一种三维各向同性负磁导率结构及其制备方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 1968年，前苏联科学家Veselago对介电常数e和磁导率]i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。
[0003] 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（(^面）实现各向同性，不能实现三维各向同性。
[0004] 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】
[0005] 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。
[0006] 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。
[0007] 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 + 1臟。
[0008] 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土1mm。
[0009] 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：
[0010] (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；
[0011] (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；
[0012] (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；
[0013] (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；
[0014] (5)用泡沫板制作一个底座来固定谐振环。
[0015] 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。
[0016] 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，夕卜径为 20mm±2mm。
[0017] 有益效果：
[0018] 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。
[0019] 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。
[0020] 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。
[0021] 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】
[0022] 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。
[0023] 图1是本发明八开口谐振环的结构示意图；
[0024] 图2是本发明八开口谐振环的HFSS建模结构图；
[0025] 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；
[0026] 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。
[0027] 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；
[0028] 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；
[0029] 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，在〇xy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S 21参数 幅值（dB)对比图；
[0030] 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，在〇xy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；
[0031] 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S 21参数幅值（dB)对比图；
[0032] 图10是本发明八开口谐振环外圆环结构；
[0033] 图11是本发明八开口谐振环内圆环结构。
【具体实施方式】
[0034] 本发明三维各向同性负磁导率结构实施例：
[0035] 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。
[0036] 本发明的优选实施例详述如下：
[0037] 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，建模参数为错条宽度w a= 4mm，厚度t = 0. 05mm，外圆环 半径r?t= 20?1，内圆环半径r in= 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。
[0038] 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《与分布电感L 和分布电容C之间存在以下关系：似=1/# >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。
[0039] 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"。
[0040] 为了充分准确的验证本发明实