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Title:
AN ARTIFICIAL MICROSTRUCTURE AND A MAGNETIC RESONANCE METAMATERIAL WHICH THE ARTIFICIAL MICROSTRUCTURE IS USED FOR
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2012/139370
Kind Code:
A1
Abstract:
An artificial microstructure is provided in the invention. The artificial microstructure includes a first metal line and a second metal line. Said first metal line is a helix which extends outwards helically starting from a central point, said second metal line extends parallel to the first metal line, and said second metal line is connected to the first metal line only at the outermost end of the helix formed by the first metal line. The artificial microstructure of the invention can increase the length of the metal line arranged in the same volume, and then can increase the value of the equivalent capacitance and reduce the resonance frequency, which is advantages to realize the highly integration and avoid or reach certain special frequency band, thus realizing the magnetic resonance function which the existing metamaterial can not realize. In addition, a magnetic resonance metamaterial including said artificial microstructure is provided in the invention.

Inventors:
LIU, Ruopeng (Software Building, No.9 GaoxinZhong 1st RoadHigh-Tech Industrial Estate, Nansha, Shenzhen Guangdong 7, 518057, CN)
刘若鹏 (中国广东省深圳市南山区高新区中区高新中一道9号软件大厦, Guangdong 7, 518057, CN)
LUAN, Lin (Software Building, No.9 GaoxinZhong 1st RoadHigh-Tech Industrial Estate, Nansha, Shenzhen Guangdong 7, 518057, CN)
栾琳 (中国广东省深圳市南山区高新区中区高新中一道9号软件大厦, Guangdong 7, 518057, CN)
Application Number:
CN2011/081424
Publication Date:
October 18, 2012
Filing Date:
October 27, 2011
Export Citation:
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Assignee:
KUANG-CHI INSTITUTE OF ADVANCED TECHNOLOGY (Software Building, No.9 GaoxinZhong 1st RoadHigh-Tech Industrial Estate, Nansha, Shenzhen Guangdong 7, 518057, CN)
深圳光启高等理工研究院 (中国广东省深圳市南山区高新区中区高新中一道9号软件大厦, Guangdong 7, 518057, CN)
KUANG-CHI INNOVATIVE TECHNOLOGY LTD. (18B Block A, CIC International Business CenterNo.1061 of XiangMei Road, FuTia, Shenzhen Guangdong 4, 518034, CN)
深圳光启创新技术有限公司 (中国广东省深圳市福田区香梅路1061号中投国际商务中心A栋18B, Guangdong 4, 518034, CN)
LIU, Ruopeng (Software Building, No.9 GaoxinZhong 1st RoadHigh-Tech Industrial Estate, Nansha, Shenzhen Guangdong 7, 518057, CN)
刘若鹏 (中国广东省深圳市南山区高新区中区高新中一道9号软件大厦, Guangdong 7, 518057, CN)
International Classes:
H01Q15/00
Foreign References:
CN1260604A
CN101162800A
CN101192713A
Attorney, Agent or Firm:
GUANGZHOU SCIHEAD PATENT AGENT CO., LTD (Room 1508, Huihua Commercial & Trade BuildingNo. 80, XianLie Zhong Road, Yuexi, Guangzhou Guangdong 0, 510070, CN)
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Claims:
权 利 要 求

1. 一种人造微结构, 所述人造微结构包括第一金属线及第二金属线, 所述 第一金属线为自一中心点为起始点向外螺旋延伸的螺旋线, 所述第二金属线与 所述第一金属线并行延伸, 且所述第二金属线与所述第一金属线仅在所述第一 金属线形成的螺旋线的最外端相连。

2. 如权利要求 1所述的人造微结构, 其特征在于, 所述人造微结构还包括 第三金属线, 所述第二金属线与所述第一金属线通过所述第三金属线在所述第 一金属线形成的螺旋线的最外端相连。

3. 如权利要求 1或 1所述的人造微结构, 其特征在于, 所述人造微结构由 同一根金属线折弯螺旋而形成。

4. 如权利要求 3所述的人造微结构, 其特征在于, 以所述人造微结构的中 心点为极点、 以所述第一金属线形成的螺旋线的起始点与所述中心点的连线为 极轴而构成的极坐标系 中, 所述第一金属线形成的螺旋线满足条件:

ρ'(θ)≠∞

5. 如权利要求 4所述的人造微结构, 其特征在于, 所述第一金属线形成的 螺旋线还满足以下条件:

ρ{θ) < ρ{θ + 2π) ^ 其中, ( 表示所述第一金属线形成的螺旋线上某一点和 极点的连线与极轴的夹角为 Θ时, 该点与极点的连线的长度。

6. 如权利要求 5所述的人造微结构, 其特征在于, 所述第一金属线形成的 螺旋线还满足以下条件: 所述第一金属线形成的螺旋线的最外端的极角 θ。> 2π。

7. 如权利要求 4所述的人造微结构, 其特征在于, 所述第一金属线形成的 螺旋线还满足以下条件:

所述第一金属线上的任两点均满足^^ +^^^^^ ^ ^ +?^^ ) , θ!≠ θ2;

所述第二金属线 22上的任两点均满足 Ρι ( + ) - i ( ) = i (θ2 + ) - A ( ), θ i ≠θ2

8. 如权利要求 4所述的人造微结构, 其特征在于, 所述人造微结构采用铜 线制成。

9. 如权利要求 1所述的人造微结构, 其特征在于, 所述人造微结构采用银 线制成。

10. 如权利要求 1所述的人造微结构, 其特征在于, 所述螺旋线为圓形螺旋 线。

11. 如权利要求 1所述的人造微结构, 其特征在于, 所述螺旋线为方形螺旋 线。

12. 如权利要求 1所述的人造微结构, 其特征在于, 所述人造微结构的尺寸 为入射电磁波波长的五分之一到十分之一之间。

13. 一种磁谐振超材料, 其包括基板及多个如权利要求 1-12任一项所述的 人造微结构, 所述人造微结构附着在所述基板上。

14. 如权利要求 13所述的磁谐振超材料, 其特征在于, 所述人造微结构在 所述基板上成阵列排布。

15. 如权利要求 13所述的磁谐振超材料, 其特征在于, 所述基材划分为多 个阵列排布的相同的长方体基材单元, 每个基材单元上附着有一个所述人造微 结构。

16. 如权利要求 15所述的磁谐振超材料, 其特征在于, 所述基材单元的边 长为入射电磁波波长的五分之一到十分之一之间。

17. 如权利要求 13所述的磁谐振超材料, 其特征在于, 所述基材为陶瓷材 料制成。

18. 如权利要求 17所述的磁谐振超材料,其特征在于,所述基材选自 FR-4, F4b, CEM1 , CEM3和 TP-1中的一种。

19. 如权利要求 14所述的磁谐振超材料, 其特征在于, 所述磁谐振超材料 包括叠加的多块基板, 每块基板上均附着有多个人造微结构。

20. 如权利要求 19所述的磁谐振超材料, 其特征在于, 所述多块基板之间 填充可连接二者的液态基板原料。

Description:
一种人造微结构及其应用的磁谐振超材料

本申请要求于 2011年 4月 12曰提交中国专利局、申请号为 201110091209.X, 发明名称为 "一种磁谐振超材料" 的中国专利申请的优先权, 其全部内容通过 引用结合在本申请中。 技术领域

本发明涉及一种材料, 特别是涉及一种人造微结构及其应用的磁谐振 超材 料。 背景技术

谐振是指当电路的激励的频率等于电路的固有 频率时, 电路的电磁振荡的 振幅将达到峰值。 由电感 L和电容 C组成的、 可以在一个或若干个频率上发生 谐振现象的电路, 统称为谐振电路。 在电子和无线电工程中, 经常要从许多电 信号中选取出我们所需要的电信号, 而同时把我们不需要的电信号加以抑制或 滤出, 为此就需要有一个选择电路, 即谐振电路。 另一方面, 在电力工程中, 有可能由于电路中出现谐振而产生某些危害, 例如过电压或过电流。 所以, 对 谐振电路的研究, 无论是从利用方面, 或是从限制其危害方面来看, 都有重要 意义。

超材料是一种能够对电磁产生响应的新型人工 合成材料, 由基板和附着在 基板上的人造微结构组成。 由于人造微结构通常为金属线排布成的具有一 定几 何图形的结构, 因此能够对电磁波产生响应, 从而使超材料整体体现出不同于 基材的电磁特性, 这样的电磁特性能实现现有材料不能实现的特 殊功能, 例如 降低谐振频率, 拓宽频带, 从而改善器件的性能。 现有的材料其谐振频率都是 特定的, 不能满足多样化的应用需求。 发明内容

本发明提供一种人造微结构, 所述人造微结构包括第一金属线及第二金属 线, 所述第一金属线为自一中心点为起始点向外螺 旋延伸的螺旋线, 所述第二 金属线与所述第一金属线并行延伸, 且所述第二金属线与所述第一金属线仅在 所述第一金属线形成的螺旋线的最外端相连。 其中, 所述人造微结构还包括第三金属线, 所述第二金属线与所述第一金 属线通过所述第三金属线在所述第一金属线形 成的螺旋线的最外端相连。

所述人造微结构由同一根金属线折弯螺旋而形 成。

以所述人造微结构的中心点为极点、 以所述第一金属线形成的螺旋线的起 始点与所述中心点的连线为极轴而构成的极坐 标系(A ^>中, 所述第一金属线形 成的螺旋线满足条件:

ρ'(θ)≠∞ 所述第一金属线形成的螺旋线还满足以下条件 :

ρ{θ) < ρ{θ + 2π) ^ 其中, ( 表示所述第一金属线形成的螺旋线上某一点和 极点的连线与极轴的夹角为 Θ时, 该点与极点的连线的长度。

所述第一金属线形成的螺旋线还满足以下条件 : 所述第一金属线形成的螺 旋线的最外端的极角 θ。> 2π。

所述第一金属线形成的螺旋线还满足以下条件 :

所述第一金属线上的任两点均满足^^ +^^^^^ ^ ^ +?^^ ) , θ!≠ θ 2 ;

所述第二金属线 22上的任两点均满足 Ρι ( + ) - i ( ) = i ( θ 2 + ) - A ( ), θ i ≠θ 2

所述人造微结构采用铜线制成。

所述人造微结构采用银线制成。

所述螺旋线为圓形螺旋线。

所述螺旋线为方形螺旋线。

所述人造微结构的尺寸为入射电磁波波长的五 分之一到十分之一之间。

相应地, 本发明实施例还提供了一种磁谐振超材料, 其包括上述的人造微 结构, 所述人造微结构附着在所述基板上。

其中, 所述人造微结构在所述基板上成阵列排布。

所述基材划分为多个阵列排布的相同的长方体 基材单元, 每个基材单元上 附着有一个人造微结构。

基材单元的边长为入射电磁波波长的五分之一 到十分之一之间。

所述基材为陶瓷材料制成。

所述基材选自 FR-4, F4b, CEM1 , CEM3和 TP-1中的一种。 所述磁谐振超材料包括叠加的多块基板, 每块基板上均附着有多个人造微 结构。

所述多块基板之间填充可连接二者的液态基板 原料。

实施本发明的磁谐振超材料, 具有以下有益效果: 由两根之间隔开的金属 丝一起螺旋形成不相交的人造微结构, 使得在相同的体积内可以排列的金属丝 长度增大, 进而增大等效电容值, 谐振频率减小, 有利于避开或达到某些特殊 频段, 从而实现现有的超材料所不能实现的磁谐振功 能。 此外, 由于晶格尺寸 的大小可决定超材料应用的频段, 在传统的磁谐振结构中, 对应较低频段的应 用通常需要较大的尺寸的晶格设计, 而本发明涉及的磁谐振超材料, 能够实现 在低频应用中采用更小晶格, 即具有更高集成度, 从而具有实现器件小型化和 实现大规模制造的应用前景。 附图说明 例或现有技术描述中所需要使用的附图作筒单 地介绍, 显而易见地, 下面描述 中的附图仅仅是本发明的一些实施例, 对于本领域普通技术人员来讲, 在不付 出创造性劳动性的前提下, 还可以根据这些附图获得其他的附图。

图 1是本发明优选实施例的磁谐振超材料的结构 意图;

图 2是图 1所示的磁谐振超材料的一个超材料单元的结 示意图; 图 3是现有的超材料中对磁场产生响应的人造微 构的示意图;

图 4是现有的超材料中对磁场产生响应的另一人 微结构的示意图; 图 5是本发明的第一种人造微结构的结构示意图

图 6是本发明的第二种人造微结构的结构示意图

图 7是本发明的第三种人造微结构的结构示意图

图 8是本发明的第四种人造微结构的结构示意图 具体实施方式

为了改进现有技术的电磁材料的电磁特性, 本发明提供一种磁谐振超材料, 相对于现有材料和已知的超材料, 具有特殊的谐振效果。

如图 1所示,磁谐振超材料包括至少一块均勾等厚 基板 1 , 若有多块基板 1则基板 1沿垂直于基板平面的方向 (z方向)依次堆叠, 并通过组装或者在每 两块基板 1 之间填充可连接二者的物质例如液态基板原料 , 其在固化后将已有 的两基板 1粘合, 从而使多块基板 1构成一个整体。 基板 1可由 FR-4, F4b, CEM 1 , CEM3和 TP- 1高介电常数陶瓷材料构成。

将每块基板 1虚拟地划分成多个完全相同的相互紧挨着地 方体基材单元, 这些基材单元以一方向 (X方向) 为行、 以与之垂直的另一方向 (y方向)为列 地依次阵列排布。 本实施方式中, 所述长方体基材单元的各个棱长相等。 基材 单元的边长通常为入射电磁波波长的五分之一 到十分之一之间。 每个基材单元 上附着有一个人造微结构 2,基材单元和基材单元上的人造微结构 2共同构成一 个超材料单元 3 , 如图 2所示, 则本发明的磁谐振超材料可看作是由多个超材 料 单元 3沿 x、 y、 z三个方向阵列排布而成。

人造微结构 2通常为金属线例如铜线、 银线组成的具有一定几何图形的平 面或立体结构。 本发明的人造微结构 1 均为对磁场有响应的结构。 现有的对磁 场响应的人造微结构 2通常为开口谐振环, 如图 3、 图 4所示。 图 3所示的为一 个单独的开口谐振环, 图 4所示的是两个开口相向的开口谐振环之间通 一金 属丝连接而形成的结构。

由以上图示可知, 现有的开口谐振环的圏数不大于 1。 本文的一圏, 是指以 开口谐振环所围成的环形内部的一点为极坐标 的极点, 开口谐振环两端点中离 原点近的一个端点到极点的连线为该极坐标的 极轴, 取逆时针为正方向, 则沿 开口谐振环上的每一点依次用极坐标来表示, 每到一个 360度为一圏。

这样的不足一圏的开口谐振环, 由于在特定晶格尺寸下其本身的结构长度 能够调节的谐振频率范围较窄, 例如在边长在 2mm的超材料单元中仅仅调整现 有技术的这种不足一圏的谐振环, 其所能达到的谐振偏折范围为 13-15Ghz的频 段, 可调范围较窄, 从而限制了实际应用中该种结构所能应用的频 率范围。 因 此如何弥补现有结构的不足, 增加其可调谐振的范围, 是本发明需要解决的问 题。 同时, 实现超材料的高集成度, 对于实现器件小型化和降低制造成本具有 极其重要的意义。 本发明的创新点在于, 人造微结构 2包括第一金属线 21和第 二金属线 22, 第一金属线 21为自一中心点向外螺旋延伸的螺旋线, 而第二金属 线 22为在第一金属线 21的走线间隔 5内且沿走线间隔 5螺旋延伸的另一螺旋 线, 二者之间不相交, 且螺旋延伸的起始点之间断开, 而末端点通过第三金属 线 23连接, 如图 5至图 8所示。 在实际制造过程中, 第一、 第二、 第三金属线 是由同一根金属线折弯螺旋而分别形成的。 当然, 在其他实施方式中, 所述第 一、 第二、 第三金属线 21、 22、 23也可以用不同材料分别单独成形, 然后再将 第一金属线 21及第二金属线 22以一定间距利用第三金属线 23按照图 5的方式 连接起来。

这里的螺旋线是指, 在人造微结构 1所在的平面上, 在以所述中心点为极 点、 以所述起始点与中心点的连线为极轴而构成的 极坐标系(A 中, 该线满足 条件:

1 )连续、 没有断开, 即 ' )≠∞;

2 ) Ρ{θ) < ρ{θ + π) ^ 其中, ( 表示该线上某一点和极点的连线与极轴的夹 角为 Θ时该点与极点的连线的长度;

3 )该线的末端点的极角 θ 0 > 2π。

由于满足条件 2 ),使得螺旋线上极角为 Θ和 θ+2π的两个点之间存在有走线 间隔 5 ,而本发明的第二金属线 22是在第一金属线 21的走线间隔 5内螺旋延伸 出来的, 可以理解的是, 由此第一金属线 21也是在第二金属线 22的走线间隔 5 内螺旋延伸的。 也就是说, 本发明的人造微结构 2, 其第一、 第二金属线 21、 22交替间隔, 一起向外螺旋。

由于本发明采用的是两个金属线同时螺旋, 且两个螺旋线的起始点之间不 连接, 相当于开口谐振环的开口, 能够引起金属表面等离子体效应, 形成大量 电偶极子和离子体的聚集, 增强整个金属微结构对电磁波的响应; 而两个螺旋 线通过螺旋延伸, 其长度要远远大于现有的单圏的开口谐振环, 两个螺旋线相 对的走线部分可以等 板, 形成电容效应。

已知电容公式为 , 其中, 为空气中的理想介电常数, 为 基板 1的介电常数, A为电极容板的面积, d为两电容极板之间的间距。 电容极 板的面积入=1^, 其中 L。为两个螺旋线相对的走线部分的长度, t为附着在基板 1上的金属线的厚度。 可见, 在其他条件不改变的情况下, 螺旋线越长, 两螺旋 线之间越近, 等效电容值越大。

另外, 已知 LC振荡电路的公式为: 当电容值增大, 其对应的谐振频率将降低。 因此, 本发明的磁谐振结构, 相对于现有技术, 其电容值更大、 谐振频率低, 有利于达到在特定应用频段下 的谐振效应。

图 5、 图 6示出的人造微结构 2的第一、 第二金属线 21、 22为方形螺旋线。 方形螺旋线是指在满足上述条件 1 )、 2 )、 3 )而形成螺旋线的同时, 可以看作是 由多个直线段依次互成 90度自内向外连接而成,后一直线段均长于前 直线段。

图 5中, 基材单元的边长为 4.2mm, 人造微结构 1的长、 宽均为 H=4mm, 且两侧分别到基材单元的侧边的距离 h=0.1mm , 第一、 第二金属线的线宽 w=0.025mm , 第一、 第二金属线的每两平行且相邻的走线部分之间 的距离 D=0.4mm, 二者均螺旋环绕了约 2圏。 基板 1为 FR-4 , 金属线均为铜线。 经过 模拟仿真,测得本实施例的超材料单元 3 ,其谐振频率 f。=5.6GHz,磁导率 μ=6.7。

图 6所示的人造微结构 2 , 其基材单元边长、 人造微结构 2的长宽 Η、 侧边 距 h、 线宽 w以及金属线和基板 1的材料均与图 5所示的人造微结构 2相同, 不同的在于第一、 第二金属线 21、 22的每两平行且相邻的走线部分之间的距离 d=0.2mm, 使得二者分别环绕了约 3圏。 经过模拟仿真和测量, 本实施例的超材 料单元 3 , 其谐振频率 f。=2.4GHz, 磁导率 μ=4.3。

可见, 在相同的体积下, 第一、 第二金属线螺旋的走线间隔 5越密, 则谐 振频率越小。 通过大量的仿真和试验, 证实了上述结论。

人造微结构 2的第一、 第二金属丝除了图 5、 图 6所示的方形螺旋线结构, 还可以是圓形螺旋线。 本文的圓形螺旋线是指在上述螺旋线的极坐标 满足上述 条件 1 )、 2 )、 3 ) 的同时, 还满足尸^ > ≠∞ , 使得该螺旋线上没有尖角和凸点而 是一条平滑曲线, 如图 7、 图 8所示。

其中, 图 5、 图 6、 图 7所示的人造微结构 2中, 其第一、 第二金属线的走 线间隔 5 都是均匀相等的, 即第一金属线 21 上的任两点均满足 {θ λ + 2π) - Ρι λ ) = {θ 2 + 2π) - {θ 2 ) ? θ1≠θ2 , 而第二金属线 22 上的任两点均满 足 2 ( + 2 r)- 2 ( ) = 2 ( + 2 r)- 2 ( ), ΘΙ ≠Θ 2。 但是, 在其他实施例中, 走线间 隔 5并不必然是相等的,如图 8所示,其第二金属线 22的走线间隔 5就不相等。 另外, 第一、 第二金属线的两根螺旋线并不必然具有相同的 极点和极轴, 即他 们的螺旋中心点、 第一金属线 21的螺旋起始点和第二金属线 11的螺旋起始点 三者不必然共线。 本发明的磁谐振超材料, 由两根之间隔开的金属丝一起螺旋形成不相交 的 人造微结构 2,使得在相同的体积内可以排列的金属丝长度 大, 进而增大等效 电容值, 谐振频率减小, 有利于避开或达到某些特殊频段, 从而实现现有的超 材料所不能实现的磁谐振功能。 此外, 由于晶格尺寸的大小可决定超材料应用 的频段, 在传统的磁谐振结构中, 对应较低频段的应用通常需要较大的尺寸的 晶格设计, 而本发明涉及的新型磁谐振超材料, 能够实现在低频应用中采用更 小晶格, 即具有更高集成度, 从而具有实现器件小型化和实现大规模制造的 应 用前景。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已 , 当然不能以此来限定本发 明之权利范围, 因此依本发明权利要求所作的等同变化, 仍属本发明所涵盖的 范围。