CN104241866B

CN104241866B - 一种基于双十字架型的宽带低耗小单元左手材料

Info

Publication number: CN104241866B
Application number: CN201410328451.8A
Authority: CN
Inventors: 耿友林; 董怀景
Original assignee: Hangzhou Dianzi University
Current assignee: Hangzhou Dianzi University
Priority date: 2014-07-10
Filing date: 2014-07-10
Publication date: 2016-05-18
Anticipated expiration: 2034-07-10
Also published as: CN104241866A

Abstract

本发明涉及一种基于双十字架型的宽带低耗小单元左手材料。本发明包括两个十字架型金属线结构，且由两个十字架型金属线结构镜像并列放置在介质基板的同一侧组成；十字架型金属线结构由短横直线和长竖直线构成，十字架型金属线的短横直线长度a为1.0～5.0mm，长竖直线的长度b为2.0～6.0mm,长竖直线的线宽的取值范围为0.1～0.25mm；双十字架型金属线结构单元阵列中长竖直线之间的横向间距g为0.1～0.25mm，短横直线之间的纵向间距k为2.5～6.0mm。本发明加工简单；双十字架结构的高度耦合性使其在传输损耗、单元电长度都很小的情况下，带宽达到50%以上，拓宽了左手材料的应用领域。

Description

一种基于双十字架型的宽带低耗小单元左手材料

技术领域

本发明涉及一种基于双十字架型的宽带低耗小单元左手材料，属于电磁介质特性研究领域。

背景技术

Veselago在1968年提出了左手材料的概念，并指出其介电常数和磁导率在一定电磁波频段内同时为负，且具有诸如负折射现象、完美透镜效应、逆Doppler效应等很多奇异的电磁特性(V.G.Veselago.TheElectrodynamicsofSubstanceswithSimultanesouslyNegtiveValue[J].SovietPhysics.1968,10:509-514)。正是由于这些特殊的电磁特性，才使得左手材料在光学成像、天线系统、微波器件以及电磁隐身等领域具有广泛且重要的应用。然而这一理论直到三十年后才由Smith通过金属导线和开口谐振环结合体的形式首次实(D.R.SmithW.J.Padilla，D.C.Vier，eta1.Compositemediumwithsimultaneouslynegativepermeabilityandpermittivity，Phys.Rev.Lett.2000.84：4184-4187.)。自此以后，左手材料的研究走上了飞速发展得快车道。

在近十几年的时间里，左手材料得到了长足的发展，各种不同设计类型不断地被提出。大体上，这些结构可根据电磁波的入射方向分为两种类型：一种是电磁波平行入射介质基板形式，如H形结构、对称环结构、“巨”字形结构、欧米伽结构等；另一种是电磁波平行入射介质基板形式，如金属线对结构、渔网结构、网格形结构等。但是垂直入射结构相对于平行入射有着明显的缺点，例如容易导致屏蔽效应(screeningeffects)，吸收损耗(absorptionloss)较大等。而这些缺点都是实用环境所尽量避免的.在平行入射结构中，又可按结构类型分为单面和双面两种。双面结构由于要在介质基板的两侧都进行结构蚀刻，增加了制作的难度，同时损耗也普遍偏大，也不是实用结构的首选。所以，现阶段单面平行入射的左手材料结构是研究的主要方向。目前已经出现了多种单面结构，如Nasrin的十字金属线对结构的左手材料，陈春晖的磁谐振器与共面短金属导线相结合的左手材料，杨晨的十字环形结构以及孙永志的双S型结构等。而这些结构普遍存在着结构复杂、带宽窄、损耗大以及体积大等一系列问题，严重限制了左手材料的应用和发展。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种基于双十字架型的宽带低耗小单元左手材料。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

本发明包括两个十字架型金属线结构，且两个十字架型金属线结构镜像并列放置在介质基板的同一侧组成双十字架型金属线结构单元阵列；

所述的十字架型金属线结构由短横直线和长竖直线构成，十字架型金属线的短横直线长度为a,a的取值范围为1.0～5.0mm，十字架型金属线的长竖直线的长度为b，b的取值范围为2.0～6.0mm,十字架型金属线的长竖直线的线宽为w,w的取值范围为0.1～0.25mm；双十字架型金属线结构单元阵列中长竖直线之间的横向间距为g,g的取值范围为0.1～0.25mm，双十字架型金属线结构单元阵列中短横直线之间的纵向间距为k,k的取值范围为2.5～6.0mm；双十字架型金属线结构单元阵列中长竖直线两端距上下边界的距离为d,d的取值范围为0～0.2mm。

所述的双十字架型金属线结构单元阵列的单元间隔为c,c的取值为0.1～0.5mm；所述的单元间隔为两个双十字架型金属线结构单元阵列中，同一水平线上十字架型金属线短横直线之间的距离；

所述的双十字架型金属线结构单元阵列中金属线的电谐振和磁谐振位于同一频段，从而实现左手特性。

所述的双十字架型金属线结构单元阵列刻蚀在介质基板上；所述的介质基板为介电常数4.4的环氧树脂PCB基板；在刻蚀过程中，若使用单层单面覆铜PCB基板刻蚀，则能制备单层双十字架型左手材料；；若将多片单层的双十字架型左手材料按等间距1.0～10mm排列，即得到块状左手材料。

本发明有益效果如下：

本发明中左手材料的单元仅为单一的双十字架型的金属线结构，因而加工工艺十分简单；双十字架结构的高度耦合性使其在传输损耗、单元电长度都很小的情况下，带宽达到50％以上，大大拓宽了左手材料的应用领域。

附图说明

图1：双十字架型左手材料的结构单元；

图2：实施例一双十字架型左手材料的结构示意图；

图3(a)：实施例一双十字架型左手材料的仿真S参数曲线；

图3(b)：实施例一双十字架型左手材料的仿真S参数曲线；

图4(a)：通过参数提取方法提取的实例一的等效媒质参数图；

图4(b)：通过参数提取方法提取的实例一的等效媒质参数图；

图4(c)：通过参数提取方法提取的实例一的等效媒质参数图；

图5：实施例二双十字架型左手材料的结构示意图；

图6：实施例三双十字架型左手材料的结构示意图；

图7：实施例四的样品图；

图8：实施例四的测试结果与实施例一的仿真结果对比图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

如图1和图2所示，一种基于双十字架型的宽带低耗小单元左手材料，包括两个十字架型金属线结构，且两个十字架型金属线结构镜像并列放置在介质基板的同一侧组成双十字架型金属线结构单元阵列；

所述的双十字架型金属线结构单元阵列通过电路板刻蚀技术刻蚀在介质基板上；所述的介质基板为介电常数4.4的环氧树脂PCB基板；在刻蚀过程中，若使用单层单面覆铜PCB基板刻蚀，则能制备单层双十字架型左手材料；若将多片单层的双十字架型左手材料按等间距1.0～10mm排列，即得到块状左手材料。

实施例一：

采用电路板刻蚀技术，在厚度为0.5mm的环氧树脂PCB基板某一面上刻蚀出双十字架型金属线结构单元阵列，单元间距c＝0.15mm。双十字架金属线短横直线的长度a＝1.4mm,长竖直线的长度b＝2.8mm，直线的线宽w＝0.12mm，两十字架型金属线之间的横向间距g＝0.18mm，纵向间距k＝2.6mm，金属线结构距上下边界的距离d＝0.1mm。将刻蚀后的PCB板切成大小为10.08mm×6.35mm，制得单层双十字架型左手材料如附图2所示。

采用商业电磁仿真软件AnsoftHFSS对该结构进行仿真。仿真S参数如附图3(a)、3(b)所示，附图3(a)为S₁₁、S₂₁的幅值曲线图，从中可以看出在9.4～16GHz上出现了一个通带，且在通带内S21的幅度大于-0.6dB，这说明平均每个结构单元的传输损耗小于0.15dB。附图3(b)为S₁₁、S₂₁的相位曲线图。通过参数提取方法提取的等效媒质参数如附图4所示。附图4(a)表明实施例结构在9.4～16GHz的频段上具有负的介电常数。附图4(b)表明实施例结构在9.4～16GHz的频段上具有负的磁导率。附图4(c)表明实施例结构在9.4～16GHz的频段上具有负的等效折射率。因此实施例结构在9.4～16GHz的频段上实现左手特性，左手特性的频带相对带宽达到52％，平均单元传输损耗小于

0.15dB。中心频率的电长度0.06。实现宽带低耗小单元的左手材料。

实施例二：

采用电路板刻蚀技术，在厚度为0.7mm的环氧树脂PCB基板某一面上刻蚀出双十字架型金属线结构单元阵列，单元间距c＝0.25mm。双十字架金属线短横直线的长度a＝2.3mm,长竖直线的长度b＝3.1mm，直线的线宽w＝0.15mm，两十字架型金属线之间的横向间距g＝0.15mm，纵向间距k＝3.8mm，金属线结构距上下边界的距离d＝0.05mm。将刻蚀后的PCB板切成大小为16.95mm×8.24mm，制得单层双十字架型左手材料如附图5所示。

实施例三：

采用电路板刻蚀技术，在厚度为1.0mm的环氧树脂PCB基板某一面上刻蚀出双十字架型金属线结构单元阵列，单元间距c＝0.3mm。双十字架金属线短横直线的长度a＝4.0mm,长竖直线的长度b＝5.5mm，直线的线宽w＝0.2mm，两十字架型金属线之间的横向间距g＝0.1mm，纵向间距k＝4.6mm，金属线结构距上下边界的距离d＝0mm。将刻蚀后的PCB板切成大小为7.19mm×17.2mm，制得单层双十字架型左手材料如附图6所示。

实施例四：

由实施例一制得单层双十字架型左手材料，将15块单层左手材料以1.524mm为周期排列成一个22.86mm×10.08mm×6.35mm的左手材料块。将其放在BJ100波导里，利用波导同轴转接头链接矢量网络分析仪与波导，S参数由安捷伦的矢量网络分析仪N520C测得，样品如附图7所示。测试结果与实施例一的仿真结果对比如附图8所示(必须指出的是，标准波导BJ100的工作频率范围是8～12GHz，所以测试的结果只放置了该频段内的结果，但这并不影响实验的验证。通过对比我们发现测试出来的通带壁仿真结果向上平移了一点，这是由于加工和制作误差、片与片之间的填充物EVA海绵的介电常数不等于空气的介电常数以及单元结构没有很好的接触波导壁等因素导致的)。

以上所述，仅为本发明的优选实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，即大凡依本发明权利要求及发明说明书内容所做的简单的等效变化与修饰，皆应仍属本发明专利覆盖的范围。

Claims

1.一种基于双十字架型的宽带低耗小单元左手材料，其特征在于包括两个十字架型金属线结构，且两个十字架型金属线结构镜像放置在介质基板的同一侧组成双十字架型金属线结构单元阵列；多组双十字架型金属线结构单元阵列并列放置在介质基板上；

所述的十字架型金属线结构由短横直线和长竖直线构成，十字架型金属线的短横直线长度为a，a的取值范围为1.0～5.0mm，十字架型金属线的长竖直线的长度为b，b的取值范围为2.0～6.0mm，十字架型金属线的长竖直线的线宽为w，w的取值范围为0.1～0.25mm；双十字架型金属线结构单元阵列中两条长竖直线之间的横向间距为g，g的取值范围为0.1～0.25mm，双十字架型金属线结构单元阵列中两条短横直线之间的纵向间距为k，k的取值范围为2.5～6.0mm；双十字架型金属线结构单元阵列中上方十字架型金属线结构的长竖直线的上端距离上边界的距离和下方十字架型金属线结构的长竖直线的下端距离下边界的距离均为d，d的取值范围为0～0.2mm。

2.如权利要求1所述的一种基于双十字架型的宽带低耗小单元左手材料，其特征在于所述的双十字架型金属线结构单元阵列的单元间隔为c，c的取值为0.1～0.5mm；所述的单元间隔为两个双十字架型金属线结构单元阵列中，同一水平线上十字架型金属线短横直线之间的距离。

3.如权利要求1所述的一种基于双十字架型的宽带低耗小单元左手材料，其特征在于所述的双十字架型金属线结构单元阵列中金属线的电谐振和磁谐振位于同一频段。

4.如权利要求1所述的一种基于双十字架型的宽带低耗小单元左手材料，其特征在于所述的双十字架型金属线结构单元阵列刻蚀在介质基板上；所述的介质基板为介电常数4.4的环氧树脂PCB基板。