CN104617356B - 一种三维各向同性负磁导率结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种负磁导率材料，特别是一种三维各向同性负磁导率结构。该三维各向同性负磁导率结构由三个八开口谐振环构成。其中八开口谐振环由一个铝制内圆环和一个铝制外圆环嵌套组成，内圆环和外圆环的四等分处均设置有切口，内圆环4个切口的中心分别与外圆环4个1/4圆弧的中心对应放置。三个八开口谐振环的三个外圆环在外圆环切口处两两正交设置，三个内圆环在内圆环1/4圆弧的中心处两两正交设置。在三维空间中，该结构的磁谐振行为不依赖于电磁波的入射角度，并且能在4.1GHz左右的频域范围内实现磁负特性，具有三维各向同性的特点。同时验证了该结构的正交方式不会影响结构的磁谐振行为，便于结构分析和材料制备。
Description
技术领域
本发明涉及一种负磁导率材料，特别是一种三维各向同性负磁导率结构及其制备方法，属于磁负“超材料”结构设计技术领域。
背景技术
1968年，前苏联科学家Veselago对介电常数ε和磁导率μ同时为负值的媒介做了深入研究，并从理论上提出了左手材料的概念。尽管左手材料有很多新奇的电磁特性，但是自然界中并不存在实际的左手材料，Veselago的成果被忽视近30年。直到1999年，英国的Pendry等提出周期性排列的金属线(ROD)在其等离子体效应的作用下能产生负的介电常数，并且发现金属开口谐振环(SRRs)结构的磁导率在一定频域内表现为负值。2001年，美国加州大学的Smith等人用电路板刻蚀技术将Pendry提出的两种结构组合成一种人工复合材料，首次实现了微波段的双负特性，从此左手材料的结构研究得以复。
SRRs是左手材料中实现负磁导率的微结构单元，因此对SRRs的研究成为左手材料发展的关键，基于SRRs结构设计出磁导率为负的材料也一度成为“超材料”的研究热潮。例如随后提出的矩形谐振环结构，树叉型结构，八边形谐振环结构等都是在SRRs的基础上改进的负磁导率结构，同时也在一定程度改善了SRRs结构损耗大，频带窄的缺陷。然而这些类SRRs结构基本都是一维的，即只有电磁波以平行SRRs平面的方向入射时，才能实现磁负特性。一维磁负材料在实用性方面存在很大的局限性，对于磁负材料这种异向介质而言，只有实现各向同性才能得到更好的实际应用。在此基础上，有学者提出了利用多个SRRs组成三维立体结构来实现各向同性的新思路，例如塞维利亚大学的Baena等利用六个SRRs围成了各向同性的正方体结构；瑞士的Philippe等提出了两个SRRs相互正交的结构能实现各向同性。但是，前者虽然能实现三维各向同性，但其结构完全是由多个SRRs堆砌而成，制备较为复杂；后者则只能在单一的平面内(Oxy面)实现各向同性，不能实现三维各向同性。
本发明在传统开口谐振环(SRRs)结构的基础上提出了一种新型的八开口谐振环(ESRRs)，ESRRs与SRRs具有相似的磁响应机理，都能够实现磁导率为负的特性。本发明将三个八开口谐振环相互正交构成一种三维立体结构(CESRRs)，该三维立体结构具有很好的自身对称性，克服了传统开口谐振环只能实现单一平面各向同性的局限，能够真正实现三维各向同性。通过仿真分析发现ESRRs在C波段(4.0-8.0GHz)内能实现磁导率为负特性，并且实验验证了CESRRs是一种C波段内的三维各向同性磁负结构。可实现在卫星电视广播和各类小型卫星地面站中的应用。
发明内容
本发明的目的是基于传统开口谐振环结构，提出一种三维各向同性负磁导率结构及其制备方法，该结构不仅可在C波段(4.0-8.0GHz)内实现磁导率为负特性，而且能够完美实现三维各向同性，是一种良好的三维各向同性磁负结构，解决了传统磁负“超材料”制备的复杂性和入射方向的局限性问题。
为实现上述目的，本发明的设计方案是：一种三维各向同性负磁导率结构，所述的三维各向同性负磁导率结构包括三个八开口谐振环，所述的八开口谐振环由一个铝制内圆环和一个铝制外圆环嵌套组成，所述内圆环和外圆环的四等分处均设置有切口，所述内圆环4个切口的中心分别与外圆环4个1/4圆弧的中心对应放置，所述三个八开口谐振环的三个外圆环在外圆环切口处两两正交设置，所述三个八开口谐振环的三个内圆环在内圆环1/4圆弧的中心处两两正交设置。
根据本发明所述的八开口谐振环，进一步地，所述外圆环和内圆环的铝条厚度为50um，宽度为4mm±1mm。
根据本发明所述的八开口谐振环，进一步地，所述外圆环和内圆环的切口宽度为6mm±1mm。
为实现上述目的，本发明还提供一种三维各向同性负磁导率结构的制备方法，所述的三维各向同性负磁导率结构包括三个八开口谐振环，每个八开口谐振环均由一个内圆环和一个外圆环嵌套组成，所述内圆环和外圆环的四等分处均设置有切口，内圆环4个切口的中心分别与外圆环4个1/4圆弧的中心对应放置，所述三个八开口谐振环的三个外圆环在外圆环切口处两两正交设置，所述三个八开口谐振环的三个内圆环在内圆环1/4圆弧的中心处两两正交设置，该制备方法包括如下步骤：
(1)从具有吸附性的铝箔片上裁得用于制作八开口谐振环的铝条，每个八开口谐振环均需要八根铝条；
(2)用低介电常数的泡沫板加工三个与八开口谐振环相配合的环形泡沫；
(3)按照三个八开口谐振环的正交方式，将三个环形泡沫组合在一起；
(4)将裁得的三个八开口谐振环的铝条分别粘附在所述环形泡沫的相应位置；
(5)用泡沫板制作一个底座来固定谐振环。
根据本发明所述的制备方法，进一步地，所述泡沫板的介电常数为1.07。
根据本发明所述的制备方法，进一步地，所述环形泡沫的宽度为4mm±1mm，内径为15mm±2mm，外径为20mm±2mm。
有益效果：
1.本发明取材方便，制备简单，尺寸较小，无需传统制备过程中的焊接、覆铜、刻蚀等工序，便于加工，具有极大的实用价值。
2.本发明的三维各向同性负磁导率结构由三个八开口谐振环相互正交而成，三个外圆环在切口处两两相交，三个内圆环在铝条中心(中性点)处两两相交，这种正交方式不会影响结构的磁谐振行为，各谐振环之间不会产生电磁感应，材料整体呈现稳定的特性。
3.本发明是基于传统开口谐振环结构提出来的，二者具有相似的磁响应机理，都能够实现磁导率为负的特性。
4.本发明的三维各向同性负磁导率结构是由三个八开口谐振环相互正交构成一种三维立体结构。在三维空间中，该三维立体结构的磁谐振行为不依赖于电磁波的入射角度，并且能在同一频域范围内实现负磁导率特性，可实现三维各向同性，是一种性能优良的三维各向同性磁负材料。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。
图1是本发明八开口谐振环的结构示意图；
图2是本发明八开口谐振环的HFSS建模结构图；
图3是采用本发明八开口谐振环时的电磁波平行入射的S参数幅值(dB)图；
图4是采用本发明八开口谐振环时的电磁波平行入射的等效磁导率实部图。
图5是本发明实施例三维各向同性负磁导率结构的结构示意图；
图6是本发明实施例三维各向同性负磁导率结构的HFSS建模结构图；
图7是本发明实施例三维各向同性负磁导率结构绕其自身对称轴z轴顺时针旋转一周，在Oxy平面的四个象限内各自随机选取一个旋转角度，这四个旋转角度对应的S21参数幅值(dB)对比图；
图8是本发明实施例三维各向同性负磁导率结构绕其自身对称轴z轴顺时针旋转一周，在Oxy平面的四个象限内各自随机选取一个旋转角度，这四个旋转角度对应的等效磁导率实部对比图；
图9是本发明实施例三维各向同性负磁导率结构同时绕三个坐标轴旋转不同的角度，随机选取四种不同的旋转方式，这四种旋转条件对应的S21参数幅值(dB)对比图；
图10是本发明八开口谐振环外圆环结构；
图11是本发明八开口谐振环内圆环结构。
具体实施方式
本发明三维各向同性负磁导率结构实施例：
本发明所述的三维各向同性负磁导率结构包括三个八开口谐振环，所述的八开口谐振环由一个铝制内圆环和一个铝制外圆环嵌套组成，所述内圆环和外圆环的四等分处均设置有切口，所述内圆环4个切口的中心分别与外圆环4个1/4圆弧的中心对应放置，所述三个八开口谐振环的三个外圆环在外圆环切口处两两正交设置，所述三个八开口谐振环的三个内圆环在内圆环1/4圆弧的中心处两两正交设置。这种正交方式不会影响结构的磁谐振行为，有利于结构的分析和制作，是一种C波段内的三维各向同性磁负结构。
本发明的优选实施例详述如下：
如图1，八开口谐振环由两个铝制圆环内外嵌套而成，内圆环和外圆环的四等分处均设置有切口，由于内外两个圆环共引入八个切口，故命名其为八开口谐振环。内圆环切口中心分别与外圆环铝条中心对应放置。如图5，本实施例三维各向同性负磁导率结构由三个八开口谐振环组成，三个八开口谐振环相互正交构成的一种三维立体结构，结构中三个外圆环在切口处相互正交，三个内圆环则在铝条中心处相互正交。图2为本发明八开口谐振环谐振环结构的HFSS建模结构，建模参数为铝条宽度wa＝4mm，厚度t＝0.05mm，外圆环半径rout＝20mm，内圆环半径rin＝15mm，切口的宽度wg＝6mm。仿真实验中采用波端口激励，利用理想周期边界条件，分别选取x方向为电边界(PEC)，z方向为磁边界(PMC)，y方向设置为激励入射端口。通过仿真得到该结构的S参数幅度(dB)曲线如图3所示，观察可以发现该结构在4.4GHz左右出现明显谐振，通过参数提取法提取的等效磁导率如图4所示，可见在图3对应的4.13-4.31GHz的频带范围内磁导率为负值。
在电磁波水平入射时，八开口谐振环结构与传统开口谐振环结构具有相同的磁响应机理。开口谐振环是一种磁响应结构单元，可以产生磁谐振实现负磁导率。当入射波的磁场分量垂直穿过谐振环平面时，由电磁感应定律可知在谐振环内有感应电流产生，从而引入分布电感L；同时由于内外两环之间缝隙和环上切口的存在，从而引入分布电容C。因此开口谐振环就可以等效为与其结构相关的LC谐振电路，并且磁谐振频率ω与分布电感L和分布电容C之间存在以下关系：当入射电磁波频率与磁谐振频率一致时，谐振环即可产生磁谐振而实现负磁导率。
本发明的八开口谐振环与传统开口谐振环的不同之处在于：本发明引入八个切口，多切口的引入能够同时增加结构的分布电容和分布电感，可以使结构的磁谐振频率向低频移动。除此之外，同时增加电容和电感还会增强结构的磁谐振，可以实现结构低损耗、宽频带的优点，所以本发明的八开口谐振环不失为一种良好的磁负“超材料”。
为了充分准确的验证本发明实施例三维各向同性负磁导率结构的三维各向同性，接下来的验证工作将分两部分进行：
第一部分：验证本发明实施例三维各向同性负磁导率结构在其三个自身对称平面(Oxy，Oxz，Oyz)内的各向同性。
图6所示的本发明实施例的建模结构中激励入射端口为y方向，此时入射电磁波与Oxy平面平行，保持激励入射端口为y方向不变，让建模结构绕其对称轴z轴旋转一周，观察其透射参数S21的变化情况，即可验证该结构是否能够在Oxy平面内实现各向同性。为了不失一般性，在Oxy平面的四个象限内各自随机选取一个旋转角度，分别提取这四个旋转角度下的S21参数并进行对比分析。
本实施例中，随机选取的四个旋转角度为54°，137°，219°，323°，对应的S21参数曲线对比图如图7所示，观察可以发现四个旋转角度对应的S21参数曲线基本重合，并且都在4.4GHz附近出现谐振，说明该结构在四种旋转条件下具有相同的磁响应。
为了进一步验证结果的准确性，利用参数提取法分别提取出四种旋转条件下的等效磁导率，其对比图如图8所示。可以看出四种不同旋转条件对应的等效磁导率变化也是近乎一致，而且都在4.1GHz附近的频域内实现磁导率为负值的特性。由于本实施例选取的四个旋转角度为随机选取，所以可以通过上述结论来说明该结构的一般性，即电磁波平行Oxy平面入射时，绕z轴旋转该三维立体结构并不会影响其S21参数与等效磁导率的测量曲线，意味着在Oxy平面内该三维立体结构的谐振行为不依赖于电磁波的入射角度，可实现各向同性。
由于该结构分别以Oxy，Oxz，Oyz三个平面自身对称，三个平面内的结构分布是完全相同的，所以可以断定该结构在Oxz和Oyz两个平面内同样可以实现各向同性。本次实验也对该结构在Oxz和Oyz两个平面内的各向同性进行验证，保持激励入射端口为x方向不变，让建模结构绕y轴旋转一周可验证Oxz面内的各向同性；保持激励入射端口为z方向不变，让建模结构绕x轴旋转一周可验证Oyz面内的各向同性。验证结果与Oxy平面内的完全相同，这里不再赘述。综上可以验证该三维立体结构在空间坐标系的三个坐标面内可以实现各向同性。
第二部分：验证在除坐标面内的其他任意面内是否能实现各向同性。
之前的工作是将建模结构分别绕三个坐标轴旋转一周来验证其在三个坐标面内的各向同性的，基于此原理，如果让建模结构同时绕三个坐标轴随机旋转不同的角度，那么就可以实现电磁波沿非坐标面的其他平面入射。在图6中修改仿真参数，保持激励入射端口沿y方向不变，让建模结构同时绕三个坐标轴旋转。为了不失一般性，随机选取四种不同的旋转方式，第一种：绕x轴旋转54°，绕y轴旋转54°，绕z轴旋转137°；第二种：x轴23°，y轴195°，z轴277°；第三种：x轴113°，y轴49°，z轴67°；第四种：x轴335°，y轴71°，z轴109°。
对比四种条件下对应的S21参数曲线，对比图如图9所示，可以看出四种条件下该结构的S21参数曲线基本重合，并且都在4.4GHz附近有明显的谐振行为，四种不同的入射平面对结构的S21参数没有任何影响。由于验证过程中的四个非特殊平面为随机选取，所以由以上结论可以得出一般特性：该三维立体结构的磁谐振行为不依赖于电磁波的入射平面，由此可以证实该三维立体结构在非坐标面的任意平面内也能实现各向同性。
至此验证工作基本完成，对比实验得出的图7和图9中的S21参数曲线，发现两幅图中S21曲线轨迹基本重合，并且都在4.4GHz附近出现传输通带，这表明无论电磁波是沿坐标面还是非坐标面的任意平面入射，该三维立体结构都表现出相同的磁响应，产生相同的磁谐振行为。结合之前的验证结果可以充分说明，在三维空间中，该三维立体结构的磁谐振行为不依赖于电磁波的入射角度，并且能在同一频域范围内实现负磁导率特性，可实现三维各向同性，因此证实该结构是一种三维各向同性磁负材料。
每个八开口谐振环的外圆环结构由如图10所示，每个八开口谐振环的内圆环结构如图11所示。根据电磁谐振理论可知，在图10所示的外圆环中，当结构发生谐振时，金属条中的正负电荷分别向金属条的两端迅速移动，最终累积在每个切口a的两侧，由于对称性，在金属条的中间b处没有任何电荷分布，称此刻的b处为“中性点”。同理图11所示的内圆环结构也具备此特性。由于“中性点”处无电荷存在，所以两谐振环相交于“中性点”处并不会干扰金属条中的电荷分布，自然不会影响结构的磁谐振行为。从图5可以看出，三个外圆环并没有通过两两接触的方式相交，而是在各自切口处实现相互正交，这种非接触式的正交是不会干扰各自的电荷分布，所以不会影响外圆环的磁谐振行为。再观察内圆环，发现三个内圆环正是通过两两接触相交的方式实现相互正交的，而且相交处为每个金属条的中间位置，即图11中的b点处，为“中性点”，因此也不会影响各内圆环的磁谐振行为。比较图4、图7和图9中的S21参数曲线，注意到三者的S21曲线轨迹基本重合，并且都在4.4GHz左右出现传输通带，也正说明了结构的相互正交并不会影响结构的磁谐振行为。由此可见，虽然本发明实施例三维各向同性负磁导率结构是由三个八开口谐振环结构相互正交而成的，但是对结构的磁谐振行为没有任何影响，结构整体呈现稳定电磁特性。
为了固定结构，便于材料的制备，本发明将每个八开口谐振环的八个铝条分别粘附在低介电常数环形泡沫的内外两侧。在制备三维各向同性负磁导率结构时，用低介电常数的泡沫板加工三个环形泡沫，按照材料的正交方式将三个环形泡沫组合在一起，再将各铝条粘附在相应的位置即可。最后用泡沫板制作一个底座来固定材料。所述泡沫板的介电常数为1.07，环形泡沫的宽度w＝4mm±1mm，内径rin＝15mm±2mm，外径rout＝20mm±2mm。所述铝条从厚度为50um的具有吸附性的铝箔片上裁得，铝条宽wa＝4mm±1mm，切口宽wg＝6mm±1mm。
本发明的方法实施例：
本发明实施例的制备方法包括如下步骤：
(1)从具有吸附性的铝箔片上裁得用于制作八开口谐振环的铝条，每个八开口谐振环均需要八根铝条；
(2)用低介电常数的泡沫板加工三个与八开口谐振环相配合的环形泡沫；
(3)按照三个八开口谐振环的正交方式，将三个环形泡沫组合在一起；
(4)将裁得的三个八开口谐振环的铝条分别粘附在所述环形泡沫的相应位置；
(5)用泡沫板制作一个底座来固定谐振环。
具体实施过程如下：
本发明将每个八开口谐振环的八个铝条分别粘附在低介电常数环形泡沫的内外两侧。在制备三维各向同性负磁导率结构时，用低介电常数的泡沫板加工三个环形泡沫，按照结构的正交方式将三个环形泡沫组合在一起，再将各铝条粘附在相应的位置即可。最后用泡沫板制作一个底座来固定材料。所述泡沫板的介电常数为1.07，环形泡沫的宽度w＝4mm±1mm，内径rin＝15mm±2mm，外径rout＝20mm±2mm。所述铝条从厚度为50um的具有吸附性的铝箔片上裁得，铝条宽wa＝4mm±1mm，切口宽wg＝6mm±1mm。
本发明无需传统磁负“超材料”制备过程中的焊接、覆铜、刻蚀等工序，取材方便，制备简单，具有极大的实用价值。
Claims (6)
1.一种三维各向同性负磁导率结构，其特征在于：所述的三维各向同性负磁导率结构包括三个八开口谐振环，所述的八开口谐振环由一个铝制内圆环和一个铝制外圆环嵌套组成，所述内圆环和外圆环的四等分处均设置有切口，所述内圆环4个切口的中心分别与外圆环4个1/4圆弧的中心对应放置，所述三个八开口谐振环的三个外圆环在外圆环切口处两两正交设置，所述三个八开口谐振环的三个内圆环在内圆环1/4圆弧的中心处两两正交设置。
2.根据权利要求1所述的三维各向同性负磁导率结构，其特征在于所述外圆环和内圆环的铝条厚度为50um，宽度为4mm±1mm。
3.根据权利要求1所述的三维各向同性负磁导率结构，其特征在于所述外圆环和内圆环的切口宽度为6mm±1mm。
4.一种如权利要求1所述三维各向同性负磁导率结构的制备方法，其特征在于所述的三维各向同性负磁导率结构包括三个八开口谐振环，每个八开口谐振环均由一个内圆环和一个外圆环嵌套组成，所述内圆环和外圆环的四等分处均设置有切口，内圆环4个切口的中心分别与外圆环4个1/4圆弧的中心对应放置，所述三个八开口谐振环的三个外圆环在外圆环切口处两两正交设置，所述三个八开口谐振环的三个内圆环在内圆环1/4圆弧的中心处两两正交设置，该制备方法包括如下步骤：
(1)从具有吸附性的铝箔片上裁得用于制作八开口谐振环的铝条，每个八开口谐振环均需要八根铝条；
(2)用低介电常数的泡沫板加工三个与八开口谐振环相配合的环形泡沫；
(3)按照三个八开口谐振环的正交方式，将三个环形泡沫组合在一起；
(4)将裁得的三个八开口谐振环的铝条分别粘附在所述环形泡沫的相应位置；
(5)用泡沫板制作一个底座来固定谐振环。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于所述泡沫板的介电常数为1.07。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于所述环形泡沫的宽度为4mm±1mm，内径为15mm±2mm，外径为20mm±2mm。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20170627 Termination date: 20190109 |
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