CN102969571B - 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，包括非金属材料的基板和附着在基板上的多个人造微结构，所述人造微结构由导电材料的丝线组成，所述人造微结构包括第一双开口环、第二双开口环、第一线段和第二线段；所述第一双开口环包括两个相向设置且不相接触的第一半环，所述第一线段位于所述第一双开口环内且连接两第一半环，所述第二双开口环位于所述第一双开口环内且包括两个相向设置且不相接触的第二半环，所述第二线段位于所述第二双开口环内且连接两第二半环，所述第一、第二线段相交。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，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，提供一种在所需频段上绝对值明显大于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，包括非金属材料的基板和附着在基板上的多个人造微结构，所述人造微结构由导电材料的丝线组成，所述人造微结构包括第一双开口环、第二双开口环、第一线段和第二线段；所述第一双开口环包括两个相向设置且不相接触的第一半环，所述第一线段位于所述第一双开口环内且连接两第一半环，所述第二双开口环位于所述第一双开口环内且包括两个相向设置且不相接触的第二半环，所述第二线段位于所述第二双开口环内且连接两第二半环，所述第一、第二线段相交。
在本发明所述的负磁导率超材料中，所述人造微结构还包括位于所述第一双开口环与第二双开口环之间的绕线。
在本发明所述的负磁导率超材料中，所述绕线为自所述第一半环末端延伸出的丝线。
在本发明所述的负磁导率超材料中，所述绕线为自所述第二半环末端延伸出的丝线。
在本发明所述的负磁导率超材料中，所述绕线为在所述第一双开口环和第二双开口环之间间隙中绕行的丝线。
在本发明所述的负磁导率超材料中，所述绕线螺旋绕行或蛇形绕行。
在本发明所述的负磁导率超材料中，所述绕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，所述负磁导率超材料包括多块基板，每块基板上均具有多个周期性排布的人造微结构。
在本发明所述的负磁导率超材料中，所述人造微结构由银线或铜线制成。
在本发明所述的负磁导率超材料中，所述基板由聚四氟乙烯、FR-4材料或陶瓷材料制成。
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绝对值的最大值，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是本发明优选实施例的负磁导率超材料的结构示意图；
图2是图1所示负磁导率超材料的其中一个材料单元的结构示意图；
图3是图2所示材料单元的人造微结构的示意图；
图4是另一实施例中的人造微结构的示意图；
图5是具有图4所示人造微结构的负磁导率超材料的仿真示意图；
图6至图8是另三种人造微结构的示意图。
具体实施方式
本发明涉及一种负磁导率超材料，如图1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、FR-4、陶瓷、铁氧材料、SiO2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3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。由基板单元20及其表面上的人造微结构3构成的材料单元10如图2所示。
如图2、图3所示，本发明的人造微结构3包括两个第一半环31、连接两个第一半环31的第一线段32、两个第二半环33以及连接两个第二半环33的第二线段34。其中，两个第一半环31相向设置且互不接触，使得两端端点分别相对而形成两个开口，即两个第一半环31构成一个第一双开口环，本实施例中，两开口成180度设置，第一线段32位于第一双开口环内且连接两个第一半环31的中点。同样，两个第二半环33相向设置而不接触，形成具有两个开口的第二双开口环，且第二双开口环位于第一双开口环内部，一第二线段34两端分别连接两个第二半环33的中点。由图3可知，第一双开口环的两开口连线垂直于第二双开口环的两开口连线，且第一线段32与第二线段34垂直平分。其中，构成人造微结构3的各个丝线即第一、第二半环31、33和第一、第二线段32、34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。
采用这样的双开口环垂直正交构成的人造微结构，能够实现超材料具有负磁导率。为了进一步增强负磁导率的效果，提高负磁导率的绝对值，本发明的人造微结构3还包括位于第一双开口环与第二双开口环之间的绕线35。
这里的绕线35有多种走线形式，例如其可以如图4所示，为两条各自独立的丝线，在第一双开口环与第二双开口环之间的间隙里延伸，当间隙中还可以走线时，该绕线35还可以如图6所示在间隙中螺旋绕行，当然也可以蛇形绕行；如图7所示，该绕线35还可以为自第一半环31的末端延伸出来的丝线，并在第一、第二双开口环之间的间隙延伸，同样间隙足够的话该绕线也可以螺旋或蛇形绕行；同样，如图8所示，该绕线35也可以为自第二半环33末端延伸出的丝线，也可如图所示地螺旋绕行。为了最大限度地填充基板单元的表面，绕线的走线间距可以等于线宽，而线宽可采用机械加工所能达到的最小线宽如0.1mm。
为了验证本发明的负磁导率特性，对本发明的超材料进行仿真，其中，选定的人造微结构3其形状如图4所示，基板2选择FR-4材料，厚度为0.4mm，基板单元20的尺寸为4mm×4mm×0.4mm，其中0.4mm为厚度；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0.2mm，线宽也为0.2mm，所有的走线间距也为0.2mm。
对上述材料单元10阵列得到的超材料进行仿真，得到的磁导率关于频率的电磁响应曲线如图5所示。由图可知，本实施例的材料单元在3.45～6.10GHz范围内其磁导率均为负值，且最低磁导率能够达到-4.3，且达到最低磁导率是其虚部的损耗非常小，基本上为0。当所需频段不在上述范围时，还可以通过调整人造微结构的尺寸来调整负磁导率所在的频段区域。
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，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，包括非金属材料的基板和附着在基板上的多个人造微结构，所述人造微结构由导电材料的丝线组成，其特征在于，所述人造微结构包括第一双开口环、第二双开口环、第一线段和第二线段；
所述第一双开口环包括两个相向设置且不相接触的第一半环，所述第一线段位于所述第一双开口环内且连接两第一半环，所述第二双开口环位于所述第一双开口环内且包括两个相向设置且不相接触的第二半环，所述第二线段位于所述第二双开口环内且连接两第二半环，所述第一、第二线段相交且垂直平分。
2.根据权利要求1所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述人造微结构还包括位于所述第一双开口环与第二双开口环之间的绕线。
3.根据权利要求2所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述绕线为自所述第一半环末端延伸出的丝线。
4.根据权利要求2所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述绕线为自所述第二半环末端延伸出的丝线。
5.根据权利要求2所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述绕线为在所述第一双开口环和第二双开口环之间间隙中绕行的丝线。
6.根据权利要求3至5任一项所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述绕线螺旋绕行或蛇形绕行。
7.根据权利要求6所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述绕线的走线间距等于线宽。
8.根据权利要求1所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述负磁导率超材料包括多块基板，每块基板上均具有多个周期性排布的人造微结构。
9.根据权利要求1所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述人造微结构由银线或铜线制成。
10.根据权利要求1所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述基板由聚四氟乙烯、FR-4材料或陶瓷材料制成。
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