CN102593599A - 一种负磁导率超材料 - Google Patents

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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微结构层，所述微结构层上周期性的阵列着微结构，所述微结构由四根长度相等的螺旋金属线等间距嵌套而成，所述微结构绕其旋转对称中心旋转90°、180°、270°后分别与初始微结构重合。在实现负磁导率的前提下，采用本发明可以有效降低超材料的谐振频率，满足一些特殊条件下对负磁导率值的要求，制成的超材料符合各向同性，本发明对于超材料产业的发展具有重要意义，具有良好的应用前景。

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，μr＝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降低，也不能实现各向同性，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谐振频率较高、不能实现各向同性的情况，提供一种谐振频率较低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微结构层，所述微结构层上周期性的阵列着微结构，所述微结构由四根长度相等的螺旋金属线等间距嵌套而成，所述微结构绕其旋转对称中心旋转90°、180°、270°后分别与初始微结构重合。
在本发明所述的负磁导率超材料中，所述超材料由两层所述介质基板与两层所述微结构层相间层叠而成。
在本发明所述的负磁导率超材料中，所述两层介质基板，一层为介电常数为10-20的第一介质基板，一层为介电常数为5-10的第二介质基板。
在本发明所述的负磁导率超材料中，所述第一介质基板的厚度为0.005-0.015mm。
在本发明所述的负磁导率超材料中，，所述第二介质基板的厚度为0.10mm-0.30mm。
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。
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。
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。
在本发明所述的负磁导率超材料中，所述螺旋金属线的截面为矩形。
在本发明所述的负磁导率超材料中，所述螺旋金属线嵌套层数大于2。
本发明的有益效果在于，由四根金属线嵌套而成的金属微结构，相当于增加了电容和电感，电容和电感增加，其对应的谐振频率就会降低，本发明设计了两层介质基板与两层微结构层相间排列，且选用一层第一高介电常数的介质基板夹在两层微结构之间，增加了超材料的电容，进一步降低了超材料的频率，同时，微结构的排列方式，使整个超材料呈各向同性，实用性强，具有良好的发展前景。
【附图说明】
图1，现有的负磁导率超材料微结构示意图；
图2，本发明微结构示意图；
图3，本发明实施例侧视图；
图4，图3的左视图；
图5，现有的负磁导率超材料的微结构仿真结果示意图；
图6，本发明微结构仿真结果示意图；
图中，1微结构层、2第一介质基板、3第二介质基板、4微结构、10超材料片层。
【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，包括介质基板2、3以及固定在介质基板上的微结构层1，微结构层1上周期性的阵列着微结构4，微结构4由四根长度相等的矩形螺旋金属线等间距嵌套而成，微结构4绕其旋转对称中心旋转90°、180°、270°后分别与初始微结构重合，微结构4的示意图参见图2，这种对称的微结构可以实现超材料的各向同性。
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。
如图3本发明实施例侧视图所示，本发明实施例的负磁导率超材料由一层第一介质基板2、一层第二介质基板3与两层微结构层1相间层叠而成。本发明超材料由两层微结构层组合而成，可以增强内部电磁场响应，达到降频的目的。
微结构4在介质基板2、3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/4，优选为λ/10。显然，为了使微结构4不互相交叠，每个人造微结构3的长度和宽度也不大于λ/4。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、3为圆形或多边形时，微结构4沿着圆形或多边形基板2、3的外圆柱面等间距地绕一周。本发明优选实施例的介质基板2、3为矩形，参见图3、图4。
当超材料片层10有多个时，可以按照一定的规律将它们封装起来，例如当介质基板2、3为平板状时，各超材料片层10沿垂直于介质基板2、3表面的方向依次排列，片层之间相互平行设置，优选平行且间距相等，当介质基板2、3为上述圆形或多边形，则可以将多个超材料片层10共圆心轴地安装固定。
本发明的负磁导率超材料介质基板可以使用FR-4基板、聚丙烯基板或陶瓷基板，微结构可以使用金属线，如铜线、银线、铜合金，甚至是金线，或者是非金属的导电材料，如导电塑料等。本发明实施例超材料两层微结构层中间的第一介质基板2选用介电常数为16的高介电常数陶瓷基板，厚度0.011mm，第一介质基板2的介电常数越高、厚度越薄能使超材料整体的谐振频率降低，第二介质基板3选用聚丙烯基板，厚度为0.139mm，介电常数为7.7，第二介质基板3主要选择损耗较小的基板，起到保护微结构、降低整体损耗的作用。如图2所示的微结构使用铜线，铜线的线宽为0.10mm，铜线的厚度为0.018mm，铜线的线间距为0.10mm，超材料的整体尺寸为15mm×15mm。
本发明实现负磁导率的原理为，对于开口谐振环微结构而言，可以等效为LC震荡电路，金属线等效为电感L，线间电容、开口谐振环之间的耦合电容等效电容C，通过仿真发现，在其他条件不改变的情况下，铜线越长，线间距越近，则等效电容值C越大。
同理我们可以定性的判断电感L的变化，铜线线长越长，电感L越大。本发明中微结构单元的铜线绕线圈数越多，其电感越大(存在互感)。
由LC振荡电路公式
Figure BDA0000139691450000051
可知，当电感值增大时，其对应的谐振频率则降低。
下文将以图1所示的现有技术的微结构为例，比较本发明的微结构相对于现有技术微结构的优越性。
现有技术是直接将图1所示的凹形开口谐振环阵列排布在介质基板上，制成超材料，本发明将四根长度相等的方形螺旋金属线等间距嵌套，形成微结构，再将若干微结构阵列排布在介质基板上形成微结构层，最后将微结构层与介质基板按图3所示的方式层叠在一起形成超材料，不仅可以有效的降低超材料的谐振频率，还可以实现超材料的各向同性。
为比较现有技术与本发明性能的区别，用CST对现有技术负磁导率超材料与本发明实施例的负磁导率超材料进行了仿真，仿真时设定现有技术中的超材料与本发明实施例的超材料的结构参数完全相同，现有的负磁导超材料的微结构仿真结果示意图参见图5，由图5可知，现有技术要实现磁导率小于0，其对应频率在400MHz以上，且损耗较大，本发明微结构仿真结果示意图参见图6，由图6可知，本发明的超材料实现负磁导率的对应频率在150MHz以内，低于现有技术超材料实现负磁导率的频率，降频效果显著，损耗较小，并且能实现超材料的各向同性，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 (10)

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微结构层，其特征在于，所述微结构层上周期性的阵列着微结构，所述微结构由四根长度相等的螺旋金属线等间距嵌套而成，所述微结构绕其旋转对称中心旋转90°、180°、270°后分别与初始微结构重合。
2.根据权利要求1所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述超材料由两层所述介质基板与两层所述微结构层相间层叠而成。
3.根据权利要求2所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述两层介质基板，一层为介电常数为10-20的第一介质基板，一层为介电常数为5-10的第二介质基板。
4.根据权利要求3所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述第一介质基板的厚度为0.005-0.015mm。
5.根据权利要求3所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述第二介质基板的厚度为0.10mm-0.30mm。
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。
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。
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。
9.根据权利要求1所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述螺旋金属线的截面为矩形。
10.根据权利要求1所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述螺旋金属线嵌套层数大于2。
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