CN103346407B - 带有双棒状调谐结构的e形相互嵌套结构组成的左手材料 - Google Patents

Abstract

带有双棒状调谐结构的E形相互嵌套结构组成的左手材料，涉及一种左手材料。设有至少3排微波介电材料基板；基板一侧雕刻至少3个双E形金属线单元，双E形金属线单元由2个相互错位嵌套对称的E形金属线组成，基板另一侧雕刻至少3个矩形金属线单元，矩形金属线单元和双E形金属线单元的数目相同，矩形金属线单元的长边与双E形金属线单元的横边垂直，双E形金属线单元的中心与矩形金属线单元的中心在同一水平高度，双E形金属线单元之间的距离相同，矩形金属线单元之间的距离相同。设计可自由调节耦合度相互错位对称的双E形结构和金属线；改变各个阵列单元中E形结构中各边的几何参量可以调谐控制结构单元的谐振频率和谐振强度。

Description

带有双棒状调谐结构的E形相互嵌套结构组成的左手材料

技术领域

本发明涉及一种左手材料，尤其是涉及一种刻蚀于微波介质基板上带有双棒状调谐结构的相互嵌套E形金属线单元组成的左手材料。

背景技术

左手材料（left-handed metamaterials）是一种至今尚未在在自然界发现的人工复合材料，是由前苏联物理学家Mandelshtam于1940年最初提出的材料，是在传统的微波电路介质基板上刻蚀出一定尺寸不同形状的金属线图形构成单元结构,将这种单元结构在X、Y和Z方向上分布至少三个组成周期阵列结构。这种阵列结构会引起电场和磁场在一定频率范围内谐振，致使等效介电常数和磁导率同时为负值，而传统介质的介电常数和磁导率都是正的。介质中传播的电磁波特征是由介电常数和磁导率共同决定的，于是电磁波穿过这种阵列结构的介质时，就会表现出与传统介质完全不同的性质；电磁波相速度和群速度方向相反，能量传播方向和相速度方向相反，E、H和k之间满足左手螺旋关系而非右手螺旋关系，因为在于是与常规介质不同，在左手材料中传播的1968年前苏联的科学家Veselago最初对左手材料在理论上做了研究，获知左手材料会呈现出许多新颖的特性，如反常Doppler效应、反常Cherenkov效应、负折射现象等。但是在接下来的30多年来，因为在工程上和实验室都没有发现具有以上特性的材料，所以对左手材料的研究一直处于停滞状态。直到1996年英国的皇家科学院院士J.B.Pendry受到等离子体的启发，把金属丝（Rods）均匀排列，电磁波射入金属丝阵列，波长和电场极化方向满足一定条件时，该金属丝阵列就可以等效为等离子体，获得负介电常数。三年之后，他又利用开口金属谐振环（SRR,Split ring resonator），在一定入射波的条件下又获得了负的磁导率。2000年，美国的科学家D.R.Smith研究小组在Pendry等人研究的基础上，将SRR和Rods合理地组合起来，首次得到了同时具有负的介电常数和磁导率的物质，从此以后，越来越多的人投身到左手材料的研究热潮中，左手材料被“Science”杂志评为2003年度十大科技突破之一。在研究中，逐渐发现左手材料在光学（[5].JasonValentine1,Shuang Zhang1,Thomas Zentgraf,Three-dimensional optical metamaterialwith anegative refractive index,Nature,Vol.455,18Sep.376-379p2008）、电磁学（[6].Alejandro L.Borja,Angel Belenguer,Joaquin Cascon,A Reconfigurable PassiveUHF Reader Loop Antenna for Near-Field and Far-Field RFID ApplicationsIEEE Antanne and Wireless Propagation letters,VOL.11,580-583p,2012）、声学（[7].Huanyang Chenand C.T.Chan,Acoustic cloaking in three dimensions using acoustic metamaterials PhysRev Lett.91,183518,2007；[8].Wenlin Hu,Yuxian Fan,Peifeng Ji,and Jun Yang,Anexperimental acoustic cloak for generating virtual images,J.Appl.Phys.113,024911,(2013)）、电磁隐身（[9].D.Schurig et al.Metamaterial Electromagnetic Cloak atMicrowave Frequencies Science314,977,(2006)）、通信（[10].C.Enkrich,M.Wegener,S.Linden,S.Burger,Magnetic Metamaterials at Telecom and Visible Frequencies,Physical Review Letters.95,203901(2005)）、医学诊断成像（[11].A.N.Lagarkov andV.N.Kissel,Near-Perfect Imaging in a Focusing System Based on a Left-Handed-MaterialPlatePhys Rev Lett.92.077401,2004）等领域有重要的应用价值。目前，各国科研工作者所设计的左手材料都能在某个频点或频段上实现左手特性，并且已经设计出各种各样的单元结构，其中包括螺旋环型结构（[12].Pendry J.B.A Chiral Route to Negative Refraction,Science.1104467,1353-1355p(2004)）、树枝状结构（[13].Bao Shi,Luo ChunRong,ZhangYanPing,Zhao XiaoPeng,Broadband metamaterial absorber based on dendritic structure,Acta Phys.Sin.Vol.59,No.5,May,2010）、蘑菇型结构、双S型结构、Z型结构等。但是以上结构的左手材料电磁参数的可调控性都比较差，这为其实际应用带来了很大的局限性。

发明内容

本发明的目的是提供一种带有双棒状调谐结构的E形相互嵌套金属线结构组成的左手材料。

本发明设有至少3排微波介电材料基板；所述微波介电材料基板的一侧雕刻至少3个双E形金属线单元，所述双E形金属线单元是由2个相互错位嵌套对称的E形金属线组成，微波介电材料基板的另一侧雕刻至少3个矩形金属线单元，所述矩形金属线单元和双E形金属线单元的数目相同，所述矩形金属线单元的长边与双E形金属线单元的横边垂直，双E形金属线单元的中心与矩形金属线单元的中心在同一水平高度，双E形金属线单元之间的距离相同，矩形金属线单元之间的距离相同。

所述微波介电材料基板的介电常数可为2～10，最好为4.4±5%；厚度可为0.25～1.3mm，最好为0.40mm±5%。

所述E形金属线的外边长a可为2～3mm，E形金属线内部边的长度b=1～2.5mm，各边的宽度w=0.05～0.25mm，金属线的厚度为0.01～0.03mm；E形金属线的中心边与侧边之间的距离d=0.1～0.5mm，两个E形金属线对应各边之间的距离p=0.1～0.5mm，其典型值为a=2.20±0.02mm，b=1.85±0.02mm，w=0.15±0.02mm，金属线的厚度为0.018mm±5%，d=0.20±0.02mm，p=0.20±0.02mm。

所述矩形金属线单元的长边L=2～6mm，宽度c2=0.10～0.30mm，金属线的厚度为0.01～0.03mm；其典型值为L=3.00±0.02mm，c2=0.15±0.02mm，金属线的厚度为0.018mm±5%。

优化组合后可获取左手材料不同电磁参数（等效介电常数ε和等效磁导率μ），在3～12GHz范围内可由几何参量调谐控制实现某个频点上等效介电常数和等效磁导率同时为负。

所述带有调谐结构的相互嵌套结构E形金属线单元组成的左手材料可采用以下方法制备：

（1）采用电路板刻蚀技术，在设计厚度尺寸的双面敷良导体的微波介电材料基板两金属表面上分别雕刻出相互错位嵌套对称E形金属线和金属铜线结构单元阵列，结构单元中心间距根据设计频段选取3～10mm，典型值为；6.5±0.5；

（2）改变基本单元结构中的几何参量制得各种不同大小的结构单元；

（3）将所制得的分布有周期性的双E形金属线和金属铜线结构单元阵列的介质板切割为多个单元成一列的条状结构，沿轴向并列放置三排或三排以上构成二维的微波左手材料。

本发明可调控几何参量较多，比如每个E形金属线单元中各个边的长度、两个边之间的距离、两个独立的E之间的间距、背面金属线的宽度、长度等。它们都是可以调控的结构变量，同时也都是可以影响左手材料等效电磁参数的因素。只要对双E形单元结构中的各个几何参量进行调节，就可以根据不同实际应用中的需要获得具有不同等效电磁参数的新型左手材料，其中包括等效介电常数、等效磁导率和等效折射率。本发明的具有矩形条倒角均匀双棒调谐结构的相互嵌套双E形结构周期阵列既是一种全新的左手材料，同时还具有电磁参数可以根据实际应用得到较好的调控的优点。

与常见的左手材料结构相比，本发明结构单元特别设计了可自由调节耦合度相互错位对称的双E形结构和金属线；改变各个阵列单元中E形结构中各边的几何参量可以调谐控制结构单元的谐振频率和谐振强度；获取等效介电常数和等效磁导率在3～12GHz范围内某个所需频率范围同时为负的方便可调控左手材料。

附图说明

图1为本发明实施例中的结构组成示意图。

图2为本发明实施例E形金属线单元的结构组成示意图。

图3为本发明实施例矩形金属线单元的结构组成示意图。

图4为本发明实施例1中波导端口传输系数和反射系数幅度变化示意图。在图4中，横坐标为频率/GHz，纵坐标为S参数的幅度；曲线a为参数S11的幅度变化示意图，曲线b为参数S₁₂的幅度变化示意图。

图5本发明实施例1中波导端口传输系数和反射系数相位变化示意图。在图5中，横坐标为频率/GHz，纵坐标为S参数的弧度的相位/rad；曲线a为参数S11的相位变化示意图，曲线b为参数S12的相位变化示意图。

图6本发明实施例1中左手材料阵列等效介电常数变化示意图。在图6中，横坐标为频率/GHz，纵坐标为介电常数的取值；曲线a为复介电常数的实部，曲线b为复介电常数的虚部。

图7本发明实施例1中左手材料阵列等效磁导率变化示意图。在图7中，横坐标为频率/GHz，纵坐标为磁导率；曲线a为复磁导率的实部，曲线b为复磁导率的虚部。

图8本发明实施例2中几何参数w分别取0.15mm和0.3mm两个值样品的等效介电常数实部变化示意图。在图8中横坐标为频率/GHz，纵坐标为介电常数的取值；曲线a表示几何参数w取值0.3mm时等效介电常数的实部，曲线b表示几何参数w取值0.15mm时等效介电常数的实部。

图9本发明实施例2中几何参数w分别取0.15mm和0.3mm两个值样品的等效磁导率实部变化示意图。在图9中，横坐标为频率/GHz，纵坐标为磁导率的取值；曲线a表示几何参数w取值0.3mm时等效磁导率的实部，曲线b表示几何参数w取值0.15mm时等效磁导率的实部。

图10本发明实施例3中几何参数a分别取2mm和3mm两个值样品的等效介电常数实部变化示意图。在图10中，横坐标为频率/GHz，纵坐标为介电常数的取值；曲线a表示几何参数a取值3mm时等效介电常数的实部，曲线b表示几何参数a取值2mm时等效介电常数的实部。

图11本发明实施例3中几何参数a分别取2mm和3mm两个值样品的等效磁导率实部变化示意图。在图11中，横坐标为频率/GHz，纵坐标为磁导率的取值；曲线a表示几何参数a取值3mm时等效磁导率的实部，曲线b表示几何参数a取值2mm时等效磁导率的实部。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。

参见图1～3，本发明实施例设有至少3排微波介电材料基板1；所述微波介电材料基板1的一侧11雕刻至少3个双E形金属线单元，所述双E形金属线单元是由2个相互错位嵌套对称的E形金属线12组成，微波介电材料基板1的另一侧21雕刻至少3个矩形金属线单元22，所述矩形金属线单元22和双E形金属线单元的数目相同，所述矩形金属线单元22的长边221与双E形金属线单元的横边121垂直，双E形金属线单元的中心与矩形金属线单元22的中心在同一水平高度，双E形金属线单元之间的距离相同，矩形金属线单元之间的距离相同。

所述微波介电材料基板1的介电常数可为2～10，最好为4.4±5%；厚度可为0.25～1.3mm，最好为0.40mm±5%。

所述E形金属线12的外边长a可为2～3mm，E形金属线内部边的长度b=1～2.5mm，各边的宽度w=0.05～0.25mm，金属线的厚度为0.01～0.03mm；E形金属线的中心边与侧边之间的距离d=0.1～0.5mm，两个E形金属线对应各边之间的距离p=0.1～0.5mm，其典型值为a=2.20±0.02mm，b=1.85±0.02mm，w=0.15±0.02mm，金属线的厚度为0.018mm±5%，d=0.20±0.02mm，p=0.20±0.02mm。

所述矩形金属线单元的长边L=2～6mm，宽度c2=0.10～0.30mm，金属线的厚度为0.01～0.03mm；其典型值为L=3.00±0.02mm，c2=0.15±0.02mm，金属线的厚度为0.018mm±5%。

优化组合后可获取左手材料不同电磁参数（等效介电常数ε和等效磁导率μ），在3～12GHz范围内可由几何参量调谐控制实现某个频点上等效介电常数和等效磁导率同时为负。

本发明采用电路板雕刻技术，在厚度为0.40mm±5%的聚四氟乙烯基板的某一面刻蚀出至少三个完全相同的金属铜双E形单元构成周期阵列，周期重复的金属铜双E形单元必须分布在与E形金属铜线的三条横边平行的一条轴线上，中心间距为6.5±3.5mm，金属铜的厚度为0.018mm±5%，对称金属铜双E形单元的外边长a=2.5±0.5mm，边的宽度w=0.225±0.75mm，E形单元中心边的长度b=1.75±0.75mm，中心边与侧边之间的距离d=0.3±0.2mm，两个E的对应各边之间的距离p=0.3±0.2mm；聚四氟乙烯基板另一侧对应E结构中心位置处刻蚀长度L=6.5±3.5mm，宽度c2=0.225±0.075mm的金属线周期阵列，金属线的方向与E形金属铜线的三条横边垂直，重复周期与双E结构相同。将制成的一个方向上周期阵列结构在微波基板轴线方向上同样排列至少三排构成如图1所示的周期阵列，（在图1中，相邻基板之间的距离为1.25mm）。这样制作而成的周期阵列结构，对单元结构中双E形结构中各个边的长度宽度等几何参量综合优化组合，取不同的值，就可以制成可工作于特定频段的双E结构和金属线组合而成的左手材料，并且具有不同的等效介电常数、等效磁导率和等效折射率本发明的实现过程，测试过程和材料的性能由实施例和附图说明：

实施例1：

采用电路板刻蚀技术，厚度为0.40mm±5%覆铜箔厚度为0.018mm±5%的聚四氟乙烯基板的一侧刻蚀出5个完全相同的金属铜双E形单元结构构成周期阵列，周期性重复的金属铜双E形结构必须分布在与E三条水平边平行的一条轴线上，其中心间距为3.00±0.01mm，对称E的外边长度a=2.20±0.01mm，各边的宽度w=0.20±0.01mm，E的中心边长度b=1.85±0.01mm，中心边与侧边之间的距离d=0.10±0.01mm，两个E的对应各边之间的距离p=0.20±0.01mm；介质基板另一侧对应E结构中心的位置上垂直于E的三条水平边刻蚀出同样周期性金属线阵列，线的宽度c2=0.20±0.01mm，线的长度L=3.00±0.01mm。这样制备成的微波入射方向成5个单元结构的周期性左手材料，等间距并列三排放入波导腔内部，测得内部装有左手材料的波导端口传输系数S12和反射系数S11幅度变化情况如图4所示，波导端口传输系数S12和反射系数S11相位变化情况如图5所示，以及由S参数计算出的等效介电常数如图6所示，等效磁导率如图7所示。

实施例2：

采用电路板刻蚀技术，在厚度为0.40mm±5%覆铜箔厚度为0.018mm±5%的聚四氟乙烯基板的一侧刻蚀出5个完全相同的金属铜双E形单元结构周期阵列，周期性重复的金属铜双E结构必须分布在与E三个水平边平行的一条轴线上，其中心间距为3.00±0.01mm，对称E的外边长度a=2.20±0.01mm，E的中心边长度b=1.85±0.01mm，中心边与侧边之间的距离d=0.10±0.01mm，两个E的对应各边之间的距离p=0.20±0.01mm，微波介质基板的另一侧对应E中心的位置上垂直于E的三条水平边刻蚀出同样周期的金属线阵列，线的宽度c2=0.20±0.01mm，线的长度L=3.00±0.01mm。但是金属线各边的宽度w分别取0.15±0.01mm和0.3±0.01mm两个值，这样制备成的在波的入射方向成5个单元结构的周期性左手材料，并列放入矩形波导腔内部，在磁场H极化方向上并列放置三排构成具有周期性的3个单元，然后对比分析在w分别取0.15±0.01mm和0.30±0.01mm时，左手材料等效电磁参数的变化情况。测量计算w分别取不同值时左手材料阵列的等效介电常数实部变化情况如图8所示，等效磁导率实部变化情况如图9所示。

实施例3：

采用电路板刻蚀技术，在厚度为0.40mm±5%覆铜箔厚度为0.018mm±5%的聚四氟乙烯基板的一侧刻蚀出5个完全相同的金属铜双E形单元结构构成周期阵列，周期重复的金属铜双E结构必须分别在与E三个水平边平行的一条轴线上，其中心间距为3.00±0.01mm，金属各边的宽度w=0.20±0.01mm，E的中心边长度b=1.85±0.01mm，中心边与侧边之间的距离d=0.10±0.01mm，两个E的对应各边之间的距离p=0.20±0.01mm，微波基板另一侧对应E中心的位置处垂直于E的三条水平边刻蚀出同样周期的金属线阵列，线的宽度c2=0.20±0.01mm，线的长度L=3.00±0.01mm。但是对称E的外边长度a分别取2.00±0.01mm和3.00±0.01mm两个不同的值，这样制备成的在波的入射方向为5个单元的周期性阵列，并列3排放入矩形波导内部，在磁场H的极化方向上分布3个单元构成周期性，然后对比分析a分别取2.00±0.01mm和3.00±0.01mm时，左手材料等效电磁参数变化情况。a分别取2.00mm和3.00mm时，左手材料等效介电常数实部变化情况如图10所示，等效磁导率实部变化情况如图11所示。

Claims (9)

1.带有双棒状调谐结构的E形相互嵌套结构组成的左手材料，其特征在于设有至少3排微波介电材料基板；所述微波介电材料基板的一侧雕刻至少3个双E形金属线单元，所述双E形金属线单元是由2个相互错位嵌套对称的E形金属线组成，微波介电材料基板的另一侧雕刻至少3个矩形金属线单元，所述矩形金属线单元和双E形金属线单元的数目相同，所述矩形金属线单元的长边与双E形金属线单元的横边垂直，双E形金属线单元的中心与矩形金属线单元的中心在同一水平高度，双E形金属线单元之间的距离相同，矩形金属线单元之间的距离相同；

所述E形金属线的外边长a＝2～3mm，E形金属线内部边的长度b＝1～2.5mm，各边的宽度w＝0.05～0.25mm，金属线的厚度为0.01～0.03mm；E形金属线的中心边与侧边之间的距离d＝0.1～0.5mm，两个E形金属线对应各边之间的距离p＝0.1～0.5mm。

2.如权利要求1所述带有双棒状调谐结构的E形相互嵌套结构组成的左手材料，其特征在于所述微波介电材料基板的介电常数为2～10。

3.如权利要求2所述带有双棒状调谐结构的E形相互嵌套结构组成的左手材料，其特征在于所述介电常数为4.4±5％。

4.如权利要求1所述带有双棒状调谐结构的E形相互嵌套结构组成的左手材料，其特征在于所述微波介电材料基板的厚度为0.25～1.3mm。

5.如权利要求4所述带有双棒状调谐结构的E形相互嵌套结构组成的左手材料，其特征在于所述微波介电材料基板的厚度为0.4mm±5％。

6.如权利要求1所述带有双棒状调谐结构的E形相互嵌套结构组成的左手材料，其特征在于所述E形金属线的外边长a＝2.20±0.02mm，E形金属线内部边的长度b＝1.85±0.02mm，各边的宽度w＝0.15±0.02mm，金属线的厚度为0.018mm±5％，E形金属线的中心边与侧边之间的距离d＝0.20±0.02mm，两个E形金属线对应各边之间的距离p＝0.20±0.02mm。

7.如权利要求1所述带有双棒状调谐结构的E形相互嵌套结构组成的左手材料，其特征在于所述矩形金属线单元的长边L＝2～6mm，宽度c2＝0.10～0.30mm，金属线的厚度为0.01～0.03mm。

8.如权利要求7所述带有双棒状调谐结构的E形相互嵌套结构组成的左手材料，其特征在于所述矩形金属线单元的长边L＝3.00±0.02mm，宽度c2＝0.15±0.02mm，金属线的厚度为0.018mm±5％。

9.如权利要求1所述带有调谐结构的相互嵌套结构E形金属线单元组成的左手材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)采用电路板刻蚀技术，在设计厚度尺寸的双面敷良导体的微波介电材料基板两金属表面上分别雕刻出相互错位嵌套对称E形金属线和金属铜线结构单元阵列，结构单元中心间距根据设计频段选取3～10mm，典型值为6.5±0.5mm；

(2)改变基本单元结构中的几何参量制得各种不同大小的结构单元；

(3)将所制得的分布有周期性的双E形金属线和金属铜线结构单元阵列的介质板切割为多个单元成一列的条状结构，沿轴向并列放置三排或三排以上构成二维的微波左手材料。