CN103022720A - 一种负磁导率超材料 - 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近“凹”字形开口环和自所述近“凹”字形开口环的两末端点延伸的蛇形弯折部。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。

Description

一种负磁导率超材料
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200和附着在基板200上周期性排布的人造微结构300组成。由于人造微结构300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200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300的几何形状为“工”字形或者近“凹”字形开口环。所述近“凹”字形开口环如图1所示，包括一矩形线框的一条直边上有断开而形成的矩形开口环和自断开的线框两端点向开口环内部垂直延伸的一对平行线。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，包括非金属材料制成的基板和附着在基板上的多个人造微结构，所述人造微结构为导电材料的丝线，所述人造微结构包括近“凹”字形开口环和自所述近“凹”字形开口环的两末端点延伸的蛇形弯折部。
在本发明所述的负磁导率超材料中，所述近“凹”字形开口环包括一矩形线框的一条直边上有断开而形成的矩形开口环和自断开的所述线框的两端点向所述矩形开口环内部垂直延伸的一对平行线，所述近“凹”字形开口环的两末端点为所述一对平行线的末端点。
在本发明所述的负磁导率超材料中，所述两末端点上各连接有一蛇形弯折部，且两个所述蛇形弯折部对称设置。
在本发明所述的负磁导率超材料中，所述两个蛇形弯折部相向延伸。
在本发明所述的负磁导率超材料中，所述蛇形弯折部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，所述蛇形弯折部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，所述人造微结构的材料为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是现有技术的超材料的结构示意图；
图2是图1所示超材料的磁导率仿真效果图；
图3是本发明优选实施例的负磁导率超材料的结构示意图；
图4是图3所示负磁导率超材料的一个材料单元的结构示意图；
图5是第二实施例的人造微结构的示意图；
图6是第三实施例的人造微结构的示意图；
图7是具有图5所示人造微结构的负磁导率超材料的磁导率仿真效果图。
具体实施方式
本发明涉及一种负磁导率超材料，如图3、图4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4所示。
人造微结构3是由导电材料制成的丝线组成的，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。通过与现有技术的PCB印制电路板相类似的铜线电路制作工艺类似，本发明的人造微结构即可采用这种蚀刻工艺附着在基板2上。
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3、图4所示，其包括近“凹”字形开口环30和自所述近“凹”字形开口环30的两末端点延伸的蛇形弯折部31。
近“凹”字形开口环30的形状如图1所示，包括一矩形线框的一条直边上有断开而形成的矩形开口环和自断开的所述线框的两端点向矩形开口环内部垂直延伸的一对平行线，上述近“凹”字形开口环30的两末端点即为该一对平行线的自由端的末端点。
蛇形弯折部31连接在上述平行线自由端的末端点上。图4所示的实施例中，两平行线的末端点上各自连接有一蛇形弯折部，且两个所述蛇形弯折部31对称地相向设置。
这里的蛇形弯折，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。蛇形弯折部相向设置，即二者的行进方向相向成180度。图4所示的蛇形弯折部31，其只往复一次而成；图5所示的实施例中，其蛇形弯折部31则往复2.5次；而图6所示的实施例中，人造微结构3的蛇形弯折部31各往复3次而成。另外，图4至图6所示的实施例中，每次往复弯折均为直角弯折，在其他实施例中，还可以是圆角或尖角弯折，往复的两条折线可以如图中所示地相互平行，也可以互成一定夹角；同时，两条折线也不一定要为直线，可以为波浪线、任意曲线等。
采用具有本发明所述人造微结构的超材料，能够实现高负磁导率。这是因为，在超材料领域中，可以通过将人造微结构3等效为电路来分析人造微结构3对超材料的电磁特性的影响。上述近“凹”字形人造微结构可以等效为一个电容和电感串联，其中一对平行线等效为电容，而构成矩形开口环的外框线则相当于电感。本发明中，在平行线末端连接蛇形弯折部31，使得走线线长增大，相当于增大了电容，进而提高负磁导率的绝对值。
例如，在本发明的优选实施例中，每个材料单元10如图4所示，且人造微结构3的形状如图5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0.38mm，线宽也为0.12mm，所有的走线间距为0.12mm。
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3.95～4.26GHz范围内其磁导率均为负值，且最低磁导率能够达到-5。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。
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中平行线末端点连接的蛇形弯折部31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2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，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近“凹”字形开口环和自所述近“凹”字形开口环的两末端点延伸的蛇形弯折部。
2.根据权利要求1所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述近“凹”字形开口环包括一矩形线框的一条直边上有断开而形成的矩形开口环和自断开的所述线框的两端点向所述矩形开口环内部垂直延伸的一对平行线，所述近“凹”字形开口环的两末端点为所述一对平行线的末端点。
3.根据权利要求2所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述两末端点上各连接有一蛇形弯折部，且两个所述蛇形弯折部对称设置。
4.根据权利要求2所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述两个蛇形弯折部相向延伸。
5.根据权利要求2所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述蛇形弯折部的拐角为直角或者圆角。
6.根据权利要求2所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述蛇形弯折部的走线间距等于线宽。
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，所述人造微结构的材料为ITO、碳纳米管或者石墨。
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