CN102354815B

CN102354815B - 基于斜三角开口对环的宽带低耗左手材料

Info

Publication number: CN102354815B
Application number: CN 201110284914
Authority: CN
Inventors: 曹祥玉; 李文强; 高军; 郑秋容; 杨欢欢
Original assignee: Air Force Engineering University of PLA
Current assignee: Air Force Engineering University of PLA
Priority date: 2011-09-22
Filing date: 2011-09-22
Publication date: 2013-12-25
Anticipated expiration: 2031-09-22
Also published as: CN102354815A

Abstract

本发明提出的一种基于斜三角开口对环的宽带低耗左手材料，技术特征在于：将磁谐振环-金属线共面结构与磁谐振环相结合，提出了一种基于斜三角开口对环结构的左手材料结构，该结构能产生两个双负频段，通过调节单元尺寸可改变双负频段工作范围，实现宽带低耗左手材料的设计。本发明结构在9.3-13.2GHz频段同时具有负的磁导率和负的介电常数，相对带宽34.7％，损耗性能系数347.9，实现了宽带低耗左手材料。

Description

基于斜三角开口对环的宽带低耗左手材料

技术领域

本发明涉及一种基于斜三角开口对环的宽带低耗左手材料，属于电磁介质特性研究技术领域。

背景技术

左手材料是介电常数ε和磁导率μ在一定的电磁波频段内同时为负的一种新型人工电磁材料，具有不同于常规材料的奇异电磁特性，在光学成像、微波器件、天线系统、电磁隐身等领域具有广阔的应用前景。左手材料自其问世以来，一直是国际学术界的研究热点之一。2000年Smith研究小组用开口谐振环和金属线首次实现了磁导率和介电常数同时为负的左手材料，见D.R.Smith W.J.Padilla，D.C.Vier，et a1.Compositemedium with simultaneously negative permeability and permittivity，Phys.Rev.Lett.2000.84：4184-4187.。引起了国内外学者的广泛关注并积极展开研究，但是带宽窄、损耗高限制了左手材料的应用。文献：Zhou J，Zhang L，Tuttle G，Koschny T，Soukoulis CM.Negative index materials using simple short wire pairs.Phys Rev B，2006，73(4)：04110.、M.Kafesaki，I.Tsiapa，N.Katsarakis，T.Koschny，C.M.Soukoulis，and E.N.Economou，Left-handed metematerials：The fishnet structure and its variations.Phy.Rev.B：Condens.Matter Mater.Phys.，2007，75(23)：235114.和Chen HSh，Ran LX，Huangfu JT，Zhang XM，Chen KSh，Grzegorczyk TM，et al.Negative refraction of a combined double S-shapedmetamaterial.Appl Phys Lett，2005，86：151909.3篇文献分别提出的网格型和渔网型左手材料，其优点是能使电磁波垂直于基板平面入射，缺点是容易导致屏蔽效应(screening effects)和较大的吸收损耗(absorption loss)。Simovski R，He SL.Frequencyrange and explicit expressions for negative permittivity and permeability for an isotropicmedium formed by a lattice of perfectly conduting Ωparticles.Phys Lett A，2003，311：254-63.文献Simovski R，He SL.Frequency range and explicit expressions fornegative permittivity and permeability for an isotropic medium formed by a lattice ofperfectly conduting Ωparticles.Phys Lett A，2003，311：254-63.提出的S型，文献ChengZhu，Chang-Hong Liang，Long Li.Broadband negative index metamaterials with low-loss.Int J Electron Commun，2010，10：004.提出的Ω型左手材料结构新颖，但最大相对带宽仅为19.3％，且损耗高。Ω型左手材料是基于三角谐振单元的左手材料，带宽达到了2.7GHz，但是相对带宽仍有待提高。文献Chen Chun-Hui，Qu Shao-Bo，Xu Zhuo，WangJia-Fu，Ma Hua，Zhou Hang，A two-dimension broad pass-band left-handed metamaterialbased on single-sided metallic structure，Acta Phys.Sin.，2011，60(2)：024101.提出的单面金属结构的宽带左手材料，相对带宽有很大提高，但损耗还有待降低。目前文献报道左手材料大多都只有一个传输通带，关于多频段左手材料的研究则比较少。文献H.S.Chen，L.X.Ran，J.T.Huangfu，X.M.Zhang，K.S.Chen，T.M.Grzegorczyk，and J.A.Kong.，Metamaterial exhibiting left-handed properties over multiple frequency bands.J.Appl.Phys.，2004，96(9)：5338-5340.提出的基于S型谐振器的双频段左手材料结构简单，但最大相对带宽仅为13.6％，且损耗高。文献Weiren Zhu，Xiaopeng Zhao，and Jiquan Guo，Multibands of negative refractive indexes in the left-handed metamaterials with multipledendritic structures，Appl Phys Lett.，2008，92：241116.和文献Jiafu Wang，Shabo Qu，Yiming Yang，Hua Ma，XiangWu，and Zhuo Xu，Multiband left-handed metamaterials，ApplPhys Lett.，2009，95：014105.通过将不同尺寸的左手材料结构单元组合在一起实现了多频段的左手材料，但结构复杂、不易加工，且损耗大。文献Minhua Li，Helin Yang，YanTian，Dongyun Hou，Dual bands of negative refractive indexes in the planar left-handedmetamaterials，Journal of Magnetism and Magnetic Materials，2011，323：607-610.提出了一种电磁波可垂直于基板入射的双频段平面左手材料，但是该结构的双负频段不易调节，且损耗大。

总而言之，现有的左手材料结构普遍存在损耗高、频带窄的缺点，且大多只有一个左手通带。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于斜三角开口对环的宽带低耗左手材料，能产生两个磁谐振，实现两个双负频段。研究表明，调节单元尺寸可改变双负频段工作频率和带宽，实现宽频带低耗双负媒质。

技术方案

一种基于斜三角开口对环的宽带低耗左手材料，其特征在于包括介质基板1、斜三角开口对环磁谐振单元2和斜三角开口对环-金属线的共面结构3；将斜三角开口对环磁谐振单元2和斜三角开口对环-金属线的共面结构3刻蚀在介质板1的两侧；所述的斜三角开口对环-金属线的共面结构3是将两根金属导线设置在斜三角开口对环磁谐振单元上，两根金属导线分别位于斜三角开口对环磁谐振单元得两个对边。

所述介质基板采用介电常数ε＝2.65的聚四氟乙烯。

所述介质基板的尺寸为4mm×4mm×1mm。

所述斜三角开口对环磁谐振单元中的边长a₂＝2.6mm，所述斜三角开口对环-金属线的共面结构中的边长a₁＝3mm，加金属线后的边长b₁＝4mm；两个结构的边框线宽w＝0.2mm，每边的开口对环长度l＝1.0mm，每边的开口对环间隙d＝0.2mm。

所述斜三角开口对环磁谐振单元中的边长a₂＝3.6mm，所述斜三角开口对环-金属线的共面结构中的边长a₁＝2.4mm，两个结构的边框线宽w＝0.2mm，每边的开口对环长度l＝1.0mm，每边的开口对环间隙d＝0.2mm。

有益效果

本发明提出的一种基于斜三角开口对环的宽带低耗左手材料，将磁谐振环-金属线共面结构与磁谐振环相结合，提出了一种基于斜三角开口对环结构的左手材料结构，该结构能产生两个双负频段，通过调节单元尺寸可改变双负频段工作范围，实现宽带低耗左手材料的设计。本发明结构在9.3-13.2GHz频段同时具有负的磁导率和负的介电常数，相对带宽34.7％，损耗性能系数347.9，实现了宽带低耗左手材料。

附图说明

图1：本发明的结构示意图

图2：本发明的结构中的斜三角开口对环磁谐振单元示意图

图3：本发明的结构中的斜三角开口对环-金属线的共面结构示意图

图4：斜三角开口对环磁谐振单元的等效电路图

图5：斜三角开口对环-金属线的共面结构的等效电路图

图6：实施例1的仿真S₂₁曲线

图7：通过参数提取方法提取的实施例1的等效媒质参数图

a：介电常数和磁导率图，b：折射率图

图8：通过参数提取方法提取的实施例2的等效媒质参数图

a：介电常数和磁导率图，b：折射率图

图9：本发明结构和SRR+Wire在各自谐振频点处的电流分布和电场分布图

a：电流分布图，b：电场分布图

图10：产生磁响应的斜三角开口对环结构和SRR结构的等效电路图

图11：损耗性能系数及谐振频点处的电场分布图

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本实施例的结构如图1所示，其中的介质基板采用介电常数ε＝2.65的聚四氟乙烯，尺寸为4mm×4mm×1mm。

实施例1：

在介质基板其中一个侧面刻蚀斜三角开口对环-金属线共面结构，具体结构见图3，其中所述斜三角开口对环-金属线的共面结构中的边长a₁＝3mm，加金属线后的边长b₁＝4mm，结构的边框线宽w＝0.2mm，每边的开口对环长度l＝1.0mm，每边的开口对环间隙d＝0.2mm。

在介质基板的背面刻蚀斜三角开口对环结构，具体结构见图2，其中所述斜三角开口对环磁谐振单元中的边长a₂＝2.6mm，结构的边框线宽w＝0.2mm，每边的开口对环长度l＝1.0mm，每边的开口对环间隙d＝0.2mm。

采用商业电磁仿真软件Ansoft HFSS对该结构进行仿真。TEM波从模型的左端入射，电场、磁场方向如图1中所示。与电场方向垂直的两个边界设置为理想电边界(PEC)，与磁场方向垂直的两个边界设置为理想磁边界(PMC)。仿真S₂₁曲线如图6所示，可以发现该结构有两个传输通带。通过参数提取方法提取的等效媒质参数如图4。图4(a)表明本发明实施例结构在9.6-11.3GHz和15.4-16.3GHz具有负的等效磁导率，在9.6-16.4GHz具有负的等效介电常数。图4(b)表明新结构在9.6-16.3具有负的等效折射率。因此结构在9.6-11.3GHz和15.4-16.3GHz为双负频段，得到双频段左手材料。

实施例2：

其他结构参数不变，当a₁＝2.4mm、a₂＝3.6mm时，得到宽带低耗左手材料。该结构的双负频段为9.3-13.2GHz，相对带宽达到34.7％，用参数提取方法提取等效媒质参数如图8所示。为了比较损耗性能，将本结构与典型的SRR+wire双负媒质结构进行对比。

图9给出了本发明结构和SRR+wire结构在各自谐振频点处的电流分布和电场分布。由图9(a)可以看出，斜三角开口对环-金属线结构上的电流自上而下，其作用相当于金属线，表现出电响应。结合图9(b)可知，斜三角开口对环上的强环路电流形成的自电感与对环间的强电场形成的自电容相结合构成自谐振电路，表现为负的磁响应，而SRR+Wire结构的磁响应主要是由SRR环决定。

对于产生磁响应的斜三角开口对环结构和SRR结构，其等效电路图都可由图10所示。

已知RLC电路的损耗与每个电路元件和品质因数Q有关，

Q越大损耗越小。因此可以通过增加电感或者减小电阻和电容来增大Q值减小损耗。因为

其中Γ_m∝R/L为损耗系数且与电感成反比，因此可以通过增加结构的电感来减小损耗。在斜三角开口对环和SRR结构中，等效电感是由各自结构所围的面积决定的，显然斜三角开口对环结构所产生的等效电感更大。而斜三角开口对环结构的等效电容主要由开口处的电容决定，而SRR结构的等效电容是由内外环之间的电容决定，显然SRR结构的等效电容要大于斜三角开口对环结构的等效电容。对于产生电响应的斜三角开口对环-金属线结构，因为环状金属结构比等长度金属线结构能产生更大的电感，所以斜三角开口对环-金属线结构产生的等效电感远大于金属线产生的等效电感。从上述的分析可知，发明结构相对于SRR+Wire结构有更低的损耗。

众所周知，通常谐振点处的损耗很高。但是从图8(b)可以看出，使Re(n)＝-1的频点远离了谐振频点，因此使得左手频段内的损耗很小。

为了研究该结构的损耗特性，定义损耗性能系数，它等于提取的等效折射率的实部与虚部之比的负值，即FOM＝-Re(n)/Im(n)。用它来度量人工媒质的损耗，FOM值越大，损耗越小。如图11所示，本文提出新结构的FOM最大值达到了347.9，而传统SRR-wire的FOM最大值则为38，表明本文提出的左手材料具有更小的损耗。

本发明将磁谐振环-金属线共面结构与磁谐振环相结合，提出了一种基于斜三角开口对环结构的左手材料结构，该结构能产生两个双负频段，通过调节单元尺寸可改变双负频段工作范围，实现宽带低耗左手材料的设计。

对于磁谐振器，由于电磁感应，当电磁波平行入射时，磁场会在磁谐振器上产生感应电流并形成电流回路，产生的等效电容和等效电感形成LC谐振电路，在谐振区域实现负的等效磁导率。本发明提出的斜三角开口对环磁谐振单元如图1(a)所示。根据Pendry的理论，由金属导线阵列可实现负等效介电常数。而当电磁波在传统的磁谐振器加金属线结构中传播时，位于介质板两侧的磁谐振器和金属导线会产生耦合，增大了电磁波传播时的损耗。为了降低损耗，将金属导线与磁谐振器设置在介质板的同侧，形成斜三角开口对环-金属线的共面结构，如图1(b)所示。建立两者的等效电路模型，如图2所示，斜三角开口对环结构的磁谐振频率为：其中电感L_m1＝8L₁，电容C_m1＝C/2。所以，

f_{m 1} = \frac{1}{2 π \sqrt{(8 L_{1}) (C / 2)}} = \frac{1}{4 π \sqrt{L_{1} C}}

斜三角开口对环-金属线共面结构产生磁谐振频率为：

其中电感L_m2＝2(L₁+L₂)，电容C_m2＝2C。所以，

f_{m 2} = \frac{1}{2 π \sqrt{4 (L_{1} + L_{2}) C}} = \frac{1}{4 π \sqrt{(L_{1} + L_{2}) C}}

显然f_m1＞f_m2。本发明将这两种结构分别刻蚀在介质基板的正反两面，如图1所示。在介质基板的正面刻蚀斜三角开口对环-金属线共面结构，如图3所示。在介质基板的背面刻蚀斜三角开口对环结构，如图2所示。

该结构能产生两个磁谐振，从而得到两个双负频段。研究表明该左手材料结构的第一个双负频段由斜三角开口对环和斜三角开口对环-金属线共面结构共同决定，其中斜三角开口对环-金属线共面结构影响更大。而第二个双负频段是由斜三角开口对环结构决定。因此可以通过调节斜三角开口对环-金属线共面结构和斜三角开口对环结构的单元尺寸来实现二个双负频段的移动，使其重合呈现宽带低耗特性。

Claims

1.一种基于斜三角开口对环的宽带低耗左手材料，其特征在于包括介质板（1）、斜三角开口对环磁谐振单元（2）和斜三角开口对环-金属线的共面结构（3）；在介质板（1）的一侧刻蚀斜三角开口对环磁谐振单元（2），在介质板（1）另一侧刻蚀斜三角开口对环-金属线的共面结构（3）；所述的斜三角开口对环-金属线的共面结构（3）是将两根金属导线设置在斜三角开口对环磁谐振单元上，两根金属导线分别位于斜三角开口对环磁谐振单元的两个对边。

2.根据权利要求1所述基于斜三角开口对环的宽带低耗左手材料，其特征在于：所述介质板采用介电常数ε＝2.65的聚四氟乙烯。

3.根据权利要求1或2所述基于斜三角开口对环的宽带低耗左手材料，其特征在于：所述介质板的尺寸为4mm×4mm×1mm。