一種三維各向同性負磁導率結構及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種負磁導率材料，特別是一種三維各向同性負磁導率結構及其制備 方法，屬于磁負"超材料"結構設計技術領域。
【背景技術】
[0002] 1968年，前蘇聯科學家Veselago對介電常數e和磁導率]i同時為負值的媒介 做了深入研究，并從理論上提出了左手材料的概念。盡管左手材料有很多新奇的電磁特性， 但是自然界中并不存在實際的左手材料，Veselago的成果被忽視近30年。直到1999年， 英國的Pendry等提出周期性排列的金屬線（ROD)在其等離子體效應的作用下能產生負的 介電常數，并且發現金屬開口諧振環（SRRs)結構的磁導率在一定頻域內表現為負值。2001 年，美國加州大學的Smith等人用電路板刻蝕技術將Pendry提出的兩種結構組合成一種人 工復合材料，首次實現了微波段的雙負特性，從此左手材料的結構研究得以復。
[0003] SRRs是左手材料中實現負磁導率的微結構單元，因此對SRRs的研究成為左手材 料發展的關鍵，基于SRRs結構設計出磁導率為負的材料也一度成為"超材料"的研究熱潮。 例如隨后提出的矩形諧振環結構，樹叉型結構，八邊形諧振環結構等都是在SRRs的基礎上 改進的負磁導率結構，同時也在一定程度改善了 SRRs結構損耗大，頻帶窄的缺陷。然而這 些類SRRs結構基本都是一維的，即只有電磁波以平行SRRs平面的方向入射時，才能實現磁 負特性。一維磁負材料在實用性方面存在很大的局限性，對于磁負材料這種異向介質而言， 只有實現各向同性才能得到更好的實際應用。在此基礎上，有學者提出了利用多個SRRs組 成三維立體結構來實現各向同性的新思路，例如塞維利亞大學的Baena等利用六個SRRs圍 成了各向同性的正方體結構；瑞士的Philippe等提出了兩個SRRs相互正交的結構能實現 各向同性。但是，前者雖然能實現三維各向同性，但其結構完全是由多個SRRs堆砌而成，制 備較為復雜；后者則只能在單一的平面內（(^面）實現各向同性，不能實現三維各向同性。
[0004] 本發明在傳統開口諧振環（SRRs)結構的基礎上提出了一種新型的八開口諧振環 (ESRRs)，ESRRs與SRRs具有相似的磁響應機理，都能夠實現磁導率為負的特性。本發明將 三個八開口諧振環相互正交構成一種三維立體結構（CESRRs)，該三維立體結構具有很好的 自身對稱性，克服了傳統開口諧振環只能實現單一平面各向同性的局限，能夠真正實現三 維各向同性。通過仿真分析發現ESRRs在C波段（4. 0-8. 0GHz)內能實現磁導率為負特性， 并且實驗驗證了 CESRRs是一種C波段內的三維各向同性磁負結構。可實現在衛星電視廣 播和各類小型衛星地面站中的應用。

【發明內容】

[0005] 本發明的目的是基于傳統開口諧振環結構，提出一種三維各向同性負磁導率結構 及其制備方法，該結構不僅可在C波段（4.0-8. 0GHz)內實現磁導率為負特性，而且能夠完 美實現三維各向同性，是一種良好的三維各向同性磁負結構，解決了傳統磁負"超材料"制 備的復雜性和入射方向的局限性問題。
[0006] 為實現上述目的，本發明的設計方案是：一種三維各向同性負磁導率結構，所述的 三維各向同性負磁導率結構包括三個八開口諧振環，所述的八開口諧振環由一個鋁制內圓 環和一個鋁制外圓環嵌套組成，所述內圓環和外圓環的四等分處均設置有切口，所述內圓 環4個切口的中心分別與外圓環4個1/4圓弧的中心對應放置，所述三個八開口諧振環的 三個外圓環在外圓環切口處兩兩正交設置，所述三個八開口諧振環的三個內圓環在內圓環 1/4圓弧的中心處兩兩正交設置。
[0007] 根據本發明所述的八開口諧振環，進一步地，所述外圓環和內圓環的鋁條厚度為 50um，寬度為4mm + 1臟。
[0008] 根據本發明所述的八開口諧振環，進一步地，所述外圓環和內圓環的切口寬度為 6mm土1mm。
[0009] 為實現上述目的，本發明還提供一種三維各向同性負磁導率結構的制備方法，所 述的三維各向同性負磁導率結構包括三個八開口諧振環，每個八開口諧振環均由一個內圓 環和一個外圓環嵌套組成，所述內圓環和外圓環的四等分處均設置有切口，內圓環4個切 口的中心分別與外圓環4個1/4圓弧的中心對應放置，所述三個八開口諧振環的三個外圓 環在外圓環切口處兩兩正交設置，所述三個八開口諧振環的三個內圓環在內圓環1/4圓弧 的中心處兩兩正交設置，該制備方法包括如下步驟：
[0010] (1)從具有吸附性的鋁箔片上裁得用于制作八開口諧振環的鋁條，每個八開口諧 振環均需要八根鋁條；
[0011] (2)用低介電常數的泡沫板加工三個與八開口諧振環相配合的環形泡沫；
[0012] (3)按照三個八開口諧振環的正交方式，將三個環形泡沫組合在一起；
[0013] (4)將裁得的三個八開口諧振環的鋁條分別粘附在所述環形泡沫的相應位置；
[0014] (5)用泡沫板制作一個底座來固定諧振環。
[0015] 根據本發明所述的制備方法，進一步地，所述泡沫板的介電常數為1. 07。
[0016] 根據本發明所述的制備方法，進一步地，所述環形泡沫的寬度為4mm± 1mm，內徑為 15mm±2mm，夕卜徑為 20mm±2mm。
[0017] 有益效果：
[0018] 1.本發明取材方便，制備簡單，尺寸較小，無需傳統制備過程中的焊接、覆銅、刻蝕 等工序，便于加工，具有極大的實用價值。
[0019] 2.本發明的三維各向同性負磁導率結構由三個八開口諧振環相互正交而成，三個 外圓環在切口處兩兩相交，三個內圓環在鋁條中心（中性點）處兩兩相交，這種正交方式不 會影響結構的磁諧振行為，各諧振環之間不會產生電磁感應，材料整體呈現穩定的特性。
[0020] 3.本發明是基于傳統開口諧振環結構提出來的，二者具有相似的磁響應機理，都 能夠實現磁導率為負的特性。
[0021] 4.本發明的三維各向同性負磁導率結構是由三個八開口諧振環相互正交構成一 種三維立體結構。在三維空間中，該三維立體結構的磁諧振行為不依賴于電磁波的入射角 度，并且能在同一頻域范圍內實現負磁導率特性，可實現三維各向同性，是一種性能優良的 三維各向同性磁負材料。
【附圖說明】
[0022] 下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明作進一步的詳細描述。
[0023] 圖1是本發明八開口諧振環的結構示意圖；
[0024] 圖2是本發明八開口諧振環的HFSS建模結構圖；
[0025] 圖3是采用本發明八開口諧振環時的電磁波平行入射的S參數幅值（dB)圖；
[0026] 圖4是采用本發明八開口諧振環時的電磁波平行入射的等效磁導率實部圖。
[0027] 圖5是本發明實施例三維各向同性負磁導率結構的結構示意圖；
[0028] 圖6是本發明實施例三維各向同性負磁導率結構的HFSS建模結構圖；
[0029] 圖7是本發明實施例三維各向同性負磁導率結構繞其自身對稱軸z軸順時針旋轉 一周，在〇xy平面的四個象限內各自隨機選取一個旋轉角度，這四個旋轉角度對應的S 21參數 幅值（dB)對比圖；
[0030] 圖8是本發明實施例三維各向同性負磁導率結構繞其自身對稱軸z軸順時針旋轉 一周，在〇xy平面的四個象限內各自隨機選取一個旋轉角度，這四個旋轉角度對應的等效磁 導率實部對比圖；
[0031] 圖9是本發明實施例三維各向同性負磁導率結構同時繞三個坐標軸旋轉不同的 角度，隨機選取四種不同的旋轉方式，這四種旋轉條件對應的S 21參數幅值（dB)對比圖；
[0032] 圖10是本發明八開口諧振環外圓環結構；
[0033] 圖11是本發明八開口諧振環內圓環結構。
【具體實施方式】
[0034] 本發明三維各向同性負磁導率結構實施例：
[0035] 本發明所述的三維各向同性負磁導率結構包括三個八開口諧振環，所述的八開口 諧振環由一個鋁制內圓環和一個鋁制外圓環嵌套組成，所述內圓環和外圓環的四等分處均 設置有切口，所述內圓環4個切口的中心分別與外圓環4個1/4圓弧的中心對應放置，所述 三個八開口諧振環的三個外圓環在外圓環切口處兩兩正交設置，所述三個八開口諧振環的 三個內圓環在內圓環1/4圓弧的中心處兩兩正交設置。這種正交方式不會影響結構的磁諧 振行為，有利于結構的分析和制作，是一種C波段內的三維各向同性磁負結構。
[0036] 本發明的優選實施例詳述如下：
[0037] 如圖1，八開口諧振環由兩個鋁制圓環內外嵌套而成，內圓環和外圓環的四等分處 均設置有切口，由于內外兩個圓環共引入八個切口，故命名其為八開口諧振環。內圓環切口 中心分別與外圓環鋁條中心對應放置。如圖5,本實施例三維各向同性負磁導率結構由三個 八開口諧振環組成，三個八開口諧振環相互正交構成的一種三維立體結構，結構中三個外 圓環在切口處相互正交，三個內圓環則在鋁條中心處相互正交。圖2為本發明八開口諧振 環諧振環結構的HFSS建模結構，建模參數為錯條寬度w a= 4mm，厚度t = 0. 05mm，外圓環 半徑r?t= 20?1，內圓環半徑r in= 15mm，切口的寬度wg= 6mm。仿真實驗中采用波端口激 勵，利用理想周期邊界條件，分別選取x方向為電邊界（PEC)，z方向為磁邊界（PMC)，y方向 設置為激勵入射端口。通過仿真得到該結構的S參數幅度（dB)曲線如圖3所示，觀察可以 發現該結構在4. 4GHz左右出現明顯諧振，通過參數提取法提取的等效磁導率如圖4所示， 可見在圖3對應的4. 13-4. 31GHz的頻帶范圍內磁導率為負值。
[0038] 在電磁波水平入射時，八開口諧振環結構與傳統開口諧振環結構具有相同的磁響 應機理。開口諧振環是一種磁響應結構單元，可以產生磁諧振實現負磁導率。當入射波的 磁場分量垂直穿過諧振環平面時，由電磁感應定律可知在諧振環內有感應電流產生，從而 引入分布電感L ;同時由于內外兩環之間縫隙和環上切口的存在，從而引入分布電容C。因 此開口諧振環就可以等效為與其結構相關的LC諧振電路，并且磁諧振頻率《與分布電感L 和分布電容C之間存在以下關系：似=1/# >當入射電磁波頻率與磁諧振頻率一致時，諧 振環即可產生磁諧振而實現負磁導率。
[0039] 本發明的八開口諧振環與傳統開口諧振環的不同之處在于：本發明引入八個切 口，多切口的引入能夠同時增加結構的分布電容和分布電感，可以使結構的磁諧振頻率向 低頻移動。除此之外，同時增加電容和電感還會增強結構的磁諧振，可以實現結構低損耗、 寬頻帶的優點，所以本發明的八開口諧振環不失為一種良好的磁負"超材料"。
[0040] 為了充分準確的驗證本發明實