一種三維各向同性負(fù)磁導(dǎo)率結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型設(shè)及一種負(fù)磁導(dǎo)率材料，特別是一種S維各向同性負(fù)磁導(dǎo)率結(jié)構(gòu)，屬 于磁負(fù)"超材料"結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 1968年，前蘇聯(lián)科學(xué)家Veselago對(duì)介電常數(shù)e和磁導(dǎo)率y同時(shí)為負(fù)值的媒介 做了深入研究，并從理論上提出了左手材料的概念。盡管左手材料有很多新奇的電磁特性， 但是自然界中并不存在實(shí)際的左手材料，Veselago的成果被忽視近30年。直到1999年， 英國(guó)的化n化y等提出周期性排列的金屬線（R孤）在其等離子體效應(yīng)的作用下能產(chǎn)生負(fù)的 介電常數(shù)，并且發(fā)現(xiàn)金屬開口諧振環(huán)（SRRs)結(jié)構(gòu)的磁導(dǎo)率在一定頻域內(nèi)表現(xiàn)為負(fù)值。2001 年，美國(guó)加州大學(xué)的Smith等人用電路板刻蝕技術(shù)將化n化y提出的兩種結(jié)構(gòu)組合成一種人 工復(fù)合材料，首次實(shí)現(xiàn)了微波段的雙負(fù)特性，從此左手材料的結(jié)構(gòu)研究得W復(fù)。
[0003]S服S是左手材料中實(shí)現(xiàn)負(fù)磁導(dǎo)率的微結(jié)構(gòu)單元，因此對(duì)S服S的研究成為左手材 料發(fā)展的關(guān)鍵，基于SRRs結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出磁導(dǎo)率為負(fù)的材料也一度成為"超材料"的研究熱潮。 例如隨后提出的矩形諧振環(huán)結(jié)構(gòu)，樹叉型結(jié)構(gòu)，八邊形諧振環(huán)結(jié)構(gòu)等都是在SRRs的基礎(chǔ)上 改進(jìn)的負(fù)磁導(dǎo)率結(jié)構(gòu)，同時(shí)也在一定程度改善了SRRs結(jié)構(gòu)損耗大，頻帶窄的缺陷。然而該 些類S服S結(jié)構(gòu)基本都是一維的，即只有電磁波W平行S服S平面的方向入射時(shí)，才能實(shí)現(xiàn)磁 負(fù)特性。一維磁負(fù)材料在實(shí)用性方面存在很大的局限性，對(duì)于磁負(fù)材料該種異向介質(zhì)而言， 只有實(shí)現(xiàn)各向同性才能得到更好的實(shí)際應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上，有學(xué)者提出了利用多個(gè)SRRs組 成S維立體結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)各向同性的新思路，例如塞維利亞大學(xué)的Baena等利用六個(gè)S服S圍 成了各向同性的正方體結(jié)構(gòu)；瑞±的化ilippe等提出了兩個(gè)S服S相互正交的結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn) 各向同性。但是，前者雖然能實(shí)現(xiàn)S維各向同性，但其結(jié)構(gòu)完全是由多個(gè)SRRs堆擱而成，審U 備較為復(fù)雜；后者則只能在單一的平面內(nèi)（〇u面）實(shí)現(xiàn)各向同性，不能實(shí)現(xiàn)S維各向同性。
[0004] 本實(shí)用新型
[0005] 在傳統(tǒng)開口諧振環(huán)（SRRs)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上提出了一種新型的八開口諧振環(huán) (ESRRs)，ES服S與S服S具有相似的磁響應(yīng)機(jī)理，都能夠?qū)崿F(xiàn)磁導(dǎo)率為負(fù)的特性。本實(shí)用新 型將S個(gè)八開口諧振環(huán)相互正交構(gòu)成一種S維立體結(jié)構(gòu)（CESRRs)，該S維立體結(jié)構(gòu)具有很 好的自身對(duì)稱性，克服了傳統(tǒng)開口諧振環(huán)只能實(shí)現(xiàn)單一平面各向同性的局限，能夠真正實(shí) 現(xiàn)S維各向同性。通過仿真分析發(fā)現(xiàn)ES服S在C波段（4.0-8.OGHz)內(nèi)能實(shí)現(xiàn)磁導(dǎo)率為負(fù) 特性，并且實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了CES服S是一種C波段內(nèi)的S維各向同性磁負(fù)結(jié)構(gòu)?？蓪?shí)現(xiàn)在衛(wèi)星電 視廣播和各類小型衛(wèi)星地面站中的應(yīng)用。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0006] 本實(shí)用新型的目的是基于傳統(tǒng)開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)，提出一種S維各向同性負(fù)磁導(dǎo)率 結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)不僅可在C波段（4.0-8.OGHz)內(nèi)實(shí)現(xiàn)磁導(dǎo)率為負(fù)特性，而且能夠完美實(shí)現(xiàn)S 維各向同性，是一種良好的=維各向同性磁負(fù)結(jié)構(gòu)，解決了傳統(tǒng)磁負(fù)"超材料"制備的復(fù)雜 性和入射方向的局限性問題。
[0007] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型的設(shè)計(jì)方案是：一種S維各向同性負(fù)磁導(dǎo)率結(jié)構(gòu)，所 述的=維各向同性負(fù)磁導(dǎo)率結(jié)構(gòu)包括=個(gè)八開口諧振環(huán)，所述的八開口諧振環(huán)由一個(gè)侶制 內(nèi)圓環(huán)和一個(gè)侶制外圓環(huán)嵌套組成，所述內(nèi)圓環(huán)和外圓環(huán)的四等分處均設(shè)置有切口，所述 內(nèi)圓環(huán)4個(gè)切口的中屯、分別與外圓環(huán)4個(gè)1/4圓弧的中屯、對(duì)應(yīng)放置，所述S個(gè)八開口諧振 環(huán)的=個(gè)外圓環(huán)在外圓環(huán)切口處兩兩正交設(shè)置，所述=個(gè)八開口諧振環(huán)的=個(gè)內(nèi)圓環(huán)在內(nèi) 圓環(huán)1/4圓弧的中屯、處兩兩正交設(shè)置。
[000引根據(jù)本實(shí)用新型所述的八開口諧振環(huán)，進(jìn)一步地，所述外圓環(huán)和內(nèi)圓環(huán)的侶條厚 度為50um，寬度為4mm+lmm。
[0009] 根據(jù)本實(shí)用新型所述的八開口諧振環(huán)，進(jìn)一步地，所述外圓環(huán)和內(nèi)圓環(huán)的切口寬 度為 6mm+lmm〇
[0010] 有益效果：
[0011] 1.本實(shí)用新型取材方便，制備簡(jiǎn)單，尺寸較小，無需傳統(tǒng)制備過程中的焊接、覆銅、 刻蝕等工序，便于加工，具有極大的實(shí)用價(jià)值。
[0012] 2.本實(shí)用新型的S維各向同性負(fù)磁導(dǎo)率結(jié)構(gòu)由S個(gè)八開口諧振環(huán)相互正交而成， =個(gè)外圓環(huán)在切口處兩兩相交，=個(gè)內(nèi)圓環(huán)在侶條中屯、（中性點(diǎn)）處兩兩相交，該種正交方 式不會(huì)影響結(jié)構(gòu)的磁諧振行為，各諧振環(huán)之間不會(huì)產(chǎn)生電磁感應(yīng)，材料整體呈現(xiàn)穩(wěn)定的特 性。
[0013] 3.本實(shí)用新型是基于傳統(tǒng)開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)提出來的，二者具有相似的磁響應(yīng)機(jī) 理，都能夠?qū)崿F(xiàn)磁導(dǎo)率為負(fù)的特性。
[0014] 4.本實(shí)用新型的S維各向同性負(fù)磁導(dǎo)率結(jié)構(gòu)是由S個(gè)八開口諧振環(huán)相互正交構(gòu) 成一種=維立體結(jié)構(gòu)。在=維空間中，該=維立體結(jié)構(gòu)的磁諧振行為不依賴于電磁波的入 射角度，并且能在同一頻域范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)負(fù)磁導(dǎo)率特性，可實(shí)現(xiàn)=維各向同性，是一種性能優(yōu) 良的S維各向同性磁負(fù)材料。
【附圖說明】
[0015] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
[0016] 圖1是本實(shí)用新型八開口諧振環(huán)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017] 圖2是本實(shí)用新型八開口諧振環(huán)的HFSS建模結(jié)構(gòu)圖；
[0018] 圖3是采用本實(shí)用新型八開口諧振環(huán)時(shí)的電磁波平行入射的S參數(shù)幅值（地）圖；
[0019] 圖4是采用本實(shí)用新型八開口諧振環(huán)時(shí)的電磁波平行入射的等效磁導(dǎo)率實(shí)部圖。
[0020] 圖5是本實(shí)用新型實(shí)施例S維各向同性負(fù)磁導(dǎo)率結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[002U 圖6是本實(shí)用新型實(shí)施例S維各向同性負(fù)磁導(dǎo)率結(jié)構(gòu)的HFSS建模結(jié)構(gòu)圖；
[0022]圖7是本實(shí)用新型實(shí)施例S維各向同性負(fù)磁導(dǎo)率結(jié)構(gòu)繞其自身對(duì)稱軸Z軸順時(shí)針 旋轉(zhuǎn)一周，在〇u平面的四個(gè)象限內(nèi)各自隨機(jī)選取一個(gè)旋轉(zhuǎn)角度，該四個(gè)旋轉(zhuǎn)角度對(duì)應(yīng)的S21 參數(shù)幅值（地）對(duì)比圖；
[0023] 圖8是本實(shí)用新型實(shí)施例S維各向同性負(fù)磁導(dǎo)率結(jié)構(gòu)繞其自身對(duì)稱軸Z軸順時(shí)針 旋轉(zhuǎn)一周，在〇u平面的四個(gè)象限內(nèi)各自隨機(jī)選取一個(gè)旋轉(zhuǎn)角度，該四個(gè)旋轉(zhuǎn)角度對(duì)應(yīng)的等 效磁導(dǎo)率實(shí)部對(duì)比圖；
[0024] 圖9是本實(shí)用新型實(shí)施例S維各向同性負(fù)磁導(dǎo)率結(jié)構(gòu)同時(shí)繞S個(gè)坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)不 同的角度，隨機(jī)選取四種不同的旋轉(zhuǎn)方式，該四種旋轉(zhuǎn)條件對(duì)應(yīng)的S,i參數(shù)幅值（地）對(duì)比 圖；
[0025] 圖10是本實(shí)用新型八開口諧振環(huán)外圓環(huán)結(jié)構(gòu)；
[0026] 圖11是本實(shí)用新型八開口諧振環(huán)內(nèi)圓環(huán)結(jié)構(gòu)。
【具體實(shí)施方式】
[0027]本實(shí)用新型S維各向同性負(fù)磁導(dǎo)率結(jié)構(gòu)實(shí)施例：
[002引本實(shí)用新型所述的=維各向同性負(fù)磁導(dǎo)率結(jié)構(gòu)包括=個(gè)八開口諧振環(huán)，所述的八 開口諧振環(huán)由一個(gè)侶制內(nèi)圓環(huán)和一個(gè)侶制外圓環(huán)嵌套組成，所述內(nèi)圓環(huán)和外圓環(huán)的四等分 處均設(shè)置有切口，所述內(nèi)圓環(huán)4個(gè)切口的中屯、分別與外圓環(huán)4個(gè)1/4圓弧的中屯、對(duì)應(yīng)放置， 所述=個(gè)八開口諧振環(huán)的=個(gè)外圓環(huán)在外圓環(huán)切口處兩兩正交設(shè)置，所述=個(gè)八開口諧振 環(huán)的S個(gè)內(nèi)圓環(huán)在內(nèi)圓環(huán)1/4圓弧的中屯、處兩兩正交設(shè)置。該種正交方式不會(huì)影響結(jié)構(gòu)的 磁諧振行為，有利于結(jié)構(gòu)的分析和制作，是一種C波段內(nèi)的S維各向同性磁負(fù)結(jié)構(gòu)。
[0029]本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施例詳述如下：
[0030] 如圖1，八開口諧振環(huán)由兩個(gè)侶制圓環(huán)內(nèi)外嵌套而成，內(nèi)圓環(huán)和外圓環(huán)的四等分處 均設(shè)置有切口，由于內(nèi)外兩個(gè)圓環(huán)共引入八個(gè)切口，故命名其為八開口諧振環(huán)。內(nèi)圓環(huán)切口 中屯、分別與外圓環(huán)侶條中屯、對(duì)應(yīng)放置。如圖5,本實(shí)施例S維各向同性負(fù)磁導(dǎo)率結(jié)構(gòu)由S個(gè) 八開口諧振環(huán)組成，=個(gè)八開口諧振環(huán)相互正交構(gòu)成的一種=維立體結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)中=個(gè)外 圓環(huán)在切口處相互正交，S個(gè)內(nèi)圓環(huán)則在侶條中屯、處相互正交。圖2為本實(shí)用新型八開口 諧振環(huán)諧振環(huán)結(jié)構(gòu)的HFSS建模結(jié)構(gòu)，建模參數(shù)為侶條寬度w,= 4mm，厚度t= 0. 05mm，外 圓環(huán)半徑rwt= 20mm，內(nèi)圓環(huán)半徑rh= 15mm，切口的寬度Wg= 6mm。仿真實(shí)驗(yàn)中采用波端 口激勵(lì)，利用理想周期邊界條件，分別選取X方向?yàn)殡娺吔纾≒EC)，Z方向?yàn)榇胚吔纾≒MC)， y方向設(shè)置為激勵(lì)入射端口。通過仿真得到該結(jié)構(gòu)的S參數(shù)幅度（地）曲線如圖3所示，觀 察可W發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)在4. 4GHz左右出現(xiàn)明顯諧振，通過參數(shù)提取法提取的等效磁導(dǎo)率如圖4 所示，可見在圖3對(duì)應(yīng)的4. 13-4. 31GHz的頻帶范圍內(nèi)磁導(dǎo)率為負(fù)值。
[0031] 在電磁波水平入射時(shí)，八開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)具有相同的磁響 應(yīng)機(jī)理。開口諧振環(huán)是一種磁響應(yīng)結(jié)構(gòu)單元，可W產(chǎn)生磁諧振實(shí)現(xiàn)負(fù)磁導(dǎo)率。當(dāng)入射波的 磁場(chǎng)分量垂直穿過諧振環(huán)平面時(shí)，由電磁感應(yīng)定律可知在諧振環(huán)內(nèi)有感應(yīng)電流產(chǎn)生，從而 引入分布電感L;同時(shí)由于內(nèi)外兩環(huán)之間縫隙和環(huán)上切口的存在，從而引入分布電容C。因 此開口諧振環(huán)就可W等效為與其結(jié)構(gòu)相關(guān)的LC諧振電路，并且磁諧