專利名稱：負(fù)磁導(dǎo)率人工電磁材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電磁領(lǐng)域，更具體地說,涉及一種負(fù)磁導(dǎo)率人工電磁材料。
背景技術(shù)：
目前在國際上，對磁導(dǎo)率已有大量研究，正磁導(dǎo)率已經(jīng)比較成熟，但是目前社會急需負(fù)磁導(dǎo)率超材料，因此它的作用很大，因為他具有很特別的功能，有量子極化作用，可以對入射波產(chǎn)生極化，因此作用范圍很大，如在醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域中，能夠加強(qiáng)電磁波的成像效果，還在透鏡研究方面都有很大用處，有很好的應(yīng)用前景，因此對負(fù)磁導(dǎo)是目前國內(nèi)外研究的熱點之一。
在工程實用中，磁導(dǎo)率通常都是指相對磁導(dǎo)率，為物質(zhì)的絕對磁導(dǎo)率μ與磁性常數(shù)μC1 (又稱真空磁導(dǎo)率)的比值，μ^= μ/μO，為無量綱值。通?！跋鄬Α倍旨胺栂聵?biāo)r都被省去。磁導(dǎo)率是表示物質(zhì)受到磁化場H作用時，內(nèi)部的真磁場相對于H的增加(μ >D或減少(μ < I)的程度。但對于現(xiàn)有的自然界已存在的材料中，其μ都是大于O的。人工電磁材料(metamaterial),又稱超材料,是一種能夠?qū)﹄姶女a(chǎn)生響應(yīng)的新型人工合成材料，如圖1所示，由基板和附著在基板上的人造微結(jié)構(gòu)組成。由于人造微結(jié)構(gòu)通常為金屬線排布成的具有一定幾何圖形的結(jié)構(gòu)，因此能夠?qū)﹄姶女a(chǎn)生響應(yīng)，從而使超材料整體體現(xiàn)出不同于基板的電磁特性，具有特定的介電常數(shù)ε、磁導(dǎo)率μ或折射率η，而這些參數(shù)都是有關(guān)電磁波頻率的函數(shù)，通常不為恒定值?，F(xiàn)有的人造微結(jié)構(gòu)的幾何形狀為“工”字形或者如圖1所示的類似“凹”字形的開口環(huán)形，但這結(jié)構(gòu)都不能實現(xiàn)磁導(dǎo)率μ明顯小于O。只有通過設(shè)計具有特殊幾何圖形的人造微結(jié)構(gòu)，才能使得該人工電磁材料在特定頻段內(nèi)達(dá)到磁導(dǎo)率μ值小于O。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于，針對現(xiàn)有技術(shù)的材料不能實現(xiàn)磁導(dǎo)率為負(fù)值的缺陷，提供一種負(fù)磁導(dǎo)率人工電磁材料。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:構(gòu)造一種負(fù)磁導(dǎo)率人工電磁材料，包括至少一個材料片層，每個材料片層包括基板和附著在基板表面上的多個由導(dǎo)電材質(zhì)的絲線組成的人造微結(jié)構(gòu)，所述人造微結(jié)構(gòu)包括一條絲線構(gòu)成的開口諧振環(huán)和至少三條自所述開口諧振環(huán)上的不同位置分別向環(huán)內(nèi)延伸的電極線。在本發(fā)明所述的負(fù)磁導(dǎo)率人工電磁材料中，其中兩條電極線分別連接在所述開口諧振環(huán)的兩端端點上，且相互平行地并排設(shè)置。在本發(fā)明所述的負(fù)磁導(dǎo)率人工電磁材料中，所述至少三條電極線均相互平行且靠近所述開口諧振環(huán)的兩端端點。在本發(fā)明所述的負(fù)磁導(dǎo)率人工電磁材料中，所述人造微結(jié)構(gòu)位于所述基板的正面，所述基板的背面附著有金屬箔。在本發(fā)明所述的負(fù)磁導(dǎo)率人工電磁材料中，所述基板包括多個相同的且沿所述基板表面陣列排布的方體形基板單元，每個基板單元的正面附著有一個所述人造微結(jié)構(gòu)，每個基板單元的背面附著有一片金屬箔單元。在本發(fā)明所述的負(fù)磁導(dǎo)率人工電磁材料中，所述金屬箔單元鋪滿所述基板單元背面的除四角以外的所有面積。在本發(fā)明所述的負(fù)磁導(dǎo)率人工電磁材料中，每個基板單元上的人造微結(jié)構(gòu)和金屬箔單元完全相同。在本發(fā)明所述的負(fù)磁導(dǎo)率人工電磁材料中，所述開口諧振環(huán)為圓形開口諧振環(huán)。在本發(fā)明所述的負(fù)磁導(dǎo)率人工電磁材料中，所述開口諧振環(huán)為矩形開口諧振環(huán)。在本發(fā)明所述的負(fù)磁導(dǎo)率人工電磁材料中，所述材料片層有多個，且沿垂直于基板表面的方向排列，材料片層之間相互平行且等間距設(shè)置。實施本發(fā)明的負(fù)磁導(dǎo)率人工電磁材料，具有以下有益效果:采用本發(fā)明的人造微結(jié)構(gòu)，能夠明顯提高人工電磁材料的負(fù)磁導(dǎo)率的絕對值，從而強(qiáng)化負(fù)磁導(dǎo)率效果，以滿足特定條件下對負(fù)磁導(dǎo)率值的要求。


下面將結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，附圖中:圖1是現(xiàn)有技術(shù)的人工電磁材料的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明第一實施例的負(fù)磁導(dǎo)率人工電磁材料的前視圖；圖3是圖2所示實施例的后視圖；圖4是圖2所示實施例的其中一個材料單元的前視圖；圖5是圖2所示實施例的其中一個材料單元的后視圖；圖6是圖2所示實施例的材料單元的尺寸示意圖；圖7是現(xiàn)有技術(shù)的人工電磁材料的電磁響應(yīng)曲線；圖8是圖6所示材料單元構(gòu)成的實施例的電磁響應(yīng)曲線；圖9是第二實施例的人造微結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖10是第三實施例的人造微結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明涉及一種負(fù)磁導(dǎo)率人工電磁材料，如圖2、圖3所示，包括至少一個材料片層1，每個材料片層I包括基板2和附著在基板2表面上的多個人造微結(jié)構(gòu)3，人造微結(jié)構(gòu)3在基板2表面上呈周期性排布，例如矩形陣列排布，即以X方向為行、以垂直于X方向的y方向為列地排列，且各行間距、各列間距分別相等，甚至行間距等于列間距均可，且優(yōu)選行間距、列間距不大于所要吸收的入射電磁波的波長的五分之一，優(yōu)選為十分之一。當(dāng)材料片層I有多個時，各材料片層I沿垂直于基板2表面的z方向依次排列，片層之間相互平行設(shè)置，優(yōu)選地平行且間距相等?；?通常選用聚四氟乙烯、環(huán)氧樹脂、FR4、陶瓷等非金屬材料。由于人造微結(jié)構(gòu)3陣列排布，因此可以將基板2虛擬地劃分為同樣陣列排布的多個基板單元20，基板單元20的長度等于上述行間距、寬度等于列間距、厚度等于基板2厚度。每個基板單元20的表面上正好對應(yīng)有一個人造微結(jié)構(gòu)3。
本發(fā)明的優(yōu)點在于，設(shè)計了一種具有新的幾何圖形的人造微結(jié)構(gòu)3，如圖2、圖4所示，其包括一條絲線構(gòu)成的開口諧振環(huán)4和至少三條自所述開口諧振環(huán)4上的不同位置分別向環(huán)內(nèi)延伸的電極線5。開口諧振環(huán)4的絲線和所述至少三條電極線5均是由導(dǎo)電材料制成的，這樣的導(dǎo)電材料通常為金屬材料例如銀、銅、銅合金等，也可以是其他非金屬的導(dǎo)電材料例如導(dǎo)電塑料等。開口諧振環(huán)(Split Ring Resonator,簡稱SRR),是一種能夠產(chǎn)生諧振的開口環(huán)形結(jié)構(gòu)，通常為具有開口的圓環(huán)或者具有開口的矩形框，也有近似于“凹”字形如圖1所示的結(jié)構(gòu)。現(xiàn)在的這些開口諧振環(huán)雖然在一定頻段范圍內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)負(fù)磁導(dǎo)率，但是其絕對值仍然較小，接近于0，通常在O -0.5之間，不具有明顯的負(fù)磁導(dǎo)率特性。本發(fā)明的創(chuàng)新點在于在現(xiàn)有的開口諧振環(huán)基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，提供一種新的人造微結(jié)構(gòu)，能夠大大提高負(fù)磁導(dǎo)率的絕對值。如圖2、圖4所示，本發(fā)明在開口諧振環(huán)4上增加了自所述開口諧振環(huán)4上的不同位置分別向環(huán)內(nèi)延伸的至少三條電極線5。優(yōu)選地，電極線5都靠近開口諧振環(huán)4的兩端點。當(dāng)其中的兩條電極線5分別連接在開口諧振環(huán)4的兩端端點上且相互平行地并排設(shè)置，即形成圖1所示的近似“凹”字形的結(jié)構(gòu)，其他電極線5優(yōu)選地也與這兩條電極線平行且具有一定間隔，形成電容效應(yīng)。在電磁學(xué)中，已知磁導(dǎo)率μ是一個用來衡量物質(zhì)導(dǎo)磁能力的物理量，磁場強(qiáng)度H、磁感應(yīng)強(qiáng)度B及磁導(dǎo)率μ之間的關(guān)系為:μ = Β/Ηο由公式可以看出，磁導(dǎo)率μ與磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比，而磁感應(yīng)強(qiáng)度B跟電容有關(guān)，本發(fā)明的改進(jìn)后的人造微結(jié)構(gòu)相當(dāng)于增加了電容，從而提高了結(jié)構(gòu)內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，進(jìn)而提高負(fù)磁導(dǎo)率的絕對值。為了進(jìn)一步增強(qiáng)負(fù)磁導(dǎo)率的特性，本發(fā)明的人工電磁材料在基板2的正面附著人造微結(jié)構(gòu)3的同時,還在基板2的背面附著有金屬箔。金屬箔的厚度通常在0.018-0.035mm之間，金屬箔通常采用銅箔。金屬箔可以為一整片箔片貼附在基板2背面，優(yōu)選地，金屬箔為“漁網(wǎng)”(fish net)形，如圖3所示，即在一整片箔片上均勻地開有網(wǎng)孔，網(wǎng)孔的位置位于相鄰四個基板單元20的交界處。也就是說，將金屬箔按照與基板單元20相同的劃分規(guī)則虛擬地劃分為以X方向為行、y方向為列的多個陣列排布的金屬箔單元6，每個金屬箔單元6如圖5所示，其鋪滿所對應(yīng)的基板單元20背面的除四角以外的所有面積區(qū)域，每個角與相鄰三個金屬箔單元6的角共同構(gòu)成一個網(wǎng)孔，如圖4所示。優(yōu)選地，每個人造微結(jié)構(gòu)3、金屬箔單元6完全相同，從而達(dá)到各處性能均勻。采用這種具有網(wǎng)孔的金屬箔，由于電磁波穿過網(wǎng)格時產(chǎn)生電磁效應(yīng)，導(dǎo)致電量的集聚，進(jìn)而引起與人造微結(jié)構(gòu)3的電容效應(yīng)增強(qiáng)，進(jìn)而提高負(fù)磁導(dǎo)率的絕對值。例如，在本發(fā)明的第一實施例中，每個基板單元20、人造微結(jié)構(gòu)3及金屬箔單元6構(gòu)成的材料單元如圖5所示,基板2選擇FR-4環(huán)氧樹脂材料，厚度為0.4mm,人造微結(jié)構(gòu)3由銅線制成，金屬箔為銅箔，二者厚度均為0.018mm,金屬箔單元6四角未鋪填區(qū)域均為
0.1mmX0.1mm的方形區(qū)域；同時，圖中各尺寸分別為:A = 2mm, a = 1.9mm, b = 1.9mm, P = 0.875mm, H = 1mm, d = 0.4mm,線寬 w =0.1mm, Wl = 0.1mm, W2 = 0.1mm。對上述材料單元進(jìn)行仿真，得到的磁導(dǎo)率關(guān)于頻率的電磁響應(yīng)曲線如圖8所示。由圖可知，本實施例的材料單元在22.3 24.2GHz范圍內(nèi)其磁導(dǎo)率均為負(fù)值，且在22.7 23.4GHz范圍內(nèi)其磁導(dǎo)率均小于-2，在22.8 23.1GHz范圍內(nèi)其磁導(dǎo)率均小于_4，因此其負(fù)磁導(dǎo)率的頻帶很寬，且負(fù)的絕對值高達(dá)4。而其他條件與上述圖6所示實施例完全相同，只是沒有圖6中的三對平行的電極線從而形成如圖1所示的近似“凹”字形的開口諧振環(huán)，其仿真得到的電磁響應(yīng)曲線如圖7所示。由圖可知，其只有在9.35 9.48GHz范圍內(nèi)其磁導(dǎo)率為負(fù)值，且最小只能達(dá)到-0.16，其絕對值是很小的，很難達(dá)到所需要的負(fù)磁導(dǎo)率效果。因此，采用本發(fā)明的人造微結(jié)構(gòu)，能夠明顯提高人工電磁材料的負(fù)磁導(dǎo)率的絕對值，從而強(qiáng)化負(fù)磁導(dǎo)率效果，以滿足特定條件下對負(fù)磁導(dǎo)率值的要求。上面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例進(jìn)行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實施方式
，例如開口諧振環(huán)的邊角不一定為直角，可以為如圖8所示的圓弧過渡，另外，開口諧振環(huán)也并不必然為矩形，還可以是具有缺口的圓環(huán)形，如圖9所示。上述的具體實施方式
僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨和權(quán)利要求所保護(hù)的范圍情況下，還可做出很多形式，這些均屬于本發(fā)明的保護(hù)之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種負(fù)磁導(dǎo)率人工電磁材料,包括至少一個材料片層，其特征在于，每個材料片層包括基板和附著在基板表面上的多個由導(dǎo)電材質(zhì)的絲線組成的人造微結(jié)構(gòu)，所述人造微結(jié)構(gòu)包括一條絲線構(gòu)成的開口諧振環(huán)和至少三條自所述開口諧振環(huán)上的不同位置分別向環(huán)內(nèi)延伸的電極線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的負(fù)磁導(dǎo)率人工電磁材料，其特征在于，其中兩條電極線分別連接在所述開口諧振環(huán)的兩端端點上，且相互平行地并排設(shè)置。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的負(fù)磁導(dǎo)率人工電磁材料，其特征在于，所述至少三條電極線均相互平行且靠近所述開口諧振環(huán)的兩端端點。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的負(fù)磁導(dǎo)率人工電磁材料，其特征在于，所述人造微結(jié)構(gòu)位于所述基板的正面，所述基板的背面附著有金屬箔。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的負(fù)磁導(dǎo)率人工電磁材料，其特征在于，所述基板包括多個相同的且沿所述基板表面陣列排布的方體形基板單元，每個基板單元的正面附著有一個所述人造微結(jié)構(gòu)，每個基板單元的背面附著有一片金屬箔單元。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的負(fù)磁導(dǎo)率人工電磁材料，其特征在于，所述金屬箔單元鋪滿所述基板單元背面的除四角以外的所有面積。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的負(fù)磁導(dǎo)率人工電磁材料，其特征在于，每個基板單元上的人造微結(jié)構(gòu)和金屬箔單元完全相同。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的負(fù)磁導(dǎo)率人工電磁材料，其特征在于，所述開口諧振環(huán)為圓形開口諧振環(huán)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的負(fù)磁導(dǎo)率人工電磁材料，其特征在于，所述開口諧振環(huán)為矩形開口諧振環(huán)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的負(fù)磁導(dǎo)率人工電磁材料，其特征在于，所述材料片層有多個，且沿垂直于基板表面的方向排列，材料片層之間相互平行且等間距設(shè)置。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種負(fù)磁導(dǎo)率人工電磁材料，包括至少一個材料片層，每個材料片層包括基板和附著在基板表面上的多個由導(dǎo)電材質(zhì)的絲線組成的人造微結(jié)構(gòu)，所述人造微結(jié)構(gòu)包括一條絲線構(gòu)成的開口諧振環(huán)和至少三條自所述開口諧振環(huán)上的不同位置分別向環(huán)內(nèi)延伸的電極線。具有這種結(jié)構(gòu)的人造微結(jié)構(gòu)，能夠明顯提高人工電磁材料的負(fù)磁導(dǎo)率的絕對值，從而強(qiáng)化負(fù)磁導(dǎo)率效果，以滿足特定條件下對負(fù)磁導(dǎo)率值的要求。
文檔編號H01Q15/00GK103187632SQ20111021645
公開日2013年7月3日 申請日期2011年7月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月29日
發(fā)明者劉若鵬, 欒琳, 寇超鋒, 葉金財 申請人:深圳光啟高等理工研究院, 深圳光啟創(chuàng)新技術(shù)有限公司