一种加载电容的可调谐双频负磁导率超材料的制作方法

本发明涉及一种电子与电磁功能材料，尤其是涉及一种加载电容的可调谐双频负磁导率超材料。

背景技术：

在等效媒质理论中，物质的电磁特性通常由介电常数和磁导率两个宏观参数来描述，而物质的折射率与该物质的介电常数和磁导率满足关系，其中，n表示物质的折射率，ε(ω)表示物质的介电常数，μ(ω)表示物质的磁导率，ω表示频率。根据物质的介电常数和磁导率的正负，可将物质分为四类：第一类为介电常数和磁导率同时大于零，自然界中绝大多数物质属于此类；第二类为介电常数小于零，磁导率大于零，又称负电材料，当入射电磁波频率小于等离子体频率时，等离子体的等效介电常数为负，比如光频中的金属；第三类为介电常数大于零，磁导率小于零，又称负磁材料；第四类为介电常数和磁导率同时小于零，又称左手负折射率材料，其在聚焦天线、微波/光学成像、电磁隐身等诸多应用领域有极大的应用前景。1996年到1999年j.b.pentry等人相继提出了微波频段的负电材料和负磁材料，为负折射率实现奠定了基础，而第三类负磁材料是其中最关键的难点。

负磁材料不仅可应用于负折射率材料设计，而且可应用于磁共振成像、磁场聚焦、mimo(multiple-inputmultiple-output，多输入多输出)/阵列天线互耦改善、磁屏蔽、无线功率传输等诸多领域。2007年以来，磁谐振式无线能量传输(wirelesspowertransmission，wpt)技术开始兴起，与静场感应方式相比，其传输距离更远，也能承受较大功率。磁谐振式无线能量传输技术的传输效率与收发谐振线圈间耦合程度相关，而耦合系数的强烈依赖于两者的间距距离。由于线圈所激发的磁场随传输距离呈指数倍衰减，因此导致长距离下耦合系数恶化，限制其在电子系统中的实际应用范围。目前，主要通过优化接收线圈以提高线圈互感系数，或改善接收端匹配电路，使更多的电能耦合到接收端。而这些方法没有从源头上解决磁场能量衰减问题，因此迫切的需要控制收发端谐振线圈间的磁场分布，以解决传输距离短、传输效率低以及系统集成度差等问题。基于人工微结构的负磁超材料，具有倏逝场放大、磁场聚焦的效应，结合超透镜原理，在无线传输系统应用中前景广阔。

传统的负磁材料有mnf2和fef2等反铁磁性材料，存在厚度大、体积大、工作频率非标准化等问题，不利于器件和系统集成。基于亚波长结构的负磁超材料具备厚度薄、结构小、工作频率稳定等优点，已有报道可实现的负磁谐振微结构包括开口谐振环、“凹”字型、之字形、螺绕环等，然而这些微结构存在只具备单一谐振频点、周期尺寸不够小、缺乏动态调谐的缺点。因此，在集成度高的多样化电子系统和日益复杂的电磁兼容环境中，迫切的需要一种单元尺寸小、便于集成、宽动态频率调谐、谐振深度可调的双频/多频负磁超材料。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种加载电容的可调谐双频负磁导率超材料，其具备两个负磁导率谐振频点、宽动态频率调谐特性、谐振深度可调，且其结构简单、厚度薄、制作成本低、易于实现且便于器件和芯片集成。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种加载电容的可调谐双频负磁导率超材料，其特征在于由1个微结构单元组成或由多个微结构单元以1个微结构单元为一个周期排列组成，所述的微结构单元由介质基板、谐振线圈、两个电容组成，所述的谐振线圈设置于所述的介质基板的上表面上，所述的谐振线圈由外半径从大到小的第一金属环、第二金属环、第三金属环内外嵌套而成，且所述的第一金属环和所述的第二金属环在上侧截断后串联连接构成外回路、所述的第二金属环和所述的第三金属环在下侧截断后串联连接构成内回路，所述的外回路与所述的内回路构成完整的闭合回路，两个所述的电容设置于所述的介质基板的下表面上，第一个所述的电容用于低频谐振点的调谐，第一个所述的电容的两端与所述的第一金属环和所述的第二金属环在上侧截断后串联的两个串联点一一对应连接，第二个所述的电容用于高频谐振点的调谐，第二个所述的电容的两端与所述的第二金属环和所述的第三金属环在下侧截断后串联的两个串联点一一对应连接。

所述的第一金属环和所述的第二金属环在上侧截断后形成一个外缺口，位于所述的外缺口的一侧的所述的第一金属环被截断的一端与所述的第二金属环被截断的一端之间通过第一上侧金属线连接、位于所述的外缺口的另一侧的所述的第一金属环被截断的另一端与所述的第二金属环被截断的另一端之间通过第二上侧金属线连接，使所述的第一金属环与所述的第二金属环串联连接构成所述的外回路，而所述的第一上侧金属线和所述的第二上侧金属线作为串联点；所述的第二金属环和所述的第三金属环在下侧截断后形成一个内缺口，位于所述的内缺口的一侧的所述的第二金属环被截断的一端与所述的第三金属环被截断的一端之间通过第一下侧金属线连接、位于所述的内缺口的另一侧的所述的第二金属环被截断的另一端与所述的第三金属环被截断的另一端之间通过第二下侧金属线连接，使所述的第二金属环与所述的第三金属环串联连接构成所述的内回路，而所述的第一下侧金属线和所述的第二下侧金属线作为串联点。

所述的介质基板的相对介电常数为2.2～6、损耗正切值为0.001～0.25，所述的介质基板的厚度为0.1mm～1.5mm、边长为8.5mm。

所述的第一金属环的外半径为2.5mm～4mm，所述的第二金属环的外半径为2.25mm～3.75mm，所述的第三金属环的外半径为2mm～3.5mm，所述的第一金属环、所述的第二金属环、所述的第三金属环的环宽均为0.1mm～0.3mm、厚度均为0.03mm～0.2mm，所述的第一金属环与所述的第二金属环之间的间隙距离、所述的第二金属环与所述的第三金属环之间的间隙距离均为0.15mm～0.45mm。

所述的外缺口和所述的内缺口的宽度均为0.5mm～1.2mm，如设计为0.8mm。

所述的第一上侧金属线、所述的第二上侧金属线、所述的第一下侧金属线、所述的第二下侧金属线宽度均为0.1mm～0.3mm。一般情况下，可将第一上侧金属线、第二上侧金属线、第一下侧金属线、第二下侧金属线的宽度设置为与第一金属环、第二金属环、第三金属环的环宽一致，但实际上只要确保第一上侧金属线、第二上侧金属线、第一下侧金属线、第二下侧金属线能够起到良好的连接作用即可，对宽度没有严格限制，如设计为0.2mm。

所述的电容选用高频贴片电容，第一个所述的电容与所述的外缺口的位置对应，第二个所述的电容与所述的内缺口的位置对应。第一个电容的一端通过导线穿过介质基板与第一上侧金属线连接，第一个电容的另一端通过导线穿过介质基板与第二上侧金属线连接，第二个电容的一端通过导线穿过介质基板与第一下侧金属线连接，第二个电容的另一端通过导线穿过介质基板与第二下侧金属线连接；或可直接通过介质基板上与第一上侧金属线、第二上侧金属线、第一下侧金属线、第二下侧金属线对应的位置处开设的通孔(通孔的半径可为0.1mm～0.2mm)焊接连接。

所述的电容的大小为0.1pf～3.5pf，如选用大小为2pf的电容。

多个所述的微结构单元以1个所述的微结构单元为一个周期排列成一行，或排列成一列，或排列成方阵，或排列成多个相同的方阵，多个所述的方阵依次排成一列构成多层方阵结构。在实际设计时，可根据实际应用场合(包括空间需求和谐振深度需求)灵活选取微结构单元的个数，并按一定方式排列，可实现在816mhz到6ghz的宽动态调频范围的双频负磁导率谐振特性。

所述的介质基板为常规的单层电路板，如选用fr-4板、聚四氟乙烯电路板、雅龙系列电路板、罗杰斯系列电路板等，选用高频色散小、损耗低、不同温度下电气性能稳定的电路板可提高频率调谐的可控性。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1)本发明的超材料中的谐振线圈由外半径从大到小的第一金属环、第二金属环、第三金属环内外嵌套而成，且第一金属环和第二金属环在上侧截断后串联连接构成外回路、第二金属环和第三金属环在下侧截断后串联连接构成内回路，外回路与内回路构成完整的闭合回路，并在上侧的截断位置和下侧的截断位置处各连接一个电容，使得该超材料具备双频负磁导率，即在某段频率范围内能同时出现两个具有负磁导率的谐振频点，且当电磁波入射到该超材料上时，谐振线圈和电容发生电磁响应，在双工作频点附近该超材料的等效磁导率小于零。

2)本发明的超材料由于在单个微结构单元上就能实现双频负磁导率谐振，因此以1个微结构单元作为一个周期的单元周期尺寸(微结构单元尺寸最小至1/42.8工作波长)远小于中心谐振波长，这种“谐振线圈-介质基板-电容”的三明治结构，与传统结构相比，其结构简单、厚度薄、制作成本低、易于实现且便于器件和芯片集成。

3)本发明的超材料中引入两个电容，与上侧截断处对应的电容用于低频谐振点的调谐，与下侧截断处对应的电容用于高频谐振点的调谐，通过对两个电容的取舍，可以实现低频调谐、高频调谐和低高频同时调谐三种模式。

4)本发明的超材料具备宽动态频率调谐特性，调谐范围从816mhz到6ghz左右，带宽超过5ghz，单位电容值(pf)平均调频幅度(mhz)大于1200mhz/pf。

5)本发明的超材料具备较大的谐振深度，且谐振深度可调，不同大小的电容下，可实现不同强度大小的负磁导率，对于低频，最大峰值(绝对值)高达-25.1，最小峰值为-3.4；对于高频，最大峰值(绝对值)高达-21.8，最小峰值为-1.9。

6)本发明的超材料可用于负折射率超介质设计、磁共振成像、无线功率传输等诸多领域，且谐振频率并不局限于816mhz到6ghz，可通过简单的比例缩放和适当参数调整，较完美的移植到包括mhz在内的其它频段，比如可用于提高13.56mhz的rfid射频系统的无线能量传输效能。

附图说明

图1为实施例一的可调谐双频负磁导率超材料即一个微结构单元的正面结构示意图；

图2为实施例一的可调谐双频负磁导率超材料即一个微结构单元的背面结构示意图；

图3为实施例四的四层方阵结构的可调谐双频负磁导率超材料的结构示意图；

图4为图3所示的可调谐双频负磁导率超材料的等效磁导率实部随频率变化的曲线图；

图5为在图3所示的可调谐双频负磁导率超材料的基础上不加载第一个电容(即去掉第一个电容)的情况下等效磁导率实部随频率变化的曲线图；

图6为在图3所示的可调谐双频负磁导率超材料的基础上不加载第二个电容(即去掉第二个电容)的情况下等效磁导率实部随频率变化的曲线图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例一：

本实施例提出的一种加载电容的可调谐双频负磁导率超材料，如图1和图2所示，其由1个微结构单元1组成，微结构单元1由介质基板11、谐振线圈12、两个电容13、14组成，谐振线圈12设置于介质基板11的上表面上，谐振线圈12由外半径从大到小的第一金属环15、第二金属环16、第三金属环17内外嵌套而成，且第一金属环15和第二金属环16在上侧截断后串联连接构成外回路、第二金属环16和第三金属环17在下侧截断后串联连接构成内回路，外回路与内回路构成完整的闭合回路，两个电容13、14设置于介质基板11的下表面上，第一个电容13用于低频谐振点的调谐，第一个电容13的两端与第一金属环15和第二金属环16在上侧截断后串联的两个串联点一一对应连接，第二个电容14用于高频谐振点的调谐，第二个电容14的两端与第二金属环16和第三金属环17在下侧截断后串联的两个串联点一一对应连接。

在本实施例中，第一金属环15和第二金属环16在上侧截断后形成一个外缺口181，位于外缺口181的一侧的第一金属环15被截断的一端与第二金属环16被截断的一端之间通过第一上侧金属线191连接、位于外缺口181的另一侧的第一金属环15被截断的另一端与第二金属环16被截断的另一端之间通过第二上侧金属线192连接，使第一金属环15与第二金属环16串联连接构成外回路，而第一上侧金属线191和第二上侧金属线192作为串联点；第二金属环16和第三金属环17在下侧截断后形成一个内缺口182，位于内缺口182的一侧的第二金属环16被截断的一端与第三金属环17被截断的一端之间通过第一下侧金属线193连接、位于内缺口182的另一侧的第二金属环16被截断的另一端与第三金属环17被截断的另一端之间通过第二下侧金属线194连接，使第二金属环16与第三金属环17串联连接构成内回路，而第一下侧金属线193和第二下侧金属线194作为串联点。

在本实施例中，介质基板11的相对介电常数为3、损耗正切值为0.001，介质基板11的厚度为0.5mm、边长为8.5mm；第一金属环15的外半径为2.5mm，第二金属环16的外半径为2.25mm，第三金属环17的外半径为2mm，第一金属环15、第二金属环16、第三金属环17的环宽均为0.1mm、厚度均为0.1mm，第一金属环15与第二金属环16之间的间隙距离、第二金属环16与第三金属环17之间的间隙距离均为0.15mm；外缺口181和内缺口182的宽度w均为1mm；两个电容13、14的大小可在0.1pf～3.5pf范围内取值，如均为3.5pf。

在本实施例中，第一上侧金属线191、第二上侧金属线192、第一下侧金属线193、第二下侧金属线194宽度均为0.1mm～0.3mm。一般情况下，可将第一上侧金属线191、第二上侧金属线192、第一下侧金属线193、第二下侧金属线194的宽度设置为与第一金属环15、第二金属环16、第三金属环17的环宽一致，但实际上只要确保第一上侧金属线191、第二上侧金属线192、第一下侧金属线193、第二下侧金属线194能够起到良好的连接作用即可，对宽度没有严格限制，如设计为0.2mm。

在本实施例中，两个电容13、14选用高频贴片电容，第一个电容13与外缺口181的位置对应，第二个电容14与内缺口182的位置对应。第一个电容13的一端通过导线穿过介质基板11与第一上侧金属线191连接，第一个电容13的另一端通过导线穿过介质基板11与第二上侧金属线192连接，第二个电容14的一端通过导线穿过介质基板11与第一下侧金属线193连接，第二个电容14的另一端通过导线穿过介质基板11与第二下侧金属线194连接；或可直接通过介质基板11上与第一上侧金属线191、第二上侧金属线192、第一下侧金属线193、第二下侧金属线194对应的位置处开设的通孔(通孔的半径可为0.1mm～0.2mm)焊接连接。

在本实施例中，介质基板11为常规的单层电路板，如选用fr-4板、聚四氟乙烯电路板、雅龙系列电路板、罗杰斯系列电路板等，选用高频色散小、损耗低、不同温度下电气性能稳定的电路板可提高频率调谐的可控性；第一金属环15、第二金属环16和第三金属环17可以为镀设于介质基板11的上表面上的铜环；也可以在介质基板11的上表面上先覆一层铜层，再刻蚀得到第一金属环15、第二金属环16和第三金属环17；在此第一金属环15、第二金属环16和第三金属环17为圆环形结构，实际处理时也可设计为方形、多边形或三角形等衍生结构。

在本实施例中，谐振线圈12模拟电感，当入射电磁波照射该谐振线圈12时，在第一金属环15、第二金属环16和第三金属环17中激发同相电流，构建等效的并联电感；由于谐振线圈12的闭合环绕，与两个电容的效应一起，最终会在5.12ghz和5.98ghz左右，形成两个峰值负磁导率，大小约为-3.4和-1.94。增加电容，可增强电容耦合响应。

实施例二：

本实施例提出的一种加载电容的可调谐双频负磁导率超材料，其结构与实施例一的结构相同，不同之处仅在于各个参数的取值不一样，在本实施例中，介质基板11的相对介电常数为4.5、损耗正切值为0.2，介质基板11的厚度为1.0mm、边长为8.5mm；第一金属环15的外半径为3.5mm，第二金属环16的外半径为3mm，第三金属环17的外半径为2.5mm，第一金属环15、第二金属环16、第三金属环17的环宽均为0.2mm、厚度均为0.03mm，第一金属环15与第二金属环16之间的间隙距离、第二金属环16与第三金属环17之间的间隙距离均为0.3mm；外缺口181和内缺口182的宽度均为0.5mm；电容的大小为0.1pf。

实施例三：

本实施例提出的一种加载电容的可调谐双频负磁导率超材料，其结构与实施例一的结构相同，不同之处仅在于各个参数的取值不一样，在本实施例中，介质基板11的相对介电常数为6、损耗正切值为0.01，介质基板11的厚度为1.5mm、边长为8.5mm；第一金属环15的外半径为4mm，第二金属环16的外半径为3.3mm，第三金属环17的外半径为2.6mm，第一金属环15、第二金属环16、第三金属环17的环宽均为0.3mm、厚度均为0.1mm，第一金属环15与第二金属环16之间的间隙距离、第二金属环16与第三金属环17之间的间隙距离均为0.4mm；外缺口181和内缺口182的宽度均为0.8mm；电容的大小为0.4pf。

实施例四：

本实施例提出的一种加载电容的可调谐双频负磁导率超材料，如图3所示，其由36个微结构单元1以1个微结构单元1为一个周期排列组成，具体为排列成4个相同的方阵，4个方阵依次排成一列构成四层方阵结构。微结构单元1的具体结构与实施例一中的微结构单元1的结构相同，不同之处仅在于各个参数的取值不一样，在本实施例中，介质基板11的相对介电常数为5、损耗正切值为0.015，介质基板11的厚度为0.8mm、边长为8.5mm；第一金属环15的外半径为4mm，第二金属环16的外半径为3.5mm，第三金属环17的外半径为3mm，第一金属环15、第二金属环16、第三金属环17的环宽均为0.2mm、厚度均为0.1mm，第一金属环15与第二金属环16之间的间隙距离、第二金属环16与第三金属环17之间的间隙距离均为0.3；外缺口181和内缺口182的宽度w均为1mm；电容的大小可根据实际需求在0.1pf～3.5pf范围内取值，如均为2pf。

图3给出了四层方阵结构的可调谐双频负磁导率超材料，每层方阵由9个微结构单元1排列构成，图中介质基板11的边长px＝py＝8.5mm，相邻方阵之间的间距pz为6mm，可根据实际需求进行调整选择。当电磁波方向沿x轴方向入射，电场极化方向沿y轴，磁场极化沿z轴垂直穿透于微结构单元1的径向面，电磁场与图3所示的可调谐双频负磁导率超材料发生谐振响应，根据lc等效电路计算得到中心谐振频率可近似表达为：由于第一个电容13和第二个电容14的加载，提高了等效电容密度，使得中心谐振频率发生红移，其中，fc表示中心谐振频率，l表示谐振线圈12的等效电感的电感值，c表示等效电容的电容值。

上述相邻方阵之间的间距pz可设计为3mm～9mm。

在实际设计时，可根据实际应用场合(包括空间需求和谐振深度需求)灵活选取微结构单元1的个数，并按一定方式排列(如多个微结构单元1以1个微结构单元1为一个周期排列成一行，或排列成一列，或排列成1个方阵)，可实现在816mhz到6ghz的宽动态调频范围的双频负磁导率谐振特性。

图4给出了实施例四的可调谐双频负磁导率超材料即第一个电容和第二个电容同时加载的情况下，等效磁导率实部随频率变化的曲线图。当第一个电容13和第二个电容14的电容值为0.1pf时，第一个电容13对应的负磁导率峰值频率从5.12ghz红移至3.60ghz、峰值负磁导率为-6.3，第二个电容14对应的负磁导率峰值频率从5.98ghz红移至4.18ghz、峰值负磁导率为-5.9；随着加载的电容值扩大至3.5pf，谐振频率进一步向低频移动，第一个电容13对应的负磁导率峰值频率红移至816mhz、峰值负磁导率为-11.8，第一个电容13对应的负磁导率峰值频率红移至936mhz、峰值负磁导率为-4.7。对于低频，负磁导率最大峰值(绝对值)高达-25.1；对于高频，负磁导率最大峰值(绝对值)高达-21.8。第一个电容13单位电容值(pf)平均调频幅度(mhz)高达1230mhz/pf、峰值调频幅度为15200mhz/pf，第二个电容14单位电容值(pf)平均调频幅度(mhz)高达1441mhz/pf、峰值调频幅度为17960mhz/pf，实际应用价值高。

图5给出了在实施例四的可调谐双频负磁导率超材料的基础上使第一个电容不加载(即去掉第一个电容)而第二个电容加载的情况下，等效磁导率实部随频率变化的曲线图。第一金属环15和第二金属环16串联构成的外回路及外缺口181负责低频谐振，低频谐振频率始终维持在5.2ghz左右，峰值负磁导率维持在-3.5左右。对于高频谐振，随着第二个电容14加载的电容值扩大至3.5pf，高频谐振频率红移至976mhz，负磁导率最大峰值(绝对值)高达-12.8。第二个电容14单位电容值(pf)平均调频幅度(mhz)高达1430mhz/pf、峰值调频幅度为19240mhz/pf。

图6给出了在实施例四的可调谐双频负磁导率超材料的基础上使第一个电容加载而第二个电容不加载(即去掉第二个电容)的情况下，等效磁导率实部随频率变化的曲线图。第二金属环16和第三金属环17串联构成的内回路及内缺口182负责高频谐振，高频谐振频率始终维持在5.9ghz左右，峰值负磁导率维持在-1.6左右。对于低频谐振，随着第一个电容13加载的电容值扩大至3.5pf，高频谐振频率红移至824mhz，负磁导率最大峰值(绝对值)高达-28.3。第一个电容13单位电容值(pf)平均调频幅度(mhz)高达1227mhz/pf，峰值调频幅度为14880mhz/pf。

分析图4、图5、图6，发现第一个电容13和第二个电容14均加载，使得谐振频率明显发生红移，第一金属环15和第二金属环16串联构成的外回路及外缺口181加载的电容即第一个电容13负责低频谐振，第二金属环16和第三金属环17串联构成的内回路及内缺口182加载的电容即第二个电容14负责高频谐振频率调谐，当第一个电容13和第二个电容14同时加载下，可实现低高频双谐振频率调谐，可根据实际应用需求调整电容的有无或者电容大小。相比较而言，第二个电容14的动态平均调频范围略大于第一个电容13的动态平均调频范围。第一个电容13和第二个电容14同时加载情况下，高、低两个谐振频点均具备动态调节能力，且电容动态平均调频范围均大于只加载一个电容的情况。