CN102723608B - 一种超材料 - Google Patents

Abstract

一种超材料，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，人造微结构为导电材料的走线形成的开口环，还包括至少一设置在开口环上的贴片电感，贴片电感串入开口环的走线中。本发明的超材料在具有负磁导率时，响应的电磁波频率较小，能够满足MRI系统对低频率的要求，增强磁共振成像产生的接收射频磁场，提高了MRI系统的成像效果，同时符合人体安全的要求。

Description

一种超材料

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、响应频率低的超材料。

背景技术

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，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。

超材料技术在核磁共振成像（MRI）领域的应用得到了工业界，以及科研领域的高度关注。在MRI系统中，主磁场的大小和均匀性是一个很重要的技术指标。目前，出于成本和对人体安全性的考虑，由永磁体产生的低场（小于等于0.36T）MRI系统是一个重要的发展方向。在MRI系统中，射频线圈的频率正比于主磁场的大小，因此，在低场系统中（0.36T），激发线圈和接收线圈的频率只有15.3MHz。目前，磁导率为负的超材料能够增强磁共振成像产生的接收射频磁场。但是，在设计超材料结构时，满足负磁导率时的频率都远远大于15.3MH。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明采用在超材料人造微结构中串入贴片电感的方式降低了超材料磁导率为负时频率过大的问题，为了实现该目的，本发明采用以下技术方案：

一种超材料，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，所述人造微结构由导电材料的走线形成，所述人造微结构包括开口环，以及至少一设置在所述开口环上的贴片电感，所述贴片电感串入所述开口环的所述走线中。

进一步地，所述贴片电感为叠层片式电感。

进一步地，所述贴片电感为偶数个，对称的分布在所述开口环开口的两侧。

进一步地，所述开口环为矩形开口环或者圆形开口环。

进一步地，所述开口环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。

进一步地，所述弯曲线的走线间距等于线宽。

进一步地，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。

进一步地，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。

进一步地，所述基板由陶瓷、聚四氟乙烯或环氧树脂材料制成。

进一步地，所述人造微结构材料为铜、银、ITO、碳纳米管或者石墨。

本发明的超材料在具有负磁导率时，响应的电磁波频率较小，能够满足MRI系统对低频率的要求，增强磁共振成像产生的接收射频磁场，提高了MRI系统的成像效果，同时符合人体安全的要求。

附图说明

图1是本发明超材料实施例1的结构示意图；

图2是图1所示超材料的一个材料单元的结构示意图；

图3是图1所示实施例1的超材料的仿真示意图；

图4是本发明超材料实施例2的一个材料单元的结构示意图；

图5是本发明超材料实施例3的一个材料单元的结构示意图；

图6是本发明超材料实施例4的一个材料单元的结构示意图。

具体实施方式

如图1、图2所示为本发明超材料的实施例1的结构示意图，该超材料包括至少一个材料片层1，每个材料片层1包括基板2、附着在基板2表面上的多个人造微结构3和贴片电感4。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是由导电材料的走线形成的开口环，该人造微结构包括在基板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。贴片电感4以串入的方式设置在开口环的走线上，本实施例中开口环上串入了两个贴片电感4，这两个贴片电感4对称的分布在开口环开口的两侧，贴片电感4可以为叠层片式电感，也可以根据在开口环走线上的位置和人造微结构的大小来选择。

材料片层1有多个时，可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。

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，每个人造微结构3的走线上均串入贴片电感4。

本实施例设计了一种具有新的几何图形的人造微结构3，是开口环结构的衍生结构，该人造微结构3包括开口环31和自开口环31的两端端点分别向环内蛇形弯曲延伸的两根弯曲线32，两弯曲线32互不相交且不与开口环31相交。开口环31的走线和弯曲线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走线如铜线或银线围成的，走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，包括矩形开口环和自矩形开口环的两端端点向环内延伸的一对平行线。

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。

超材料在负磁导率特别是磁导率为-1时都对应一定频率的电磁波，现有超材料在实现负磁导率特别是磁导率为-1时电磁波频率较高，在电磁学中，电磁波频率f与电感L、电容c之间的关系为：由公式可以看出，增大人造微结构的电感或者电容可以降低电磁波频率，本发明通过在人造微结构走线上串入贴片电容实现了磁导率为负时电磁波频率的降低。

对上述超材料进行仿真，得到的磁导率关于频率的电磁响应曲线如图3所示。由图可知，本实施例的材料单元在0.015GHz左右其磁导率均为负值，且在稍大于0.015GHz处磁导率为-1左右，且达到最低磁导率是其虚部的损耗非常小，基本上为0。

因此，采用本发明的超材料，能够明显降低超材料的负磁导率时的电磁波频率，满足低频率下对负磁导率值的要求。

图4-图6为本发明超材料实施例2-4一个材料单元的结构示意图，实施例2-4示出了本发明超材料的一个材料单元的结构变化，例如开口环的边角不一定为直角，可以为如图4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5所示；也可以如图6所示的单纯的开口环结构，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；超材料的一个材料单元中只要包括开口环和贴片电感即可，至于开口环两端点延伸出的弯曲线和贴片电感的数量可以在具体实施时进行调整。

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，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 (6)

1.一种超材料，包括非金属材料制成的基板和附着在基板上且呈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走线形成的开口环，其特征在于，还包括至少一设置在所述开口环上的贴片电感，所述贴片电感串入所述开口环的所述走线中；所述贴片电感为偶数个，对称地分布在所述开口环开口的两侧；

所述开口环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；

所述弯曲线的走线间距等于线宽。

2.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，所述贴片电感为叠层片式电感。

3.根据权利要求1-2任一项所述的超材料，其特征在于，所述开口环为矩形开口环或者圆形开口环。

4.根据权利要求1-2任一项所述的超材料，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。

5.根据权利要求1所述的超材料，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。

6.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，所述人造微结构材料为铜、银、ITO、碳纳米管或者石墨。