专利名称：一种负磁导率超材料的制作方法
技术领域：
本发明涉及超材料领域，具体地涉及一种负磁导率超材料。
背景技术：
目前，国际社会对磁导率方面已有大量的研究，其中对于正磁导率的研究已经趋于成熟，对于负磁导率超材料的研究是现在国内外研究的热点，负磁导率具有量子极化作用，可以对入射波产生极化作用，因此作用范围很大，如在医学成像领域中的磁共振成像技术，负磁导率材料能够加强电磁波的成像效果，另外负磁导率材料在透镜研究方面亦有重要作用，在工程领域，磁导率通常都是指相对磁导率，为物质的绝对磁导率U与磁性常数 PO(又称真空磁导率)的比值，ur= y/PO，无量纲值。通常“相对”二字及符号下标r 都被省去。磁导率是表示物质受到磁化场H作用时，内部的真磁场相对于H的增加(ii > I)或减少< D的程度。至今发现的自然界已存在的材料中，U都是大于0的。超材料是指一些具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。通过在材料的关键物理尺度上的结构有序设计，可以突破某些表观自然规律的限制， 从而获得超出自然界固有的普通性质的超常材料功能。超材料的性质和功能主要来自于其内部的结构而非构成它们的材料。目前，现有的人造微结构的几何形状为“工”字形或者如图I所示的类似“凹”字形的开口环形，但这结构都不能实现磁导率U明显小于0或使超材料谐振频率显著降低，只有通过设计具有特殊几何图形的人造微结构，才能使得该人工电磁材料在特定频段内达到磁导率y值小于0，并具有较低的谐振频率。
发明内容本发明所要解决的技术问题在于，针对现有技术中负磁导率超材料谐振频率较高的情况，提供一种能使谐振频率显著降低的负磁导率超材料。本发明实现发明目的采用的技术方案是，所述超材料包括介质基板以及固定在介质基板上的微结构层，所述微结构层上周期性的阵列多个微结构，所述微结构为螺旋形微结构。在本发明所述的负磁导率超材料中，所述螺旋形微结构为阿基米德螺线形微结构。在本发明所述的负磁导率超材料中，所述金属线的线宽0. 05-0. 15mm。在本发明所述的负磁导率超材料中，所述金属线的线间距0. 05-0. 15mm。在本发明所述的负磁导率超材料中，所述金属线的厚度0. 015-0. 020mm。在本发明所述的负磁导率超材料中，所述超材料的介质基板为FR-4基板或陶瓷基板。在本发明所述的负磁导率超材料中，所述FR-4基板的介电常数为4. 2-4. 6。在本发明所述的负磁导率超材料中，所述陶瓷基板的介电常数为8-16。在本发明所述的负磁导率超材料中，所述金属线旋转圈数大于2。
本发明的有益效果在于，本法明的微结构为阿基米德螺线形微结构，每一圈金属线都有线间电容，绕线圈数越多，相当于增加了超材料电容，同时，金属线长度越长，相当于增加了超材料的电感，电容和电感增加，超材料对应的谐振频率就会降低，根据上述微结构的形状可知，超材料呈各项异性，这种可以显著降低谐振频率的负磁导率超材料具有良好的发展前景。
图1，现有的负磁导率超材料微结构示意图；图2，本发明微结构示意图；图3，本发明微结构放大示意图；图4，本发明实施例侧视图；图5，图4的左视图；图6，现有的负磁导率超材料的磁导率仿真效果示意图；图7，本发明负磁导率超材料的磁导率仿真效果示意图；图中，I微结构层、2介质基板、3微结构、10超材料片层。
具体实施方式下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。本发明提供一种负磁导率超材料，如图4、图5所不,包括介质基板2、以及固定在介质基板上的微结构层1，微结构层I上周期性的阵列着微结构3，微结构3阿基米德螺线形微结构，本发明微结构示意图参见图2，这种微结构能够使超材料呈各向异性。这里的阿基米德螺线是指，对于平面上的一点P沿动射线OP以等速率运动的同时，该射线又以等角速度绕0旋转，点P的轨迹称为阿基米德螺线。本发明微结构金属线绕线的形状为阿基米德螺线，对于图2中的微结构，Oe为极坐标系的极点，Oe与阿基米德螺线的一个端点的连线为极坐标系的极轴，则此螺线上的任一一点均可用极坐标(Pe，0)表示，其中Pe为该点的极径，0为该点的极角，P e(0)表示极长关于极角的函数，阿基米德螺线满足下列条件1) p e = a 0 ；2)此螺线每条臂的距离永远等于2 a，a为常数。下面将结合附图，对本发明实施例的负磁导率超材料的构成原理及有益效果做详细说明。微结构3在介质基板2的表面呈周期性排布，例如矩形阵列排布，即以一 X方向为行、以垂直于X方向的y方向为列地排列，且各行间距、各列间距分别相等，甚至行间距等于列间距均可。优选行间距、列间距不大于所要响应的入射电磁波的波长的四分之一，即例如工作环境是波长为、的电磁波，需要超材料对此电磁波的电磁特性是呈现负磁导率，则设计人造微结构时将上述行间距、列间距选择不大于入/4，优选为入/10。显然，为了使微结构3不互相交叠，每个人造微结构3的长度和宽度也不大于X/4。周期性排布还可以有其他具有循环规律的排布方式，例如当介质基板2为圆形或多边形时，微结构3沿着圆形或多边形基板2的外圆柱面等间距地绕一周。本发明优选实施例的介质基板2为矩形，参见图 5。当超材料片层10有多个时，可以按照一定的规律将它们封装起来，例如当介质基板2为平板状时，各超材料片层10沿垂直于介质基板2表面的方向依次排列，片层之间相互平行设置，优选平行且间距相等，当介质基板2为上述圆形或多边形，则可以将多个超材料片层10共圆心轴地安装固定。本发明的负磁导率超材料介质基板可以使用FR-4基板或陶瓷基板，微结构可以使用金属线，如铜线、银线、铜合金，甚至是金线，或者是非金属的导电材料，如导电塑料、 ITO(铟锡氧化物)、碳纳米管、石墨等。本发明实施例负磁导率超材料的介质基板为FR-4 基板，介电常数为4. 4。如图2所示的微结构使用铜线。本发明实现负磁导率的原理为，对于本发明的微结构而言，可以等效为LC震荡电路，整个螺线可以等效为一个极板长度约等于螺旋线总长度的、极板呈螺旋形的电容，螺线长度表征结构可以等效为电感，通过仿真发现，在其他条件不改变的情况下，铜线越长，则结构的等效电感值、电容值越大。由LC振荡电路公式/o = ln\jLC可知，当电感值、电容值均增大时，其对应的谐振频率则降低。现有技术是直接将图I所示的凹形开口谐振环阵列排布在介质基板上，制成超材料，本发明微结构为阿基米德螺线形微结构，再将若干微结构周期性的阵列排布在介质基板上形成微结构层，最后将微结构层与介质基板按图4所示的方式层叠在一起形成超材料，不仅可以有效的降低超材料的谐振频率，还可以实现超材料的各向异性。为比较现有技术与本发明负磁导率超材料性能的区别，用CST对现有技术负磁导率超材料与本发明优选实施例负磁导率超材料分别进行了仿真，仿真时设定现有技术中超材料与本发明实施例的超材料的结构参数完全相同，仿真过程中本发明实施例的具体参数如下铜线线宽0. Imm,铜线线间距0. Imm,绕线35圈，铜线厚度0. 018mm, FR-4基板厚度为 0. 4mm,介电常数4. 4,超材料微结构的尺寸为15_X15mm。现有负磁导超材料的磁导率关于频率的电磁响应曲线参见图6，由图6可知，现有技术要实现磁导率小于0，其对应频率在 400MHz以上，且损耗较大，本发明磁导率仿真效果示意图参见图7，由图7可知，本发明的超材料实现负磁导率的对应频率在48MHz左右，大大低于现有技术超材料实现负磁导率的频率，降频效果显著。本发明的优越之处在于，设计一种全新的微结构3，如图2、图3所示，阿基米德螺线形微结构不仅使本发明的负磁导率超材料呈各向异性，满足特定条件下的需求，而且能在50MHz以下实现超材料的磁导率为负，这种新型低频负磁导率超材料对于超材料工业的
发展，具有重要意义。本发明中的上述实施例仅作了示范性描述，本领域技术人员在阅读本专利申请后可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本发明进行各种修改。
权利要求
1.一种负磁导率超材料，所述超材料包括介质基板以及固定在介质基板上的微结构 层，其特征在于，所述微结构层上周期性的阵列多个微结构，所述微结构为螺旋形微结构。
2.根据权利要求1所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述螺旋形微结构为阿基米 德螺线形微结构。
3.根据权利要求1所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述金属线的线宽 0. 05-0. 15mm。
4.根据权利要求1所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述金属线的线间距 0. 05-0. 15mm。
5.根据权利要求1所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述金属线的厚度 0. 015—0. 020mm。
6.根据权利要求1所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述超材料的介质基板为 FR-4基板或陶瓷基板。
7.根据权利要求1所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述FR-4基板的介电常数为 4. 2-4. 6。
8.根据权利要求1所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述陶瓷基板的介电常数为 8-16。
9.根据权利要求1所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述金属线旋转圈数大于2。
全文摘要
本发明涉及一种负磁导率超材料，所述超材料包括介质基板以及固定在介质基板上的微结构层，所述微结构层上周期性的阵列多个微结构，所述微结构为螺旋形微结构。在实现负磁导率的前提下，采用本发明可以将超材料的谐振频率降到50MHz以下，可以在较低频段实现超材料的磁导率为负，同时，本发明超材料呈各向异性，对于超材料产业的发展具有重要意义，具有良好的发展前景。
文档编号H01Q15/00GK102593600SQ201210051069
公开日2012年7月18日 申请日期2012年2月29日 优先权日2012年2月29日
发明者刘若鹏, 刘豫青, 赵治亚, 郭洁 申请人:深圳光启创新技术有限公司