CN102760958B

CN102760958B - 基于一层基板的小型化人工电磁材料及制备方法

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Publication number: CN102760958B
Application number: CN201210193094.XA
Authority: CN
Inventors: 李龙; 范迎春; 余世星; 周凯; 刘海霞; 翟会清; 史琰
Original assignee: Xidian University
Current assignee: Xidian University
Priority date: 2012-06-12
Filing date: 2012-06-12
Publication date: 2015-06-03
Anticipated expiration: 2032-06-12
Also published as: CN102760958A

Abstract

本发明公开了一种基于一层基板的小型化人工电磁材料及制备方法，主要解决目前HF、VHF和UHF频段的人工电磁材料结构单元尺寸过大、频率过高、无法投入实际应用的问题。其实现步骤是：首先，在一个双面PCB覆铜板上均蚀刻矩形折线或在一面蚀刻矩形折线另一面蚀刻平面螺旋线，基板的两端涂金属层，将基板上的折线分别与两端所涂金属层连接，得到一个结构单元；然后，将相同的结构单元以单元整体基板的长度为周期进行平行等距排列粘接，得到人工电磁材料块材。本发明可在HF、VHF和UHF频段中实现近零折射特性或负折射率特性，具有高度亚波长、结构简单、小型化、频率低的优点，可用于改善该频段的各类通讯电子系统的性能。

Description

基于一层基板的小型化人工电磁材料及制备方法

技术领域

本发明属于电磁材料技术领域，涉及一种电磁材料及其制备方法，特别涉及一种高频HF、甚高频VHF和特高频UHF频段的高度亚波长小型化人工电磁材料及其制备方法，可用于构造HF、VHF和UHF频段的具有负等效介电常数、负折射率和近零折射率特性的小型化人工电磁材料，改善HF、VHF和UHF频段的通讯系统或设备的性能。

背景技术

人工电磁材料（Metamaterials）是指在自然界中本身并不存在或者没有发现，而是人们根据电磁学理论的计算所构造出来的，具有非常规电磁属性的人造媒质或材料，其典型代表有单负材料、左手材料和零折射率材料。

单负材料是等效介电常数ε和等效磁导率μ只有一个为负的一种新型人工电磁材料，其中包括等效介电常数为负，等效磁导率为正的电单负材料和效介电常数为正，等效磁导率为负的磁单负材料两种。由于电磁波在单负材料中的波矢是虚数，因而单负材料中只存在凋落场，电磁波不能通过，但是电磁波能够在负等效介电常数材料和负等效磁导率材料组成的双层结构中发生完全隧穿效应，因此通过组合负等效介电常数材料和负等效磁导率材料可以构造出性能较好的左手材料。

左手材料是等效介电常数ε和等效磁导率μ同时为负的一种新型人工电磁材料，具有负折射率、倏逝波放大、逆多普勒效应、逆切仑科夫辐射等特性，这些独特的性质使其具有很大的应用潜力，可以实现平板聚焦，天线波束汇聚，完美透镜，超薄谐振腔，后向波天线等功能。

零折射率材料是等效介电系数ε和等效磁导率μ为零或近零的一种新型人工电磁材料，电磁波在零折射率材料中传播时会表现出许多独特的现象，如相位变化为零、超耦合效应与电磁隧穿等，这对于构建波导耦合器、增强天线辐射的方向性与波前整型等有巨大的应用前景。

近年来，人工电磁材料的发展十分迅速，尤其是在微波段和光学波段应用广泛，但是目前人工电磁材料在HF、VHF和UHF频段的应用却遇到了巨大阻碍。如今HF、VHF和UHF频段的设备已经涉及人们生活的各个领域，如远距离卫星通信，磁共振成像MRI，磁谐振无线能量传输，短波与超短波通讯，以及收音机和电视机等常见的日常设备，理论上若能将人工电磁材料运用于这些设备，其性能将会得到大幅改善。以上提到的这些应用的工作频率在3MHz至1000MHz，目前人们提出的人工电磁材料的单元结构尺寸一般在λ/10，其中λ指其工作波长，上述3MHz至1000MHz的频率换算为波长为100m至0.3m，若按照常规设计的人工电磁材料单元，其单元结构尺寸约为10m至0.03m，尺寸太大，无法投入实际应用，所以设计HF、VHF和UHF频段且尺寸在λ/100以下高度亚波长小型化人工电磁材料具有较大的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提供一种基于一层基板的小型化人工电磁材料及制备方法，使单元结构尺寸减小到λ/100以下，以满足HF、VHF和UHF频段的高度亚波长实际应用要求。

为实现上述目的，本发明给出如下两种技术方案：

技术方案1，基板两面的图案相同。

一种基于一层基板的小型化人工电磁材料，包括N个结构单元，N≥2，每个结构单元设有一个介质基板层1，其特征在于，该介质基板层1的两面均蚀刻矩形折线，两端涂有金属层2，金属层2分别与两面的矩形折线连接。

制作上述基板两面的图案相同的小型化人工电磁材料制备方法，包括如下步骤：

（1）选用厚度为0.1mm～1mm，介电常数ε_r＝2.6±0.05，损耗角正切tanδ＝0.015的聚四氟乙烯双面PCB覆铜板，在其两个覆铜箔表面均蚀刻矩形折线，制得两面均为折线面的介质基板层；

（2）在介质基板层的两端涂10μm~1mm厚的金属层，再将两端的金属层分别与该基板两面的折线连接，制得人工电磁材料结构单元；

（3）重复步骤（1）～（2），得到N个结构单元，N≥2；

（4）将所有的结构单元以单元的介质基板的长度为周期进行平行等距排列，通过绝缘粘结材料热压处理粘接，制得人工电磁材料块材。

所述步骤（1）中的矩形折线，其长度L_m=0.99L，宽度H_m=0.99H，矩形折线的横线线宽L_wm=1.15×10^-2L，矩形折线的竖线线宽L_wm=7.7×10^-3L，线间距S_wm=7.7×10^-3L，其中L、H分别为覆铜板的长和宽。

技术方案2，基板两面的图案不同。

一种基于一层基板的小型化人工电磁材料，包括N个结构单元，N≥2，每个结构单元设有一个介质基板层1，其特征在于，该介质基板层1的一面蚀刻矩形折线，另一面蚀刻平面螺旋线，螺旋中心连有圆形金属贴片3，两端涂有金属层2，金属层2与基板层1上的矩形折线连接。

制作上述基板两面的图案不同的小型化人工电磁材料制备方法，包括如下步骤

（A）选用厚度为0.1mm～1mm，介电常数ε_r＝2.6±0.05，损耗角正切tanδ＝0.015的聚四氟乙烯双面PCB覆铜板，在其一个覆铜箔表面蚀刻矩形折线，在另一个覆铜箔表面蚀刻平面螺旋线，制得一面为折线面另一面为螺旋面的介质基板层；

（B）在介质基板层的两端涂10μm~1mm厚的金属层，再将两端的金属层分别与该介质基板上的折线连接，制得人工电磁材料结构单元；

（C）重复步骤（A）～（B），得到N个结构单元，N≥2；

（D）将所有的结构单元以单元的介质基板的长度为周期进行平行等距排列，通过绝缘粘结材料热压处理粘接，制得人工电磁材料块材。

所述步骤（A）中的矩形折线，其长度L_m=0.99L，宽度H_m=0.99H，矩形折线的横线线宽L_wm=1.15×10^-2L，矩形折线的竖线线宽L_wm=7.7×10^-3L，线间距S_wm=7.7×10^-3L，其中L、H分别为覆铜板的长和宽。

所述步骤（A）中的平面螺旋线，其外轮廓长度L_p=0.92L，外轮廓宽度H_p=0.92H，匝数n=13，线宽L_wp=8.1×10^-3L，线间距S_wp=1.23×10^-2L，其中L、H分别为覆铜板的长和宽。

所述步骤（A）中的圆形金属贴片，其半径r为0.5mm～5mm。

本发明具有如下优点：

本发明由于使用在一层基板的两个不同覆铜箔表面均蚀刻矩形折线或在一面蚀刻矩形折线，在另一面蚀刻平面螺旋线，可形成折线—折线结构或折线—螺旋线结构；同时由于在基板的两端涂金属层，并与基板上的折线连接，构成单元结构，实现了在HF、VHF和UHF频段的特定频段的等效介电常数为负特性、近零折射率特性或负折射率特性；此外由于将两端的金属层分别与整体基板的折线连接，使得结构单元结构尺寸减小到λ/100以下，克服了传统人工电磁材料在HF、VHF和UHF频段单元尺寸过大，无法投入实际应用的限制，其中λ指其工作波长。

附图说明：

图1为本发明技术方案1的单元结构示意图；

图2为本发明技术方案1的制作流程图；

图3为本发明技术方案2的单元结构示意图；

图4为本发明技术方案2的制作流程图；

图5为本发明制作流程中蚀刻的矩形折线示意图；

图6为本发明制作流程中蚀刻的平面螺旋线示意图；

图7为本发明第一实施例的对比等效介电常数特性图；

图8为本发明第一实施例的等效介电常数特性图；

图9为本发明第一实施例的等效媒质折射率特性图；

图10为本发明第三实施例的等效介电常数特性图；

图11为本发明第三实施例的等效磁导率特性图；

图12为本发明第三实施例的等效媒质折射率特性图。

具体实现方式

实施例1

参照图1，本发明基于一层基板的小型化人工电磁材料是由N个结构单元平行等距排列粘接组成，N≥2，每个结构单元的结构如图1所示。

参照图1，本发明的结构单元包括一个介质基板层1，介质基板层的两面均蚀矩形折线；介质基板的两端涂有金属层2，介质基板一端所涂的金属层2与介质基板层1一面的矩形折线的底端连接，介质基板另一端所涂的金属层2与介质基板层1另一面的矩形折线的顶端连接；将N个单元，N≥2，以单元整体基板的长度为周期进行平行等距排列粘接，得到人工电磁材料块材。

参照图2，本发明制作图1结构材料的方法，包括如下步骤：

步骤1，选用厚度为0.2mm，介电常数ε_r＝2.6±0.05，损耗角正切tanδ＝0.015的聚四氟乙烯双面PCB覆铜板，在其两个覆铜箔表面均蚀刻如图5所示的矩形折线，得两面均为折线面的介质基板层；图5中的矩形折线的长L_m=0.99L，宽H_m=0.99H，矩形折线的横线线宽L_wm=1.15×10^-2L，矩形折线的竖线线宽L_wm=7.7×10^-3L，线间距S_wm=7.7×10^-3L，其中L、H分别为覆铜板的长和宽，具体数值根据实际需要选取，本实例取L=H=26mm。

步骤2，在介质基板的两端涂17μm厚的金属层，再将基板一端所涂的金属层与介质基板一面的矩形折线的底端连接，将介质基板另一端所涂的金属层与介质基板另一面的矩形折线的顶端连接，制得人工电磁材料结构单元。

步骤3，重复步骤1～步骤2，得到N个结构单元，N≥2。

步骤4，将所有的结构单元以单元整体基板的长度为周期进行平行等距排列，并通过绝缘粘结材料热压，将这些结构单元进行粘接，制得人工电磁材料块材。

实施例2

本发明基于一层基板的小型化人工电磁材料是由N个结构单元平行等距排列粘接组成，N≥2，每个结构单元的结构如图3所示。

参照图3，本发明的结构单元包括一个介质基板层1，介质基板层1的一面蚀刻矩形折线，另一面蚀刻平面螺旋线，螺旋中心连有圆形金属贴片3；介质基板的两端涂有金属层2，介质基板一端所涂的金属层2与介质基板层1上矩形折线的底端连接，介质基板另一端所涂的金属层2与介质基板层1上矩形折线的顶端连接；将N个单元，N≥2，以单元整体基板的长度为周期进行平行等距排列粘接，得到人工电磁材料块材。

参照图4，本发明制作图3结构材料的方法，给出如下三种实施例：

实施例3

第一步，选用厚度为0.2mm，介电常数ε_r＝2.6±0.05，损耗角正切tanδ＝0.015的聚四氟乙烯双面PCB覆铜板，在其一个覆铜箔表面蚀刻如图5所示的矩形折线，在另一个覆铜箔表面蚀刻如图6所示的平面螺旋线，制得一面为折线面另一面为螺旋面的介质基板层；图5中矩形折线的长L_m=0.99L，宽H_m=0.99H，矩形折线的横线线宽L_wm=1.15×10^-2L，矩形折线的竖线线宽L_wm=7.7×10^-3L，线间距S_wm=7.7×10^-3L；图6中平面螺旋线的外轮廓长度L_p=0.92L，外轮廓宽度H_p=0.92H，匝数n=13，线宽L_wp=8.1×10^-3L，线间距为S_wp=1.23×10^-2L，螺旋中心所连的圆形金属贴片的半径r=1mm，其中L、H分别为覆铜板的长和宽，具体数值根据实际需要选取，本实例取L=H=26mm。

第二步，在介质基板的两端涂17μm厚的金属层，再将介质基板一端所涂的金属层与介质基板上的矩形折线的底端连接，将介质基板另一端所涂的金属层与介质基板上的矩形折线的顶端连接，制得人工电磁材料结构单元。

第三步，重复第一步～第二步，得到N个结构单元，N≥2。

第四步，将所有的结构单元以单元整体基板的长度为周期进行平行等距排列，并通过绝缘粘结材料热压，将这些结构单元进行粘接，制得人工电磁材料块材。

实施例4

步骤一，选用厚度为0.1mm，介电常数ε_r＝2.6±0.05，损耗角正切tanδ＝0.015的聚四氟乙烯双面PCB覆铜板，在其一个覆铜箔表面蚀刻如图5所示的矩形折线，在另一个覆铜箔表面蚀刻如图6所示的平面螺旋线，制得一面为折线面另一面为螺旋面的介质基板层；图5中的矩形折线的长L_m=0.99L，宽H_m=0.99H，矩形折线的横线线宽L_wm=1.15×10^-2L，矩形折线的竖线线宽L_wm=7.7×10^-3L，线间距S_wm=7.7×10^-3L；图6中的平面螺旋线的外轮廓长度L_p=0.92L，外轮廓宽度H_p=0.92H，匝数n=13，线宽L_wp=8.1×10^-3L，线间距为S_wp=1.23×10^-2L，螺旋中心所连的圆形金属贴片的半径r=5mm，其中L和H分别为覆铜板的长度和宽度，具体数值根据实际需要选取，本实例取L=H=40mm。

步骤二，在介质基板的两端涂1mm厚的金属层，再将介质基板一端所涂的金属层与介质基板上的矩形折线的底端连接，将介质基板另一端所涂的金属层与介质基板上的矩形折线的顶端连接，制得人工电磁材料结构单元。

步骤三，与实施例3的第三步相同。

步骤四，与实施例3的第四步相同。

实施例5

步骤A，选用厚度为1mm，介电常数ε_r＝2.6±0.05，损耗角正切tanδ＝0.015的聚四氟乙烯双面PCB覆铜板，在其一个覆铜箔表面蚀刻如图5所示的矩形折线，在另一个覆铜箔表面蚀刻如图6所示的平面螺旋线，制得一面为折线面另一面为螺旋面的介质基板层；图5中的矩形折线的长L_m=0.99L，宽H_m=0.99H，矩形折线的横线线宽L_wm=1.15×10^-2L，矩形折线的竖线线宽L_wm=7.7×10^-3L，线间距S_wm=7.7×10^-3L；图6中的平面螺旋线的外轮廓长度L_p=0.92L，外轮廓宽度H_p=0.92H，匝数n=13，线宽L_wp=8.1×10^-3L，线间距为S_wp=1.23×10^-2L，螺旋中心所连的圆形金属贴片的半径r=0.5mm，其中L和H分别为覆铜板的长度和宽度，具体数值根据实际需要选取，本实例取L=H=20mm。

步骤B，在介质基板的两端涂10μm厚的金属层，再将介质基板一端所涂的金属层与介质基板上的矩形折线的底端连接，将介质基板另一端所涂的金属层与介质基板上的矩形折线的顶端连接，制得人工电磁材料结构单元；

步骤C，与实施例3的第三步相同。

步骤D，与实施例3的第四步相同。

本发明的实施效果可通过计算机数值仿真计算进一步说明：

为了得到严格正确的数值计算结果和尽量准确的电磁仿真结果，从而进一步证明高度亚波长人工电磁媒质构造的可行性，本发明使用了基于有限元方法的电磁场仿真商业软件HFSS对所要构造的材料进行数值全波仿真，研究得出每一种方案的等效介电常数、磁导率和折射率的特性。

仿真1，对实施例1介质基板两端不涂金属层时材料特性的具体仿真，其等效介电常数特性如图7所示。

从图7可以看出，若实施例1的介质基板两端不涂金属层，该材料在366MHz到765.5MHz范围内可实现等效介电常数为负的特性。

仿真2，对实施例1介质基板两端涂金属层时材料特性的具体仿真，其等效介电常数特性如图8所示，其等效媒质折射率特性如图9所示。

从图8可以看出，若实施例1的两端涂金属层，在36MHz到710.5MHz频率范围内，本发明可实现等效介电常数为负的特性，与图7相比可知，在介质基板的两端涂金属层可以有效地降低其等效介电常数为负的工作频率。

从图9可以看出，在530.4MHz到616MHz频率范围内，本发明可实现等效媒质折射率近零的特性。

仿真3，对实施例3材料特性的具体仿真，其等效介电常数特性如图10所示，其等效磁导率特性如图11所示，其等效媒质折射率特性如图12所示。

从图10可以看出，从直流到其等离子频率，本发明可实现等效介电常数为负的特性。

从图11可以看出，在34.5MHz到45MHz频率范围内，本发明可实现等效磁导率为负的特性。

从图12可以看出，在34.5MHz到42MHz频率范围内，本发明可实现等效媒质折射率为负的特性。

Claims

1.一种基于一层基板的小型化人工电磁材料，包括N个结构单元，N≥2，每个结构单元设有一个介质基板层(1)，其特征在于，该介质基板层(1)的两面均蚀刻矩形折线，两端涂有金属层(2)，介质基板一端所涂的金属层(2)与介质基板层(1)一面的矩形折线的底端连接，介质基板另一端所涂的金属层(2)与介质基板层(1)另一面的矩形折线的顶端连接。

2.一种基于一层基板的小型化人工电磁材料制备方法，包括如下步骤：

(1)选用厚度为0.1mm～1mm，介电常数ε_r＝2.6±0.05，损耗角正切tanδ＝0.015的聚四氟乙烯双面PCB覆铜板，在其两个覆铜箔表面均蚀刻矩形折线，制得两面均为折线面的介质基板层；

(2)在介质基板层的两端涂10μm～1mm厚的金属层，再将介质基板一端所涂的金属层与介质基板层一面的矩形折线的底端连接，将介质基板另一端所涂的金属层与介质基板层另一面的矩形折线的顶端连接，制得人工电磁材料结构单元；

(3)重复步骤(1)～(2)，得到N个结构单元，N≥2；

(4)将所有的结构单元以单元的介质基板的长度为周期进行平行等距排列，通过绝缘粘结材料热压处理粘接，制得人工电磁材料块材。

3.根据权利要求2所述的基于一层基板的小型化人工电磁材料制备方法，其特征在于所述步骤(1)中的矩形折线，其矩形的长度L_m＝0.99L，矩形的宽度H_m＝0.99H，矩形折线的横线线宽L_wm＝1.15×10^-2L，矩形折线的竖线线宽L_wm＝7.7×10^-3L，线间距S_wm＝7.7×10^-3L，其中L、H分别为覆铜板的长度和宽度。

4.一种基于一层基板的小型化人工电磁材料，包括N个结构单元，N≥2，每个结构单元设有一个介质基板层(1)，其特征在于，该介质基板层(1)的一面蚀刻矩形折线，另一面蚀刻平面螺旋线，螺旋中心连有圆形金属贴片(3)，介质基板层(1)的两端涂有金属层(2)，每端的金属层(2)与介质基板层(1)上的矩形折线的一端连接。

5.根据权利要求4所述的基于一层基板的小型化人工电磁材料，其特征在于所述的圆形金属贴片，其半径r为0.5mm～5mm。

6.一种基于一层基板的小型化人工电磁材料制备方法，包括如下步骤：

(A)选用厚度为0.1mm～1mm，介电常数ε_r＝2.6±0.05，损耗角正切tanδ＝0.015的聚四氟乙烯双面PCB覆铜板，在其一个覆铜箔表面蚀刻矩形折线，在另一个覆铜箔表面蚀刻平面螺旋线，制得一面为折线面另一面为螺旋面的介质基板层；

(B)在介质基板层的两端涂10μm～1mm厚的金属层，再将两端的金属层分别与该介质基板上的折线连接，制得人工电磁材料结构单元；

(C)重复步骤(A)～(B)，得到N个结构单元，N≥2；

(D)将所有的结构单元以单元的介质基板的长度为周期进行平行等距排列，通过绝缘粘结材料热压处理粘接，制得人工电磁材料块材。

7.根据权利要求6所述的基于一层基板的小型化人工电磁材料制备方法，其特征在于所述步骤(A)中的矩形折线，其矩形的长度L_m＝0.99L，矩形的宽度H_m＝0.99H，矩形折线的横线线宽L_wm＝1.15×10^-2L，矩形折线的竖线线宽L_wm＝7.7×10^-3L，线间距S_wm＝7.7×10^-3L，其中L、H分别为覆铜板的长度和宽度。

8.根据权利要求6所述的基于一层基板的小型化人工电磁材料制备方法，其特征在于所述步骤(A)中的平面螺旋线为矩形平面螺旋线，其外轮廓长度L_p＝0.92L，外轮廓宽度H_p＝0.92H，匝数n＝13，线宽L_wp＝8.1×10^-3L，线间距S_wp＝1.23×10^-2L，其中L、H分别为覆铜板的长和宽。