CN105006657B - 一种带分形递归控制的回旋镖型单面左手材料结构 - Google Patents
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Abstract
一种带分形递归控制的回旋镖型单面左手材料结构，涉及左手材料。设有微波介质基板和内部嵌套递归至少1阶回旋镖分形结构的金属层组成，金属层刻蚀在微波介质基板一面，每阶的回旋镖型分形结构是由4个相同的回旋镖基础结构经四重旋转后形成，所述回旋镖基础结构由一条圆弧段和一条直线段构成，圆弧段一端与直线段一端相连；最外侧的4个回旋镖基础结构的圆弧段形成非封闭的圆周形状，最外侧的4个回旋镖基础结构的直线段形成中心镂空的十字形形状。左手材料的单元仅为单面的回旋镖型分形结构，因而加工工艺十分简单；回旋镖型分形结构的高阶调制和强耦合性使其在传输损耗、单元电长度都很小的情况下，具有较宽的双负频段和负折射率频段。
Description
技术领域
本发明涉及左手材料，尤其是涉及一种带分形递归控制的回旋镖型单面左手材料结构。
背景技术
左手材料(LHM，Left-Handed Material)是介电常数和磁导率同时为负的人工合成材料，它的电场E，磁场H及波矢K遵从左手定则。自从俄国科学家Veselago从理论上预测出左手材料的存在，到1996年Pendry等人从等离子体理论的角度提出产生负介电常数的直线段阵列理论模型，指明了产生负介电常数的条件，即为入射波频率低于等离子谐振频率，再到1999年Pendry等人又提出了实现负磁导率的开口金属环理论模型。2001年，D.R.Smith等采用了金属线阵列和开口金属环阵列复合单元结构，首次观测到了负折射现象。2002年，美国多伦多大学中Eleftheriades教授的科研小组提出了周期性L-C网络结构的左手材料，L-C网络单元结构是由串联电路加载的电容和并联电路加载的电感构成。与此同时，美国加州大学Iton教授的科研组通过在微带线结构上加载过孔接地短接线电感和交指电容的方式来实现传输线上的右手电感和左手电容。2004年，Iton教授带领的科研小组又提出了复合左/右手传输线的概念，该结构是由纯左手传输线结构和纯右手传输线结构相结合构成。自从复合左/右手传输线的概念被提出后，很快就成了国际上的一个热门研究课题，国内外许多学者将注意力转移到复合左/右手传输线的研究中。2005年，D.R.Smith领导的科研小组基于S参数法，对周期性结构双负材料的折射率、磁导率和介电常数等电磁参数进行了提取过程探讨。
左手材料的单元结构设计是左手材料研究领域的重点。世界上第一个左手材料实物是在2000年由美国科学家Smith的科研小组设计并且制造出来的，直接将研究从理论推理进入了实验研究阶段。虽然第一个左手材料性能不够稳定，带宽和损耗都很不理想，但是却给了后来的研究者以启发。
大多数左手材料都工作在微波频段内，例如金属短线对结构[1]，S型结构[2-4]，Ω型结构[5-7]，H型结构[8-9]，树枝结构[10-11]，渔网结构[12-13]，多缝开口环与金属十字架型结构[14]等等。这些结构通过利用金属本身的电磁谐振来实现负电磁参数，因此也会产生较大的损耗。并且结构参数的调节也要求非常精细，不便于控制左手材料的性能。并且，这些结构多数都需要刻蚀在介质基板的两侧，不能很好地应用在大多数微波器件上，有些结构比较复杂，因此实用价值不高。
从实现左手材料以来，科学家们不断地设计出新的单元结构使左手材料的带宽更宽，损耗更小，制作更方便，并且更便于应用在各种微波和光学器件上。那么如何根据不断成熟的理论设计出性能更优化的结构单元便成了全世界科学家们面临的问题。
参考文献：
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发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，克服传统左手材料的复杂性，提供一种带分形递归控制的回旋镖型单面左手材料结构，只需一种简单的可分形递归的结构单元，就可以实现较宽的折射率和双负特性，成本低廉，便于加工生产。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种带分形递归控制的回旋镖型单面左手材料结构，设有微波介质基板和内部嵌套递归至少1阶回旋镖分形结构的金属层组成，金属层刻蚀在微波介质基板一面，每阶的回旋镖型分形结构是由4个相同的回旋镖基础结构经四重旋转后形成，所述回旋镖基础结构由一条圆弧段和一条直线段构成，圆弧段一端与直线段一端相连；最外侧的4个回旋镖基础结构的圆弧段形成非封闭的圆周形状，最外侧的4个回旋镖基础结构的直线段形成中心镂空的十字形形状。
所述微波介质基板的介电常数可为2.2～6.0，形状最好为正方形，正方形边长可为14～20mm，厚度可为0.2～0.9mm。
所述最外侧的4个回旋镖基础结构的圆弧段形成非封闭的圆周最好是以微波介质基板中心为圆心，半径可为6.5～7.5mm的圆周，圆弧段的中心角可为75°～85°；所述直线段的长度可为6.0～7.0mm，所述圆弧线和直线段的宽度相同，可为0.5～1.0mm；在所述十字形的中心镂空部，正对的2条直线段的端部间距可为1.0～2.0mm。
所述内部嵌套递归至少1阶回旋镖分形结构的递归比率可为(1.6～2.4):1，嵌套递归的阶数可为1～3。
所述金属层可为铜层，厚度可为0.01～0.03mm。
所述内部嵌套递归的递归比率取2:1，阶数取1，内部嵌套形成的4个回旋镖型分形结构的圆弧段是以其直线段窄边的中点为圆心、以3.1mm为半径画出的圆弧，中心角n为82.8°；回旋镖型分形结构的直线段的长度均为3.1mm，圆弧线和直线段的宽度均为0.4mm，相邻两直线段间的距离为3.2mm；介质基板的长和宽为16mm，介电常数为4.4，厚度h为0.25mm。
与现有技术比较，本发明的有益效果如下：
在电磁波垂直入射的情况下，回旋镖型结构之间形成谐振环，产生磁谐振实现负磁导率；多阶回旋镖分形结构的直线段构成阵列，产生电谐振实现负介电常数，从而使该结构单元可以同时实现较宽的双负频段和负折射率频段，并且通过改变递归阶数和结构单元的参数尺寸，来调节该左手材料的不同电磁参数(等效介电常数ε和等效磁导率μ)，从而调整双负频段。
应用时，可将本发明通过周期排布构成单层或多层材料结构，这样的周期阵列结构整体可以看作一种新型的微波左手材料结构。这样制备出来带分形递归控制的回旋镖型单面左手材料结构可以实现较宽的负折射率和双负特性。该材料可调控的几何参量有嵌套递归阶数、回旋镖结构分形结构间的距离，这些参量同时也都是可以影响左手材料等效电磁参数的关键因素。因此只要对回旋镖型分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。
与常见的左手材料结构相比，本发明左手材料的单元仅为单面的回旋镖型分形结构，因而加工工艺十分简单；回旋镖型分形结构的高阶调制和强耦合性使其在传输损耗、单元电长度都很小的情况下，具有较宽的双负频段和负折射率频段，大大拓宽了左手材料的应用领域。本发明结构可以实现在6.2～6.9GHz频率范围内表现出负等效介电常数和负等效磁导率的双负特性，在6.0～7.6GHz频率范围内表现出负折射率特性。
附图说明
图1为本发明实施例1的结构示意图。
图2为本发明实施例1中波导端口反射系数和传输系数幅度变化示意图。在图2中，横坐标为频率/GHz，纵坐标为S参数的幅度；实曲线为参数S11的幅度变化示意图，虚曲线为参数S21的幅度变化示意图。
图3为本发明实施例1中波导端口反射系数和传输系数相位变化示意图。在图3中，横坐标为频率/GHz，纵坐标为S参数的弧度的相位/rad；实曲线为参数S11的相位变化示意图，虚曲线为参数S21的相位变化示意图。
图4为本发明实施例1中左手材料的等效介电常数变化示意图。在图4中，横坐标为频率/GHz，纵坐标为等效介电常数的取值；实曲线为等效介电常数的实部，虚曲线为等效介电常数的虚部。
图5为本发明实施例1中左手材料的等效磁导率变化示意图。在图5中，横坐标为频率/GHz，纵坐标为等效磁导率的取值；实曲线为等效磁导率的实部，虚曲线为等效磁导率的虚部。
图6为本发明实施例1中左手材料的等效折射率变化示意图。在图6中，横坐标为频率/GHz，纵坐标为等效折射率的取值；实曲线为等效折射率的实部，虚曲线为等效折射率的虚部。
图7为本发明应用例1的结构示意图。
图8为本发明应用例2的结构示意图。
具体实施方式
实施例1
一种带分形递归控制的回旋镖型单面左手材料结构，设有微波介质基板1和内部嵌套递归1阶回旋镖分形结构的金属层2组成，金属层2为铜层，采用覆铜技术进行刻蚀在微波介质基板1一面，覆铜厚度为0.02mm。每阶的回旋镖型分形结构是由4个相同的回旋镖基础结构经四重旋转后形成，所述回旋镖基础结构由一条圆弧段21和一条直线段22构成，圆弧段21一端与直线段22一端相连；最外侧的4个回旋镖基础结构的圆弧段21形成非封闭的圆周形状，最外侧的4个回旋镖基础结构的直线段22形成中心镂空的十字形形状。
所述微波介质基板1的介电常数为4.4，形状为正方形，正方形边长l为16mm，厚度h为0.2～0.9mm。
所述最外侧的4个回旋镖基础结构的圆弧段21形成非封闭的圆周是以微波介质基板1中心为圆心，半径为7.0mm的圆周，圆弧段21的中心角n为82.8°；所述直线段22的长度a为6.2mm，所述圆弧线21和直线段22的宽度w相同，为0.8mm；在所述十字形的中心镂空部，正对的2条直线段22的端部间距d为1.6mm。
所述内部嵌套递归的递归比率取2:1，阶数取1，内部嵌套形成的4个回旋镖型分形结构的圆弧段是以其直线段窄边的中点为圆心、a1等于3.1mm为半径画出的圆弧，中心角n为82.8°；回旋镖型分形结构的直线段的长度a1均为3.1mm，圆弧线和直线段的宽度w1均为0.4mm，相邻两直线段间的距离d1为3.2mm；介质基板的长和宽l为16mm，介电常数为4.4，厚度h为0.25mm。
参见图2和3，根据电磁波垂直入射分析结构单元，图2和3分别是本实施例S参数的幅度和相位变化曲线，参见图4、5和6，图4、5和6分别是由该结构的S参数所提取的等效介电常数，磁导率和等效折射率变化曲线。该结构在6.2～6.9GHz频带内ε和μ实部同时为负，出现左手通带；在6.0～7.6GHz具有负的等效折射率。
应用例1
参见图7，将实施例1所述所述单层左手材料结构的回旋镖型分形结构作为结构单元，通过周期排布可以在单层介质基板形成阵列，阵列中相邻结构单元的间距为2.0mm(可为1～3mm)。
应用例2
参见图8，将应用例1所述所述单层左手材料结构进行等间距固定排布，制备多层的左手材料结构，每层间的距离为8mm(可为6～10mm)。
Claims (9)
1.一种带分形递归控制的回旋镖型单面左手材料结构，其特征在于，设有微波介质基板和内部嵌套递归至少1阶回旋镖分形结构的金属层组成，金属层刻蚀在微波介质基板一面，每阶的回旋镖型分形结构是由4个相同的回旋镖基础结构经四重旋转后形成，所述回旋镖基础结构由一条圆弧段和一条直线段构成，圆弧段一端与直线段一端相连；最外侧的4个回旋镖基础结构的圆弧段形成非封闭的圆周形状，最外侧的4个回旋镖基础结构的直线段形成中心镂空的十字形形状。
2.如权利要求1所述一种带分形递归控制的回旋镖型单面左手材料结构，其特征在于，所述微波介质基板的介电常数为2.2～6.0，形状为正方形，正方形边长为14～20mm，厚度为0.2～0.9mm。
3.如权利要求1所述一种带分形递归控制的回旋镖型单面左手材料结构，其特征在于，所述最外侧的4个回旋镖基础结构的圆弧段形成非封闭的圆周是以微波介质基板中心为圆心，半径为6.5～7.5mm的圆周，圆弧段的中心角为75°～85°。
4.如权利要求1所述一种带分形递归控制的回旋镖型单面左手材料结构，其特征在于，所述直线段的长度为6.0～7.0mm。
5.如权利要求1所述一种带分形递归控制的回旋镖型单面左手材料结构，其特征在于，所述圆弧线和直线段的宽度相同，为0.5～1.0mm。
6.如权利要求1所述一种带分形递归控制的回旋镖型单面左手材料结构，其特征在于，所述十字形的中心镂空部，正对的2条直线段的端部间距为1.0～2.0mm。
7.如权利要求1所述一种带分形递归控制的回旋镖型单面左手材料结构，其特征在于，所述内部嵌套递归至少1阶回旋镖分形结构的递归比率为1.6:1～2.4:1，嵌套递归的阶数为1～3。
8.如权利要求7所述一种带分形递归控制的回旋镖型单面左手材料结构，其特征在于，所述内部嵌套递归的递归比率为2:1，嵌套递归的阶数为1。
9.如权利要求1所述一种带分形递归控制的回旋镖型单面左手材料结构，其特征在于，所述金属层为铜层，厚度为0.01～0.03mm。
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