一種各向同性的雙負人工材料的製作方法

2023-06-16 21:23:51 3

專利名稱：一種各向同性的雙負人工材料的製作方法
技術領域：
本發明屬於功能材料技術領域，涉及人工結構材料，具體指一種各向同性的雙負人工材料。
背景技術：
雙負人工材料(Double-Negative Metamaterials)是指一種介電常數和磁導率同時為負值的介質材料。電磁波在其傳播時，波矢k、電場E和磁場H之間的關係符合左手定律，因此雙負人工材料也稱為「左手材料」。雙負人工材料具有一些不同尋常的電磁特性，例如負的折射率、反向切倫科夫輻射、反向都卜勒效應、反折射定律等。雙負人工材料的實現被美國《科學》雜誌評為2003年度十大科技突破之一。2006年利用超常材料 (Metamaterials)製成的「隱身衣」被美國《科學》雜誌再度評為當年十大科技突破之一。 2010年美國《科學》雜誌將超常材料評為過去十年科學界「十大卓見ansights of the Decade)，，之一。2001年，R. A. Shelby和D. R. Smith等人基於J. B. Pendry提出的構造單負介電常數材料、單負磁導率材料的思想，首次實現了等效介電常數和磁導率的實部均為負的雙負人工材料。隨後，A. Grbic和G. V. Eleftheriades於2002年首次報導了基於雙負人工材料的CPWkoplanarwaveguide)能夠實現類似於反向切倫科夫輻射的反向輻射。2008年， Argonne國家實驗室的S. Antipov等人報導了在一種填充雙負人工材料的矩形波導中傳播的TM波並且間接驗證了由電子團所產生的反向切倫科夫輻射。目前所製備的雙負人工材料主要是一維、二維，極少數為三維雙負人工材料，所選用的介質基片如FR-4介質基板，根本不適合工作於真空環境中。本發明的三維雙負人工材料的介質基片為聚醯亞胺(用於支撐)和陶瓷(用作PCB板)，可工作於真空及高溫環境下，而且是各向同性的，更適合應用於微波毫米波真空電子器件。經研究發現，當單電子以一定速度在雙負人工材料上方通過時，如圖 1所示，上方區域為真空(Vacuum)，下方區域為各向同性雙負人工材料(WMs Double-NegativeMetamaterials)，分界面在χ = _d處，電子在真空中以速度 沿ζ方向運動，χ軸垂直於分界面，y軸和ζ軸平行於分界面，電子電量為q。由雙負人工材料填充的區域會有反向切倫科夫輻射發生，而更值得讓人關注的特性是雙負人工材料上方真空區域內的凋落波明顯強於同一情形下普通介質上方真空區域內的凋落波。利用上述特性，有可能實現一種新型的基於雙負人工材料的平板型高功率微波毫米波源。

發明內容
本發明提供一種各向同性的雙負人工材料，所述雙負人工材料為三維結構、各向同性的雙負人工材料，可應用於基於雙負人工材料的平板型高功率微波毫米波源。本發明所採用的技術方案為一種各向同性的雙負人工材料，如圖4所示，由三維結構的雙負人工材料單元沿直角坐標系三維方向周期性密集堆積而成。所述三維結構的雙負人工材料單元如圖3所示，包括介質材料立方體和位於介質材料立方體中具有公共頂點的三個面上的雙負結構單元。其中，所述雙負結構單元如圖2所示，包括一個與介質材料立方體的一個面相同大小的介質基板、金屬開路環諧振器和金屬細線；所述金屬開路環諧振器位於介質基板正面，由兩個大小不同、開口相反的開路環構成，其中小開路環套於大開路環中；所述金屬細線位於介質基板背面，與兩個開口環的開口中心連線平行且距離等於介質基板厚度。三維結構的雙負人工材料單元中，三個雙負結構單元的金屬細線兩兩垂直。上述技術方案中，所述介質材料立方體材料為聚醯亞胺；所述介質基板為聚醯亞胺或陶瓷介質基板。本發明提供的各向同性的雙負人工材料，可以用先製備介質材料立方體、然後再介質材料立方體表面粘貼雙負結構單元、最後將三維結構的雙負人工材料單元沿直角坐標系三維方向周期性密集堆積而成的方法製備。也可以用先在長方體介質材料三個面上等距離開孔、然後將兩面分別製備了金屬細線和雙開口環的介質基板插入長方體介質材料孔中的方法實現製備。其中雙負結構單元可採用聚醯亞胺雙面覆銅板經光刻工藝實現，或是先在陶瓷介質基板兩面沉積金屬層、然後分別光刻出金屬細線和雙開口環的方法實現。本發明提供了一種各向同性的雙負人工材料，所述雙負人工材料具有三維結構、 各向同性的特點，其結構尺寸可結合工作頻段、加工工藝靈活設計。本發明提供的各向同性的雙負人工材料可應用於高功率微波毫米波源用於激發微波毫米波。


圖1是單電子在各向同性雙負人工材料上方通過的示意圖。圖2是金屬開路環諧振器(SRR)和金屬細線(Rod)組合而成的雙負結構。圖3是具有三維對稱性的各向同性雙負人工材料單元結構。圖4是由雙負人工材料單元結構組成的各向同性雙負人工材料的結構示意圖。圖5是在一個實心長方體的聚醯亞胺介質基板上開通孔後的局部放大示意圖。圖6，7，8分別是圖5的主視圖，俯視圖和側視圖。圖9是裝入通孔中的三種介質板的示意圖，其中Al、A2、Bi、B2、Cl、C2分別為A、 B、C的正反兩面。A型介質板裝入平行於χ-y面的通孔；B型介質板裝入平行於x-z面的通孔；C型介質板裝入平行於y-ζ面的通孔。圖10是雙負人工材料的等效相對介電常數隨頻率變化的規律圖。圖11是雙負人工材料的等效相對磁導率隨頻率變化的規律圖。圖12是雙負人工材料的折射率隨頻率變化的規律圖。
具體實施例方式1.構造各向同性雙負人工材料(加工工藝)利用金屬開路環諧振器(SRR)和金屬細線(Rod)組合而成的結構(如圖2)來構造一種具有三維對稱性的單元結構(如圖3)。將圖3中的單元結構，按一定周期組合排列起來(如圖4)，從而構成圖1中下方區域所示的各向同性雙負人工材料。具體結構尺寸如下(單位mm) :t = 0. 14,w = 2. 2，g = 0. 3，e = 0. 15,h = 0. 2。同時，金屬細線長 2. 5mm,金屬開路環諧振器和金屬細線的材料為銅片，其厚度為0.017mm;陶瓷底板的長和寬均為 5mm，厚0.25mm，相對介電常數ε ^ = 5. 6，損耗角正切tan δ = 0. 0041 ；圖4中的單元周期長度為5mmο由於圖3中的單元結構很難直接實現，本發明通過在實心聚醯亞胺介質基板開孔，並在所開的孔中裝入光刻後的介質板來實現圖4所示的各向同性雙負人工材料。具體加工工藝如下1)利用超聲加工技術，在一個實心長方體的聚醯亞胺介質基板上開孔，長方體的長為61mm，寬為53mm，高為58mm。在平行於x_z、x-y、y-z面上分別開通孔，孔長均為2. 5mm, 寬為0. ^4mm，兩孔之間的中心距離為5mm，所開孔的具體位置還須參考圖6，7和8中的具體尺寸。2)利用雙面光刻技術，分別在A、B、C型陶瓷基片上刻出如圖9所示的結構(Al、 A2、Bi、B2、Cl、C2分別為A、B、C的正反兩面)，結構材料採用銅片。其中，A型介質板的長對應長方體的長61mm，寬對應平行於χ-y面的兩個面上的孔長2. 5mm,厚為0. 25mm ；B型介質板的長對應長方體的寬53mm，寬對應平行於x-z面的兩個面上的孔長2. 5m，厚為0. 25mm ； C型介質板的長對應長方體的高58mm，寬對應平行於y_z面上孔的長2. 5mm,厚為0. 25mm。 同時，所刻的結構的中心距離為5mm。金屬開路環諧振器和金屬細線在三種介質板上的具體位置由圖9中的具體尺寸來決定。3)分別將A、B、C三種光刻處理後的介質板裝入所對應的孔。4)在該長方體的六個面分別加一層可以覆蓋該平面的5mm厚的聚醯亞胺介質基板，並在新加的六個面上分別用螺釘固定好這個整體。2.提取各向同性雙負人工材料的等效介電常數和磁導率利用三維電磁仿真軟體HFSS對圖3中的單元結構進行仿真，將仿真得到的S11和 S21的幅度及相位的數據進行處理，最後求得各向同性雙負人工材料的等效相對介電常數和磁導率，如圖10和圖11所示，各向同性雙負人工材料的雙負頻段落在X波段內。
權利要求
1.一種各向同性的雙負人工材料，由三維結構的雙負人工材料單元沿直角坐標系三維方向周期性密集堆積而成；所述三維結構的雙負人工材料單元包括介質材料立方體和位於介質材料立方體中具有公共頂點的三個面上的雙負結構單元；其中，所述雙負結構單元包括一個與介質材料立方體的一個面相同大小的介質基板、金屬開路環諧振器和金屬細線； 所述金屬開路環諧振器位於介質基板正面，由兩個大小不同、開口相反的開路環構成，其中小開路環套於大開路環中；所述金屬細線位於介質基板背面，與兩個開口環的開口中心連線平行且距離等於介質基板厚度；三維結構的雙負人工材料單元中，三個雙負結構單元的金屬細線兩兩垂直。
2.根據權利要求1所述的各向同性的雙負人工材料，其特徵在於，所述介質材料立方體材料為聚醯亞胺；所述介質基板為聚醯亞胺或陶瓷介質基板。
全文摘要
一種各向同性的雙負人工材料，屬於功能材料技術領域。本發明由三維結構的雙負人工材料單元周期性密集堆積而成；三維結構的雙負人工材料單元包括介質材料立方體和位於介質材料立方體中相鄰三個面上的雙負結構單元；雙負結構單元包括介質基板、金屬開路環諧振器和金屬細線；金屬開路環諧振器位於介質基板正面，由兩個大小不同、開口相反的開路環構成，其中小開路環套於大開路環中；金屬細線位於介質基板背面，與兩個開口環的開口中心連線平行且距離等於介質基板厚度；三維結構的雙負人工材料單元中，三個雙負結構單元的金屬細線兩兩垂直。本發明提供的雙負人工材料具有三維結構、各向同性的特點，可應用於高功率微波毫米波源用於激發微波毫米波。
文檔編號H01P7/00GK102280712SQ20111013975
公開日2011年12月14日 申請日期2011年5月27日 優先權日2011年5月27日
發明者唐濤, 段兆雲, 郭晨 申請人:電子科技大學