WO2012139370A1 - 一种人造微结构及其应用的磁谐振超材料 - Google Patents

一种人造微结构及其应用的磁谐振超材料 Download PDF

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WO2012139370A1
WO2012139370A1 PCT/CN2011/081424 CN2011081424W WO2012139370A1 WO 2012139370 A1 WO2012139370 A1 WO 2012139370A1 CN 2011081424 W CN2011081424 W CN 2011081424W WO 2012139370 A1 WO2012139370 A1 WO 2012139370A1
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artificial microstructure
spiral
metal line
artificial
magnetic resonance
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PCT/CN2011/081424
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Inventor
刘若鹏
栾琳
许毓钦
赵治亚
Original Assignee
深圳光启高等理工研究院
深圳光启创新技术有限公司
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q15/00—Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
    • H01Q15/0006—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices
    • H01Q15/0086—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices said selective devices having materials with a synthesized negative refractive index, e.g. metamaterials or left-handed materials

Definitions

  • the present invention relates to a material, and more particularly to an artificial microstructure and a magnetic resonance super material thereof. Background technique
  • Resonance means that when the frequency of excitation of the circuit is equal to the natural frequency of the circuit, the amplitude of the electromagnetic oscillation of the circuit will peak.
  • a circuit composed of an inductor L and a capacitor C that can resonate at one or several frequencies is collectively referred to as a resonant circuit.
  • a selection circuit that is, the resonant circuit.
  • the study of resonant circuits is important both in terms of utilization and in terms of limiting their hazards.
  • Metamaterials are a new type of synthetic material that responds to electromagnetics and consist of a substrate and an artificial microstructure attached to the substrate. Since the artificial microstructure is usually a structure with a certain geometrical arrangement of metal wires, it can respond to electromagnetic waves, so that the supermaterial as a whole exhibits electromagnetic characteristics different from the substrate, and such electromagnetic properties realize existing materials. Special features that cannot be implemented, such as lowering the resonant frequency and widening the frequency band, thereby improving device performance. Existing materials have specific resonant frequencies that do not meet the diverse application needs. Summary of the invention
  • the present invention provides an artificial microstructure comprising a first metal wire and a second metal wire, the first metal wire being a spiral extending outward from a center point as a starting point, the first The two metal wires extend in parallel with the first metal wire, and the second metal wire and the first metal wire are connected only at an outermost end of a spiral formed by the first metal wire.
  • the artificial microstructure further includes a third metal line, and the second metal line is connected to the outermost end of the spiral line formed by the first metal line at the first metal line through the third metal line .
  • the artificial microstructure is formed by bending a spiral of the same metal wire.
  • the spiral formed by the first metal wire further satisfies the following condition: a polar angle ⁇ of the outermost end of the spiral formed by the first metal wire. > 2 ⁇ .
  • the spiral formed by the first metal wire also satisfies the following conditions:
  • the artificial microstructure is made of copper wire.
  • the artificial microstructure is made of silver wire.
  • the spiral is a circular spiral.
  • the spiral is a square spiral.
  • the size of the artificial microstructure is between one fifth and one tenth of the wavelength of the incident electromagnetic wave.
  • embodiments of the present invention also provide a magnetic resonance metamaterial comprising the above-described artificial microstructure, the artificial microstructure being attached to the substrate.
  • the artificial microstructures are arranged in an array on the substrate.
  • the substrate is divided into a plurality of arrays of identical rectangular parallelepiped substrate units, each of which has an artificial microstructure attached thereto.
  • the side length of the substrate unit is between one fifth and one tenth of the wavelength of the incident electromagnetic wave.
  • the substrate is made of a ceramic material.
  • the substrate is selected from one of FR-4, F4b, CEM1, CEM3 and TP-1.
  • the magnetic resonance metamaterial includes a plurality of stacked substrates, and a plurality of artificial microstructures are attached to each of the substrates.
  • the plurality of substrates are filled with a liquid substrate material that can connect the two.
  • the magnetic resonance metamaterial of the present invention has the following beneficial effects: the non-intersecting artificial microstructures are spirally formed by two wires separated by two, so that the length of the wires which can be arranged in the same volume is increased, thereby increasing
  • the large equivalent capacitance value and the reduced resonance frequency are beneficial to avoid or reach certain special frequency bands, thereby realizing the magnetic resonance function that the existing metamaterial cannot achieve.
  • the size of the crystal lattice can determine the frequency band of the metamaterial application, in the conventional magnetic resonance structure, the application corresponding to the lower frequency band usually requires a larger size lattice design, and the magnetic resonance metamaterial of the present invention is involved.
  • FIG. 1 is a schematic structural view of a magnetic resonance metamaterial according to a preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic structural view of a metamaterial unit of the magnetic resonance metamaterial shown in FIG. 1;
  • FIG. 3 is a schematic diagram of an artificial microstructure in response to a magnetic field in a conventional metamaterial;
  • FIG. 4 is a schematic view of another artificial microstructure in response to a magnetic field in the prior art metamaterial;
  • FIG. 5 is a schematic structural view of the first artificial microstructure of the present invention.
  • Figure 6 is a schematic view showing the structure of a second artificial microstructure of the present invention.
  • Figure 7 is a schematic structural view of a third artificial microstructure of the present invention.
  • Figure 8 is a schematic view showing the structure of a fourth artificial microstructure of the present invention. detailed description
  • the present invention provides a magnetic resonance metamaterial having a special resonance effect with respect to existing materials and known metamaterials.
  • the magnetic resonance metamaterial includes at least one substrate 1 which is equally thick, if there are multiple substrates. 1 the substrates 1 are sequentially stacked in a direction perpendicular to the plane of the substrate (z direction), and are assembled or filled between each two substrates 1 with a substance capable of connecting them, such as a liquid substrate material, which will be existing after curing The two substrates 1 are bonded, so that the plurality of substrates 1 are integrally formed.
  • the substrate 1 can be composed of FR-4, F4b, CEM 1, CEM3 and TP-1 high dielectric constant ceramic materials.
  • Each of the substrates 1 is virtually divided into a plurality of identical rectangular parallelepiped base units which are in one direction (X direction) and the other direction (y direction) perpendicular thereto The columns are arranged in an array.
  • each of the rectangular parallelepiped base unit units has the same length.
  • the side length of the substrate unit is usually between one fifth and one tenth of the wavelength of the incident electromagnetic wave.
  • An artificial microstructure 2 is attached to each substrate unit, and the base unit and the artificial microstructure 2 on the substrate unit together form a metamaterial unit 3.
  • the magnetic resonance metamaterial of the present invention can be It is considered to be formed by arraying a plurality of metamaterial units 3 in three directions of x, y, and z.
  • the artificial microstructure 2 is usually a flat or three-dimensional structure having a certain geometrical shape composed of a metal wire such as a copper wire or a silver wire.
  • the artificial microstructures 1 of the present invention are all structures responsive to a magnetic field.
  • the existing artificial microstructure 2 that responds to the magnetic field is usually an open resonant ring, as shown in Figs. 3 and 4.
  • Figure 3 shows a single open resonant ring
  • Figure 4 shows a structure in which two open-ended resonant rings are connected by a metal wire.
  • the number of turns of the conventional open resonant ring is not more than one.
  • the point of the inner part of the ring surrounded by the open resonant ring is the pole of the polar coordinate
  • the line connecting the end point of the open end of the open resonant ring to the pole is the polar axis of the polar coordinate.
  • Such an insufficient open resonant ring has a narrower resonant frequency range that can be adjusted by its own structural length at a particular lattice size, for example, only the prior art is adjusted in a metamaterial unit having a side length of 2 mm.
  • a resonant ring of less than one can achieve a resonance deflection range of 13-15 Ghz, and the adjustable range is narrow, thereby limiting the frequency range that can be applied to the structure in practical applications. Therefore, how to make up for the deficiencies of the existing structure and increase the range of its adjustable resonance is a problem to be solved by the present invention.
  • achieving high integration of metamaterials is extremely important for achieving device miniaturization and reducing manufacturing costs.
  • the artificial microstructure 2 includes a first metal wire 21 and a second metal wire 22, the first metal wire 21 is a spiral extending spirally outward from a center point, and the second metal wire 22 is at Another spiral extending within the routing interval 5 of the first metal line 21 and spirally extending along the routing interval 5, does not intersect between each other, and the starting point of the spiral extension is broken, and the end point passes through the third metal Line 23 is connected as shown in Figures 5-8.
  • the first, second, and third metal wires are respectively formed by bending the same metal wire and spiraling.
  • the first, second, and third metal wires 21, 22, and 23 may be separately formed from different materials, and then the first metal wire 21 and the second metal wire 22 may be fixed.
  • the pitch is connected by the third metal wire 23 in the manner of FIG.
  • the spiral line refers to a polar coordinate system in which the center point is the pole and the line connecting the starting point and the center point is a polar axis on the plane where the artificial microstructure 1 is located (in A, The line meets the conditions:
  • the condition 2) is satisfied, there is a trace interval 5 between the two points on the spiral line whose polar angle is ⁇ and ⁇ +2 ⁇ , and the second metal line 22 of the present invention is the trace on the first metal line 21. It is understood that the spiral extends in the space 5, whereby the first metal wire 21 is also helically extended within the wire spacing 5 of the second metal wire 22. That is, the artificial microstructure 2 of the present invention has the first and second metal wires 21, 22 alternately spaced apart and spiraled outward together.
  • the invention adopts two metal wires simultaneously spiraling, and the starting points of the two spiral wires are not connected, which is equivalent to the opening of the open resonant ring, can cause metal surface plasma effect, and form a large number of electric dipoles and ions.
  • the aggregation of the body enhances the response of the entire metal microstructure to electromagnetic waves; and the two spirals extend through the spiral, the length of which is much larger than the existing open-loop resonant ring of the single turn, and the opposite trace portions of the two spirals can wait
  • the board forms a capacitive effect.
  • the known capacitance formula is , wherein, the ideal dielectric constant in air is the dielectric constant of the substrate 1, A is the area of the electrode containing plate, and d is the spacing between the two capacitor plates.
  • the length of the portion of the trace opposite the two spirals, t is the thickness of the metal line attached to the substrate 1. It can be seen that the longer the spiral is, the closer the two spirals are, the larger the equivalent capacitance value is when the other conditions are not changed.
  • the magnetic resonance structure of the present invention has a larger capacitance value and a lower resonance frequency than the prior art, and is advantageous for achieving a resonance effect in a specific application frequency band.
  • the first and second metal wires 21, 22 of the artificial microstructure 2 shown in Figs. 5 and 6 are square spirals.
  • the square spiral line means that the spiral line is formed while satisfying the above conditions 1), 2), and 3), and can be regarded as being formed by sequentially connecting a plurality of straight line segments 90 degrees from the inside to the outside, and the straight line segments are longer than the long line segments.
  • the line is always straight.
  • the substrate 1 is FR-4, and the metal wires are copper wires.
  • the artificial microstructure 2 shown in Fig. 6 has the base unit side length, the length and width of the artificial microstructure 2, the side margin h, the line width w, and the material of the metal wire and the substrate 1 are the same as those shown in Fig. 5.
  • the first and second wires of the artificial microstructure 2 may be circular spirals in addition to the square spiral structure shown in FIGS. 5 and 6.
  • Circular helix herein refers to polar coordinates of the helix satisfies the conditions 1), 2), 3), while also satisfying the corpse ⁇ > ⁇ ⁇ , such that no sharp corners and bumps helix but A smooth curve, as shown in Figure 7, Figure 8.
  • the trace spacings 5 are not necessarily equal, as shown in Figure 8, the trace spacing 5 of the second metal lines 22 is not equal.
  • the two spirals of the first and second metal wires do not necessarily have the same pole and polar axis, that is, their spiral center point, the spiral starting point of the first metal wire 21, and the spiral of the second metal wire 11
  • the starting point is not necessarily collinear.
  • the magnetic resonance metamaterial of the present invention is spirally formed by two wires separated by two to form a disjoint artificial microstructure 2, so that the length of the wires which can be arranged in the same volume is increased, thereby increasing the equivalent capacitance value.
  • the resonant frequency is reduced, which is beneficial to avoid or reach certain special frequency bands, thereby realizing the magnetic resonance function that the existing metamaterial cannot achieve.
  • the size of the crystal lattice can determine the frequency band of the metamaterial application, in the conventional magnetic resonance structure, the application corresponding to the lower frequency band usually requires a larger size lattice design, and the novel magnetic resonance super-invention of the present invention
  • the material can achieve a smaller lattice in low-frequency applications, that is, it has higher integration, which has the application prospect of miniaturization of devices and large-scale manufacturing.

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Abstract

本发明提供了一种人造微结构，所述人造微结构包括第一金属线及第二金属线，所述第一金属线为自一中心点为起始点向外螺旋延伸的螺旋线，所述第二金属线与所述第一金属线并行延伸，且所述第二金属线与所述第一金属线仅在所述第一金属线形成的螺旋线的最外端相连。本发明提供的人造微结构能够使得在相同的体积内可以排列的金属丝长度增大，进而增大等效电容值，谐振频率减小，有利于实现高度集成以及避开或达到某些特殊频段，从而实现现有的超材料所不能实现的磁谐振功能。另，本发明还提供一种包括所述人造微结构的磁谐振超材料。

Description

一种人造微结构及其应用的磁谐振超材料
本申请要求于 2011年 4月 12曰提交中国专利局、申请号为 201110091209.X, 发明名称为 "一种磁谐振超材料" 的中国专利申请的优先权， 其全部内容通过 引用结合在本申请中。 技术领域
本发明涉及一种材料， 特别是涉及一种人造微结构及其应用的磁谐振超材 料。 背景技术
谐振是指当电路的激励的频率等于电路的固有频率时， 电路的电磁振荡的 振幅将达到峰值。 由电感 L和电容 C组成的、 可以在一个或若干个频率上发生 谐振现象的电路， 统称为谐振电路。 在电子和无线电工程中， 经常要从许多电 信号中选取出我们所需要的电信号， 而同时把我们不需要的电信号加以抑制或 滤出， 为此就需要有一个选择电路， 即谐振电路。 另一方面， 在电力工程中， 有可能由于电路中出现谐振而产生某些危害， 例如过电压或过电流。 所以， 对 谐振电路的研究， 无论是从利用方面， 或是从限制其危害方面来看， 都有重要 意义。
超材料是一种能够对电磁产生响应的新型人工合成材料， 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， 因此能够对电磁波产生响应， 从而使超材料整体体现出不同于 基材的电磁特性， 这样的电磁特性能实现现有材料不能实现的特殊功能， 例如 降低谐振频率， 拓宽频带， 从而改善器件的性能。 现有的材料其谐振频率都是 特定的， 不能满足多样化的应用需求。 发明内容
本发明提供一种人造微结构， 所述人造微结构包括第一金属线及第二金属 线， 所述第一金属线为自一中心点为起始点向外螺旋延伸的螺旋线， 所述第二 金属线与所述第一金属线并行延伸， 且所述第二金属线与所述第一金属线仅在 所述第一金属线形成的螺旋线的最外端相连。 其中， 所述人造微结构还包括第三金属线， 所述第二金属线与所述第一金 属线通过所述第三金属线在所述第一金属线形成的螺旋线的最外端相连。
所述人造微结构由同一根金属线折弯螺旋而形成。
以所述人造微结构的中心点为极点、 以所述第一金属线形成的螺旋线的起 始点与所述中心点的连线为极轴而构成的极坐标系（A ^>中， 所述第一金属线形 成的螺旋线满足条件：
ρ'(θ)≠∞ 所述第一金属线形成的螺旋线还满足以下条件：
ρ{θ) < ρ{θ + 2π) ^ 其中， ( 表示所述第一金属线形成的螺旋线上某一点和 极点的连线与极轴的夹角为 Θ时， 该点与极点的连线的长度。
所述第一金属线形成的螺旋线还满足以下条件： 所述第一金属线形成的螺 旋线的最外端的极角 θ。> 2π。
所述第一金属线形成的螺旋线还满足以下条件：
所述第一金属线上的任两点均满足^^ +^^^^^ ^ ^ +？^^ ) , θ!≠ θ2;
所述第二金属线 22上的任两点均满足 Ρι ( + 2π) - i ( ) = i (θ2 + 2π) - A ( ）， θ i ≠θ2。
所述人造微结构采用铜线制成。
所述人造微结构采用银线制成。
所述螺旋线为圓形螺旋线。
所述螺旋线为方形螺旋线。
所述人造微结构的尺寸为入射电磁波波长的五分之一到十分之一之间。
相应地， 本发明实施例还提供了一种磁谐振超材料， 其包括上述的人造微 结构， 所述人造微结构附着在所述基板上。
其中， 所述人造微结构在所述基板上成阵列排布。
所述基材划分为多个阵列排布的相同的长方体基材单元， 每个基材单元上 附着有一个人造微结构。
基材单元的边长为入射电磁波波长的五分之一到十分之一之间。
所述基材为陶瓷材料制成。
所述基材选自 FR-4, F4b, CEM1 , CEM3和 TP-1中的一种。 所述磁谐振超材料包括叠加的多块基板， 每块基板上均附着有多个人造微 结构。
所述多块基板之间填充可连接二者的液态基板原料。
实施本发明的磁谐振超材料， 具有以下有益效果： 由两根之间隔开的金属 丝一起螺旋形成不相交的人造微结构， 使得在相同的体积内可以排列的金属丝 长度增大， 进而增大等效电容值， 谐振频率减小， 有利于避开或达到某些特殊 频段， 从而实现现有的超材料所不能实现的磁谐振功能。 此外， 由于晶格尺寸 的大小可决定超材料应用的频段， 在传统的磁谐振结构中， 对应较低频段的应 用通常需要较大的尺寸的晶格设计， 而本发明涉及的磁谐振超材料， 能够实现 在低频应用中采用更小晶格， 即具有更高集成度， 从而具有实现器件小型化和 实现大规模制造的应用前景。 附图说明 例或现有技术描述中所需要使用的附图作筒单地介绍， 显而易见地， 下面描述 中的附图仅仅是本发明的一些实施例， 对于本领域普通技术人员来讲， 在不付 出创造性劳动性的前提下， 还可以根据这些附图获得其他的附图。
图 1是本发明优选实施例的磁谐振超材料的结构示意图；
图 2是图 1所示的磁谐振超材料的一个超材料单元的结构示意图； 图 3是现有的超材料中对磁场产生响应的人造微结构的示意图；
图 4是现有的超材料中对磁场产生响应的另一人造微结构的示意图； 图 5是本发明的第一种人造微结构的结构示意图；
图 6是本发明的第二种人造微结构的结构示意图；
图 7是本发明的第三种人造微结构的结构示意图；
图 8是本发明的第四种人造微结构的结构示意图。 具体实施方式
为了改进现有技术的电磁材料的电磁特性， 本发明提供一种磁谐振超材料， 相对于现有材料和已知的超材料， 具有特殊的谐振效果。
如图 1所示，磁谐振超材料包括至少一块均勾等厚的基板 1 , 若有多块基板 1则基板 1沿垂直于基板平面的方向 （z方向）依次堆叠， 并通过组装或者在每 两块基板 1 之间填充可连接二者的物质例如液态基板原料， 其在固化后将已有 的两基板 1粘合， 从而使多块基板 1构成一个整体。 基板 1可由 FR-4, F4b, CEM 1 , CEM3和 TP- 1高介电常数陶瓷材料构成。
将每块基板 1虚拟地划分成多个完全相同的相互紧挨着地长方体基材单元， 这些基材单元以一方向 （X方向） 为行、 以与之垂直的另一方向 （y方向）为列 地依次阵列排布。 本实施方式中， 所述长方体基材单元的各个棱长相等。 基材 单元的边长通常为入射电磁波波长的五分之一到十分之一之间。 每个基材单元 上附着有一个人造微结构 2,基材单元和基材单元上的人造微结构 2共同构成一 个超材料单元 3 , 如图 2所示， 则本发明的磁谐振超材料可看作是由多个超材料 单元 3沿 x、 y、 z三个方向阵列排布而成。
人造微结构 2通常为金属线例如铜线、 银线组成的具有一定几何图形的平 面或立体结构。 本发明的人造微结构 1 均为对磁场有响应的结构。 现有的对磁 场响应的人造微结构 2通常为开口谐振环， 如图 3、 图 4所示。 图 3所示的为一 个单独的开口谐振环， 图 4所示的是两个开口相向的开口谐振环之间通过一金 属丝连接而形成的结构。
由以上图示可知， 现有的开口谐振环的圏数不大于 1。 本文的一圏， 是指以 开口谐振环所围成的环形内部的一点为极坐标的极点， 开口谐振环两端点中离 原点近的一个端点到极点的连线为该极坐标的极轴， 取逆时针为正方向， 则沿 开口谐振环上的每一点依次用极坐标来表示， 每到一个 360度为一圏。
这样的不足一圏的开口谐振环， 由于在特定晶格尺寸下其本身的结构长度 能够调节的谐振频率范围较窄， 例如在边长在 2mm的超材料单元中仅仅调整现 有技术的这种不足一圏的谐振环， 其所能达到的谐振偏折范围为 13-15Ghz的频 段， 可调范围较窄， 从而限制了实际应用中该种结构所能应用的频率范围。 因 此如何弥补现有结构的不足， 增加其可调谐振的范围， 是本发明需要解决的问 题。 同时， 实现超材料的高集成度， 对于实现器件小型化和降低制造成本具有 极其重要的意义。 本发明的创新点在于， 人造微结构 2包括第一金属线 21和第 二金属线 22, 第一金属线 21为自一中心点向外螺旋延伸的螺旋线， 而第二金属 线 22为在第一金属线 21的走线间隔 5内且沿走线间隔 5螺旋延伸的另一螺旋 线， 二者之间不相交， 且螺旋延伸的起始点之间断开， 而末端点通过第三金属 线 23连接， 如图 5至图 8所示。 在实际制造过程中， 第一、 第二、 第三金属线 是由同一根金属线折弯螺旋而分别形成的。 当然， 在其他实施方式中， 所述第 一、 第二、 第三金属线 21、 22、 23也可以用不同材料分别单独成形， 然后再将 第一金属线 21及第二金属线 22以一定间距利用第三金属线 23按照图 5的方式 连接起来。
这里的螺旋线是指， 在人造微结构 1所在的平面上， 在以所述中心点为极 点、 以所述起始点与中心点的连线为极轴而构成的极坐标系（A 中， 该线满足 条件：
1 )连续、 没有断开， 即 ' )≠∞;
2 ) Ρ{θ) < ρ{θ + π) ^ 其中， ( 表示该线上某一点和极点的连线与极轴的夹 角为 Θ时该点与极点的连线的长度；
3 )该线的末端点的极角 θ0 > 2π。
由于满足条件 2 ),使得螺旋线上极角为 Θ和 θ+2π的两个点之间存在有走线 间隔 5 ,而本发明的第二金属线 22是在第一金属线 21的走线间隔 5内螺旋延伸 出来的， 可以理解的是， 由此第一金属线 21也是在第二金属线 22的走线间隔 5 内螺旋延伸的。 也就是说， 本发明的人造微结构 2, 其第一、 第二金属线 21、 22交替间隔， 一起向外螺旋。
由于本发明采用的是两个金属线同时螺旋， 且两个螺旋线的起始点之间不 连接， 相当于开口谐振环的开口， 能够引起金属表面等离子体效应， 形成大量 电偶极子和离子体的聚集， 增强整个金属微结构对电磁波的响应； 而两个螺旋 线通过螺旋延伸， 其长度要远远大于现有的单圏的开口谐振环， 两个螺旋线相 对的走线部分可以等 板， 形成电容效应。
已知电容公式为
Figure imgf000007_0001
, 其中， 为空气中的理想介电常数， 为 基板 1的介电常数， A为电极容板的面积， d为两电容极板之间的间距。 电容极 板的面积入=1^, 其中 L。为两个螺旋线相对的走线部分的长度， t为附着在基板 1上的金属线的厚度。 可见， 在其他条件不改变的情况下， 螺旋线越长， 两螺旋 线之间越近， 等效电容值越大。
另外， 已知 LC振荡电路的公式为： 当电容值增大， 其对应的谐振频率将降低。 因此， 本发明的磁谐振结构， 相对于现有技术， 其电容值更大、 谐振频率低， 有利于达到在特定应用频段下 的谐振效应。
图 5、 图 6示出的人造微结构 2的第一、 第二金属线 21、 22为方形螺旋线。 方形螺旋线是指在满足上述条件 1 )、 2 )、 3 )而形成螺旋线的同时， 可以看作是 由多个直线段依次互成 90度自内向外连接而成，后一直线段均长于前一直线段。
图 5中， 基材单元的边长为 4.2mm, 人造微结构 1的长、 宽均为 H=4mm, 且两侧分别到基材单元的侧边的距离 h=0.1mm , 第一、 第二金属线的线宽 w=0.025mm , 第一、 第二金属线的每两平行且相邻的走线部分之间的距离 D=0.4mm, 二者均螺旋环绕了约 2圏。 基板 1为 FR-4 , 金属线均为铜线。 经过 模拟仿真，测得本实施例的超材料单元 3 ,其谐振频率 f。=5.6GHz,磁导率 μ=6.7。
图 6所示的人造微结构 2 , 其基材单元边长、 人造微结构 2的长宽 Η、 侧边 距 h、 线宽 w以及金属线和基板 1的材料均与图 5所示的人造微结构 2相同， 不同的在于第一、 第二金属线 21、 22的每两平行且相邻的走线部分之间的距离 d=0.2mm, 使得二者分别环绕了约 3圏。 经过模拟仿真和测量， 本实施例的超材 料单元 3 , 其谐振频率 f。=2.4GHz, 磁导率 μ=4.3。
可见， 在相同的体积下， 第一、 第二金属线螺旋的走线间隔 5越密， 则谐 振频率越小。 通过大量的仿真和试验， 证实了上述结论。
人造微结构 2的第一、 第二金属丝除了图 5、 图 6所示的方形螺旋线结构， 还可以是圓形螺旋线。 本文的圓形螺旋线是指在上述螺旋线的极坐标满足上述 条件 1 )、 2 )、 3 ) 的同时， 还满足尸^ >≠∞, 使得该螺旋线上没有尖角和凸点而 是一条平滑曲线， 如图 7、 图 8所示。
其中， 图 5、 图 6、 图 7所示的人造微结构 2中， 其第一、 第二金属线的走 线间隔 5 都是均匀相等的， 即第一金属线 21 上的任两点均满足 {θλ + 2π) - Ρι {θλ ) = {θ2 + 2π) - {θ2 ) ? θ1≠θ2, 而第二金属线 22 上的任两点均满 足 2( + 2 r)- 2( ） = 2( + 2 r)- 2( ）， ΘΙ≠Θ2。 但是， 在其他实施例中， 走线间 隔 5并不必然是相等的，如图 8所示，其第二金属线 22的走线间隔 5就不相等。 另外， 第一、 第二金属线的两根螺旋线并不必然具有相同的极点和极轴， 即他 们的螺旋中心点、 第一金属线 21的螺旋起始点和第二金属线 11的螺旋起始点 三者不必然共线。 本发明的磁谐振超材料， 由两根之间隔开的金属丝一起螺旋形成不相交的 人造微结构 2,使得在相同的体积内可以排列的金属丝长度增大， 进而增大等效 电容值， 谐振频率减小， 有利于避开或达到某些特殊频段， 从而实现现有的超 材料所不能实现的磁谐振功能。 此外， 由于晶格尺寸的大小可决定超材料应用 的频段， 在传统的磁谐振结构中， 对应较低频段的应用通常需要较大的尺寸的 晶格设计， 而本发明涉及的新型磁谐振超材料， 能够实现在低频应用中采用更 小晶格， 即具有更高集成度， 从而具有实现器件小型化和实现大规模制造的应 用前景。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已， 当然不能以此来限定本发 明之权利范围， 因此依本发明权利要求所作的等同变化， 仍属本发明所涵盖的 范围。

Claims

权 利 要 求
1. 一种人造微结构， 所述人造微结构包括第一金属线及第二金属线， 所述 第一金属线为自一中心点为起始点向外螺旋延伸的螺旋线， 所述第二金属线与 所述第一金属线并行延伸， 且所述第二金属线与所述第一金属线仅在所述第一 金属线形成的螺旋线的最外端相连。
2. 如权利要求 1所述的人造微结构， 其特征在于， 所述人造微结构还包括 第三金属线， 所述第二金属线与所述第一金属线通过所述第三金属线在所述第 一金属线形成的螺旋线的最外端相连。
3. 如权利要求 1或 1所述的人造微结构， 其特征在于， 所述人造微结构由 同一根金属线折弯螺旋而形成。
4. 如权利要求 3所述的人造微结构， 其特征在于， 以所述人造微结构的中 心点为极点、 以所述第一金属线形成的螺旋线的起始点与所述中心点的连线为 极轴而构成的极坐标系 中， 所述第一金属线形成的螺旋线满足条件：
ρ'(θ)≠∞
5. 如权利要求 4所述的人造微结构， 其特征在于， 所述第一金属线形成的 螺旋线还满足以下条件：
ρ{θ) < ρ{θ + 2π) ^ 其中， ( 表示所述第一金属线形成的螺旋线上某一点和 极点的连线与极轴的夹角为 Θ时， 该点与极点的连线的长度。
6. 如权利要求 5所述的人造微结构， 其特征在于， 所述第一金属线形成的 螺旋线还满足以下条件： 所述第一金属线形成的螺旋线的最外端的极角 θ。> 2π。
7. 如权利要求 4所述的人造微结构， 其特征在于， 所述第一金属线形成的 螺旋线还满足以下条件：
所述第一金属线上的任两点均满足^^ +^^^^^ ^ ^ +？^^ ) , θ!≠ θ2;
所述第二金属线 22上的任两点均满足 Ρι ( + 2π) - i ( ) = i (θ2 + 2π) - A ( ）， θ i ≠θ2。
8. 如权利要求 4所述的人造微结构， 其特征在于， 所述人造微结构采用铜 线制成。
9. 如权利要求 1所述的人造微结构， 其特征在于， 所述人造微结构采用银 线制成。
10. 如权利要求 1所述的人造微结构， 其特征在于， 所述螺旋线为圓形螺旋 线。
11. 如权利要求 1所述的人造微结构， 其特征在于， 所述螺旋线为方形螺旋 线。
12. 如权利要求 1所述的人造微结构， 其特征在于， 所述人造微结构的尺寸 为入射电磁波波长的五分之一到十分之一之间。
13. 一种磁谐振超材料， 其包括基板及多个如权利要求 1-12任一项所述的 人造微结构， 所述人造微结构附着在所述基板上。
14. 如权利要求 13所述的磁谐振超材料， 其特征在于， 所述人造微结构在 所述基板上成阵列排布。
15. 如权利要求 13所述的磁谐振超材料， 其特征在于， 所述基材划分为多 个阵列排布的相同的长方体基材单元， 每个基材单元上附着有一个所述人造微 结构。
16. 如权利要求 15所述的磁谐振超材料， 其特征在于， 所述基材单元的边 长为入射电磁波波长的五分之一到十分之一之间。
17. 如权利要求 13所述的磁谐振超材料， 其特征在于， 所述基材为陶瓷材 料制成。
18. 如权利要求 17所述的磁谐振超材料，其特征在于，所述基材选自 FR-4, F4b, CEM1 , CEM3和 TP-1中的一种。
19. 如权利要求 14所述的磁谐振超材料， 其特征在于， 所述磁谐振超材料 包括叠加的多块基板， 每块基板上均附着有多个人造微结构。
20. 如权利要求 19所述的磁谐振超材料， 其特征在于， 所述多块基板之间 填充可连接二者的液态基板原料。
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