CN102610923A - 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，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开口环和自所述开口环的两端端点分别向环内蛇形弯曲延伸的两根弯曲线，所述两弯曲线互不相交且不与所述开口环相交。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

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，由基板和附着在基板上的人造微结构组成。由于人造微结构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，提供一种绝对值明显远离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开口环和自所述开口环的两端端点分别向环内蛇形弯曲延伸的两根弯曲线，所述两弯曲线互不相交且不与所述开口环相交。
在本发明所述的负磁导率超材料中，所述弯曲线的走线间距等于线宽。
在本发明所述的负磁导率超材料中，所述弯曲线的蛇形弯曲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，所述两根弯曲线成对称分布。
在本发明所述的负磁导率超材料中，所述开口环为矩形开口环或者圆形开口环。
在本发明所述的负磁导率超材料中，所述开口环为近“凹”字形开口环，包括矩形开口环和自所述矩形开口环的两端端点向环内延伸的一对平行线。
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。
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是本发明第一实施例的负磁导率超材料的结构示意图；
图3是图2所示负磁导率超材料的一个材料单元的结构示意图；
图4是图3所示材料单元的尺寸示意图；
图5是现有技术的超材料的仿真示意图；
图6是图2所示实施例的负磁导率超材料的仿真示意图；
图7是本发明第二实施例的人造微结构的结构示意图；
图8是本发明第三实施例的人造微结构的结构示意图。
具体实施方式
本发明涉及一种负磁导率超材料，如图2、图3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、FR4、陶瓷等非金属材料。
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2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。
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2、图3所示，其包括开口环31和自所述开口环31的两端端点分别向环内蛇形弯曲延伸的两根弯曲线32，所述两弯曲线32互不相交且不与所述开口环31相交。开口环31的丝线和弯曲线32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。
开口环31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，现有技术中的开口谐振环(Split RingResonator，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，也有近“凹”字形结构，如图1所示，其包括矩形开口环和自所述矩形开口环的两端端点向环内延伸的一对平行线。现在的这些开口环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。
本发明是在现有的开口环基础上进行的改进，能够大大提高负磁导率的绝对值。图2、图3所示的第一实施例中，两根弯曲线32是从近“凹”字形开口环的所述两平行线末端分别向两侧的内部区域蛇形弯曲延伸的。这里的蛇形弯曲延伸，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。
在超材料领域中，可以通过将人造微结构等效为电路来分析人造微结构对超材料的电磁特性的影响。本发明中，在开口环中增设蛇形的弯曲线，每两相邻走线可以等效为一个电容的两个极板，因此每个弯曲线相当于多个电容串联得到一个总电阻，增加其电容量，而两个弯曲线相当于一个总电容。与没有设置弯曲线的开口环相比，本发明的人造微结构相当于增加了电容。
在电磁学中，已知磁导率μ与磁场强度H、磁感应强度B及磁导率μ之间的关系为：μ＝B/H。由公式可以看出，磁导率μ与磁感应强度B成正比，另外，增加电容等效于电容量的提升，有助于大量电量的集聚，进而通过电磁效应，有效地提高磁感应强度，本发明的改进后的人造微结构相当于增加了电容，从而提高了结构内的磁感应强度，进而提高负磁导率的绝对值。
例如，在本发明的第一实施例中，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40mm×40mm×0.4mm，即A＝40mm；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W＝1mm，线宽也为W，即1mm，且所有的走线间距也为W，即1mm。
对上述材料单元进行仿真，得到的磁导率关于频率的电磁响应曲线如图6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。
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中的两条弯曲线从而形成如图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5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，例如开口环的边角不一定为直角，可以为如图7所示的圆角过渡，另外，开口环也并不必然为近“凹”字形，还可以是具有缺口的圆环形，如图8所示。两个弯曲线可以相同，也可以不同，可以为镜像对称分布，也可以为平行并排设置。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，其特征在于，所述人造微结构包括开口环和自所述开口环的两端端点分别向环内蛇形弯曲延伸的两根弯曲线，所述两弯曲线互不相交且不与所述开口环相交。
2.根据权利要求1所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述弯曲线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，所述弯曲线的蛇形弯曲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，所述两根弯曲线成对称分布。
5.根据权利要求1所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述开口环为矩形开口环或者圆形开口环。
6.根据权利要求1所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述开口环为近“凹”字形开口环，包括矩形开口环和自所述矩形开口环的两端端点向环内延伸的一对平行线。
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，所述人造微结构为ITO、碳纳米管或者石墨。
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