专利名称：利用周期金属线构成奇异人工复合材料的设计方法
技术领域：
本发明属于人工电磁材料领域，涉及一种人工复合材料的设计方法。
背景技术：
Metamaterials是一种人工电磁材料，它具有自然界材料所不具备的很多奇异电磁响 应特性。尤其是双负媒质和单负媒质及其潜在应用前景得到了科学界和工业界的广泛关 注。 一般来说，材料的等效介电常数和磁导率可以通过调节结构的电等离子体频率 和磁等离子体频率有效控制。其中，对等离子体频率的调制思想最早由Pendry等提出。 该方法通过周期排列的圆柱金属细线，有效地降低了结构中的等效电子密度和增加了等 效电子质量，可将复合材料的等离子体频率从紫外波段降低到微波波段，为各波段负介 电常数Metamaterials的设计奠定了基础。然而在实际应用中，由于波段的不同、加工方 法的多样性及加工工艺的限制，金属线横截面的形状通常并不为圆柱形。目前常用的处 理方法是将其他形状的金属截面等效为一个相同面积的圆面，使其等效自由电子密度相 同，然后再进行结构设计。
然而，由于趋肤效应的作用有效自由电子密度并不取决于其横截面面积。在微波波 段，结构周期一般设计在mm量级，由于实际加工工艺的限制，构成结构的金属线特征 尺寸通常在几十微米以上。而该频段金属的趋肤深度较小(1.2 m@3GHz for copper),因 此只有结构表面的自由电子才对外加电磁场进行响应，导致其有效自由电子密度主要受 金属线截面的形状影响(决定了金属与电磁场接触的有效部分)，对实际金属截面所包含的 自由电子数目依赖反而不大。
发明内容
本发明要解决的技术问题是通过理论分析得到了利用周期排列的细金属线调节等效材 料等离子体频率的设计模型，利用该模型针对所需要的频率和结构单元周期的尺寸得到金属 线横截面外边界的周长，在根据横截面的形状确定金属线的结构参数。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是
一种通过改变金属线排列周期和金属线横截面周长来实现具有奇异电特性的人工复合材 料的设计方法，其特征在于包括以下步骤(1) 选择复合结构材料的等离子体频率/0;
(2) 限定细金属线的排列周期a的范围，周期一定要符合等效介质理论的要求；
(3) 选择金属线的排列周期a，在限定的周期范围内根据具体设计要求需要选择适合的 金属线排列周期"， 周期一定要符合等效介质理论的要求；等效介质理论认为对于结构尺寸 小于入射波波长的散射体可以把它看作是均匀介质材料用等效的电磁相应参数来描述，因而 所选的周期范围要小于等离子体频率所对应的波长，通常要小于该波长的三分之一。
(4) 在确定了等离子体频率/o和金属排列周期a后，提出的模型公式-
<formula>formula see original document page 4</formula>
通过公式计算金属线横截面的周长/;式中co为电磁波在真空中的传播速度，a为金属线的排
列周期，/为金属线横截面的周长；
(5)根据金属线的排列周期fl和横截面周长/确定金属线横截面的具体形状和参数；从
模型中可以看出复合材料的等离子体频率只与构成材料的金属线的横截面的周长/和排列周
期《有关因，而在/和fl —定的情况下横截面的具体形状可以根据具体需要任意选择；
(5)对步骤(4)所得结构参数进行仿真，验证该组参数是否可行，可行就选定该组参
数为金属线的结构参数，否则返回步骤(4)重新调整参数。
所述步骤(1)中的等离子体频率/c可以根据实际需要选择，从微波到光波均可。 所述步骤(2)中的金属线的材料没有具体要求可以是铜、银或金。 所述步骤(2)中所限定的周期的范围要满足等效介质理论，通常周期要小于l/3波长。 所述步骤(4)中所利用的模型充分考虑了趋肤效应的影响，认为只有趋肤深度范围内的
自由电子对等离子体频率有调节作用，同时由于趋肤深度远小于金属线的尺寸，因而模型中
近似地只考虑金属线横截面的周长而忽略了它的具体形状。
所述步骤(5)中可以根据实际需要和加工条件的限制来确定横截面的具体形状，从而利
用已经确定的横截面周长来确定横截面的具体参数。 本发明与现有技术相比具有如下优点-
1、 充分考虑了趋肤深度的作用，利用了周长等效而不是面积等效的方法，从而得到金属 线横截面外边界周长和金属线排列周期与等离子体频率间的数学关系；
2、 本发明降低了对金属线横截面形状的限制；
3、 本发明能方便准确地对周期金属线的参数进行设计；
图1为本发明利用周期金属线构成奇异人工复合材料的设计流程图； 图2为本发明利用周期金属线构成奇异人工复合材料的的结构图。
具体实施例方式
以下结合附图，说明本发明的实施例。但以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的 保护范围应包括权利要求的全部内容，而且通过以下实施例对该领域的技术人员即可以实现 本发明权利要求的全部内容。
本发明利用周期排列的金属线构成的等效介质材料的设计过程的流程图如图1所 示，其具体步骤如下-
第一步；首先根据具体工程要求确定等离子体频率/^14.5GHz，对应波长为20.7mm;
第二步；限定细金属线的排列周期fl的范围，根据等效介质理论金属线的排列周期最好 小于入射电磁波波长的三分之一即20.7mm/3-6.9mm,同时根据具体需要，这里选定金属线 排列周期^5.8mm;
第三步；提出模型公式
2';r.fl2 ln(——^=~)--^" + —
_ 2々7T'a8';r'a 2_
计算金属线横截面的周长/; co式中为电磁波在真空中的传播速度，a为金属线的排列周 期，通过对上面公式的计算可得金属线横截面的周长/=2.1mm;该模型的优点在于充分考虑 了趋肤效应的影响，认为只有趋肤深度(如图2中所示)范围内的自由电子对等离子体频 率有调节作用，同时由于趋肤深度远小于金属线的尺寸，因而模型中近似地只考虑金属线横 截面的周长而忽略了它的具体形状；
第四步由于步骤三所提出的模型中复合材料的等离子体频率只与构成材料的金属线的 横截面的周长/和排列周期a有关因而横截面的具体形状和尺寸可以在/和a的限定下根据具 体需要任意选择；所以可以根据实际需要和加工条件的限制来确定横截面的具体形状，从而 利用已经确定的横截面周长来确定横截面的具体参数；比如这里根据实际加工和应用需要选 择金属线横截面为矩形，确定其长/7和宽《分别为产0.85mm，『0.2mm;由于模型中复合 材料的等离子体频率只与构成材料的金属线的横截面的周长1和排列周期a有关因而横截面 的具体形状和尺寸可以在1和a的限定下根据具体需要任意选择；所以可以根据实际需要和 加工条件的限制来确定横截面的具体形状，从而利用已经确定的横截面周长来确定横截面的 具体参数；
第五步将步骤四所得的结构参数运用CST Microwave studio( Computer SimulationTechnology GmbH, Darmstadt, Gemany)进行仿真，或者也可以利用HFSS的商业软件仿真， 验证该组参数是否可行，可行就选定该组参数为金属线的结构参数，否则返回步骤四重新调 整参数。
利用上述方法所设计的具有奇异电磁响应特性的人工复合材料的结构如图2所示。
权利要求
1、利用周期金属线构成奇异人工复合材料的设计方法，其特征在于包括以下步骤(1)选择复合结构材料的等离子体频率f0；(2)根据具体设计要求需要选择适合的金属线排列周期a；(3)在确定了等离子体频率f0和金属排列周期a后，提出模型公式计算金属线横截面的周长l；式中c0为电磁波在真空中的传播速度，a为金属线的排列周期，l为金属线横截面的周长；(4)根据金属线的排列周期a和横截面周长l确定金属线横截面的具体形状和参数；(5)对步骤(4)所得结构参数进行仿真，验证该组参数是否可行，可行就选定该组参数为金属线的结构参数，否则返回步骤(4)重新调整参数。
2、 根据权利要求1所述的利用周期金属线构成奇异人工复合材料的设计方法，其特征在 于所述步骤(1)中的等离子体频率/o可以根据实际需要选择，从微波到光波均可。
3、 根据权利要求1所述的利用周期金属线构成奇异人工复合材料的设计方法，其特征在 于所述步骤(2)中的金属线的材料没有具体要求可以是铜、银或金。
4、 根据权利要求1所述的利用周期金属线构成奇异人工复合材料的设计方法，其特征在 于所述步骤(2)中所限定的周期a的范围要满足等效介质理论，通常排列周期a要小于选 定的等离子体频率所对应波长的三分之一。
全文摘要
利用周期金属线构成奇异人工复合材料的设计方法，包括以下步骤(1)选择复合结构材料的等离子体频率f<sub>0</sub>；(2)根据具体设计要求需要选择适合的金属线排列周期a；(3)在确定了等离子体频率f<sub>0</sub>和金属排列周期a后，提出如下模型公式(如图)计算金属线横截面的周长l；(4)根据金属线的排列周期a和横截面周长l确定金属线横截面的具体形状和参数；(5)对步骤(4)所得结构参数进行仿真，验证该组参数是否可行，可行就选定该组参数为金属线的结构参数，否则返回步骤(4)重新调整参数。本发明为设计周期排列的金属线构成的等效介质材料提供了一个快捷准确的手段；在奇异电响应特性人工结构材料的基础理论研究及设计方面具有广阔的应用前景。
文档编号G06F17/50GK101414320SQ200810227169
公开日2009年4月22日 申请日期2008年11月24日 优先权日2008年11月24日
发明者刘立媛, 崔建华, 罗先刚, 赵泽宇 申请人:中国科学院光电技术研究所