一，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，为了使人造微结构不互相交叠，每个人造微结构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，例如当介质基板为圆形或多边形时，人造微结构沿着圆形或多边形基板的外圆柱面等间距地绕一周，本发明实施例第一介质基板5、第二介质基板6、第三介质基板7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，则人造微结构的等效电感值、电容值越大，本发明实施例的第二介质基板相当于一层较薄的介质层，增大了第二、第三金属人造微结构的面间电容，并且，本发明由三层介质基板、四层微结构组合而成，对于降低超材料的谐振频率，起到良好的增强效果。

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，本发明为三层介质基板以及分别固定在三层介质基板两侧的四层人造微结构，第一人造微结构与第二人造微结构通过金属过孔连接，第三人造微结构与第四人造微结构通过金属过孔连接，人造微结构均为阿基米德金属螺线。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0.2mm，铜线线间距0.2mm，绕线2圈，铜线厚度0.035mm，第一介质基板1与第三介质基板为陶瓷介质基板，其厚度为0.635mm，介电常数为10，损耗正切值为0.0035，FR-4等级聚丙烯第二介质基板2的厚度为0.05mm，介电常数4.3，损耗正切值为0.025，金属过孔半径为0.1mm，人造微结构的尺寸为15mm×15mm。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9，由图9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10，由图10可知，本发明超材料在43MHz时可以实现磁导率为-43.67，在55Mhz时可以实现磁导率为-1，通过仿真发现，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，设计一种全新的超材料，如图2所示，这种超材料可以在较低的谐振频率下实现磁导率为-43.67，并且在55Mhz时可以实现磁导率为-1，增加或减少超材料人造微结构的绕线圈数或缩放人造微结构的大小，可以得到需要的频点，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，有良好的开发应用前景。

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和润饰，这些修改和润饰均属于本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种负磁导率超材料，其特征在于，所述超材料包括第一介质基板、第二介质基板、第三介质基板以及固定在第一介质基板两侧的第一人造微结构层和第二人造微结构层、固定在第三介质基板两侧的第三人造微结构层和第四人造微结构层，所述第二人造微结构层与所述第三人造微结构层中间固定有所述第二介质基板，所述第一人造微结构层、第二人造微结构层、第三人造微结构层、第四人造微结构层均由多个阵列排布的人造微结构组成，所述第一人造微结构层的多个人造微结构与所述第二人造微结构层的多个人造微结构分别通过多个第一金属过孔连接，所述第三人造微结构层的多个人造微结构与所述第四人造微结构层的多个人造微结构分别通过多个第二金属过孔连接；

所述人造微结构为阿基米德金属螺线；第一人造微结构层人造微结构离极点远的末端点、第二人造微结构层人造微结构离极点远的末端点通过第一金属过孔相连接；第四人造微结构层人造微结构离极点远的末端点、第三人造微结构层人造微结构离极点远的末端点通过第二金属过孔相连接。

2.根据权利要求1所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述第一介质基板、第三介质基板为陶瓷基板。

3.根据权利要求1所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述第一介质基板、第三介质基板的厚度控制在0.500-0.700mm。

4.根据权利要求1所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述第一介质基板、第三介质基板的介电常数控制在8-12。

5.根据权利要求1所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述第一介质基板、第三介质基板的损耗正切值控制在0.0025-0.0045。

6.根据权利要求1所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述第二介质基板为FR-4等级基板或聚丙烯基板。

7.根据权利要求1所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述第二介质基板厚度控制在0.04-0.06mm。

8.根据权利要求1所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述第二介质基板的介电常数控制在4-6。

9.根据权利要求1所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述第二介质基板的损耗正切值控制在0.020-0.035。

10.根据权利要求1所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述第一金属过孔和第二金属过孔的半径控制在0.050-0.150mm。

11.根据权利要求1所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述第一人造微结构层、第二人造微结构层、第三人造微结构层、第四人造微结构层的尺寸为，长3-21mm，宽3-21mm。