CN103187632A - 负磁导率人工电磁材料 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种负磁导率人工电磁材料，包括至少一个材料片层，每个材料片层包括基板和附着在基板表面上的多个由导电材质的丝线组成的人造微结构，所述人造微结构包括一条丝线构成的开口谐振环和至少三条自所述开口谐振环上的不同位置分别向环内延伸的电极线。具有这种结构的人造微结构，能够明显提高人工电磁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

负磁导率人工电磁材料

技术领域

本发明涉及电磁领域，更具体地说，涉及一种负磁导率人工电磁材料。

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，μ_r＝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。

人工电磁材料(metamaterial)，又称超材料，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”字形或者如图1所示的类似“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。只有通过设计具有特殊几何图形的人造微结构，才能使得该人工电磁材料在特定频段内达到磁导率μ值小于0。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的材料不能实现磁导率为负值的缺陷，提供一种负磁导率人工电磁材料。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种负磁导率人工电磁材料，包括至少一个材料片层，每个材料片层包括基板和附着在基板表面上的多个由导电材质的丝线组成的人造微结构，所述人造微结构包括一条丝线构成的开口谐振环和至少三条自所述开口谐振环上的不同位置分别向环内延伸的电极线。

在本发明所述的负磁导率人工电磁材料中，其中两条电极线分别连接在所述开口谐振环的两端端点上，且相互平行地并排设置。

在本发明所述的负磁导率人工电磁材料中，所述至少三条电极线均相互平行且靠近所述开口谐振环的两端端点。

在本发明所述的负磁导率人工电磁材料中，所述人造微结构位于所述基板的正面，所述基板的背面附着有金属箔。

在本发明所述的负磁导率人工电磁材料中，所述基板包括多个相同的且沿所述基板表面阵列排布的方体形基板单元，每个基板单元的正面附着有一个所述人造微结构，每个基板单元的背面附着有一片金属箔单元。

在本发明所述的负磁导率人工电磁材料中，所述金属箔单元铺满所述基板单元背面的除四角以外的所有面积。

在本发明所述的负磁导率人工电磁材料中，每个基板单元上的人造微结构和金属箔单元完全相同。

在本发明所述的负磁导率人工电磁材料中，所述开口谐振环为圆形开口谐振环。

在本发明所述的负磁导率人工电磁材料中，所述开口谐振环为矩形开口谐振环。

在本发明所述的负磁导率人工电磁材料中，所述材料片层有多个，且沿垂直于基板表面的方向排列，材料片层之间相互平行且等间距设置。

实施本发明的负磁导率人工电磁材料，具有以下有益效果：采用本发明的人造微结构，能够明显提高人工电磁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。

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是现有技术的人工电磁材料的结构示意图；

图2是本发明第一实施例的负磁导率人工电磁材料的前视图；

图3是图2所示实施例的后视图；

图4是图2所示实施例的其中一个材料单元的前视图；

图5是图2所示实施例的其中一个材料单元的后视图；

图6是图2所示实施例的材料单元的尺寸示意图；

图7是现有技术的人工电磁材料的电磁响应曲线；

图8是图6所示材料单元构成的实施例的电磁响应曲线；

图9是第二实施例的人造微结构的结构示意图；

图10是第三实施例的人造微结构的结构示意图。

具体实施方式

本发明涉及一种负磁导率人工电磁材料，如图2、图3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，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，且优选行间距、列间距不大于所要吸收的入射电磁波的波长的五分之一，优选为十分之一。当材料片层1有多个时，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。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。

由于人造微结构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。

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2、图4所示，其包括一条丝线构成的开口谐振环4和至少三条自所述开口谐振环4上的不同位置分别向环内延伸的电极线5。开口谐振环4的丝线和所述至少三条电极线5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等。

开口谐振环(Split Ring Resonator，简称SRR)，是一种能够产生谐振的开口环形结构，通常为具有开口的圆环或者具有开口的矩形框，也有近似于“凹”字形如图1所示的结构。现在的这些开口谐振环虽然在一定频段范围内能够实现负磁导率，但是其绝对值仍然较小，接近于0，通常在0～-0.5之间，不具有明显的负磁导率特性。

本发明的创新点在于在现有的开口谐振环基础上进行了改进，提供一种新的人造微结构，能够大大提高负磁导率的绝对值。如图2、图4所示，本发明在开口谐振环4上增加了自所述开口谐振环4上的不同位置分别向环内延伸的至少三条电极线5。优选地，电极线5都靠近开口谐振环4的两端点。当其中的两条电极线5分别连接在开口谐振环4的两端端点上且相互平行地并排设置，即形成图1所示的近似“凹”字形的结构，其他电极线5优选地也与这两条电极线平行且具有一定间隔，形成电容效应。

在电磁学中，已知磁导率μ是一个用来衡量物质导磁能力的物理量，磁场强度H、磁感应强度B及磁导率μ之间的关系为：μ＝B/H。由公式可以看出，磁导率μ与磁感应强度B成正比，而磁感应强度B跟电容有关，本发明的改进后的人造微结构相当于增加了电容，从而提高了结构内的磁感应强度，进而提高负磁导率的绝对值。

为了进一步增强负磁导率的特性，本发明的人工电磁材料在基板2的正面附着人造微结构3的同时，还在基板2的背面附着有金属箔。金属箔的厚度通常在0.018-0.035mm之间，金属箔通常采用铜箔。

金属箔可以为一整片箔片贴附在基板2背面，优选地，金属箔为“渔网”(fish net)形，如图3所示，即在一整片箔片上均匀地开有网孔，网孔的位置位于相邻四个基板单元20的交界处。也就是说，将金属箔按照与基板单元20相同的划分规则虚拟地划分为以x方向为行、y方向为列的多个阵列排布的金属箔单元6，每个金属箔单元6如图5所示，其铺满所对应的基板单元20背面的除四角以外的所有面积区域，每个角与相邻三个金属箔单元6的角共同构成一个网孔，如图4所示。优选地，每个人造微结构3、金属箔单元6完全相同，从而达到各处性能均匀。

采用这种具有网孔的金属箔，由于电磁波穿过网格时产生电磁效应，导致电量的集聚，进而引起与人造微结构3的电容效应增强，进而提高负磁导率的绝对值。

例如，在本发明的第一实施例中，每个基板单元20、人造微结构3及金属箔单元6构成的材料单元如图5所示，基板2选择FR-4环氧树脂材料，厚度为0.4mm，人造微结构3由铜线制成，金属箔为铜箔，二者厚度均为0.018mm，金属箔单元6四角未铺填区域均为0.1mm×0.1mm的方形区域；同时，图中各尺寸分别为：

A＝2mm，a＝1.9mm，b＝1.9mm，P＝0.875mm，H＝1mm，d＝0.4mm，线宽w＝0.1mm，W1＝0.1mm，W2＝0.1mm。

对上述材料单元进行仿真，得到的磁导率关于频率的电磁响应曲线如图8所示。由图可知，本实施例的材料单元在22.3～24.2GHz范围内其磁导率均为负值，且在22.7～23.4GHz范围内其磁导率均小于-2，在22.8～23.1GHz范围内其磁导率均小于-4，因此其负磁导率的频带很宽，且负的绝对值高达4。

而其他条件与上述图6所示实施例完全相同，只是没有图6中的三对平行的电极线从而形成如图1所示的近似“凹”字形的开口谐振环，其仿真得到的电磁响应曲线如图7所示。由图可知，其只有在9.35～9.48GHz范围内其磁导率为负值，且最小只能达到-0.16，其绝对值是很小的，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，能够明显提高人工电磁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，例如开口谐振环的边角不一定为直角，可以为如图8所示的圆弧过渡，另外，开口谐振环也并不必然为矩形，还可以是具有缺口的圆环形，如图9所示。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)

1.一种负磁导率人工电磁材料，包括至少一个材料片层，其特征在于，每个材料片层包括基板和附着在基板表面上的多个由导电材质的丝线组成的人造微结构，所述人造微结构包括一条丝线构成的开口谐振环和至少三条自所述开口谐振环上的不同位置分别向环内延伸的电极线。

2.根据权利要求1所述的负磁导率人工电磁材料，其特征在于，其中两条电极线分别连接在所述开口谐振环的两端端点上，且相互平行地并排设置。

3.根据权利要求2所述的负磁导率人工电磁材料，其特征在于，所述至少三条电极线均相互平行且靠近所述开口谐振环的两端端点。

4.根据权利要求1所述的负磁导率人工电磁材料，其特征在于，所述人造微结构位于所述基板的正面，所述基板的背面附着有金属箔。

5.根据权利要求4所述的负磁导率人工电磁材料，其特征在于，所述基板包括多个相同的且沿所述基板表面阵列排布的方体形基板单元，每个基板单元的正面附着有一个所述人造微结构，每个基板单元的背面附着有一片金属箔单元。

6.根据权利要求5所述的负磁导率人工电磁材料，其特征在于，所述金属箔单元铺满所述基板单元背面的除四角以外的所有面积。

7.根据权利要求6所述的负磁导率人工电磁材料，其特征在于，每个基板单元上的人造微结构和金属箔单元完全相同。

8.根据权利要求1所述的负磁导率人工电磁材料，其特征在于，所述开口谐振环为圆形开口谐振环。

9.根据权利要求1所述的负磁导率人工电磁材料，其特征在于，所述开口谐振环为矩形开口谐振环。

10.根据权利要求1所述的负磁导率人工电磁材料，其特征在于，所述材料片层有多个，且沿垂直于基板表面的方向排列，材料片层之间相互平行且等间距设置。

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