专利名称：一种各向同性的双负人工材料的制作方法
技术领域：
本发明属于功能材料技术领域，涉及人工结构材料，具体指一种各向同性的双负人工材料。
背景技术：
双负人工材料(Double-Negative Metamaterials)是指一种介电常数和磁导率同时为负值的介质材料。电磁波在其传播时，波矢k、电场E和磁场H之间的关系符合左手定律，因此双负人工材料也称为“左手材料”。双负人工材料具有一些不同寻常的电磁特性，例如负的折射率、反向切伦科夫辐射、反向多普勒效应、反折射定律等。双负人工材料的实现被美国《科学》杂志评为2003年度十大科技突破之一。2006年利用超常材料 (Metamaterials)制成的“隐身衣”被美国《科学》杂志再度评为当年十大科技突破之一。 2010年美国《科学》杂志将超常材料评为过去十年科学界“十大卓见ansights of the Decade)，，之一。2001年，R. A. Shelby和D. R. Smith等人基于J. B. Pendry提出的构造单负介电常数材料、单负磁导率材料的思想，首次实现了等效介电常数和磁导率的实部均为负的双负人工材料。随后，A. Grbic和G. V. Eleftheriades于2002年首次报道了基于双负人工材料的CPWkoplanarwaveguide)能够实现类似于反向切伦科夫辐射的反向辐射。2008年， Argonne国家实验室的S. Antipov等人报道了在一种填充双负人工材料的矩形波导中传播的TM波并且间接验证了由电子团所产生的反向切伦科夫辐射。目前所制备的双负人工材料主要是一维、二维，极少数为三维双负人工材料，所选用的介质基片如FR-4介质基板，根本不适合工作于真空环境中。本发明的三维双负人工材料的介质基片为聚酰亚胺(用于支撑)和陶瓷(用作PCB板)，可工作于真空及高温环境下，而且是各向同性的，更适合应用于微波毫米波真空电子器件。经研究发现，当单电子以一定速度在双负人工材料上方通过时，如图 1所示，上方区域为真空(Vacuum)，下方区域为各向同性双负人工材料(WMs Double-NegativeMetamaterials)，分界面在χ = _d处，电子在真空中以速度 沿ζ方向运动，χ轴垂直于分界面，y轴和ζ轴平行于分界面，电子电量为q。由双负人工材料填充的区域会有反向切伦科夫辐射发生，而更值得让人关注的特性是双负人工材料上方真空区域内的凋落波明显强于同一情形下普通介质上方真空区域内的凋落波。利用上述特性，有可能实现一种新型的基于双负人工材料的平板型高功率微波毫米波源。
发明内容
本发明提供一种各向同性的双负人工材料，所述双负人工材料为三维结构、各向同性的双负人工材料，可应用于基于双负人工材料的平板型高功率微波毫米波源。本发明所采用的技术方案为一种各向同性的双负人工材料，如图4所示，由三维结构的双负人工材料单元沿直角坐标系三维方向周期性密集堆积而成。所述三维结构的双负人工材料单元如图3所示，包括介质材料立方体和位于介质材料立方体中具有公共顶点的三个面上的双负结构单元。其中，所述双负结构单元如图2所示，包括一个与介质材料立方体的一个面相同大小的介质基板、金属开路环谐振器和金属细线；所述金属开路环谐振器位于介质基板正面，由两个大小不同、开口相反的开路环构成，其中小开路环套于大开路环中；所述金属细线位于介质基板背面，与两个开口环的开口中心连线平行且距离等于介质基板厚度。三维结构的双负人工材料单元中，三个双负结构单元的金属细线两两垂直。上述技术方案中，所述介质材料立方体材料为聚酰亚胺；所述介质基板为聚酰亚胺或陶瓷介质基板。本发明提供的各向同性的双负人工材料，可以用先制备介质材料立方体、然后再介质材料立方体表面粘贴双负结构单元、最后将三维结构的双负人工材料单元沿直角坐标系三维方向周期性密集堆积而成的方法制备。也可以用先在长方体介质材料三个面上等距离开孔、然后将两面分别制备了金属细线和双开口环的介质基板插入长方体介质材料孔中的方法实现制备。其中双负结构单元可采用聚酰亚胺双面覆铜板经光刻工艺实现，或是先在陶瓷介质基板两面沉积金属层、然后分别光刻出金属细线和双开口环的方法实现。本发明提供了一种各向同性的双负人工材料，所述双负人工材料具有三维结构、 各向同性的特点，其结构尺寸可结合工作频段、加工工艺灵活设计。本发明提供的各向同性的双负人工材料可应用于高功率微波毫米波源用于激发微波毫米波。
图1是单电子在各向同性双负人工材料上方通过的示意图。图2是金属开路环谐振器(SRR)和金属细线(Rod)组合而成的双负结构。图3是具有三维对称性的各向同性双负人工材料单元结构。图4是由双负人工材料单元结构组成的各向同性双负人工材料的结构示意图。图5是在一个实心长方体的聚酰亚胺介质基板上开通孔后的局部放大示意图。图6，7，8分别是图5的主视图，俯视图和侧视图。图9是装入通孔中的三种介质板的示意图，其中Al、A2、Bi、B2、Cl、C2分别为A、 B、C的正反两面。A型介质板装入平行于χ-y面的通孔；B型介质板装入平行于x-z面的通孔；C型介质板装入平行于y-ζ面的通孔。图10是双负人工材料的等效相对介电常数随频率变化的规律图。图11是双负人工材料的等效相对磁导率随频率变化的规律图。图12是双负人工材料的折射率随频率变化的规律图。
具体实施例方式1.构造各向同性双负人工材料(加工工艺)利用金属开路环谐振器(SRR)和金属细线(Rod)组合而成的结构(如图2)来构造一种具有三维对称性的单元结构(如图3)。将图3中的单元结构，按一定周期组合排列起来(如图4)，从而构成图1中下方区域所示的各向同性双负人工材料。具体结构尺寸如下(单位mm) :t = 0. 14,w = 2. 2，g = 0. 3，e = 0. 15,h = 0. 2。同时，金属细线长 2. 5mm,金属开路环谐振器和金属细线的材料为铜片，其厚度为0.017mm;陶瓷底板的长和宽均为 5mm，厚0.25mm，相对介电常数ε ^ = 5. 6，损耗角正切tan δ = 0. 0041 ；图4中的单元周期长度为5mmο由于图3中的单元结构很难直接实现，本发明通过在实心聚酰亚胺介质基板开孔，并在所开的孔中装入光刻后的介质板来实现图4所示的各向同性双负人工材料。具体加工工艺如下1)利用超声加工技术，在一个实心长方体的聚酰亚胺介质基板上开孔，长方体的长为61mm，宽为53mm，高为58mm。在平行于x_z、x-y、y-z面上分别开通孔，孔长均为2. 5mm, 宽为0. ^4mm，两孔之间的中心距离为5mm，所开孔的具体位置还须参考图6，7和8中的具体尺寸。2)利用双面光刻技术，分别在A、B、C型陶瓷基片上刻出如图9所示的结构(Al、 A2、Bi、B2、Cl、C2分别为A、B、C的正反两面)，结构材料采用铜片。其中，A型介质板的长对应长方体的长61mm，宽对应平行于χ-y面的两个面上的孔长2. 5mm,厚为0. 25mm ；B型介质板的长对应长方体的宽53mm，宽对应平行于x-z面的两个面上的孔长2. 5m，厚为0. 25mm ； C型介质板的长对应长方体的高58mm，宽对应平行于y_z面上孔的长2. 5mm,厚为0. 25mm。 同时，所刻的结构的中心距离为5mm。金属开路环谐振器和金属细线在三种介质板上的具体位置由图9中的具体尺寸来决定。3)分别将A、B、C三种光刻处理后的介质板装入所对应的孔。4)在该长方体的六个面分别加一层可以覆盖该平面的5mm厚的聚酰亚胺介质基板，并在新加的六个面上分别用螺钉固定好这个整体。2.提取各向同性双负人工材料的等效介电常数和磁导率利用三维电磁仿真软件HFSS对图3中的单元结构进行仿真，将仿真得到的S11和 S21的幅度及相位的数据进行处理，最后求得各向同性双负人工材料的等效相对介电常数和磁导率，如图10和图11所示，各向同性双负人工材料的双负频段落在X波段内。
权利要求
1.一种各向同性的双负人工材料，由三维结构的双负人工材料单元沿直角坐标系三维方向周期性密集堆积而成；所述三维结构的双负人工材料单元包括介质材料立方体和位于介质材料立方体中具有公共顶点的三个面上的双负结构单元；其中，所述双负结构单元包括一个与介质材料立方体的一个面相同大小的介质基板、金属开路环谐振器和金属细线； 所述金属开路环谐振器位于介质基板正面，由两个大小不同、开口相反的开路环构成，其中小开路环套于大开路环中；所述金属细线位于介质基板背面，与两个开口环的开口中心连线平行且距离等于介质基板厚度；三维结构的双负人工材料单元中，三个双负结构单元的金属细线两两垂直。
2.根据权利要求1所述的各向同性的双负人工材料，其特征在于，所述介质材料立方体材料为聚酰亚胺；所述介质基板为聚酰亚胺或陶瓷介质基板。
全文摘要
一种各向同性的双负人工材料，属于功能材料技术领域。本发明由三维结构的双负人工材料单元周期性密集堆积而成；三维结构的双负人工材料单元包括介质材料立方体和位于介质材料立方体中相邻三个面上的双负结构单元；双负结构单元包括介质基板、金属开路环谐振器和金属细线；金属开路环谐振器位于介质基板正面，由两个大小不同、开口相反的开路环构成，其中小开路环套于大开路环中；金属细线位于介质基板背面，与两个开口环的开口中心连线平行且距离等于介质基板厚度；三维结构的双负人工材料单元中，三个双负结构单元的金属细线两两垂直。本发明提供的双负人工材料具有三维结构、各向同性的特点，可应用于高功率微波毫米波源用于激发微波毫米波。
文档编号H01P7/00GK102280712SQ20111013975
公开日2011年12月14日 申请日期2011年5月27日 优先权日2011年5月27日
发明者唐涛, 段兆云, 郭晨 申请人:电子科技大学