CN104319485A - 平面结构微波波段左手材料 - Google Patents

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Abstract

平面结构微波波段左手材料，涉及通信领域。它是为了解决传统左手材料结构笨重、加工制作不方便的问题。本发明所用的材料仅有普通的微波介质板和金属铜，成本低廉，利用普通的PCB印刷技术便能够进行加工，完全适合大批量低成本生产。本发明包括n个单元，n为正整数；每个单元包括覆铜谐振结构单元和介质板，铜谐振结构单元固定在介质板的上表面上；覆铜谐振结构单元上蚀刻有镂空结构，该镂空结构由“工”字型结构、两个左开口矩形结构和两个右开口矩形结构构成。本发明适用于通信领域。

Description

平面结构微波波段左手材料
技术领域
本发明涉及通信领域。 
背景技术
目前，国际上学者将由人工设计的、具有特异电磁性质的结构安排制备形成的材料统称为超材料(metamaterial)。近年来人们对这种超材料特别感兴趣，原因在于这种超材料结构的周期长度远小于电磁波波长，有利于器件的小型化和集成化，这是普通的光子晶体无法比拟的。以左手材料，光子晶体，频率选择表面(FSS)为代表的超材料，在光学成像，小型化天线，电磁波隐形等领域有广泛的应用前景。而平面超常媒质由于其平面结构的优势更是具有了更加广阔的应用范围。 
传统的左手材料设计思想是通过连续金属线的等离子体振荡实现负介电常数，通过磁谐振器的磁谐振实现负磁导率，左手材料研究初期涌现出的左手材料大都基于这一设计思想。第二种设计思想是通过电谐振器的电谐振实现负介电常数，磁谐振器的磁谐振实现负磁导率，避免连续金属线带来的诸多不便。但这两种左手材料存在以下问题：电谐振器或连续金属线与磁谐振器需要在空间中有一定的排列方式，将会占用较多的空间导致结构笨重不方便使用；分别加工电谐振器或连续金属线与磁谐振器并进行组合，工艺过程较为复杂，不利于推广，因此其应用价值受到了限制。 
发明内容
本发明是为了解决传统左手材料结构笨重、加工制作不方便的问题，从而提供了一种平面结构微波波段左手材料。 
平面结构微波波段左手材料，它包括n个单元，n为正整数； 
每个单元包括覆铜谐振结构单元和介质板，铜谐振结构单元固定在介质板的上表面上； 
覆铜谐振结构单元上蚀刻有镂空结构，该镂空结构由“工”字型结构1、两个左开口矩形结构2和两个右开口矩形结构3构成， 
其中一个右开口矩形结构3和一个左开口矩形结构2沿“工”字型结构的竖直部分对称设置，且该右开口矩形结构3和该左开口矩形结构2分别套在“工”字型结构上部的水平部分； 
另一个右开口矩形结构3和另一个左开口矩形结构2沿“工”字型结构的竖直部分对称设置，且该右开口矩形结构3和该左开口矩形结构2分别套在“工”字型结构下部的水 平部分。 
本发明的有益效果是：本发明所用的材料仅有普通的微波介质板和金属铜，成本低廉，利用普通的PCB印刷技术便能够进行加工，完全适合大批量低成本生产。 
附图说明
图1为平面结构微波波段左手材料的整体结构图； 
图2为平面结构微波波段左手材料的单元的结构图； 
图3为平面结构微波波段左手材料的单元的侧视图； 
图4为平面结构微波波段左手材料的单元的立体图； 
图5为涉及的电谐振器的结构图； 
图6为电谐振器的等效电路； 
图7为左手材料的散射参数； 
图8为左手材料的等效参数，实线为该左手材料的等效介电常数，虚线为该左手材料的等效磁导率； 
图9为左手材料的折射率，实线为折射率的实部，虚线为虚部； 
图10为实际测量左手材料散射参数与仿真的对比图。 
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述的平面结构微波波段左手材料，它包括n个单元，n为正整数； 
每个单元包括覆铜谐振结构单元和介质板，铜谐振结构单元固定在介质板的上表面上； 
覆铜谐振结构单元上蚀刻有镂空结构，该镂空结构由“工”字型结构1、两个左开口矩形结构2和两个右开口矩形结构3构成， 
其中一个右开口矩形结构3和一个左开口矩形结构2沿“工”字型结构的竖直部分对称设置，且该右开口矩形结构3和该左开口矩形结构2分别套在“工”字型结构上部的水平部分； 
另一个右开口矩形结构3和另一个左开口矩形结构2沿“工”字型结构的竖直部分对称设置，且该右开口矩形结构3和该左开口矩形结构2分别套在“工”字型结构下部的水平部分。 
具体实施方式二：本实施方式对具体实施方式一所述的平面结构微波波段左手材料作进一步限定，本实施方式中，n个单元呈阵列式排列。 
具体实施方式三：本实施方式对具体实施方式一所述的平面结构微波波段左手材料作 进一步限定，本实施方式中，n个单元为一体件。 
具体实施方式四：本实施方式对具体实施方式一所述的平面结构微波波段左手材料作进一步限定，本实施方式中，介质板的长度为6mm，宽度为6mm，高度为1.5mm，介电常数为3.5。 
具体实施方式五：本实施方式对具体实施方式一所述的平面结构微波波段左手材料作进一步限定，本实施方式中，铜谐振结构单元厚度为0.018mm。 
具体实施方式六：本实施方式对具体实施方式一所述的平面结构微波波段左手材料作进一步限定，本实施方式中，镂空结构的线宽为0.2mm，宽度为4.5mm。 
由于左手材料结构单元的尺寸远小于入射电磁波的波长，可近似认为结构单元上的电场和磁场均为均匀分布。在入射电场和磁场的作用下，用于实现负磁导率的磁谐振器，和用于实现负介电常数的电谐振器可以近似看作为由集总电容和电感构成的LC谐振电路，所设计的电谐振器的等效电路图如图6所示。电磁波入射到电谐振器上，当电谐振器发生谐振时，谐振负区域的等效介电常数为负数。根据芭比涅原理，如果一个结构具有能够激起电谐振的特性，那么它的互补对称结构如图1在相同的频段内具有激起磁谐振的能力。通过调节结构各参数，可将两种谐振的工作频段调到相同的范围内。结构的电谐振提供负的介电常数，磁谐振提供负的磁导率，从而实现双负参数的平面结构左手材料。 
利用电磁仿真软件CST MICROWAVE STUDIO对模型进行仿真，对于垂直入射的电磁波，得到的散射参数如图8所示。 
由图8可见该结构在9.3-13.4GHz之间形成传输通带，为验证该通带是否为左手通带，提取其等效参数等效介电常数和等效磁导率。 
显而易见，11GHz-13GHz之间所获得的负介电常数和负磁导率的区间吻合的很好，该区间为左手通带。 
该左手材料的折射率曲线如图10所示，由于左手材料折射率定义为                                                  而在提取等效常数时仅进行数学上的计算而并未考虑该公式中具有物理意义的负号，故图中所示折射率的实部为折射率实部得绝对值。 
由于该结构是通过同时产生电谐振和磁谐振获得的左手材料，其介电常数和磁导率能够同时从负值趋向于零，使得其在某一频段内能够获得近零折射率且该折射率的虚部较低，即损耗较小。 

Claims (6)

1.平面结构微波波段左手材料，其特征在于：它包括n个单元，n为正整数；
每个单元包括覆铜谐振结构单元和介质板，铜谐振结构单元固定在介质板的上表面上；
覆铜谐振结构单元上蚀刻有镂空结构，该镂空结构由“工”字型结构(1)、两个左开口矩形结构(2)和两个右开口矩形结构(3)构成，
其中一个右开口矩形结构(3)和一个左开口矩形结构(2)沿“工”字型结构的竖直部分对称设置，且该右开口矩形结构(3)和该左开口矩形结构(2)分别套在“工”字型结构上部的水平部分；
另一个右开口矩形结构(3)和另一个左开口矩形结构(2)沿“工”字型结构的竖直部分对称设置，且该右开口矩形结构(3)和该左开口矩形结构(2)分别套在“工”字型结构下部的水平部分。
2.根据权利要求1所述的平面结构微波波段左手材料，其特征在于：n个单元呈阵列式排列。
3.根据权利要求1所述的平面结构微波波段左手材料，其特征在于：n个单元为一体件。
4.根据权利要求1所述的平面结构微波波段左手材料，其特征在于：介质板的长度为6mm，宽度为6mm，高度为1.5mm，介电常数为3.5。
5.根据权利要求1所述的平面结构微波波段左手材料，其特征在于：铜谐振结构单元厚度为0.018mm。
6.根据权利要求1所述的平面结构微波波段左手材料，其特征在于：镂空结构的线宽为0.2mm，宽度为4.5mm。
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