[实用新型]一种各向同性的双负人工材料

说明书

技术领域

本实用新型属于功能材料技术领域，涉及人工结构材料，具体指一种各向同性的双负人工材料。 

背景技术

双负人工材料(Double-Negative Metamaterials)是指一种介电常数和磁导率同时为负值的介质材料。电磁波在其传播时，波矢k、电场E和磁场H之间的关系符合左手定律，因此双负人工材料也称为“左手材料”。双负人工材料具有一些不同寻常的电磁特性，例如负的折射率、反向切伦科夫辐射、反向多普勒效应、反折射定律等。双负人工材料的实现被美国《科学》杂志评为2003年度十大科技突破之一。2006年利用超常材料(Metamaterials)制成的“隐身衣”被美国《科学》杂志再度评为当年十大科技突破之一。2010年美国《科学》杂志将超常材料评为过去十年科学界“十大卓见(Insights of the Decade)”之一。 

2001年，R.A.Shelby和D.R.Smith等人基于J.B.Pendry提出的构造单负介电常数材料、单负磁导率材料的思想，首次实现了等效介电常数和磁导率的实部均为负的双负人工材料。随后，A.Grbic和G.V.Eleftheriades于2002年首次报道了基于双负人工材料的CPW(coplanar waveguide)能够实现类似于反向切伦科夫辐射的反向辐射。2008年，Argonne国家实验室的S.Antipov等人报道了在一种填充双负人工材料的矩形波导中传播的TM波并且间接验证了由电子团所产生的反向切伦科夫辐射。目前所制备的双负人工材料主要是一维、二维，极少数为三维双负人工材料，所选用的介质基片如FR-4介质基板，根本不适合工作于真空环境中。本实用新型的三维双负人工材料的介质基片为聚酰亚胺(用于支撑)和陶瓷(用作PCB板)，可工作于真空及高温环境下，而且是各向同性的，更适合应用于微波毫米波真空电子器件。 

经研究发现，当单电子以一定速度在双负人工材料上方通过时，如图1所示，上方区域为真空(Vacuum)，下方区域为各向同性双负人工材料(DNMs：Double-Negative Metamaterials)，分界面在x＝-d处，电子在真空中以速度 沿z方向运动，x轴垂直于分界面，y轴和z轴平行于分界面，电子电量为q。由双负人工材料填充的区域会有反向切伦科夫辐射发生，而更值得让人关注的特性是双负人工材料上方真空区域内的凋落波明显强于同一情形下普通介质上方真空区域内的凋落波。利用上述特性，有可能实现一种新型的基于双负人工材料的平板型高功率微波毫米波源。 

发明内容

本实用新型提供一种各向同性的双负人工材料，所述双负人工材料为三维结构、各向同性的双负人工材料，可应用于基于双负人工材料的平板型高功率微波毫米波源。 

本实用新型所采用的技术方案为： 

一种各向同性的双负人工材料，如图4所示，由三维结构的双负人工材料单元沿直角坐标系三维方向周期性密集堆积而成。所述三维结构的双负人工材料单元如图3所示，包括介质材料立方体和位于介质材料立方体中具有公共顶点的三个面上的双负结构单元。其中，所述双负结构单元如图2所示，包括一个与介质材料立方体的一个面相同大小的介质基板、金属开路环谐振器和金属细线；所述金属开路环谐振器位于介质基板正面，由两个大小不同、开口相反的开路环构成，其中小开路环套于大开路环中；所述金属细线位于介质基板背面，与两个开口环的开口中心连线平行且距离等于介质基板厚度。三维结构的双负人工材料单元中，三个双负结构单元的金属细线两两垂直。 

上述技术方案中，所述介质材料立方体材料为聚酰亚胺；所述介质基板为聚酰亚胺或陶瓷介质基板。 

本实用新型提供的各向同性的双负人工材料，可以用先制备介质材料立方体、然后再介质材料立方体表面粘贴双负结构单元、最后将三维结构的双负人工材料单元沿直角坐标系三维方向周期性密集堆积而成的方法制备。也可以用先在长方体介质材料三个面上等距离开孔、然后将两面分别制备了金属细线和双开口环的介质基板插入长方体介质材料孔中的方法实现制备。其中双负结构单元可采用聚酰亚胺双面覆铜板经光刻工艺实现，或是先在陶瓷介质基板两面沉积金属层、然后分别光刻出金属细线和双开口环的方法实现。 

本实用新型提供了一种各向同性的双负人工材料，所述双负人工材料具有三维结构、各向同性的特点，其结构尺寸可结合工作频段、加工工艺灵活设计。本实用新型提供的各向同性的双负人工材料可应用于高功率微波毫米波源用于激发微波毫米波。 

附图说明

图1是单电子在各向同性双负人工材料上方通过的示意图。