专利名称：一种通过调制等离子体频率设计网格结构人工材料的方法
技术领域：
本发明涉及一种人工材料的设计方法，特别涉及一种通过调制等离子频率^来设计所
需要的周期网格结构人工材料的方法。
背景技术：
人工电磁材料具有自然界物质所没有的奇异电磁特性，这些奇异的电磁特性及其潜在 应用得到了科学界和工业界的广泛关注，主要的材料包括左手材料、负折射率材料、负磁 导率材料等，可用于超分辨成像、超高方向性定向辐射等众多领域。通常，实现人工材料 的基本途径包括对其介电常数e和磁导率A的调节两方面，由于s-l-^/必2，其中w为入
射电磁波的频率，可以知道调制等离子体频率c^是调节介电常数的一个重要基本方法；所 以调制等离子体频率^是实现人工材料的一个重要参数。1996年，Pendry等提出周期排列
的细金属线可以有效地调节人工电磁材料的等离子体频率，从而可以有效地改变材料的介
电常数，获得所需要的人工电磁材料该方法只能设计圆形截面的金属细线，然而在实际
应用中，由于加工工艺的限制和加工方法的多样性，金属线横截面的形式复杂，且目前没
有十分有效的方法通过设计任意金属线截面周期结构材料的等离子体频率来实现所需要的
人工材料。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对目前在设计周期结构材料方面的限制，提出了一种
通过调制等离子体频率的方法来设计截面为任意形状的金属线所组成的周期结构材料。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是 一种通过调制等离子体频率设计网格结
构人工材料的方法，其特征在于包括下列步骤
(1) 假设所需的等离子体频率为必p;
(2) 选择金属线材料，并将其组成网格结构；
(3) 根据公式(1)可以获得该等离子体频率与金属线之间的关系
<formula>formula see original document page 3</formula>其中，S为一个金属线网格单元的面积，s。和/z。为真空中的介电常数和磁导率，/为金 属线截面周长；(4) 通过选择S和/的组合，可以得到所需的等离子体频率；(5) 根据金属线截面的具体形状，确定金属线的尺寸；(6) 确定单元网格的个数，及网格之间的排布方式；(7) —种通过调制等离子体频率获得网格结构人工材料设计完成，可以利用现有技术 加工得到所设计的人工材料。所述步骤(1)中可以获得的等离子体频率范围为3X108~3X10"Hz。 所述步骤(2)中的金属线材料可以为金、银、铜或铝。 所述步骤(2)中的网格单元应具有高重空间对称性的结构。所述步骤(4)中金属线截面的形状可以为圆形、椭圆形、正方形、长方形、六边形以 及不规则面形。所述步骤(6)中单元网格的个数可以为100到20000个。所述步骤(6)中网格的排布方式要求网络结构在空间三个方向上周期相同，且满足轴 对称。本发明与现有技术相比所具有的优点是(1) 本发明克服了现有技术中金属线的横截面只能为圆形的情况，本发明所设计的 金属线的横截面可以是任意面形，满足了制作上的方便性；(2) 本发明方法简单，采用一个简单的公式即可以满足设计的要求；(3) 本发明适用范围广，对于一个等离子体频率可以有多个组合满足要求，使得可 选择的制作方法范围更广。
图1为本发明实施例中所设计的等离子体频率在2.8GHz时，金属线网格单元一个面的 面积S与金属线截面周长/之间的关系；图2为是本发明实施例中设计所得的金属网格材料的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式
详细介绍本发明。本发明通过调制等离子体频率设计一种各向同性的网格结构人工材料的方法。 本发明实施方式具体步骤如下(1)确定所需要设计的人工材料的等离子体频率^，这里选择^为2.8GHz为例来说明；(2) 选择金属铜线为基本材料，因为本发明所设计的是一种各向同性的人工材料，因 此要求网格单元在空间上应为具有高重空间对称性的结构，这里将金属铜线做成正方体网 格单元；
(3) 根据公式(1)可以获得该等离子体频率与金属铜线之间的关系
必- =-^- (1 )
其中，S为金属铜线网格单元的一个面的面积，/为金属铜线截面的周长，f。和/z。为真空中 的介电常数和磁导率，通过公式(1)计算可以得到 与S和/之间的关系，固定等离子频 率^为所选择的确定值2.8GHz，可以知道此时S和/之间的关系，如图l所示；即此时图1 中所示曲线上所有点均能满足本实施例所需要等离子体频率^为2.8GHz的人工材料的设 计；
(4) 在步骤(3)中所得的S和/之间的关系中，如果固定/为某一个特定值，则S的 值也为确定的；这里选择金属铜线的截面周长/为4mm，由公式(1)可以得到此时对应的 金属铜线所围成的正方体网格单元的一个面的面积S为676mm2,如图1所示；
(5) 选择所采用的金属铜线的截面为正方形，由步骤(4)所知的其周长/为4mm，可 以得到金属铜线截面边长为lmm，如图2所示；
(6) 各向同性结构的材料需要其结构在三个方向上对称，并且周期性一致，所以选择 三个方向上的网格单元的个数均为20个，即总单元网格的个数为8000个；
(7) —种通过调制等离子体频率获得网格结构人工材料设计完成，可以利用现有的印 刷电路版技术进行加工，得到上述设计所得的人工材料。
权利要求
1、 一种通过调制等离子体频率设计网格结构人工材料的方法，其特征在于包括下列 步骤(1) 假设所需要设计的人工材料的等离子体频率为Wp;(2) 选择金属线材料，并将其组成网格单元结构；(3) 根据公式(1)可以获得该等离子体频率与金属线之间的关系-其中S为金属线网格单元一个面的面积，&和//。为真空的介电常数和磁导率，/为金属 线截面周长；(4) 通过选择S和/的组合，可以得到所需的等离子体频率(5) 确定金属线截面的具体形状，确定金属线的尺寸；(6) 确定网格单元的个数，及网格之间的排布方式；(7) —种通过调制等离子体频率获得网格结构人工材料设计完成，可以利用现有技术 加工得到所设计的人工材料。
2、 根据权利要求l所述的一种通过调制等离子体频率设计网格结构人工材料的方法， 其特征在于步骤(1)中可以获得的等离子体频率范围为3X108~3X1014Hz。
3、 根据权利要求l所述的一种通过调制等离子体频率设计网格结构人工材料的方法， 其特征在于步骤(2)中的金属线材料可以为金、银、铜或铝。
4、 根据权利要求1所述的一种通过调制等离子体频率设计网格结构人工材料的方法， 其特征在于步骤(2)中的网格单元应具有高重空间对称性的结构。
5、 根据权利要求1所述的一种通过调制等离子体频率设计网格结构人工材料的方法， 其特征在于步骤(4)中金属线截面的形状可以为圆形、椭圆形、正方形、长方形、六边 形以及任意面形。
6、 根据权利要求1所述的一种通过调制等离子体频率设计网格结构人工材料的方法， 其特征在于步骤(6)中单元网格的个数可以为100到20000个。
7、 根据权利要求1所述的一种通过调制等离子体频率设计网格结构人工材料的方法，其特征在于步骤(6)中网格的排布方式要求网络结构在空间三个方向上周期相同，且满足轴对称。
全文摘要
一种通过调制等离子体频率设计网格结构人工材料的方法，其特征在于包括下列步骤(1)假设所需人工材料的等离子体频率为ω<sub>p</sub>；(2)选择金属线材料，并将其组成网格单元结构；(3)根据公式可以获得该等离子体频率与金属线截面周长以及单元网格面积之间的关系；(4)通过选择金属线截面周长以及网格单元一个面的面积，可以得到所需的等离子体频率；(5)根据金属线截面的具体形状，确定金属线的尺寸；(6)确定网格单元的个数及整个网络结构的排布方式；(7)利用现有技术进行加工得到所需材料。本发明方法简单，采用一个简单的公式即可以满足设计的要求；且对于一个等离子体频率可以有多个组合满足要求，使得可选择的制作方法范围更广。
文档编号H01B5/00GK101312080SQ20081010429
公开日2008年11月26日 申请日期2008年4月17日 优先权日2008年4月17日
发明者刘立媛, 史浩飞, 杜春雷, 罗先刚, 邓启凌 申请人:中国科学院光电技术研究所