本申请要求于 2011年 6月 17日提交中国专利局、申请号为 201110163730.X, 发明名称为 "低磁导率的人工电磁材料" 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人工电 磁材 料。 背景技术

人工电磁材料， 俗称超材料（ metamaterial ), 是一种新型人工合成材料， 是 由非金属材料制成的基板和附着在基板表面上 或嵌入在基板内部的多个人造微 结构构成的。 基板可以虚拟地划分为矩形阵列排布的多个方 形基板单元， 每个 基板单元上附着有一个人造微结构从而形成一 个超材料单元， 整个超材料即是 由数十万、 百万甚至上亿的这样的超材料单元组成的， 就像晶体是由无数的晶 格按照一定的排布构成的。 每个超材料单元上的人造微结构相同或者不完 全相 同。 人造微结构是组成一定几何图形的圆柱形或扁 平状金属丝， 例如组成圓环 形、 "工" 形的金属丝等。

由于人造微结构的存在， 每个超材料单元具有不同于基板本身的等效介 电 常数和等效磁导率， 因此所有的超材料单元构成的超材料对电场和 磁场呈现出 特殊的响应特性； 同时， 对人造微结构设计不同的具体结构和形状， 可改变其 单元的等效介电常数和等效磁导率， 进而改变整个超材料的响应特性。

自然界的材料， 除了铁氧体等少数几种材料的磁导率非常高之 外， 大部分 材料的磁导率等于 1或者 1 ± 0.001 , 但是几乎没有负磁导率或者磁导率在 0左 右的材料。 但在一些电磁应用场合， 低磁导率的材料即磁导率在 0至 0.8范围内 的材料是非常必要的。 发明内容

本发明要解决的技术问题在于， 针对现有技术的上述缺陷， 提供一种低磁 导率的人造微结构及其应用的人工电磁材料。 本发明提供一种人造微结构， 所述人造微结构包括两个正对且平行设置的 第一开口谐振环及第二开口谐振环， 所述第二开口谐振环小于所述第一开口谐 振环。

其中， 所述第二开口谐振环位于所述第一开口谐振环 的环形正投影内部。 所述第二开口谐振环位于所述第一开口谐振环 的环形正投影的正中间。 所述第一开口谐振环为近 "凹" 字形开口谐振环， 所述第二开口谐振环为 近 "口" 字形开口谐振环。

所述第一开口谐振环为近 "凹" 字形开口谐振环的衍生结构， 所述第二开 口谐振环为近 "口" 字形开口谐振环的衍生结构。

所述第二开口谐振环包括 字形金属丝和分别自所述 字形金属 丝两端水平向中间延伸的两根不相接的横线， 所述第一开口谐振环包括 " " " 字形金属丝和分别自所述 字形金属丝两端水平向中间延伸的两根不相接 的横线， 所述第一开口谐振环还包括自两根横线末端竖 直向环内延伸且与 字形金属丝底部存在间隙的两根相平行的竖线 。

所述第二开口谐振环与所述第一开口谐振环的 开口朝向相同。

所述第一开口谐振环的开口的两个末端向环内 部延伸且不相交。

所述第二开口谐振环的开口的两个末端向环内 部延伸且不相交。

所述人造微结构由金属丝制成。

所述人造微结构由铜线制成。

所述人造微结构由银线制成。

所述人造微结构由单根金属丝围成。

相应地， 本发明实施例还提供了一种人工电磁材料， 包括至少一个材料片 层， 每个材料片层包括片状基板和多个上述的人造 微结构， 所述人造微结构的 第一开口谐振环及第二开口谐振环分别附着在 所述基板的正面及所述基板的背 面。

其中， 所述第一开口谐振环排列成阵列的行间距及列 间距分别与所述第二 开口谐振环排列成阵列的行间距及列间距相等 。

所述行间距和列间距小于等于所述人工电磁材 料响应的入射电磁波波长的 十分之一。

所述基板由陶瓷制成。 所述基板由聚四氟乙烯或环氧树脂制成。

所述人工电磁材料包括叠加的多块材料片层。

所述多块材料片层采用焊接、 铆接或粘接中任意一种封装工艺堆叠。

实施本发明的人造微结构及其应用的人工电磁 材料， 具有以下有益效果： 本发明通过大小两个开口谐振环的响应实现双 谐振峰甚至多谐振峰， 从而在一 定频率范围内的磁导率能够实现从零开始平滑 緩慢变化， 也即在一定频段的材 料具有低磁导率的特性。 附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中 的技术方案， 下面将对实施 例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单 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人工电磁材料的正面� �构图；

图 2是图 1所示人工电磁材料的背面结构图；

图 3是图 1所示人工电磁材料的其中一个材料单元的结� �示意图； 图 4是对图 3所示材料单元仿真得到的仿真效果图；

图 5是另一材料单元的仿真效果图。 具体实施方式

本发明涉及一种低磁导率的人工电磁材料， 其包括至少一个材料片层， 当 具有多个材料片层时， 这些片层沿垂直于其表面的方向堆叠到一起， 并通过一 定的封装工艺例如；):早接、 铆接、 粘接等方式制成为一个整体的元件。

请一并参阅图 1-图 3 , 每个材料片层包括片状基板 1 和附着在所述基板 1 上的人造微结构。 其中， 基板 1 通常选用环氧树脂、 聚四氟乙烯、 陶瓷等材料 制成， 人造微结构 2 为银线或铜线等金属丝线构成的具有一定几何 图案的平面 结构。每个基板 1可虚拟地划分为多个长度和宽度分别相等的� �方体形网格 10, 每个网格 10的厚度等于基板 1的厚度， 长度和宽度则不大于将要响应的入射电 磁波波长的十分之一。 每一个方体形网格 10为一个基板单元， 每个基板单元及 其表面上附着的人造微结构 2构成一个材料单元 11 , 每个材料片层可以看作是 由这些材料单元 11 以一个材料单元 11 的宽度为行间距、 长度为列间距进行阵 列得到的。 所述人造微结构 2包括两个正对且平行设置的第一开口谐振环 2a及 第二开口谐振环 2b, 所述第二开口谐振环 2b小于所述第一开口 2谐振环。 所述 第一开口谐振环 2a及第二开口谐振环 2b以同样的行间距、 列间距分别阵列排 布在基板 1的正面、 背面。 第一开口谐振环 2a (第二开口谐振环 2b ) 的行间距 为相邻两行第一开口谐振环 2a (第二开口谐振环 2b )在同一列上的两个第一开 口谐振环 2a (第二开口谐振环 2b ) 的中心点的距离， 列间距同理可得。

第一、 第二开口谐振环 2a、 2b正对着， 也即二者分別位于同一个基板单元 的正面和背面范围之内。 并且， 第一、 第二开口谐振环 2a、 2b为尺寸不相同的 两个开口谐振环。 所述第二开口谐振环 2b与所述第一开口谐振环 2a的开口朝 向相同。

开口谐振环， 是由单根金属丝围成的、 起始端和末端之间隔有一定距离从 而形成开口的近似环形结构， 能够起到谐振效果。 本发明的第一开口谐振环 2a 和第二开口谐振环 2b二者的开口谐振环尺寸不同， 因此二者各自的谐振效果也 不同， 通过组合而得到的材料单元 11能够实现负磁导率的效果。

如图 2所示， 优选实施例中， 第二开口谐振环 2b为近 "口" 字形开口谐振 环， 包括 字形金属丝和分别自所述 字形金属丝两端水平向中间延 伸的两根不相接的横线。 如图 1所示， 所述第一开口谐振环 2a为近 "凹" 字形 开口谐振环， 其除包括近 "口" 字形开口谐振环所具有的 字形金属丝和 两根横线外， 还包括自两根横线末端竖直向环内延伸且与 字形金属丝底 部存在间隙的两根相平行的竖线。 即向下延伸的竖线未到达 字形金属丝 底部。 第一、 第二开口谐振环 2a、 2b 的形状可以互换， 即第一开口谐振环 2a 为近 "口" 字形开口谐振环， 第二开口谐振环 2b为近 "凹" 字形开口谐振环。

当然， 本发明的第一、 第二开口谐振环 2a、 2b并不仅限于上述近 "凹" 字 形、 近 "口" 字形开口谐振环， 还可以是上述开口谐振环的衍生结构， 例如近 "凹" 字形开口谐振环的衍生结构即为该开口谐振环 及自其两条竖线的末端向 环内部任意延伸且不相交的金属线所构成的结 构， 近 "口" 字形开口谐振环的 衍生结构为该开口谐振环及自其两条横线的末 端向环内部任意延伸且不相交的 金属线所构成的结构。

在本优选实施例中， 近 "口" 字形的第二开口谐振环 2b小于近 "凹" 字形 的第一开口谐振环 2a,且位于第一开口谐振环 2a沿垂直于基板正面的垂直投影 的内部， 即所述第二开口谐振环 2b位于所述第一开口谐振环 2a的环形正投影 内部。 如图 3所示。 优选地， 第二开口谐振环 2b位于第一开口谐振环 2a的垂 直环形投影的正中间， 即二者的中心点重合。

本发明正是利用上述这样一大一小两个开口谐 振环、 通过两个开口谐振环 得到两个谐振峰， 改变两个谐振环之间的距离和调节二者的尺寸 ， 可以控制两 个谐振峰的谐振强度和谐振频率， 进而由一个谐振环得到的谐振峰和另一个谐 振环产生的谐振峰之间可取得一段从零开始的 平滑连续的磁导率， 也即得到低 磁导率的材料。

以本优选实施例为例， 当入射电磁波频率为 60~80GHz 时， 则取材料单元 11的宽度 H也即人造微结构的行间距为 2.5mm, 取材料单元 11的长度 W也即 列间距为 2.5mm, 人造微结构的金属丝线宽为 0.1mm, 线厚为 0.018mm; 其中， 所述第一开口谐振环 2a的尺寸 HI X W1为 2.2mm x 2.2mm, 两侧距离材料单元 11 的侧壁距离 dl 为 0.15mm, 底部距离材料单元 11 的下底面的距离 bl 为 0.15mm, 两条竖线之间的距离 al 为 0.5mm; 第二开口谐振环 2b的尺寸 H2 χ W2为 1.5mm x 1.5mm,其两侧到第一开口谐振环 2a的两侧线距离 d2为 0.25mm, 底部到第一开口谐振环 2a的底部距离 b2为 0.25mm， 两条横线之间的距离 a2 为 0.24mm。 并且， 本发明的基板选用聚四氟乙烯， 人造微结构由铜线制成。

此材料单元 11的仿真结果如图 4所示， 图 4为仿真出的磁导率频谱图的实 部， f。频段的磁导率即是所要求的从零开始且连� �平滑变化到 1的磁导率， f ₀ 的 范围大约为 55~78GHz, 带宽为 25GHz。

f ₀ 频率段可通过调节第一或第二开口谐振环 2a、 3b的尺寸来实现前移或后 移。

例如， 在上述实施例中， 保持基板材料为聚四氟乙烯、 人造微结构由铜线 制成， 并且不改变材料单元 11、 第一开口谐振环 2a的尺寸和二者的相对位置即 W、 H、 Wl、 Hl、 al、 bl、 dl均不变， 线宽仍为 0.1mm, 只减小第二开口谐振 环 2b 的尺寸， 改变后的尺寸分为为 W2=l.lmm, H2=l.lmm, a2=0.24mm, d2=0.45mm, b2=0.45mm。

尺寸改变后的材料单元 11 , 其仿真结果如图 5所示。 由图 5可知， 磁导率 从零开始且緩慢变化的频段 f。为 58~63GHz, 带宽为 5GHz。 由此可知，減小第二开口谐振环 2b的尺寸，能够使低磁导率频段带宽变窄。 第一个谐振峰后移， 第二个谐振峰前移。

另外， 根据将要响应的入射电磁波频率的不同， 材料单元 11及第一、 第二 开口谐振环 2a、 3b的尺寸也相应不同。例如，当入射电磁波频� ��减小为 40~60GHz 时， 材料单元 11的长度和宽度优选为 4mm, 所述第一开口谐振环 2a的尺寸为 3.5mm x 3.5mm, 第二开口谐振环 2b的尺寸为 2mm x 2mm。

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。