一種具有類三角形微結構的負磁導率超材料的製作方法
2023-09-19 04:21:50
一種具有類三角形微結構的負磁導率超材料的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種具有類三角形微結構的負磁導率超材料，包括介質基板和固定在介質基板上的微結構層；微結構層包括N個呈周期性陣列排列的單個微結構，N≥1；單個微結構包括三根金屬線，三根金屬線分別為第一金屬線、第二金屬線和第三金屬線，三根金屬線的長度相等；每根金屬線均呈L形，L形的夾角為60度，L形的末端為彎折結構，彎折結構為矩形脈衝形狀；單個微結構呈類三角形，三根金屬線在同一平面上圍繞同一中心旋轉排列，組成類三角形。採用本發明實施例，採用包括彎折結構的類三角形微結構，可以減小微結構的尺寸，降低負磁導率超材料的諧振頻率，採用旋轉對稱的微結構類型，使得超材料具有各向同性的特性。
【專利說明】 一種具有類三角形微結構的負磁導率超材料
【技術領域】
[0001]本發明涉及電磁通信領域，尤其涉及一種具有類三角形微結構的負磁導率超材料。
【背景技術】
[0002]目前，國際社會對磁導率方面已有大量的研究，其中對於正磁導率的研究已經趨於成熟，對於負磁導率超材料的研究是現在國內外研究的熱點，負磁導率具有量子極化作用，可以對入射波產生極化作用，因此作用範圍很大，如在醫學成像領域中的磁共振成像技術，負磁導率材料能夠加強電磁波的成像效果，另外負磁導率材料在透鏡研究方面亦有重要作用，在工程領域，磁導率通常都是指相對磁導率，為物質的絕對磁導率μ與磁性常數μ。(又稱真空磁導率)的比值，Ur= μ/μ O，無量綱值。通常「相對」二字及符號下標r都被省去。磁導率是表示物質受到磁化場H作用時，內部的真磁場相對於H的增加(μ > I)或減少(μ < I)的程度。至今發現的自然界已存在的材料中，μ都是大於O的。
[0003]超材料是指一些具有天然材料所不具備的超常物理性質的人工複合結構或複合材料。通過在材料的關鍵物理尺度上的結構有序設計，可以突破某些表觀自然規律的限制，從而獲得超出自然界固有的普通性質的超常材料功能。超材料的性質和功能主要來自於其內部的結構而非構成它們的材料。目前，現有的人造微結構的幾何形狀為「工」字形或者類似「凹」字形的開口環形，但這些結構都不能實現磁導率μ明顯小於O或使超材料諧振頻率降低，也不能實現各向同性，只有通過設計具有特殊幾何圖形的人造微結構，才能使得該人工電磁材料在特定頻段內達到磁導率μ值小於0，並具有較低的諧振頻率。
【發明內容】
[0004]本發明實施例提供一種具有類三角形微結構的負磁導率超材料，通過使用由三根L形金屬線在同一平面上圍繞同一中心旋轉排列而成的金屬微結構，所述L形的末端為矩形脈衝形狀的彎折結構。本發明實施例，採用包括彎折結構的類三角形微結構，可以減小微結構的尺寸，降低負磁導率超材料的諧振頻率，採用旋轉對稱的微結構類型，使得超材料具有各向同性的特性。
[0005]本發明實施例提供一種具有類三角形微結構的負磁導率超材料，其特徵在於，包括:介質基板和固定在介質基板上的微結構層；
[0006]所述微結構層包括N個呈周期性陣列排列的單個微結構，N^l；
[0007]所述單個微結構包括三根金屬線，所述三根金屬線分別為第一金屬線、第二金屬線和第三金屬線，所述三根金屬線的長度相等；
[0008]每根金屬線均呈L形，所述L形的夾角為60度，所述L形的末端為矩形脈衝形狀的彎折結構；
[0009]所述單個微結構呈類三角形，所述三根金屬線在同一平面上圍繞同一中心旋轉排列，組成類三角形；所述第二金屬線旋轉120°後與所述第一金屬線重合，所述第三金屬線旋轉240°後與所述第一金屬線重合。
[0010]進一步的，所述超材料由兩層所述介質基板與兩層所述微結構層相間層疊而成。
[0011]再進一步的，所述兩層介質基板包括第一介質基板和第二介質基板，第一介質基板的介電常數為10-20,第二介質基板的介電常數為5-10。
[0012]更進一步的，所述第一介質基板的厚度為0.005-0.015mm。
[0013]又進一步的，所述第二介質基板的厚度為0.1Omm-0.30mm。
[0014]本發明實施例提供的一種具有類三角形微結構的負磁導率超材料，採用了三根金屬線在同一平面上圍繞同一中心旋轉排列而成的金屬微結構，每根金屬線均為兩個L形首尾相連的形狀，增加了超材料的電容和電感，在實現超材料的負磁導率的前提下，可以有效降低超材料的諧振頻率，滿足一些特殊條件下對超材料的負磁導率值的要求；採用彎折結構，減小了微結構的尺寸；同時，包含N個呈周期性陣列排列的單個微結構的微結構層，每個微結構都具有旋轉對稱的結構，使整個超材料符合各向同性的特性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1為本發明提供的具有類三角形微結構的負磁導率超材料的實施例的單個微結構的不意圖；
[0016]圖2為本發明提供的具有類三角形微結構的負磁導率超材料的實施例的超材料的側視圖；
[0017]圖3為本發明提供的具有類三角形微結構的負磁導率超材料的實施例的微結構層的不意圖；
[0018]圖4為現有技術中的負磁導率超材料的仿真結果示意圖。
[0019]圖5為本發明提供的具有類三角形微結構的負磁導率超材料的實施例的超材料的仿真結果示意圖。
【具體實施方式】
[0020]下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
[0021]參見圖1-3，對本發明提供的具有類三角形微結構的負磁導率超材料的實施例的結構進行詳細說明。
[0022]參見圖1，為本發明提供的具有類三角形微結構的負磁導率超材料的實施例的單個微結構的示意圖；
[0023]所述單個微結構10包括三根金屬線，所述三根金屬線分別為金屬線11、金屬線12和金屬線13，所述三根金屬線的長度相等；
[0024]金屬線11、金屬線12和金屬線13均呈L形，所述L形的夾角為60度，所述L形的末端為矩形脈衝形狀的彎折結構；
[0025]所述單個微結構10呈類三角形，金屬線11、金屬線12和金屬線13在微結構層所在平面上圍繞同一中心旋轉排列，組成類三角形；所述金屬線12旋轉120°後與金屬線11重合，所述金屬線13旋轉240°後與金屬線11重合。
[0026]金屬線11、金屬線12和金屬線13均為銅線，銅線的線寬為0.10mm，銅線的厚度為0.018mm，銅線的線間距為0.10mm。
[0027]需要說明的是，本實施例僅以微結構的金屬線為銅線，銅線的線寬為0.10_，銅線的厚度為0.018mm，銅線的線間距為0.10mm。為例進行說明。在具體實施當中，金屬線可以是銅質、銀質、銅合金質和金質；也可以是非金屬的導電材料，如導電塑料等。微結構中金屬線的線寬、厚度和線間距還可以為其他數值。
[0028]參見圖2，是本發明提供的具有類三角形微結構的負磁導率超材料的實施例的超材料的側視圖。
[0029]本發明實施例提供的超材料片層20包括介質基板22、介質基板24、固定在介質基板22上的微結構層21和固定在介質基板24上的微結構層23 ;介質基板22、介質基板24與微結構層21、微結構層23相間層疊。
[0030]介質基板22選用介電常數為16的高介電常數陶瓷矩形基板,厚度為0.0llmm,介質基板22的介電常數越高、厚度越薄能使超材料整體的諧振頻率降低。
[0031]可選的，介質基板22的介電常數可為10-20，介質基板22的厚度可為0.005—0.015mm。
[0032]介質基板24選用介電常數為7.7的聚丙烯矩形基板,厚度為0.139mm,介質基板24主要選擇損耗較小的基板，起到保護微結構、降低整體損耗的作用。
[0033]可選的，介質基板24的介電常數可為5-10，介質基板24的厚度可為0.10mm-Q.30mm。
[0034]可選的，介質基板22、24可以使用FR-4基板、聚丙烯基板或陶瓷基板，介質基板22,24還可以是圓形或多邊形。
[0035]需要說明的是，在具體實施當中，一個超材料成品也可以由多個超材料片層20組成。當一個超材料成品由多個超材料片層20組成時，可以按照一定的規律將多個超材料片層20封裝起來。當介質基板22、24為平板狀時，各超材料片層20沿垂直於介質基板22、24平面的方向依次排列，片層之間相互平行設置，優選平行且間距相等；當介質基板22、24為圓形或多邊形時，則可以將多個超材料片層20共圓心軸地安裝固定。
[0036]參見圖3，為本發明提供的具有類三角形微結構的負磁導率超材料的實施例的微結構層的示意圖；
[0037]微結構層22包括16個以4X4矩陣排布的單個微結構10，所述矩陣各行間距相等，所述矩陣各列間距相等。
[0038]需要說明的是，在具體實施當中，所述矩陣的行間距、列間距應不大於所要響應的入射電磁波的波長的四分之一，例如工作環境是波長為λ的電磁波，需要超材料對此電磁波的電磁特性是呈現負磁導率，則設計微結構的排布矩陣時矩陣的行間距、列間距應不大於λ/4,優選為λ/10。顯然，為了使微結構10不互相交疊,每個微結構10的長度和寬度也應不大於λ/4。
[0039]微結構層23上的微結構排布與微結構層22上的完全相同。
[0040]需要說明的是，在具體實施當中，周期性排布還可以有其他具有循環規律的排布方式，例如當介質基板22、24為圓形或多邊形時，微結構10沿著圓形或多邊形基板22、24的外圓柱面等間距排布。
[0041]參見圖4、5，對本發明提供的具有類三角形微結構的負磁導率超材料的實施例的仿真效果進行詳細說明。
[0042]現有技術中的超材料是直接將凹形開口諧振環陣列排布在介質基板上。為比較現有技術中的超材料與本發明實施例提供的超材料的區別，用三維電磁場仿真軟體對現有技術中的超材料與本發明實施例提供的超材料進行了仿真，仿真時設定現有技術中的超材料與本發明實施例提供的超材料的結構參數完全相同，現有技術中的超材料仿真結果示意圖參見圖4，由圖4可知，現有技術中的超材料要實現磁導率小於0，其對應頻率在400MHz以上，且損耗較大，本發明實施例提供的超材料的仿真結果示意圖參見圖5，由圖5可知，本發明實施例提供的超材料實現負磁導率的對應頻率在150MHz以內，低於現有技術中的超材料實現負磁導率的頻率，降頻效果顯著，損耗較小，並且能實現超材料的各向同性。
[0043]本發明實施例提供的一種具有類三角形微結構的負磁導率超材料，所述超材料包括介質基板和固定在介質基板上的微結構層，所述微結構層包括N個呈周期性陣列排列的單個微結構；所述微結構採用了三根金屬線在同一平面上圍繞同一中心旋轉排列而成的金屬微結構，每根金屬線均呈L形，所述L形的末端為矩形脈衝形狀的彎折結構，增加了超材料的電容和電感，在實現超材料的負磁導率的前提下，可以有效降低超材料的諧振頻率，滿足一些特殊條件下對超材料的負磁導率值的要求；所述負磁導率超材料的兩層介質基板與兩層微結構層相間排列，且選用高介電常數的介質基板夾在兩層微結構之間，增加了超材料的電容，進一步降低了超材料的頻率；採用彎折結構，降低超材料微結構的尺寸；同時，包含N個呈周期性陣列排列的單個微結構的微結構層，每個微結構具有旋轉對稱的結構，使整個超材料符合各向同性，實用性強。
[0044]以上所述是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本【技術領域】的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也視為本發明的保護範圍。
【權利要求】
1.一種具有類三角形微結構的負磁導率超材料，其特徵在於，包括:介質基板和固定在介質基板上的微結構層； 所述微結構層包括N個呈周期性陣列排列的單個微結構，N^l； 所述單個微結構包括三根金屬線，所述三根金屬線分別為第一金屬線、第二金屬線和第三金屬線，所述三根金屬線的長度相等； 每根金屬線均呈L形，所述L形的夾角為60度，所述L形的末端為矩形脈衝形狀的彎折結構； 所述單個微結構呈類三角形，所述三根金屬線在同一平面上圍繞同一中心旋轉排列，組成類三角形；所述第二金屬線旋轉120°後與所述第一金屬線重合，所述第三金屬線旋轉240°後與所述第一金屬線重合。
2.如權利要求1所述的一種具有類三角形微結構的負磁導率超材料，其特徵在於:所述超材料由兩層所述介質基板與兩層所述微結構層相間層疊而成。
3.如權利要求2所述的一種具有類三角形微結構的負磁導率超材料，其特徵在於:所述兩層介質基板包括第一介質基板和第二介質基板，第一介質基板的介電常數為10-20，第二介質基板的介電常數為5-10。
4.如權利要求3所述的一種具有類三角形微結構的負磁導率超材料，其特徵在於:所述第一介質基板的厚度為0.005-0.015_。
5.如權利要求3所述的一種具有類三角形微結構的負磁導率超材料，其特徵在於:所述第二介質基板的厚度為0.1Omm-0.30mm。
【文檔編號】H01Q15/00GK104409862SQ201410690309
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年11月25日 優先權日:2014年11月25日
【發明者】張永超 申請人:張永超