專利名稱：一種通過調(diào)制等離子體頻率設(shè)計(jì)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)人工材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種人工材料的設(shè)計(jì)方法，特別涉及一種通過調(diào)制等離子頻率^來設(shè)計(jì)所
需要的周期網(wǎng)格結(jié)構(gòu)人工材料的方法。
背景技術(shù)：
人工電磁材料具有自然界物質(zhì)所沒有的奇異電磁特性，這些奇異的電磁特性及其潛在 應(yīng)用得到了科學(xué)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注，主要的材料包括左手材料、負(fù)折射率材料、負(fù)磁 導(dǎo)率材料等，可用于超分辨成像、超高方向性定向輻射等眾多領(lǐng)域。通常，實(shí)現(xiàn)人工材料 的基本途徑包括對(duì)其介電常數(shù)e和磁導(dǎo)率A的調(diào)節(jié)兩方面，由于s-l-^/必2，其中w為入
射電磁波的頻率，可以知道調(diào)制等離子體頻率c^是調(diào)節(jié)介電常數(shù)的一個(gè)重要基本方法；所 以調(diào)制等離子體頻率^是實(shí)現(xiàn)人工材料的一個(gè)重要參數(shù)。1996年，Pendry等提出周期排列
的細(xì)金屬線可以有效地調(diào)節(jié)人工電磁材料的等離子體頻率，從而可以有效地改變材料的介
電常數(shù)，獲得所需要的人工電磁材料該方法只能設(shè)計(jì)圓形截面的金屬細(xì)線，然而在實(shí)際
應(yīng)用中，由于加工工藝的限制和加工方法的多樣性，金屬線橫截面的形式復(fù)雜，且目前沒
有十分有效的方法通過設(shè)計(jì)任意金屬線截面周期結(jié)構(gòu)材料的等離子體頻率來實(shí)現(xiàn)所需要的
人工材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對(duì)目前在設(shè)計(jì)周期結(jié)構(gòu)材料方面的限制，提出了一種
通過調(diào)制等離子體頻率的方法來設(shè)計(jì)截面為任意形狀的金屬線所組成的周期結(jié)構(gòu)材料。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是 一種通過調(diào)制等離子體頻率設(shè)計(jì)網(wǎng)格結(jié)
構(gòu)人工材料的方法，其特征在于包括下列步驟
(1) 假設(shè)所需的等離子體頻率為必p;
(2) 選擇金屬線材料，并將其組成網(wǎng)格結(jié)構(gòu)；
(3) 根據(jù)公式(1)可以獲得該等離子體頻率與金屬線之間的關(guān)系
<formula>formula see original document page 3</formula>其中，S為一個(gè)金屬線網(wǎng)格單元的面積，s。和/z。為真空中的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率，/為金 屬線截面周長；(4) 通過選擇S和/的組合，可以得到所需的等離子體頻率；(5) 根據(jù)金屬線截面的具體形狀，確定金屬線的尺寸；(6) 確定單元網(wǎng)格的個(gè)數(shù)，及網(wǎng)格之間的排布方式；(7) —種通過調(diào)制等離子體頻率獲得網(wǎng)格結(jié)構(gòu)人工材料設(shè)計(jì)完成，可以利用現(xiàn)有技術(shù) 加工得到所設(shè)計(jì)的人工材料。所述步驟(1)中可以獲得的等離子體頻率范圍為3X108~3X10"Hz。 所述步驟(2)中的金屬線材料可以為金、銀、銅或鋁。 所述步驟(2)中的網(wǎng)格單元應(yīng)具有高重空間對(duì)稱性的結(jié)構(gòu)。所述步驟(4)中金屬線截面的形狀可以為圓形、橢圓形、正方形、長方形、六邊形以 及不規(guī)則面形。所述步驟(6)中單元網(wǎng)格的個(gè)數(shù)可以為100到20000個(gè)。所述步驟(6)中網(wǎng)格的排布方式要求網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在空間三個(gè)方向上周期相同，且滿足軸 對(duì)稱。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比所具有的優(yōu)點(diǎn)是(1) 本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)中金屬線的橫截面只能為圓形的情況，本發(fā)明所設(shè)計(jì)的 金屬線的橫截面可以是任意面形，滿足了制作上的方便性；(2) 本發(fā)明方法簡單，采用一個(gè)簡單的公式即可以滿足設(shè)計(jì)的要求；(3) 本發(fā)明適用范圍廣，對(duì)于一個(gè)等離子體頻率可以有多個(gè)組合滿足要求，使得可 選擇的制作方法范圍更廣。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例中所設(shè)計(jì)的等離子體頻率在2.8GHz時(shí)，金屬線網(wǎng)格單元一個(gè)面的 面積S與金屬線截面周長/之間的關(guān)系；圖2為是本發(fā)明實(shí)施例中設(shè)計(jì)所得的金屬網(wǎng)格材料的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
詳細(xì)介紹本發(fā)明。本發(fā)明通過調(diào)制等離子體頻率設(shè)計(jì)一種各向同性的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)人工材料的方法。 本發(fā)明實(shí)施方式具體步驟如下(1)確定所需要設(shè)計(jì)的人工材料的等離子體頻率^，這里選擇^為2.8GHz為例來說明；(2) 選擇金屬銅線為基本材料，因?yàn)楸景l(fā)明所設(shè)計(jì)的是一種各向同性的人工材料，因 此要求網(wǎng)格單元在空間上應(yīng)為具有高重空間對(duì)稱性的結(jié)構(gòu)，這里將金屬銅線做成正方體網(wǎng) 格單元；
(3) 根據(jù)公式(1)可以獲得該等離子體頻率與金屬銅線之間的關(guān)系
必- =-^- (1 )
其中，S為金屬銅線網(wǎng)格單元的一個(gè)面的面積，/為金屬銅線截面的周長，f。和/z。為真空中 的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率，通過公式(1)計(jì)算可以得到 與S和/之間的關(guān)系，固定等離子頻 率^為所選擇的確定值2.8GHz，可以知道此時(shí)S和/之間的關(guān)系，如圖l所示；即此時(shí)圖1 中所示曲線上所有點(diǎn)均能滿足本實(shí)施例所需要等離子體頻率^為2.8GHz的人工材料的設(shè) 計(jì)；
(4) 在步驟(3)中所得的S和/之間的關(guān)系中，如果固定/為某一個(gè)特定值，則S的 值也為確定的；這里選擇金屬銅線的截面周長/為4mm，由公式(1)可以得到此時(shí)對(duì)應(yīng)的 金屬銅線所圍成的正方體網(wǎng)格單元的一個(gè)面的面積S為676mm2,如圖1所示；
(5) 選擇所采用的金屬銅線的截面為正方形，由步驟(4)所知的其周長/為4mm，可 以得到金屬銅線截面邊長為lmm，如圖2所示；
(6) 各向同性結(jié)構(gòu)的材料需要其結(jié)構(gòu)在三個(gè)方向上對(duì)稱，并且周期性一致，所以選擇 三個(gè)方向上的網(wǎng)格單元的個(gè)數(shù)均為20個(gè)，即總單元網(wǎng)格的個(gè)數(shù)為8000個(gè)；
(7) —種通過調(diào)制等離子體頻率獲得網(wǎng)格結(jié)構(gòu)人工材料設(shè)計(jì)完成，可以利用現(xiàn)有的印 刷電路版技術(shù)進(jìn)行加工，得到上述設(shè)計(jì)所得的人工材料。
權(quán)利要求
1、 一種通過調(diào)制等離子體頻率設(shè)計(jì)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)人工材料的方法，其特征在于包括下列 步驟(1) 假設(shè)所需要設(shè)計(jì)的人工材料的等離子體頻率為Wp;(2) 選擇金屬線材料，并將其組成網(wǎng)格單元結(jié)構(gòu)；(3) 根據(jù)公式(1)可以獲得該等離子體頻率與金屬線之間的關(guān)系-其中S為金屬線網(wǎng)格單元一個(gè)面的面積，&和//。為真空的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率，/為金屬 線截面周長；(4) 通過選擇S和/的組合，可以得到所需的等離子體頻率(5) 確定金屬線截面的具體形狀，確定金屬線的尺寸；(6) 確定網(wǎng)格單元的個(gè)數(shù)，及網(wǎng)格之間的排布方式；(7) —種通過調(diào)制等離子體頻率獲得網(wǎng)格結(jié)構(gòu)人工材料設(shè)計(jì)完成，可以利用現(xiàn)有技術(shù) 加工得到所設(shè)計(jì)的人工材料。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種通過調(diào)制等離子體頻率設(shè)計(jì)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)人工材料的方法， 其特征在于步驟(1)中可以獲得的等離子體頻率范圍為3X108~3X1014Hz。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種通過調(diào)制等離子體頻率設(shè)計(jì)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)人工材料的方法， 其特征在于步驟(2)中的金屬線材料可以為金、銀、銅或鋁。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種通過調(diào)制等離子體頻率設(shè)計(jì)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)人工材料的方法， 其特征在于步驟(2)中的網(wǎng)格單元應(yīng)具有高重空間對(duì)稱性的結(jié)構(gòu)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種通過調(diào)制等離子體頻率設(shè)計(jì)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)人工材料的方法， 其特征在于步驟(4)中金屬線截面的形狀可以為圓形、橢圓形、正方形、長方形、六邊 形以及任意面形。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種通過調(diào)制等離子體頻率設(shè)計(jì)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)人工材料的方法， 其特征在于步驟(6)中單元網(wǎng)格的個(gè)數(shù)可以為100到20000個(gè)。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種通過調(diào)制等離子體頻率設(shè)計(jì)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)人工材料的方法，其特征在于步驟(6)中網(wǎng)格的排布方式要求網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在空間三個(gè)方向上周期相同，且滿足軸對(duì)稱。
全文摘要
一種通過調(diào)制等離子體頻率設(shè)計(jì)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)人工材料的方法，其特征在于包括下列步驟(1)假設(shè)所需人工材料的等離子體頻率為ω_p；(2)選擇金屬線材料，并將其組成網(wǎng)格單元結(jié)構(gòu)；(3)根據(jù)公式可以獲得該等離子體頻率與金屬線截面周長以及單元網(wǎng)格面積之間的關(guān)系；(4)通過選擇金屬線截面周長以及網(wǎng)格單元一個(gè)面的面積，可以得到所需的等離子體頻率；(5)根據(jù)金屬線截面的具體形狀，確定金屬線的尺寸；(6)確定網(wǎng)格單元的個(gè)數(shù)及整個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的排布方式；(7)利用現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行加工得到所需材料。本發(fā)明方法簡單，采用一個(gè)簡單的公式即可以滿足設(shè)計(jì)的要求；且對(duì)于一個(gè)等離子體頻率可以有多個(gè)組合滿足要求，使得可選擇的制作方法范圍更廣。
文檔編號(hào)H01B5/00GK101312080SQ20081010429
公開日2008年11月26日 申請(qǐng)日期2008年4月17日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月17日
發(fā)明者劉立媛, 史浩飛, 杜春雷, 羅先剛, 鄧啟凌 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所