權(quán)利要求書： 1.針對三種方形螺旋結(jié)構(gòu)電磁超材料單元的設(shè)計方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟1：確定輸入工作頻率ft，金屬螺旋線厚度t，基板厚度h，頻率容許差值df、內(nèi)徑所占外徑的比值q，所選擇的螺旋結(jié)構(gòu)方式s的值以及金屬寬度w、螺旋間隙g以及亞波長深度i的變化范圍和變化幅值；

步驟2：設(shè)定金屬寬度、間隙寬度的初值均為范圍最小值，亞波長深度初值為范圍最大值；

步驟3：選定所選結(jié)構(gòu)的計算方法，計算電感L、電容C以及頻率f，在金屬與間隙的寬度組合中計算篩選出內(nèi)徑值以及頻率差值符合設(shè)定要求的最大亞波長規(guī)模范圍的電磁超材料結(jié)構(gòu)參數(shù)，并輸出；

步驟4：根據(jù)設(shè)計要求對輸出的電磁超材料結(jié)構(gòu)參數(shù)進行選擇，并對所選出的電磁超材料結(jié)構(gòu)參數(shù)進行建模和有限元仿真，獲得諧振頻率；

步驟5：根據(jù)仿真獲得的諧振頻率調(diào)節(jié)方形螺旋結(jié)構(gòu)線圈的長度，獲得所需工作頻率的最后結(jié)構(gòu)參數(shù)；

步驟3中的電感L、電容C計算公式為：

式中L1為雙層方形螺旋結(jié)構(gòu)電感，C1為層間電容，C2位間隙電容，其中其中D為外徑與基

板寬度，d為內(nèi)徑，w為金屬線寬度，g為間隙寬度，n為圈數(shù)，h為基底厚度，t為金屬層厚度，μ0為真空中的磁導(dǎo)率，ε基板為基板相對介電常數(shù)，εair為空氣相對介電常數(shù)，ε0為真空中的介電常數(shù)，l為間隙長度，其中l(wèi)＝4×[(D?wn)(n?1)?gn(n+1)]；

當(dāng)所選結(jié)構(gòu)為單層方形螺旋結(jié)構(gòu)時，

當(dāng)所選結(jié)構(gòu)為雙層非通孔方形螺旋結(jié)構(gòu)時，

當(dāng)所選結(jié)構(gòu)為雙層內(nèi)通孔方形螺旋結(jié)構(gòu)時，

步驟3中在金屬與間隙的寬度組合中計算篩選出內(nèi)徑值以及頻率差值符合設(shè)定要求的最大亞波長規(guī)模范圍的電磁超材料結(jié)構(gòu)參數(shù)，具體包括以下步驟：步驟3?1：根據(jù)設(shè)定與輸入的值判斷間隙g是否小于等于最大值，是則繼續(xù)，否則結(jié)束流程；

步驟3?2：判斷金屬寬度w是否小于等于最大值，是則繼續(xù)，否則令w為最小值并令間隙g＝g++，返回步驟3?1；

步驟3?3：求波長λ與外徑D，其中D＝λ/i，并令匝數(shù)n＝1；

步驟3?4：求取頻率f與內(nèi)徑d；

步驟3?5：判斷內(nèi)徑d是否大于等于所設(shè)的外徑比值，是則繼續(xù)，否則令亞波長深度i＝i??，并返回步驟3?3；

步驟3?6：判斷設(shè)定的工作頻率ft與求得的頻率f之間差值的絕對值是否小于設(shè)定的頻率容差df，是則繼續(xù)，否則令匝數(shù)+1并賦值給n，并返回步驟3?4；

步驟3?7：判斷間隙寬度g是否小于等于金屬寬度w，是則將所計算得出的電磁超材料結(jié)構(gòu)參數(shù)進行輸出，并令金屬寬度w＝w++，頻率f＝0，并返回步驟3?2，否則不動作。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的針對三種方形螺旋結(jié)構(gòu)電磁超材料單元的設(shè)計方法，其特征在于，步驟3中所選結(jié)構(gòu)包括單層方形螺旋結(jié)構(gòu)、雙層非通孔方形螺旋結(jié)構(gòu)以及雙層內(nèi)通孔形螺旋結(jié)構(gòu)。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的針對三種方形螺旋結(jié)構(gòu)電磁超材料單元的設(shè)計方法，其特征在于，所述雙層非通孔方形螺旋結(jié)構(gòu)以及雙層內(nèi)通孔形螺旋結(jié)構(gòu)的金屬線均采用正反面對稱布線。

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的針對三種方形螺旋結(jié)構(gòu)電磁超材料單元的設(shè)計方法，其特征在于，所述單層方形螺旋結(jié)構(gòu)、雙層非通孔方形螺旋結(jié)構(gòu)以及雙層內(nèi)通孔形螺旋結(jié)構(gòu)的基底為螺旋結(jié)構(gòu)附著介質(zhì)。

5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的針對三種方形螺旋結(jié)構(gòu)電磁超材料單元的設(shè)計方法，其特征在于，所述金屬為方形螺旋結(jié)構(gòu)構(gòu)成材質(zhì)。

說明書： 針對三種方形螺旋結(jié)構(gòu)電磁超材料單元的設(shè)計方法技術(shù)領(lǐng)域[0001] 本發(fā)明涉及超材料領(lǐng)域，特別涉及針對三種方形螺旋結(jié)構(gòu)電磁超材料單元的設(shè)計方法。背景技術(shù)[0002] 電磁超材料是具有特異電磁性質(zhì)的人工復(fù)合材料，其電磁性質(zhì)主要取決于電磁超材料的人工結(jié)構(gòu)而不是構(gòu)成材料的本征性質(zhì)。根據(jù)等效媒質(zhì)理論，當(dāng)電磁超材料單元的尺寸遠遠小于入射波長，即亞波長尺寸時，電磁超材料在宏觀上可采用等效的電磁常數(shù)進行表示。在無線電能傳輸、隱身斗篷等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。[0003] 在不同的應(yīng)用場合中所要求的電磁超材料的諧振頻率與電磁特性都不同，因此電磁超材料單元結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法在電磁超材料的研究中具有重要的意義。在現(xiàn)有的研究中，電磁超材料的單元設(shè)計主要是依靠經(jīng)驗設(shè)計，并對各種參數(shù)進行大量的仿真進行修正，或采用自動化搜索算法進行自動化設(shè)計，但其設(shè)計方法復(fù)雜，對設(shè)計人員的程序編程能力要求較大，且需要的設(shè)計時間也較長。發(fā)明內(nèi)容[0004] 本發(fā)明提供一種針對三種方形螺旋結(jié)構(gòu)電磁超材料單元的設(shè)計方法，以解決在現(xiàn)有的研究中，電磁超材料的單元設(shè)計主要是依靠經(jīng)驗設(shè)計，存在設(shè)計方法復(fù)雜，設(shè)計時間較長的問題。[0005] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案是：[0006] 針對三種方形螺旋結(jié)構(gòu)電磁超材料單元的設(shè)計方法，包括以下步驟：[0007] 步驟1：確定輸入工作頻率ft，金屬螺旋線厚度t，基板厚度h，頻率容許差值df、內(nèi)徑所占外徑的比值q，所選擇的螺旋結(jié)構(gòu)方式s的值以及金屬寬度w、螺旋間隙g以及亞波長深度i的變化范圍和變化幅值；[0008] 步驟2：設(shè)定金屬寬度、間隙寬度的初值均為范圍最小值，亞波長深度初值為范圍最大值；[0009] 步驟3：選定所選結(jié)構(gòu)的計算方法，計算電感L、電容C以及頻率f，在金屬與間隙的寬度組合中計算篩選出內(nèi)徑值以及頻率差值符合設(shè)定要求的最大亞波長規(guī)模范圍的電磁超材料結(jié)構(gòu)參數(shù)，并輸出；[0010] 步驟4：根據(jù)設(shè)計要求對輸出的電磁超材料結(jié)構(gòu)參數(shù)進行選擇，并對所選出的電磁超材料結(jié)構(gòu)參數(shù)進行建模和有限元仿真，獲得諧振頻率；[0011] 步驟5：根據(jù)仿真獲得的諧振頻率調(diào)節(jié)方形螺旋結(jié)構(gòu)線圈的長度，獲得所需工作頻率的最后結(jié)構(gòu)參數(shù)。[0012] 進一步地，步驟3中所選結(jié)構(gòu)包括單層方形螺旋結(jié)構(gòu)、雙層非通孔方形螺旋結(jié)構(gòu)以及雙層內(nèi)通孔形螺旋結(jié)構(gòu)。[0013] 進一步地，所述雙層非通孔方形螺旋結(jié)構(gòu)以及雙層內(nèi)通孔形螺旋結(jié)構(gòu)的金屬線均采用正反面對稱布線。[0014] 進一步地，所述單層方形螺旋結(jié)構(gòu)、雙層非通孔方形螺旋結(jié)構(gòu)以及雙層內(nèi)通孔形螺旋結(jié)構(gòu)的基底為螺旋結(jié)構(gòu)附著介質(zhì)。[0015] 進一步地，所述金屬為方形螺旋結(jié)構(gòu)構(gòu)成材質(zhì)。[0016] 進一步地，步驟3中的電感L、電容C計算公式為：[0017][0018] 式中L1為雙層方形螺旋結(jié)構(gòu)電感，C1為層間電容，C2位間隙電容，其中其中D為外徑與基板寬度，d為內(nèi)徑，w為金屬線寬度，g為間隙寬度，n為圈數(shù)，h為基底厚度，t為金屬層厚度，μ0為真空中的磁導(dǎo)率，ε基板為基板相對介電常數(shù)，εair為空氣相對介電常數(shù)，ε0為真空中的介電常數(shù)，l為間隙長度，其中l(wèi)＝4×[(D?wn)(n?1)?gn(n+1)]；

[0019] 當(dāng)所選結(jié)構(gòu)為單層方形螺旋結(jié)構(gòu)時，[0020] 當(dāng)所選結(jié)構(gòu)為雙層非通孔方形螺旋結(jié)構(gòu)時，[0021] 當(dāng)所選結(jié)構(gòu)為雙層內(nèi)通孔方形螺旋結(jié)構(gòu)時，[0022] 進一步地，步驟3中在金屬與間隙的寬度組合中計算篩選出內(nèi)徑值以及頻率差值符合設(shè)定要求的最大亞波長規(guī)模范圍的電磁超材料結(jié)構(gòu)參數(shù)，具體包括以下步驟：[0023] 步驟3?1：根據(jù)設(shè)定與輸入的值判斷間隙g是否小于等于最大值，是則繼續(xù)，否則結(jié)束流程；[0024] 步驟3?2：判斷金屬寬度w是否小于等于最大值，是則繼續(xù)，否則令w為最小值并令間隙g＝g++，返回步驟3?1；[0025] 步驟3?3：求波長λ與外徑D，其中D＝λ/i，并令匝數(shù)n＝1；[0026] 步驟3?4：求取頻率f與內(nèi)徑d；[0027] 步驟3?5：判斷內(nèi)徑d是否大于等于所設(shè)的外徑比值，是則繼續(xù)，否則令亞波長深度i＝i??，并返回步驟3?3；[0028] 步驟3?6：判斷設(shè)定的工作頻率ft與求得的頻率f之間差值的絕對值是否小于設(shè)定的頻率容差df，是則繼續(xù)，否則令匝數(shù)+1并賦值給n，并返回步驟3?4；[0029] 步驟3?7：判斷間隙寬度g是否小于等于金屬寬度w，是則將所計算得出的電磁超材料結(jié)構(gòu)參數(shù)進行輸出，并令金屬寬度w＝w++，頻率f＝0，并返回步驟3?2，否則不動作。[0030] 本發(fā)明提供的一種更為快速、簡便的針對三種方形螺旋結(jié)構(gòu)電磁超材料的單元設(shè)計方法，采用的方案是：首先根據(jù)所需結(jié)構(gòu)與工作頻率計算獲得方形螺旋結(jié)構(gòu)合適的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)；再根據(jù)獲得的電磁超材料結(jié)構(gòu)參數(shù)進行建模和有限元仿真獲得超材料單元的諧振頻率；最后對模型中的線圈長度進行微調(diào)最終獲得所需的超材料結(jié)構(gòu)參數(shù)，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)勢和特色：[0031] (1)本發(fā)明可同時對三種方形螺旋結(jié)構(gòu)進行選擇并確定基本的結(jié)構(gòu)參數(shù)，比現(xiàn)有技術(shù)為對單一結(jié)構(gòu)，設(shè)定初步結(jié)構(gòu)參數(shù)，然后計算頻率通過改變單一參數(shù)確定最終結(jié)構(gòu)參數(shù)或?qū)潭ǖ哪Ｐ徒Y(jié)構(gòu)進行參數(shù)優(yōu)化具有明顯的優(yōu)勢；[0032] (2)現(xiàn)有技術(shù)對固有結(jié)構(gòu)進行參數(shù)優(yōu)化不能確定獲得最小化結(jié)構(gòu)，而本發(fā)明確定的螺旋結(jié)構(gòu)外徑即為基板寬度，可設(shè)計出在金屬線寬與間隙寬度內(nèi)的最小化超材料單元結(jié)構(gòu)；[0033] (3)本發(fā)明可設(shè)定內(nèi)徑占外徑的比值，限制內(nèi)圈匝數(shù)過度增加以避免損耗增加，與現(xiàn)有的純?nèi)斯そ?jīng)驗設(shè)計和自動化設(shè)計相比，本發(fā)明為半自動化設(shè)計可大大降低設(shè)計時間，提高效率，并且對設(shè)計人員的程序設(shè)計能力要求較低，降低了設(shè)計的復(fù)雜度。附圖說明[0034] 圖1為本發(fā)明的總體流程框圖；[0035] 圖2為本發(fā)明的獲取結(jié)構(gòu)參數(shù)程序流程圖；[0036] 圖3為本發(fā)明的雙層內(nèi)通孔方形螺旋結(jié)構(gòu)示意圖；[0037] 圖4為本發(fā)明具體實施方式中電磁超材料設(shè)計初始參數(shù)的仿真結(jié)果；[0038] 圖5為本發(fā)明具體實施方式中電磁超材料設(shè)計最終參數(shù)的仿真結(jié)果。具體實施方式[0039] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚和清楚，下面將結(jié)合具體實施例并參考附圖來清楚和完整地描述本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案。應(yīng)當(dāng)注意，本發(fā)明的所述實施例是說明性的，但是這不是對本發(fā)明的限制，因此本發(fā)明不限于上述實施例?；诒景l(fā)明原理，凡是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的其它實施方式，均視為在本發(fā)明的保護之內(nèi)。[0040] 本發(fā)明針對三種方形螺旋結(jié)構(gòu)電磁超材料單元的設(shè)計方法，包括以下步驟：[0041] 步驟1：確定輸入工作頻率ft，金屬螺旋線厚度t，基板厚度h，頻率容許差值df、內(nèi)徑所占外徑的比值q，所選擇的螺旋結(jié)構(gòu)方式s的值以及金屬寬度w、螺旋間隙g以及亞波長深度i的變化范圍和變化幅值；[0042] 步驟2：設(shè)定金屬寬度、間隙寬度的初值均為范圍最小值，亞波長深度初值為范圍最大值；[0043] 步驟3：選定所選結(jié)構(gòu)的計算方法，計算電感L、電容C以及頻率f，在金屬與間隙的寬度組合中計算篩選出內(nèi)徑值以及頻率差值符合設(shè)定要求的最大亞波長規(guī)模范圍的電磁超材料結(jié)構(gòu)參數(shù)，并輸出；[0044] 步驟4：根據(jù)設(shè)計要求對輸出的電磁超材料結(jié)構(gòu)參數(shù)進行選擇，并對所選出的電磁超材料結(jié)構(gòu)參數(shù)進行建模和有限元仿真，獲得諧振頻率；[0045] 步驟5：根據(jù)仿真獲得的諧振頻率調(diào)節(jié)方形螺旋結(jié)構(gòu)最外圈的長度，獲得所需工作頻率的最后結(jié)構(gòu)參數(shù)。[0046] 其中，步驟3中所選結(jié)構(gòu)主要包括三種，用變量s表示分別為：1單層方形螺旋結(jié)構(gòu)、2雙層非通孔方形螺旋結(jié)構(gòu)以及3雙層內(nèi)通孔形螺旋結(jié)構(gòu)，其中雙層結(jié)構(gòu)的金屬線均采用正反面對稱布線，結(jié)構(gòu)基底為螺旋結(jié)構(gòu)附著介質(zhì)，金屬為方形螺旋結(jié)構(gòu)構(gòu)成材質(zhì)。

[0047] 三種模式的電感L與電容C的計算公式為：[0048][0049] 式中L1為雙層方形螺旋結(jié)構(gòu)電感，C1為層間電容，C2位間隙電容，其中其中D為外徑與基板寬度，d為內(nèi)徑，w為金屬線寬度，g為間隙寬度，n為圈數(shù)，h為基底厚度，t為金屬層厚度，μ0為真空中的磁導(dǎo)率，ε基板為基板相對介電常數(shù)，εair為空氣相對介電常數(shù)，ε0為真空中的介電常數(shù)，l為間隙長度，l＝4×[(D?wn)(n?1)?gn(n+1)]。

[0050] 當(dāng)所選結(jié)構(gòu)為單層方形螺旋結(jié)構(gòu)時，[0051] 當(dāng)所選結(jié)構(gòu)為雙層非通孔方形螺旋結(jié)構(gòu)時，[0052] 當(dāng)所選結(jié)構(gòu)為雙層內(nèi)通孔方形螺旋結(jié)構(gòu)時，[0053] 步驟3中在金屬與間隙的寬度組合中計算篩選出內(nèi)徑值以及頻率差值符合設(shè)定要求的最大亞波長規(guī)模范圍的電磁超材料結(jié)構(gòu)參數(shù)，具體包括以下步驟：[0054] 步驟3?1：根據(jù)設(shè)定與輸入的值判斷間隙g是否小于最大值，是則繼續(xù)，否則結(jié)束流程；[0055] 步驟3?2：判斷金屬寬度w是否小于最大值，是則繼續(xù)，否則令w為最小值并增加間隙g幅值，返回步驟3?1；[0056] 步驟3?3：求波長與外徑D，并令匝數(shù)n＝1；[0057] 步驟3?4：根據(jù)權(quán)利要求4中的公式求取頻率f與內(nèi)徑d；[0058] 步驟3?5：判斷內(nèi)徑d是否大于等于所設(shè)的外徑比值，是則繼續(xù)，否則令亞波長深度i＝i??，并返回步驟3?3；[0059] 步驟3?6：判斷設(shè)定的工作頻率ft與求得的頻率f之間差值的絕對值是否小于設(shè)定的頻率容差df，是則繼續(xù)，否則令匝數(shù)+1并賦值給n，并返回步驟3?4；[0060] 步驟3?7：判斷間隙寬度g是否小于等于金屬寬度w，是則將所計算得出的電磁超材料結(jié)構(gòu)參數(shù)進行輸出，并令金屬寬度w＝w++，頻率f＝0，并返回步驟3?2，否則不動作。[0061] 下面通過更具體的實例進行說明。[0062] 參見圖1，首先根據(jù)所需結(jié)構(gòu)與工作頻率計算獲得方形螺旋結(jié)構(gòu)合適的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)，具體流程如圖2所示。選定電磁超材料單元的基板為螺旋結(jié)構(gòu)附著介質(zhì)，具體為FR4基板，結(jié)構(gòu)的金屬為方形螺旋結(jié)構(gòu)構(gòu)成材質(zhì)，材質(zhì)采用銅材，輸入設(shè)計所需電磁超材料結(jié)構(gòu)參數(shù)：工作頻率ft＝6.78MHZ，金屬寬度最小值wmin＝0.001m，最大值wmax＝0.004m，間隙寬度最小值gmin＝0.001m，最大值gmax＝0.002m，銅層厚度t＝0.00035m,FR4基板厚度h＝0.002m，頻率容差df＝200000HZ，最大亞波長深度ih＝1000(ih應(yīng)盡量取大)，內(nèi)徑所占外徑比值q＝7，選擇模式s＝3(雙層內(nèi)通孔形螺旋結(jié)構(gòu)，如圖3所示。)。[0063] 設(shè)定基本初值，令頻率f＝0，亞波長深度i＝ih，金屬寬度w＝wmin，間隙寬度g＝gmin，金屬寬度與間隙寬度每次增加幅值為0.001。[0064] 第一次循環(huán)，判斷間隙g＝0.001m小于最大值，則下一步判斷金屬寬度w小于最大值，求外徑D＝0.0442m，令n＝1，選擇模式3電感與電容公式[0065][0066] 與頻率計算公式 求得f＝156.26MHZ，d＝0.0422m,判斷d大于D/7，且判斷ft?f的絕對值大于頻率容差則令匝數(shù)n+1，并返回繼續(xù)求頻率與內(nèi)徑判斷，如圖2所示，反復(fù)循環(huán)，直至ft?f的絕對值小于頻率容差且間隙小于金屬寬度時，將結(jié)果輸出。[0067] 當(dāng)[w,g]＝[0.001,0.001]時，i＝802,D＝0.055,n＝13,f＝6.962M[0068] 當(dāng)[w,g]＝[0.002,0.001]時，i＝679,D＝0.065,n＝10,f＝6.961M[0069] 當(dāng)[w,g]＝[0.003,0.001]時，i＝607,D＝0.073,n＝9,f＝6.592M[0070] 當(dāng)[w,g]＝[0.004,0.001]時，i＝556,D＝0.0796,n＝8,f＝6.979M[0071] 當(dāng)[w,g]＝[0.002,0.002]時，i＝551,D＝0.0803,n＝8,f＝6.904M[0072] 當(dāng)[w,g]＝[0.003,0.002]時，i＝527,D＝0.0840,n＝8,f＝6.961M[0073] 當(dāng)[w,g]＝[0.004,0.002]時，i＝496,D＝0.0892,n＝7,f＝6.957M[0074] 在此，選擇[w,g]＝[0.004,0.002]的情況進行驗證調(diào)節(jié)，首先根據(jù)獲得的電磁超材料結(jié)構(gòu)參數(shù)建立有限元模型并進行仿真，取參數(shù)為：外徑與基板寬度D＝90mm，匝數(shù)n＝7，金屬寬度＝4mm，間隙寬度＝2mm。結(jié)果如圖4所示，該模型的諧振頻率為8.6MHZ，偏大于所需的工作頻率。[0075] 進一步地，對外圈邊長進行延伸調(diào)節(jié)并進行有限元仿真查看調(diào)節(jié)結(jié)果，微調(diào)至諧振頻率，最終結(jié)果如圖5所示，外圈延伸0.5圈即188mm時，諧振頻率為6.78MHZ，參數(shù)結(jié)果為：外徑與基板寬度D＝96mm，金屬寬度w＝4mm，間隙寬度g＝2mm，匝數(shù)n＝7.5圈。

[0076] 至此，超材料單元設(shè)計完成。[0077] 盡管已經(jīng)描述和敘述了被看作本發(fā)明的示范實施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員將會明白，可以對其作出各種改變和替換，而不會脫離本發(fā)明的精神。另外，可以做出許多修改以將特定情況適配到本發(fā)明的教義，而不會脫離在此描述的本發(fā)明中心概念。所以，本發(fā)明不受限于在此披露的特定實施例，但本發(fā)明可能還包括屬于本發(fā)明范圍的所有實施例及其等同物。