一種雙入射型電磁超材料結(jié)構(gòu)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及左手材料，特別涉及一種雙入射電磁超材料結(jié)構(gòu)。所述的電磁超材料結(jié)構(gòu)包括介質(zhì)基板和覆在所述介質(zhì)基板上的金屬條，所述的金屬條上刻蝕有兩組金屬線(xiàn)，每一組金屬線(xiàn)均由兩條金屬線(xiàn)組成，所述的兩條金屬線(xiàn)反向?qū)ΨQ(chēng)刻蝕在介質(zhì)基板的兩側(cè)，且位于介質(zhì)基板同一側(cè)的金屬線(xiàn)中，兩條金屬線(xiàn)與金屬條組成“等腰梯形”狀結(jié)構(gòu)。所述的電磁超材料其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)二維左手特性，克服了傳統(tǒng)左手材料的復(fù)雜性和入射方向的局限性。改變“等腰梯形”結(jié)構(gòu)上底的尺寸參數(shù)，能夠在不同的頻域內(nèi)實(shí)現(xiàn)二維左手特性，從而滿(mǎn)足各種工作頻帶的實(shí)用要求。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種雙入射型電磁超材料結(jié)構(gòu)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及左手材料，特別是一種雙入射電磁超材料，可以更好地實(shí)現(xiàn)左手材料的實(shí)用價(jià)值。【背景技術(shù)】
[0002]左手材料(left-handed mentamaterials，LHMs)是由前蘇聯(lián)的物理學(xué)家Vector Veselago在1968年提出的一種理論上存在的，在某一頻段內(nèi)介電常數(shù)e和磁導(dǎo)率y為負(fù)的不存在于自然界的特殊材料。在這一理論材料提出的30年后英國(guó)的物理學(xué)家Pendry分別研究了負(fù)介電常數(shù)和負(fù)介電常數(shù)的實(shí)現(xiàn)方式，即周期性排列導(dǎo)電金屬桿(ROD)和金屬開(kāi)口諧振環(huán)(SRRs)。隨后美國(guó)加州大學(xué)San Diego分校的Smith等物理學(xué)家于2001年在Pendry的建議之下首次制造出了在微波波段實(shí)現(xiàn)左手特性的金屬桿和開(kāi)口諧振環(huán)的組合結(jié)構(gòu)，利用金屬桿的等離子體效應(yīng)實(shí)現(xiàn)負(fù)介電常數(shù)，利用金屬開(kāi)口諧振環(huán)的磁諧振效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了負(fù)的磁導(dǎo)率。2002年，美國(guó)的Itoh教授和加拿大的Eleftheriades教授提出來(lái)了一種基于周期性L(fǎng)C網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)左手特性的新材料設(shè)計(jì)法，即將金屬自身等離子體效應(yīng)和磁諧振效應(yīng)集于一體的電磁一體結(jié)構(gòu)。環(huán)棒結(jié)構(gòu)和電磁一體結(jié)構(gòu)的提出奠定了左手材料設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)，并且在隨后的研究表面左手材料的奇特電磁特性在完美成像、電磁隱身、電磁加熱以及天線(xiàn)雷達(dá)的微帶貼片等領(lǐng)域有很廣闊的應(yīng)用前景，至此引發(fā)了一股左手材料的研究狂潮。
[0003]隨后左手材料的研究大致可按電磁波的入射方向分為兩類(lèi)，即電磁波平行于介質(zhì)板入射實(shí)現(xiàn)左手特性和垂直于介質(zhì)板入射實(shí)現(xiàn)左手特性?xún)深?lèi)。平行入射的典型結(jié)構(gòu)有雙S 型、對(duì)稱(chēng)環(huán)形、H型結(jié)構(gòu)等。垂直入射實(shí)現(xiàn)左手特性的典型結(jié)構(gòu)有樹(shù)枝型結(jié)構(gòu)、漁網(wǎng)型結(jié)構(gòu)等。這兩類(lèi)左手材料均只能在電磁波從特定某一方向入射時(shí)才能實(shí)現(xiàn)左手特性，與實(shí)際應(yīng)用中所需求的多方向多維數(shù)的要求不符。近年來(lái)在學(xué)者們不斷努力下，雙Z型結(jié)構(gòu)、雙2型結(jié)構(gòu)以及雙三角形金屬條結(jié)構(gòu)的提出，實(shí)現(xiàn)了在電磁波垂直入射和平行入射兩種入射情況下同時(shí)實(shí)現(xiàn)左手特性，在左手材料的多維化研究領(lǐng)域中邁出了一大步，也只有多維數(shù)多方向的左手材料才能更好的滿(mǎn)足應(yīng)用需要。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是克服傳統(tǒng)左手材料的復(fù)雜性和入射方向的局限性，提出一種新型雙入射型電磁超材料。該結(jié)構(gòu)制備簡(jiǎn)單，尺寸較小，不僅克服一維左手材料實(shí)際應(yīng)用的局限性，而且可以通過(guò)改變結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)使結(jié)構(gòu)能夠在不同的頻域內(nèi)實(shí)現(xiàn)雙入射左手特性， 可適用于各種不同工作頻帶場(chǎng)合的應(yīng)用。
[0005]本發(fā)明的設(shè)計(jì)方案是:一種雙入射型電磁超材料結(jié)構(gòu)，所述的電磁超材料結(jié)構(gòu)包括介質(zhì)基板和覆刻在所述介質(zhì)基板上的金屬條，其特征在于所述的金屬條上刻蝕有兩組金屬線(xiàn)，每一組金屬線(xiàn)均由兩條金屬線(xiàn)組成，所述的兩條金屬線(xiàn)反向?qū)ΨQ(chēng)刻蝕在介質(zhì)基板的兩側(cè)，且位于介質(zhì)基板同一側(cè)的金屬線(xiàn)與金屬條組成“等腰梯形”狀結(jié)構(gòu)。
[0006]所述的介質(zhì)基板為介電常數(shù)為9.8的氧化鋁陶瓷，所述金屬條采取覆銅技術(shù)刻蝕在介質(zhì)基板兩側(cè)，覆銅厚度為0.0imm。
[0007]所述的電磁超材料結(jié)構(gòu)包括兩組金屬線(xiàn)，位于所述介質(zhì)基板同一側(cè)的兩條金屬線(xiàn)與金屬條組成“等腰梯形”狀結(jié)構(gòu)。[〇〇〇8] 所述梯形結(jié)構(gòu)上底尺寸分別設(shè)置為0.1mm，0.5mm，1.0mm，1.5mm，2.0mm，2.5mm，3.0mm，不同尺度左手特性實(shí)現(xiàn)的頻段不同。
[0009]所述的金屬條寬度為a = 6mm，所述的金屬條高度為L(zhǎng)= 10mm，所述的金屬條上用于蝕刻金屬線(xiàn)的部位長(zhǎng)度為h = 4mm，所述的金屬線(xiàn)寬度為t = 0.5mm。
[0010]所述介質(zhì)基板的厚度為d = 0.3mm。
[0011]本發(fā)明所達(dá)到的有益效果:
[0012]1.本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作方便，克服了傳統(tǒng)左手材料的復(fù)雜性和入射方向的單一性，且制作成本較為低廉。
[0013]2.本發(fā)明采用了氧化鋁陶瓷材料作為介質(zhì)基板，它與一般的高分子基板相比具有更高的硬度和耐高溫性，可使結(jié)構(gòu)具有更強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性和穩(wěn)定性。
[0014]3.本發(fā)明的電磁超材料可以在電磁波平行入射和垂直入射兩種情況下，均實(shí)現(xiàn)負(fù)介電常數(shù)和負(fù)磁導(dǎo)率，拓寬了電磁波的入射角度，可以滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用中的綜合需求，具有雙入射左手特性，克服了一維左手材料實(shí)際應(yīng)用的局限性。
[0015]4.本發(fā)明的電磁超材料通過(guò)改變“等腰梯形”上底的尺寸參數(shù)大小，可以在不同的頻域內(nèi)實(shí)現(xiàn)雙入射左手特性，能夠滿(mǎn)足各種工作頻帶的實(shí)用要求?！靖綀D說(shuō)明】
[0016]圖1是本發(fā)明實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)圖；
[0017]圖2是本發(fā)明實(shí)施例1電磁波垂直入射的S參數(shù)幅度(dB)圖；
[0018]圖3是本發(fā)明實(shí)施例1電磁波垂直入射的等效電磁參數(shù)圖；
[0019]圖4是本發(fā)明實(shí)施例1電磁波水平入射的S參數(shù)幅度(dB)圖；
[0020]圖5是本發(fā)明實(shí)施例1電磁波水平入射的等效電磁參數(shù)圖；
[0021]圖6是本發(fā)明實(shí)施例2電磁波垂直入射的s取各值時(shí)的等效磁導(dǎo)率曲線(xiàn)圖；
[0022]圖7是本發(fā)明實(shí)施例2電磁波垂直入射的s取各值時(shí)的等效介電常數(shù)曲線(xiàn)圖；
[0023]圖8是本發(fā)明實(shí)施例2電磁波水平入射的s取各值時(shí)的等效磁導(dǎo)率曲線(xiàn)圖；
[0024]圖9是本發(fā)明實(shí)施例2電磁波水平入射的s取各值時(shí)的等效介電常數(shù)曲線(xiàn)圖；【具體實(shí)施方式】
[0025]本發(fā)明的雙入射左手材料結(jié)構(gòu)由介質(zhì)基板和覆刻在所述介質(zhì)基板上的金屬條組成，所述的金屬條上刻蝕有兩組金屬線(xiàn)，每一組金屬線(xiàn)由兩條金屬線(xiàn)組成，所述的兩條金屬線(xiàn)反向?qū)ΨQ(chēng)刻蝕在介質(zhì)基板的兩側(cè)，且位于介質(zhì)基板同一側(cè)的金屬線(xiàn)與金屬條組成“等腰梯形”狀形結(jié)構(gòu)。[〇〇26]本發(fā)明通過(guò)改變“等腰梯形”上底尺寸參數(shù)，能夠在不同的頻域內(nèi)實(shí)現(xiàn)左手特性， 并且各結(jié)構(gòu)的左手特性實(shí)現(xiàn)頻域之間滿(mǎn)足一定的數(shù)值規(guī)律。
[0027]下面詳細(xì)介紹本發(fā)明的具體實(shí)施例:[〇〇28] 實(shí)施例1:
[0029]如圖1，本實(shí)施例的電磁超材料結(jié)構(gòu)包括介質(zhì)基板和覆在所述介質(zhì)基板上的金屬條，所述的金屬條上刻蝕有兩組金屬線(xiàn)，每一組金屬線(xiàn)中的兩條金屬線(xiàn)采取覆銅技術(shù)，反向?qū)ΨQ(chēng)刻蝕在介質(zhì)基板的兩側(cè)。本實(shí)施例的覆銅厚度為〇.0imm，金屬條寬度a = 6mm，高度L = 10mm，金屬條上用于刻蝕金屬線(xiàn)的部位長(zhǎng)度h = 4mm，金屬線(xiàn)寬度t = 0.5mm，梯形結(jié)構(gòu)上底寬度s = 0.1_。介質(zhì)基板采用介電常數(shù)為9.8的氧化錯(cuò)陶瓷，介質(zhì)基板厚度為d = 0.3_。
[0030]根據(jù)電磁波垂直和平行兩個(gè)入射方向分別分析結(jié)構(gòu)單元，先分析垂直入射介質(zhì)基板的情況，如圖2是該結(jié)構(gòu)S參數(shù)的幅度曲線(xiàn)，如圖3是等效電磁參數(shù)圖，該結(jié)構(gòu)在7.99-8.09GHz頻帶內(nèi)e和y實(shí)部同時(shí)為負(fù)，出現(xiàn)左手通帶。當(dāng)電磁波平行入射時(shí)，如圖4是該結(jié)構(gòu)的 S參數(shù)的幅度曲線(xiàn)，等效電磁參數(shù)如圖5所示，該結(jié)構(gòu)在8.88-9.1GHz頻段以及11.68-11.98GHz頻段內(nèi)e和y實(shí)部同時(shí)為負(fù)，即出現(xiàn)左手通帶。
[0031]在兩種入射條件下，介質(zhì)板前后兩個(gè)反向?qū)ΨQ(chēng)的等腰梯形金屬結(jié)構(gòu)在電磁波磁場(chǎng)分量的作用下都可以產(chǎn)生耦合諧振回路，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)磁導(dǎo)率，但是兩種條件下磁諧振耦合原理不同。電磁波垂直射入介質(zhì)基板的情況下，介質(zhì)基板兩側(cè)的等腰梯形金屬條在電磁場(chǎng)作用下相互耦合，形成磁諧振從而產(chǎn)生負(fù)磁導(dǎo)率;電磁波平行射入介質(zhì)基板的情況下，介質(zhì)基板兩側(cè)的等腰梯形金屬條由于反相對(duì)稱(chēng)放置，在電磁場(chǎng)作用下形成了環(huán)形電流環(huán)路，從而產(chǎn)生了磁諧振，實(shí)現(xiàn)了負(fù)磁導(dǎo)率。兩種情況下的負(fù)介電常數(shù)都是由等腰梯形金屬條本身的等離子體效應(yīng)產(chǎn)生的，從而實(shí)現(xiàn)了雙入射雙負(fù)特性。[〇〇32] 實(shí)施例2:
[0033]本實(shí)施例在實(shí)施例1結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，在所述金屬條上刻蝕金屬線(xiàn)時(shí)改變等腰梯形上底的尺寸參數(shù)，分別取s = 0.5mm, s = 1.0mm, s = 1.5mm, s = 2mm, s = 2.5mm, s = 3mm。圖6所示為電磁波垂直入射情況下s取上述各值時(shí)等效磁導(dǎo)率曲線(xiàn)圖，圖7為等效介電常數(shù)曲線(xiàn)圖。根據(jù)s取值不同分別在7 ? 87-7 ? 94GHz，7 ? 84-7 ? 9GHz，7 ? 99-8 ? 04GHz，8 ? 11-8 ? 15GHz， 8.32-8.35GHz，8.53-8.56GHz頻帶內(nèi)e和y實(shí)部同時(shí)為負(fù)，實(shí)現(xiàn)左手特性；圖8所示為電磁波平行入射時(shí)各取值情況下等效磁導(dǎo)率曲線(xiàn)圖，圖9為等效介電常數(shù)曲線(xiàn)，可以看出結(jié)構(gòu)分別在8.47-8.646泡，11.81-12.086他；8.85-96他，12.18-12.476泡；8.76-8.876他，12.48-12.78GHz ;8.62-8.71GHz，12.81-13.05GHz ;8.65-8.68GHz，13.21-13.43GHz頻域內(nèi) e和y實(shí)部同時(shí)為負(fù)，實(shí)現(xiàn)左手特性，而在s = 3mm時(shí)，無(wú)左手特性實(shí)現(xiàn)。由于電磁波平行入射時(shí)結(jié)構(gòu)形成了兩個(gè)反向回路，所以產(chǎn)生了高低兩個(gè)雙負(fù)特性頻段。
[0034]對(duì)比實(shí)施例2中s取值不同情況下結(jié)構(gòu)的等效電磁參數(shù)曲線(xiàn)可知，電磁波垂直入射時(shí)s值每增加0.5mm結(jié)構(gòu)的雙負(fù)特性實(shí)現(xiàn)頻段向高頻移動(dòng)約0.2GHz，電磁波平行入射時(shí)s值每增加0.5mm結(jié)構(gòu)的較高的雙負(fù)特性實(shí)現(xiàn)頻段向高頻移動(dòng)約0.4GHz，而較低的雙負(fù)特性實(shí)現(xiàn)頻段基本保持不變。
[0035]本發(fā)明的雙入射型電磁超材料結(jié)構(gòu)，在電磁波平行入射和垂直入射兩種情況下， 可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)負(fù)介電常數(shù)和負(fù)磁導(dǎo)率?；谠摶A(chǔ)結(jié)構(gòu)可以通過(guò)改變“等腰梯形”上底的尺寸，能夠在不同的頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)雙入射左手特性，可以滿(mǎn)足各種工作頻段的實(shí)用需求。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種雙入射型電磁超材料結(jié)構(gòu)，所述的電磁超材料結(jié)構(gòu)包括介質(zhì)基板和覆刻在所述 介質(zhì)基板上的金屬條，其特征在于所述的金屬條之間刻蝕有兩組金屬線(xiàn)，每組金屬線(xiàn)由兩 條金屬線(xiàn)組成，所述的兩組金屬線(xiàn)反向?qū)ΨQ(chēng)刻蝕在介質(zhì)基板的兩側(cè)，且位于介質(zhì)基板同一 側(cè)的金屬線(xiàn)與金屬條組成“等腰梯形”狀結(jié)構(gòu)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙入射型電磁超材料結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的介質(zhì)基板為介 電常數(shù)為9.8的氧化鋁陶瓷，所述金屬線(xiàn)采取覆銅技術(shù)刻蝕在介質(zhì)基板兩側(cè)，覆銅厚度為 0.01mm〇3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙入射型電磁超材料結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的電磁超材料結(jié) 構(gòu)包括兩組金屬線(xiàn)，位于所述介質(zhì)基板同一側(cè)的兩條金屬線(xiàn)與金屬條組成“等腰梯形”結(jié) 構(gòu)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙入射型電磁超材料結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的等腰梯形結(jié)構(gòu) 的上底寬度根據(jù)左手特性實(shí)現(xiàn)頻段不同分別設(shè)置為0.1mm，0.5mm，1.0mm, 1.5mm，2mm， 2.5mm?3mm〇5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙入射型電磁超材料結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的金屬條寬度為 6m，所述的金屬條高度為10mm，所述的金屬條上用于蝕刻金屬線(xiàn)的部位長(zhǎng)度為4mm，所述的 金屬線(xiàn)寬度為〇.5mm。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙入射型電磁超材料結(jié)構(gòu)，其特征在于所述介質(zhì)基板的厚度 為0.3m。
【文檔編號(hào)】H01Q15/00GK105958209SQ201610522215
【公開(kāi)日】2016年9月21日
【申請(qǐng)日】2016年7月5日
【發(fā)明人】田子建, 姜泊帆
【申請(qǐng)人】中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)