CN102969572A - 一种低频负磁导率超材料 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低频负磁导率超材料，包括非金属材料制成的基板和附着在所述基板表面上的多个人造微结构，所述人造微结构为导电材料的丝线组成的具有几何图形的结构，所述人造微结构包括在所述基板正面上的多个第一人造微结构以及在所述基板背面上的多个第二人造微结构，且所述第二人造微结构小于所述第一人造微结构，所述第一人造微结构为开口谐振环或者开口谐振环的衍生结构。采用本发明，能够实现负磁导率特性，尤其是实现μ＝-1；同时在基板背面附着远小于第一人造微结构的第二人造微结构，使得超材料的介电常数增大，从而使谐振频率左移，最终实现负磁导率的频段出现在较低的频率范围例如小于15～16MHz。

Description

一种低频负磁导率超材料

技术领域

本发明涉及超材料领域，更具体地说，涉及一种低频负磁导率超材料。

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，因为它具有很特别的功能，例如可以对入射波产生极化，又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。

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，其中一个显著的响应特性就是呈现负磁导率特性。超材料由基板和附着在基板上的人造微结构组成，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，每个人造微结构的尺寸远小于电磁波波长，其形状和尺寸能直接影响到负磁导率的值和呈现负磁导率时的频段范围。

现有的超材料中，用来实现负磁导率的人造微结构通常为开口谐振环，但是满足负磁导率时的频率一般都在几个GHz的范围。在一些特殊的应用场合例如核磁共振仪中，要减少对人体的损害则电磁场频率应尽可能地低(例如15.3MHz)，现有的超材料不能满足要求。另外，在高频范围中，要实现负折射必须要磁导率和介电常数同时为负。而在低频磁场中，只要磁导率和介电常数其中一个值为负，即可实现负折射，从而实现完美透镜的效果。具有负折射也是超材料应用到核磁共振仪上必须满足的条件之一。因此，现有的超材料很难满足低频负折射的要求。

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现有超材料的负磁导率只出现在较高频段内的缺陷，提供一种低频负磁导率超材料。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种低频负磁导率超材料，包括非金属材料制成的基板和附着在所述基板表面上的多个人造微结构，所述人造微结构为导电材料的丝线组成的具有几何图形的结构，其特征在于，所述人造微结构包括在所述基板正面上的多个第一人造微结构以及在所述基板背面上的多个第二人造微结构，且所述第二人造微结构小于所述第一人造微结构，所述第一人造微结构为开口谐振环或者开口谐振环的衍生结构。

在本发明所述的低频负磁导率超材料中，所述第一人造微结构在所述基板上阵列排布，且阵列排布的行间距和列间距小于将要响应的电磁波波长的五分之一。

在本发明所述的低频负磁导率超材料中，所述第一人造微结构的行间距和列间距等于将要响应的电磁波波长的十分之一。

在本发明所述的低频负磁导率超材料中，所述第二人造微结构为矩形阵列排布，且第二人造微结构阵列的行间距和列间距分别小于所述第一人造微结构阵列的行间距和列间距的五分之一。

在本发明所述的低频负磁导率超材料中，所述第二人造微结构阵列的行间距和列间距分别小于所述第一人造微结构阵列的行间距和列间距的十分之一。

在本发明所述的低频负磁导率超材料中，所述开口谐振环的衍生结构包括共中心而依次嵌套的至少两个开口谐振环。

在本发明所述的低频负磁导率超材料中，所述开口谐振环的衍生结构为双开口环，包括具有两个开口从而分成两段的开口谐振环和两端分别连接所述两段的中点的中间连线。

在本发明所述的低频负磁导率超材料中，所述开口谐振环的衍生结构包括大小不同的两个双开口环，且所述两个双开口环的中间连线相互垂直平分。

在本发明所述的低频负磁导率超材料中，所述开口谐振环的衍生结构为开口谐振环的走线上蛇形弯折而形成的结构。

在本发明所述的低频负磁导率超材料中，所述第二人造微结构为十字形结构的衍生结构。

在本发明所述的低频负磁导率超材料中，所述第二人造微结构为走线上螺旋绕行而构成的结构。

实施本发明的低频负磁导率超材料，具有以下有益效果：采用本发明的低频负磁导率超材料，利用第一人造微结构的开口谐振环及其衍生结构实现负磁导率特性，尤其是实现μ＝-1；同时在基板背面附着远小于第一人造微结构的第二人造微结构，使得超材料的介电常数增大，而谐振频率则随着介电常数的增大而减小，从而使谐振频率左移，最终实现负磁导率的频段出现在较低的频率范围例如小于15～16MHz。本发明实现了低频磁场的负磁导率，即可达到负折射率的效果，因此利用其负折射的特点可以将其应用在核磁共振中。

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低频负磁导率超材料的正面示意图；

图2是图1所示低频负磁导率超材料的基板单元的正面示意图；

图3是图1所示低频负磁导率超材料的背面示意图；

图4是图3所示低频负磁导率超材料的基板单元的背面示意图；

图5至图14为第一人造微结构的几种可能的结构示意图；

图15至图18为第二人造微结构的几种可能的结构示意图。

具体实施方式

本发明涉及一种低频负磁导率超材料，用来实现在较低频段达到负磁导率的特性，从而应用在需要在低频电磁波环境中介质具有负磁导率的场合。

如图1、图3所示，本发明的低频负磁导率超材料，至少包括一个材料片层1，每个材料片层1包括非金属材料制成的基板2和附着在基板2表面上的多个人造微结构，人造微结构是由导电材料的丝线组成的具有一定几何图形的平面结构。基板2的非金属材料通常为陶瓷、FR-4材料、聚四氟乙烯、环氧树脂、SiO₂等，人造微结构的导电材料可以为铜、银等金属，也可以选用其他能够导电的材料如ITO(铟锡氧化物)、石墨、碳纳米管等。

本发明的创新之处在于，在基板2的正面和背面均设置有人造微结构，定义位于基板2正面的人造微结构为第一人造微结构3，位于基板2背面的为第二人造微结构4，第一、第二人造微结构分别在基板正面、背面上周期性排布。

当基板2为如图1所示的平板时，常见的周期性排布为矩形阵列排布，即以基板正面或背面上一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，需要超材料对此频率的电磁波呈现负磁导率，则设计第一人造微结构3时将上述行间距、列间距选择不大于λ/5，优选为λ/10或者小于λ/10。显然，为了使第一人造微结构3不互相交叠，每个第一人造微结构3的长度和宽度也不大于上述行间距和列间距。周期性排布还可以是其他具有循环规律的排布方式，例如基板为圆环形时，第一、第二人造微结构分别沿着圆环形基板的外圆柱面、内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1所示，第一人造微结构3矩形阵列排布，且行间距和列间距均为低频电磁波波长λ的1/10，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的厚度。每个基板单元20的表面上正好对应有一个第一人造微结构3，如图2所示。

第一人造微结构3的存在，是为了使超材料整体体现出负磁导率的特性，因此优选第一人造微结构3为对磁场相应的结构，常见的为开口谐振环或者开口谐振环的衍生结构。

开口谐振环(split ring resonator，SRR)在左手材料的研究中比较常见，是由单根金属线两端靠近而不接触以形成开口的环状结构，主要是圆形开口环或者矩形开口环，或者如图1、图2所示的近“凹”字形开口环，其包括一个矩形开口环和自矩形开口环的两端向环内延伸的一对平行线。

开口谐振环的衍生结构是基于上述开口谐振环所做的改进或者组合结构。如图5所示，现有的一种衍生结构包括两个共圆心的一大一小两个圆形开口谐振环301，二者相互嵌套且开口位于圆心的两侧而成180度设置。图6示出的衍生结构包括三个矩形开口谐振环301，同样共中心且从大到小依次嵌套。

另一种开口谐振环的衍生结构为双开口环302，如图7所示，其包括具有两个开口从而分成两段的开口谐振环和两端分别连接所述两段的中点的中间连线，类似于两个“山”字一上一下相向设置且中间竖线连接到一起的形状。图8所述第一人造微结构3是基于双开口环302的衍生变形，其包括大小不同从而内外嵌套的两个双开口环302，且两个双开口环302的中间连线相互垂直平分。图9所示第一人造微结构3是图8所示结构的进一步衍生，其除具有图8所示的两个正交的双开口环302外，在两个双开口环302的走线间隙上还具有绕线303。

开口谐振环的衍生结构还可以是开口谐振环301的走线上蛇形弯折而形成的结构。例如，对于上述近“凹”字形开口环，其走线包括外部构成外框的开口谐振环301，还包括内部的一对平行线，蛇形弯折的部分可以处于开口谐振环301上，也可以位于平行线上。如图10、图11所示的衍生结构中，蛇形弯折部分位于开口谐振环301上，而图12所示的示例中，蛇形弯折部分则位于中间的平行线上。

另外，图13、图14所示的第一人造微结构3，其衍生结构是在开口谐振环301的两端端部设置有多组平行线，也能达到负磁导率的效果。

以上示例只是示意性地说明第一人造微结构3可能的形状，凡是基于开口谐振环或开口谐振环的衍生结构所做的变形，均属于本发明保护范围之内。

第一人造微结构3位于基板2正面，基板2背面上还附着有周期性排布的多个第二人造微结构4，如图3、图4所示。第二人造微结构4明显小于第一人造微结构3，使得其周期性排布的密度明显大于第一人造微结构3的排布密度。本实施例中，第一、第二人造微结构均矩形阵列排布，第二人造微结构4的行间距和列间距分别为第一人造微结构3行间距和列间距的五分之一，即低频电磁波波长λ的1/50。因此如图4所示，每个基板单元20的背面附着有以5×5矩阵排布的25个第二人造微结构4。优选第一、第二人造微结构的行间距或列间距的比值不小于5，优选大于10，即第二人造微结构4的行间距和列间距小于λ/100。同样，为了使每个第二人造微结构4不互相交叠，其长、宽尺寸应位于一个行间距和列间距所围成的矩形单元格内。

第二人造微结构4的存在，是为了增大超材料整体的介电常数，同时不影响第一人造微结构3对电磁场的响应。由于其尺寸明显小于第一人造微结构3，因此与第一人造微结构3的尺寸不在一个数量级上，不会影响到电磁场响应。而增大介电常数，可以通过选择能够对电场响应的结构形式来实现。

现有超材料的工字形人造微结构，就是一种典型的对电场响应的结构。本发明的第二人造微结构4，除了为工字形，还可以为十字形结构或者十字形结构的衍生结构。十字形结构及其衍生结构相较于工字形人造微结构的优势在于，工字形人造微结构主要对平行于其中间连线的方向的电场产生响应，而十字形结构及其衍生结构能够对相互垂直的两个方向均产生响应。图4所示实施例的第二人造微结构4，即为一种十字形结构的衍生结构，包括相互正交平分从而构成十字形的第一金属线和连接在每个第一金属线端部且被第一金属线垂直平分的第二金属线。该结构进一步的衍生结构还包括连接在每个第二金属线端部且被第二金属线垂直平分的第三金属线；同样，更进一步的衍生结构如图15所示，还包括连接在每个第三金属线端部且被第三金属线垂直平分的第四金属线，依此类推。

十字形结构的衍生结构可以理解为，具有四个完全相同且共端点的支路304，每个支路304以该端点为旋转中心依次旋转90度、180度和270度后分别与另外三个支路304重合，显然图4、图15所示的示例均属于这种十字形结构的衍生结构。图16所示的十字形结构的衍生结构，每个支路304上具有弯折部，以增大绕线长度，有利于进一步提高介电常数。增大绕线长度的另一种方法是在走线上螺旋绕行，如图17所示的十字形结构的衍生结构，每个支路304为一个三角形螺旋线，在基板表面充分绕行利用空间。螺旋绕行的结构不一定为十字形结构的衍生结构，如图18所示的第二人造微结构4即为一根丝线两端分别向内螺旋绕行而成的结构。

显然，只要是导电丝线组成的平面结构，或多或少都可以对电场产生响应，因此本发明的第二人造微结构4并不限定为上述工字形结构、十字形结构及其衍生结构、具有螺旋走线的结构，还可以为任意具有几何图形的结构。而为了尽可能地增大介电常数，第二人造微结构的走线应尽可能地占满基板单元的表面，例如其四边离基板单元20的四边只预留一个线宽或接近一个线宽的距离。另外，本文中的阵列排布，其行间距和列间距的设定，是确保相邻两第一或第二人造微结构之间不够插入另一第一或第二人造微结构为准。

采用本发明的低频负磁导率超材料，利用第一人造微结构3的开口谐振环及其衍生结构实现负磁导率特性，尤其是实现μ＝-1；同时在基板背面附着远小于第一人造微结构3的第二人造微结构4，使得超材料的介电常数增大，而谐振频率则随着介电常数的增大而减小，从而使谐振频率左移，最终实现负磁导率的频段出现在较低的频率范围例如小于15～16MHz。这种低频负磁导率超材料可以应用在核磁共振仪上，尤其是0.36T核磁共振仪，其激发线圈和接收线圈的电磁场频率为15.3MHz，本发明的超材料在此仪器中即具有负磁导率特性，从而大大提高成像效果。

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)

1.一种低频负磁导率超材料，包括非金属材料制成的基板和附着在所述基板表面上的多个人造微结构，所述人造微结构为导电材料的丝线组成的具有几何图形的结构，其特征在于，所述人造微结构包括在所述基板正面上的多个第一人造微结构以及在所述基板背面上的多个第二人造微结构，且所述第二人造微结构小于所述第一人造微结构，所述第一人造微结构为开口谐振环或者开口谐振环的衍生结构。

2.根据权利要求1所述的低频负磁导率超材料，其特征在于，所述第一人造微结构在所述基板上阵列排布，且阵列排布的行间距和列间距小于将要响应的电磁波波长的五分之一。

3.根据权利要求2所述的低频负磁导率超材料，其特征在于，所述第一人造微结构的行间距和列间距等于将要响应的电磁波波长的十分之一。

4.根据权利要求2所述的低频负磁导率超材料，其特征在于，所述第二人造微结构为矩形阵列排布，且第二人造微结构阵列的行间距和列间距分别小于所述第一人造微结构阵列的行间距和列间距的五分之一。

5.根据权利要求4所述的低频负磁导率超材料，其特征在于，所述第二人造微结构阵列的行间距和列间距分别小于所述第一人造微结构阵列的行间距和列间距的十分之一。

6.根据权利要求1所述的低频负磁导率超材料，其特征在于，所述开口谐振环的衍生结构包括共中心而依次嵌套的至少两个开口谐振环。

7.根据权利要求1所述的低频负磁导率超材料，其特征在于，所述开口谐振环的衍生结构为双开口环，包括具有两个开口从而分成两段的开口谐振环和两端分别连接所述两段的中点的中间连线。

8.根据权利要求7所述的低频负磁导率超材料，其特征在于，所述开口谐振环的衍生结构包括大小不同的两个双开口环，且所述两个双开口环的中间连线相互垂直平分。

9.根据权利要求1所述的低频负磁导率超材料，其特征在于，所述开口谐振环的衍生结构为开口谐振环的走线上蛇形弯折而形成的结构。

10.根据权利要求1所述的低频负磁导率超材料，其特征在于，所述第二人造微结构为十字形结构的衍生结构。

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