CN102800981A - 一种具有高负磁导率的超材料 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有高负磁导率的超材料，包括基材和附着在所述基材上的人造微结构，人造微结构包括开口“凹”形环，所述人造微结构还包括嵌套在开口“凹”形环内的“山”形结构，所述“山”形结构的中间线从开口“凹”形环的开口处伸出。包含这种人造微结构的超材料的负磁导率得到了大幅的提高，这种高磁负导率的超材料可以应用在天线制造以及医疗设备制造，透镜等领域，对微波器件的小型化产生也会产生不可估量的作用。

Description

一种具有高负磁导率的超材料
技术领域
本发明涉及超材料领域，更具体地说，涉及一种具有高负磁导率的超材料。
背景技术
磁导率是表征磁介质磁性的物理量，常用符号μ表示，μ等于磁介质中磁感应强度B与磁场强度H之比，一般的基板上面附着一块金属薄片的结构得到的磁导率不能满足我们的要求。
超材料是一种具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构材料，通过对微结构的有序排列，改变了空间中每点的相对介电常数和磁导率。超材料可以在一定范围内实现普通材料无法具备的介电常数和磁导率，从而可以有效控制电磁波的传播特性。
超材料包括由金属线构成的具有一定图案形状的人造微结构和人造微结构所附着的基材，多个人造微结构在基材上阵列排布，基材对人造微结构起到支撑作用，可为任何与人造微结构不同的材料。这两种材料的叠加会在空间中产生一个等效介电常数与磁导率，这两个物理参数分别对应了材料整体的电场响应与磁场响应。超材料对电磁响应的特征是由人造微结构的特征所决定，而人造微结构的电磁响应很大程度上取决于其金属线的图案所具有的拓扑特征和超材料单元尺寸。超材料单元尺寸取决于人造微结构需要响应的电磁波频率，通常人造微结构的尺寸为所需响应的电磁波波长的十分之一，否则空间中由人造微结构所组成的排列在空间中不能被视为连续。
目前超材料生产工艺中通常采用如图1所示开口“凹”形环的人造微结构，包含开口“凹”形环人造微结构的超材料如图2所示，图2所示超材料的磁导率随频率变化的规律如图3所示，当正常工作频率为5.2GHz时，其磁导率为有-5左右。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的缺陷，通过对人造微结构进行改进，提供一种具有高负磁导率的超材料。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种具有高负磁导率的超材料，包括基材和附着在所述基材上的人造微结构，所述人造微结构包括开口“凹”形环，所述人造微结构还包括嵌套在开口“凹”形环内的“山”形结构，所述“山”形结构的中间线从开口“凹”形环的开口处伸出。
在本发明的优选实施方式中，所述人造微结构通过蚀刻方式附着于所述基材上。
在本发明的优选实施方式中，所述人造微结构通过电镀方式附着于所述基材上。
在本发明的优选实施方式中，所述人造微结构通过钻刻方式附着于所述基材上。
在本发明的优选实施方式中，所述人造微结构通过光刻方式附着于所述基材上。
在本发明的优选实施方式中，所述人造微结构通过电子刻方式附着于所述基材上。
在本发明的优选实施方式中，所述人造微结构通过离子刻方式附着于所述基材上。
在本发明的优选实施方式中，所述基材为陶瓷材料。
在本发明的优选实施方式中，所述基材为高分子材料。
在本发明的优选实施方式中，所述基材为铁电材料、铁氧材料或者铁磁材料。
实施本发明具有以下有益效果：本发明通过改变人造微结构的拓扑结构，在现有开口“凹”形环内嵌套“山”形结构提高了负磁导率，如图6所示的仿真结果可知，在正常工作频率为3.8GHz时，超材料的负磁导率可以达到-10，并且损耗几乎为零，因此在相同外界条件和晶格尺寸相同的情况下，本发明不仅降低了频率，而且提高了负磁导率。这种高负磁导率的超材料可以应用在天线制造以及医疗设备制造，透镜等领域，对微波器件的小型化产生也会产生不可估量的作用。
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是现有技术中开口“凹”形环人造微结构的示意图；
图2是现有技术中包含开口“凹”形环人造微结构的超材料的示意图；
图3是图2所示超材料的磁导率随频率变化的仿真图；
图4是本发明提出的人造微结构的结构示意图；
图5是包含图4中的人造微结构的超材料的结构示意图；
图6是图5所示超材料的磁导率随频率变化的仿真图；
具体实施方式
本发明提供一种新型的超材料，相对于现有的超材料，通过改变其中人造微结构的拓扑形状提高了超材料的负磁导率。
如图5所示，超材料包括至少一块均匀等厚的基板1，若有多块基板1则基板1沿垂直于基板平面的方向(z轴方向)依次堆叠，并通过组装或者在每两块基板1之间填充可连接二者的物质例如液态基板原料，其在固化后将已有的两基板1粘合，从而使多块基板1构成一个整体。
将每块基板1虚拟地划分成多个完全相同的相互紧挨着的立方体基材单元，这些基材单元以x轴方向为行、以与之垂直的y轴方向为列依次阵列排布。基材单元的边长通常为入射电磁波波长的五分之一到十分之一之间。每个基材单元上附着有一个人造微结构2，基材单元和基材单元上的人造微结构2共同构成一个超材料单元3，如图5所示，本发明的超材料可看作是由多个超材料单元3沿x、y、z三个方向阵列排布而成。
人造微结构2通常为金属线例如铜线或者银线构成的具有一定几何图形的平面或立体结构，其中，金属线可以是剖面为圆柱状或者扁平状的铜线、银线等，金属线的剖面也可以为其他形状。如图4所示，在本实施例中，人造微结构包括开口“凹”形环4，以及嵌套在开口“凹”形环4内部的“山”形结构5，其中“山”形结构5的中间线6从开口“凹”形环4的开口处伸出。人造微结构可以通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或者离子刻等方式附着在基材上，基材可以为陶瓷材料、高分子材料、聚四氟乙烯、铁电材料、铁氧材料或者铁磁材料。
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，比如人造微结构中的转弯处可以不是直角，可以为圆弧等，均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种具有高负磁导率的超材料，包括基材和附着在所述基材上的人造微结构，所述人造微结构包括开口“凹”形环，其特征在于，所述人造微结构还包括嵌套在开口“凹”形环内的“山”形结构，所述“山”形结构的中间线从开口“凹”形环的开口处伸出。
2.根据权利要求1所述的具有高负磁导率的超材料，其特征在于，所述人造微结构通过蚀刻方式附着于所述基材上。
3.根据权利要求1所述的具有高负磁导率的超材料，其特征在于，所述人造微结构通过电镀方式附着于所述基材上。
4.根据权利要求1所述的具有高负磁导率的超材料，其特征在于，所述人造微结构通过钻刻方式附着于所述基材上。
5.根据权利要求1所述的具有高负磁导率的超材料，其特征在于，所述人造微结构通过光刻方式附着于所述基材上。
6.根据权利要求1所述的具有高负磁导率的超材料，其特征在于，所述人造微结构通过电子刻方式附着于所述基材上。
7.根据权利要求1所述的具有高负磁导率的超材料，其特征在于，所述人造微结构通过离子刻方式附着于所述基材上。
8.根据权利要求1至7任一所述的具有高负磁导率的超材料，其特征在于，所述基材为陶瓷材料。
9.根据权利要求1至7任一所述的具有高负磁导率的超材料，其特征在于，所述基材为高分子材料。
10.根据权利要求1至7任一所述的具有高负磁导率的超材料，其特征在于，所述基材为铁电材料、铁氧材料或者铁磁材料。
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