CN104466422A - 一种具有类矩形微结构的超材料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有类矩形微结构的超材料，包括介质基板和固定在介质基板上的微结构层；微结构层包括N个呈周期性阵列排列的单个微结构，N≥1；单个微结构包括四根金属线，四根金属线分别为第一金属线、第二金属线、第三金属线和第四金属线，四根金属线的长度相等；每根金属线均为两个L形首尾相连的形状；单个微结构呈类矩形，四根金属线在同一平面上围绕同一中心旋转排列，组成类矩形；采用本发明实施例，提高超材料的介电常数，从而使谐振频率左移，最终实现了负磁导率的频段出现在较低的频率范围；本发明实施例采用旋转对称结构，使得满足一些特殊条件下对超材料的负磁导率值的要求，制成的超材料符合各向同性。
Description
技术领域
本发明涉及电磁通信领域，尤其涉及一种具有类矩形微结构的超材料。
背景技术
目前，国际社会对磁导率方面已有大量的研究，其中对于正磁导率的研究已经趋于成熟，对于负磁导率超材料的研究是现在国内外研究的热点，负磁导率具有量子极化作用，可以对入射波产生极化作用，因此作用范围很大，如在医学成像领域中的磁共振成像技术，负磁导率材料能够加强电磁波的成像效果，另外负磁导率材料在透镜研究方面亦有重要作用，在工程领域，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，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。至今发现的自然界已存在的材料中，μ都是大于0的。
超材料是指一些具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。通过在材料的关键物理尺度上的结构有序设计，可以突破某些表观自然规律的限制，从而获得超出自然界固有的普通性质的超常材料功能。超材料的性质和功能主要来自于其内部的结构而非构成它们的材料。目前，现有的人造微结构的几何形状为“工”字形或者类似“凹”字形的开口环形，但这些结构都不能实现磁导率μ明显小于0或使超材料谐振频率降低，也不能实现各向同性，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，并具有较低的谐振频率。
发明内容
本发明实施例提供一种具有类矩形微结构的超材料，通过采用四根金属线在同一平面上围绕同一中心旋转排列而成的金属微结构，每根金属线均为两个L形首尾相连的形状，在实现超材料的负磁导率的前提下，克服了只出现在高频段内的缺陷，即提高超材料的介电常数，从而使谐振频率左移，最终实现了负磁导率的频段出现在较低的频率范围；本发明实施例采用旋转对称结构，使得满足一些特殊条件下对超材料的负磁导率值的要求，制成的超材料符合各向同性。
本发明实施例提供一种具有类矩形微结构的超材料，其特征在于，包括：介质基板和固定在介质基板上的微结构层；
所述微结构层包括N个呈周期性阵列排列的单个微结构，N≥1；
所述单个微结构包括四根金属线，所述四根金属线分别为第一金属线、第二金属线、第三金属线和第四金属线，所述四根金属线的长度相等；
每根金属线均为两个L形首尾相连的形状，第一个L形的夹角为90度，第二个L形的夹角为90度；
所述单个微结构呈类矩形，所述四根金属线在同一平面上围绕同一中心旋转排列，组成类矩形；所述第二金属线旋转90°后与所述第一金属线重合，所述第三金属线旋转180°后与所述第一金属线重合，所述第四金属线旋转270°后与所述第一金属线重合。
进一步的，所述超材料由两层所述介质基板与两层所述微结构层相间层叠而成。
再进一步的，所述两层介质基板包括第一介质基板和第二介质基板，第一介质基板的介电常数为10-20，第二介质基板的介电常数为5-10。
更进一步的，所述第一介质基板的厚度为0.005-0.015mm。
又进一步的，所述第二介质基板的厚度为0.10mm-0.30mm。
本发明实施例提供的一种具有类矩形微结构的超材料，采用了四根金属线在同一平面上围绕同一中心旋转排列而成的金属微结构，每根金属线均为两个L形首尾相连的形状，增加了超材料的电容和电感，在实现超材料的负磁导率的前提下，可以有效降低超材料的谐振频率，满足一些特殊条件下对超材料的负磁导率值的要求；同时，包含N个呈周期性阵列排列的单个微结构的微结构层，每个微结构具有旋转对称结构，使整个超材料符合各向同性，实用性强。
附图说明
图1为本发明提供的具有类矩形微结构的超材料的实施例的单个微结构的示意图；
图2为本发明提供的具有类矩形微结构的超材料的实施例的超材料的侧视图；
图3为本发明提供的具有类矩形微结构的超材料的实施例的微结构层的示意图；
图4为现有技术中的负磁导率超材料的仿真结果示意图。
图5为本发明提供的具有类矩形微结构的超材料的实施例的超材料的仿真结果示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1-3，对本发明提供的具有类矩形微结构的超材料的实施例的结构进行详细说明。
参见图1，为本发明提供的具有类矩形微结构的超材料的实施例的单个微结构的示意图；
所述单个微结构10包括四根金属线，所述四根金属线分别为金属线11、金属线12、金属线13和金属线14，所述四根金属线的长度相等；
金属线11、金属线12、金属线13和金属线14均为两个L形首尾相连的形状，第一个L形的夹角为90度，第二个L形的夹角为90度。
所述单个微结构10呈类矩形，金属线11、金属线12、金属线13和金属线14在微结构层所在平面上围绕同一中心旋转排列，组成类矩形；所述金属线12旋转90°后与金属线11重合，所述金属线13旋转180°后与金属线11重合，所述金属线14旋转270°后与金属线11重合。
金属线11、金属线12、金属线13和金属线14均为铜线，铜线的线宽为0.10mm，铜线的厚度为0.018mm，铜线的线间距为0.10mm。
需要说明的是，本实施例仅以微结构的金属线为铜线，铜线的线宽为0.10mm，铜线的厚度为0.018mm，铜线的线间距为0.10mm。为例进行说明。在具体实施当中，金属线可以是铜质、银质、铜合金质和金质；也可以是非金属的导电材料，如导电塑料等。微结构中金属线的线宽、厚度和线间距还可以为其他数值。
参见图2，是本发明提供的具有类矩形微结构的超材料的实施例的超材料的侧视图。
本发明实施例提供的超材料片层20包括介质基板22、介质基板24、固定在介质基板22上的微结构层21和固定在介质基板24上的微结构层23；介质基板22、介质基板24与微结构层21、微结构层23相间层叠。
介质基板22选用介电常数为16的高介电常数陶瓷矩形基板，厚度为0.011mm，介质基板22的介电常数越高、厚度越薄能使超材料整体的谐振频率降低。
可选的，介质基板22的介电常数可为10-20，介质基板22的厚度可为0.005-0.015mm。
介质基板24选用介电常数为7.7的聚丙烯矩形基板，厚度为0.139mm，介质基板24主要选择损耗较小的基板，起到保护微结构、降低整体损耗的作用。
可选的，介质基板24的介电常数可为5-10，介质基板24的厚度可为0.10mm-0.30mm。
可选的，介质基板22、24可以使用FR-4基板、聚丙烯基板或陶瓷基板，介质基板22、24还可以是圆形或多边形。
需要说明的是，在具体实施当中，一个超材料成品也可以由多个超材料片层20组成。当一个超材料成品由多个超材料片层20组成时，可以按照一定的规律将多个超材料片层20封装起来。当介质基板22、24为平板状时，各超材料片层20沿垂直于介质基板22、24平面的方向依次排列，片层之间相互平行设置，优选平行且间距相等；当介质基板22、24为圆形或多边形时，则可以将多个超材料片层20共圆心轴地安装固定。
参见图3，为本发明提供的具有类矩形微结构的超材料的实施例的微结构层的示意图；
微结构层22包括16个以4×4矩阵排布的单个微结构10，所述矩阵各行间距相等，所述矩阵各列间距相等。
需要说明的是，在具体实施当中，所述矩阵的行间距、列间距应不大于所要响应的入射电磁波的波长的四分之一，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，则设计微结构的排布矩阵时矩阵的行间距、列间距应不大于λ/4，优选为λ/10。显然，为了使微结构10不互相交叠，每个微结构10的长度和宽度也应不大于λ/4。
微结构层23上的微结构排布与微结构层22上的完全相同。
需要说明的是，在具体实施当中，周期性排布还可以有其他具有循环规律的排布方式，例如当介质基板22、24为圆形或多边形时，微结构10沿着圆形或多边形基板22、24的外圆柱面等间距排布。
参见图4、5，对本发明提供的具有类矩形微结构的超材料的实施例的仿真效果进行详细说明。
现有技术中的超材料是直接将凹形开口谐振环阵列排布在介质基板上。为比较现有技术中的超材料与本发明实施例提供的超材料的区别，用三维电磁场仿真软件对现有技术中的超材料与本发明实施例提供的超材料进行了仿真，仿真时设定现有技术中的超材料与本发明实施例提供的超材料的结构参数完全相同，现有技术中的超材料仿真结果示意图参见图4，由图4可知，现有技术中的超材料要实现磁导率小于0，其对应频率在400MHz以上，且损耗较大，本发明实施例提供的超材料的仿真结果示意图参见图5，由图5可知，本发明实施例提供的超材料实现负磁导率的对应频率在150MHz以内，低于现有技术中的超材料实现负磁导率的频率，降频效果显著，损耗较小，并且能实现超材料的各向同性。
本发明实施例提供的一种具有类矩形微结构的超材料，所述超材料包括介质基板和固定在介质基板上的微结构层，所述微结构层包括N个呈周期性阵列排列的单个微结构；所述微结构采用了四根金属线在同一平面上围绕同一中心旋转排列而成的金属微结构，每根金属线均为两个L形首尾相连的形状，增加了超材料的电容和电感，在实现超材料的负磁导率的前提下，可以有效降低超材料的谐振频率，满足一些特殊条件下对超材料的负磁导率值的要求；所述负磁导率超材料的两层介质基板与两层微结构层相间排列，且选用高介电常数的介质基板夹在两层微结构之间，增加了超材料的电容，进一步降低了超材料的频率；同时，包含N个呈周期性阵列排列的单个微结构的微结构层，每个微结构具有旋转对称结构，使整个超材料符合各向同性，实用性强。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种具有类矩形微结构的超材料，其特征在于，包括：介质基板和固定在介质基板上的微结构层；
所述微结构层包括N个呈周期性阵列排列的单个微结构，N≥1；
所述单个微结构包括四根金属线，所述四根金属线分别为第一金属线、第二金属线、第三金属线和第四金属线，所述四根金属线的长度相等；
每根金属线均为两个L形首尾相连的形状，第一个L形的夹角为90度，第二个L形的夹角为90度；
所述单个微结构呈类矩形，所述四根金属线在同一平面上围绕同一中心旋转排列，组成类矩形；所述第二金属线旋转90°后与所述第一金属线重合，所述第三金属线旋转180°后与所述第一金属线重合，所述第四金属线旋转270°后与所述第一金属线重合。
2.如权利要求1所述的一种具有类矩形微结构的超材料，其特征在于：所述超材料由两层所述介质基板与两层所述微结构层相间层叠而成。
3.如权利要求2所述的一种具有类矩形微结构的超材料，其特征在于：所述两层介质基板包括第一介质基板和第二介质基板，第一介质基板的介电常数为10-20，第二介质基板的介电常数为5-10。
4.如权利要求3所述的一种具有类矩形微结构的超材料，其特征在于：所述第一介质基板的厚度为0.005-0.015mm。
5.如权利要求3所述的一种具有类矩形微结构的超材料，其特征在于：所述第二介质基板的厚度为0.10mm-0.30mm。
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|---|---|---|---|---|
| CN109755752A (zh) * | 2018-08-16 | 2019-05-14 | 天津师范大学 | 新型电磁超材料结构及其在无线电能传输中的应用 |
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| US20030071763A1 (en) * | 2001-08-06 | 2003-04-17 | Mckinzie William E. | Low frequency enhanced frequency selective surface technology and application |
| CN102593599A (zh) * | 2012-02-29 | 2012-07-18 | 深圳光启创新技术有限公司 | 一种负磁导率超材料 |
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