CN103296467B - 一种负磁导率超材料 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种负磁导率超材料，包括至少一层具有负磁导率的超材料层，超材料层包括基板以及周期性阵列排布在基板上的多个磁性微结构，磁性微结构包括第一磁性微结构和第二磁性微结构，基板包括第一基板和第二基板，第一基板两侧分别设置有由多个第一磁性微结构构成的第一磁性微结构层和由多个第二磁性微结构构成的第二磁性微结构层，第一磁性微结构层和第二磁性微结构层上均覆有所述第二基板。本发明能有效降低超材料谐振频率，根据需要缩放磁性微结构的大小，能满足一些特殊条件下对负磁导率值的要求，具有良好的开发与应用前景。
Description
【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μ与磁性常数μ0(又称真空磁导率)的比值，μr＝μ/μ0，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(μ＞1)或减少(μ＜1)的程度。至今发现的自然界已存在的材料中，μ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，现有的磁性微结构的几何形状为“工”字形或者如图1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μ明显小于0或使超材料谐振频率降低，也不能实现各向同性，只有通过设计具有特殊几何图形的磁性微结构，才能使得该人工电磁材料在特定频段内达到磁导率μ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缺陷，提供一种谐振频率较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，包括至少一层具有负磁导率的超材料层，超材料层包括基板以及周期性阵列排布在基板上的多个磁性微结构，磁性微结构包括第一磁性微结构和第二磁性微结构，基板包括第一基板和第二基板，第一基板两侧分别设置有由多个第一磁性微结构构成的第一磁性微结构层和由多个第二磁性微结构构成的第二磁性微结构层，第一磁性微结构层和第二磁性微结构层上均覆有所述第二基板。
优选地，所述第一基板的厚度为0.008-0.015mm。
优选地，所述第一基板的介电常数为14-20。
优选地，所述第一基板的损耗正切为0.003-0.007。
优选地，所述第二基板的厚度为0.08-0.12mm。
优选地，所述第二基板的介电常数为4-8。
优选地，所述第二基板的损耗正切为0.010-0.015。
优选地，所述第二基板为有机高分子材料或陶瓷材料。
优选地，所述磁性微结构的线宽为0.1-0.3mm。
优选地，所述磁性微结构的线间距为0.05-0.15mm。
优选地，所述磁性微结构的线厚度为0.03-0.05mm。
优选地，所述磁性微结构为开口谐振环或开口谐振环的衍生结构。
本发明的有益效果在于，本发明超材料由多层经过特殊设计的人造微结构叠加而成，基板也采用介电常数较高、损耗较低的材质，本发明能有效降低超材料的谐振频率，具有良好的发展前景。
【附图说明】
图1，现有的负磁导率超材料人造微结构示意图；
图2，本发明优选实施例结构示意图；
图3，本发明优选实施例第一磁性微结构示意图；
图4，本发明优选实施例第二磁性微结构示意图；
图5，本发明又一优选实施例结构示意图；
图6，本发明优选实施例磁导率仿真效果示意图；
图中，1第一磁性微结构层，2第二磁性微结构层，3第一基板，4第二基板，11第一磁性微结构，22第二磁性微结构。
【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2所示，包括至少一层具有负磁导率的超材料层，超材料层包括基板以及周期性阵列排布在基板上的多个磁性微结构，磁性微结构包括第一磁性微结构11和第二磁性微结构22，基板包括第一基板3和第二基板4，第一基板3两侧分别设置有由多个第一磁性微结构11构成的第一磁性微结构层1和由多个第二磁性微结构22构成的第二磁性微结构层2，第一磁性微结构层1和第二磁性微结构层2上均覆有所述第二基板4。
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。
第一磁性微结构11和第二磁性微结构22在第一基板3的两个表面呈周期性排布，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五分之一，即例如工作环境是波长为λ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，则设计磁性微结构时将上述行间距、列间距选择不大于λ/5，优选为λ/10。显然，为了使磁性微结构不互相交叠，每个磁性微结构的长度和宽度也不大于λ/5。周期性排布还可以有其他具有循环规律的排布方式，例如当第一基板3为圆形或多边形时，第一磁性微结构11和第二磁性微结构22沿着圆形或多边形第一基板3的外圆柱面等间距地绕一周。本发明优选实施例的第一基板3为矩形，参见图2。
当超材料层有多个时，可以按照一定的规律将它们封装起来，例如当第一基板3和第二基板4为平板状时，各超材料层沿垂直于第一基板3和第二基板4表面的方向依次排列，层与层之间相互平行设置，优选平行且间距相等，当第一基板3和第二基板4为上述圆形或多边形，则可以将多个超材料层共圆心轴地安装固定。
本发明第一基板3应选择轻薄、介电常数高、损耗低的基板，因此第一基板3的厚度为0.008-0.015mm，损耗正切为0.003-0.007，介电常数为14-20。第二基板4主要功能为保护第一磁性微结构11和第二磁性微结构22，第二基板4可以使用有机高分子材料或陶瓷材料。第二基板4的厚度为0.08-0.12mm，第二基板4的介电常数为4-8，第二基板4的损耗正切为0.010-0.015。本发明优选实施例第一基板3选用厚度为0.011mm、介电常数为16、损耗正切为0.005的陶瓷基板，第二基板4选用填充有玻璃纤维布的环氧树脂基板，厚度为0.1mm，介电常数为4.8，损耗正切为0.013。
本发明第一磁性微结构11如图3所示，第二磁性微结构22如图4所示，第一磁性微结构11和第二磁性微结构22均由四个独立的磁性微结构组合而成，每一个独立的磁性微结构均由一根折线自内向外等间距嵌套而成，折线可选用铜线、银线、铜合金，甚至是金线，或者是非金属的导电材料，如导电塑料等，折线的截面为矩形或圆形，折线嵌套层数大于2。折线的线宽为0.1-0.3mm，折线的厚度为0.03-0.05mm，折线的线间距为0.05-0.15mm。本发明优选实施例的磁性微结构使用铜线，铜线的线宽为0.20mm，铜线的厚度为0.033mm，铜线的线间距为0.10mm，第一磁性微结构11和第二磁性微结构22的尺寸为15mm×15mm。
本文中的磁性微结构，为开口谐振环或开口谐振环的衍生结构，开口谐振环或开口谐振环的衍生结构作为超材料的微结构，能使超材料的磁导率为负。图1所示的微结构即开口谐振环微结构，图3、图4所示的微结构为开口谐振环的衍生结构。
本发明实现负磁导率的原理为，对于磁性微结构而言，可以等效为LC震荡电路，铜线等效为电感L，线间电容、磁性微结构之间的耦合电容等效电容C，通过仿真发现，在其他条件不改变的情况下，铜线越长，线间距越近，则等效电容值C越大。
同理我们可以定性的判断电感L的变化，铜线线长越长，电感L越大。本发明中磁性微结构单元的铜线绕线圈数越多，其电感越大(存在互感)。
由LC振荡电路公式可知，当电感值增大时，其对应的谐振频率则降低。
现有技术是直接将图1所示的“凹形”开口谐振环周期性阵列排布在基板上，为单层微结构层，超材料呈各项异性，本发明超材料的磁性微结构是如图3、图4所示的磁性微结构为四个磁性微结构单元的叠加组，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同性。
用CST对本发明实施例的负磁导率超材料进行仿真，仿真的结构参数为，铜线线宽0.2mm，铜线线间距0.1mm，铜线厚度0.033mm，第一基板3的厚度为0.011mm、介电常数为16、损耗正切为0.005的陶瓷基板，第二基板4为填充有玻璃纤维层的环氧树脂基板，厚度为0.1mm，介电常数为4.8，损耗正切为0.013，第一磁性微结构11和第二磁性微结构22的尺寸为15mm×15mm，仿真结果示意图参见图6，由图6可知，本发明超材料磁导率为-1的对应频率约为197MHz，降频效果显著，损耗较小，超材料呈各向同性，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。
Claims (12)
1.一种负磁导率超材料，包括至少一层具有负磁导率的超材料层，所述超材料层包括基板以及周期性阵列排布在基板上的多个磁性微结构，其特征在于，所述磁性微结构包括第一磁性微结构和第二磁性微结构，所述基板包括第一基板和第二基板，所述第一基板两侧分别设置有由多个第一磁性微结构构成的第一磁性微结构层和由多个第二磁性微结构构成的第二磁性微结构层，所述第一磁性微结构层和第二磁性微结构层上均覆有所述第二基板，其中，所述第一磁性微结构层、所述第一基板和所述第二磁性微结构层三者之间沿垂直所述第一基板表面的方向依次层叠设置，第一磁性微结构和第二磁性微结构均由四个独立的磁性微结构组合而成，每个独立的磁性微结构均由一根折线自内向外等间距嵌套而成，且折线嵌套层数大于2，每个第一磁性微结构在俯视投影方向上为自内向外逆时针绕制形成，每个第二磁性微结构在俯视投影方向上为自内向外顺时针绕制形成。
2.根据权利要求1所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述第一基板的厚度为0.008-0.015mm。
3.根据权利要求1所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述第一基板的介电常数为14-20。
4.根据权利要求1所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述第一基板的损耗正切为0.003-0.007。
5.根据权利要求1所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述第二基板的厚度为0.08-0.12mm。
6.根据权利要求1所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述第二基板的介电常数为4-8。
7.根据权利要求1所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述第二基板的损耗正切为0.010-0.015。
8.根据权利要求1所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述第二基板为有机高分子材料或陶瓷材料。
9.根据权利要求1所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述磁性微结构的线宽为0.1-0.3mm。
10.根据权利要求1所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述磁性微结构的线间距为0.05-0.15mm。
11.根据权利要求1所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述磁性微结构的线厚度为0.03-0.05mm。
12.根据权利要求1所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述磁性微结构为开口谐振环或开口谐振环的衍生结构。
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