CN105390817A - 一种交错缺口正八边形双频带电磁超材料结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种交错缺口正八边形双频带电磁超材料结构，包括：介质基板；在所述介质基板的一面蚀刻设有内正八角形金属片和外正八角形金属片，内正八角形金属片的最大半径小于外正八角形金属片的最小半径，所述内、外正八边形金属片的边间隔均具有一个缺口，且内、外正八边形金属片的缺口呈交错状态分布；在所述介质基板的另一面水平刻蚀设有一金属条，所述金属条的长度为介质基板的长度。采用本发明的技术方案，可满足双频带性能指标的应用场合。

Description

一种交错缺口正八边形双频带电磁超材料结构

技术领域

本发明属于电磁超材料的技术领域，尤其涉及一种交错缺口正八边形双频带电磁超材料结构。

背景技术

如图1所示，目前单缺口八边形超材料结构采用介电常数为2.2的RogersRT/duroid5880作为介质基板，其长宽都为10毫米，且厚度为0.7874毫米。在该基板表面所刻蚀的内外八角形的每条边的宽度都为0.6毫米，其中内八角形和外八角形相距0.845毫米。此外，从外八角形到内八角，每个八边形的边长分别为4.0毫米、3.5毫米、2.8毫米、2.3毫米。同时在内外八角形的一条边上都有一个宽为0.3毫米的缺口；在HFSS13中对该结构进行仿真，并采用NRW反演法反演，其结果如图2所示。从反演数据可知，该结构仅能实现在2.9GHz～3.4GHz频段内表现出单频带超材料性能。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种交错缺口正八边形双频带电磁超材料结构，可满足双频带性能指标的应用场合。

为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案：

一种交错缺口正八边形双频带电磁超材料结构包括：介质基板；在所述介质基板的一面蚀刻设有内正八角形金属片和外正八角形金属片，内正八角形金属片的最大半径小于外正八角形金属片的最小半径，所述内、外正八边形金属片的边间隔均具有一个缺口，且内、外正八边形金属片的缺口呈交错状态分布；在所述介质基板的另一面水平刻蚀设有一金属条，所述金属条的长度为介质基板的长度。

作为优选，所述内、外正八边形金属片的宽度均为0.3米，且它们之间距离为0.1毫米；同时内正八角形金属片1的最小半径为3毫米,缺口长度为0.2毫米。

作为优选，所述金属条的宽度为0.2毫米，长度为6.5962毫米。

作为优选，所述介质基板采用长宽均为6.5962毫米，厚度为0.12毫米的正方体介质基板，其材料为介电常数为6.15，介电损耗角为0.0019的Rogers6006。

本发明的交错缺口正八边形超材料结构(ISOMTM，InterlacedsplitsOctagonMetamaterial)与单缺口正八边形超材料结构的不同之处在于内外八边形的边有交替存在的缺口。这种结构设计使得ISOMTM在表现磁谐振时，内外八边形呈现独立的谐振回路，使得整个ISOMTM具有两个“负磁导率”频段。同时在介质基板另外一侧蚀刻金属条，在电谐振时表现出负的介电常数，二者重叠区域则是介电常数和磁导率的“双负”频段，即是左手频段，该结构具有高度对称，参数易调，同时易于制造的优点，在双频段超材料领域具有良好的应用前景。

附图说明

图1为现有单缺口八边形超材料结构的示意图；

图2为现有单缺口八边形超材料结构的反演数据示意图；

图3为本发明交错缺口正八边形双频带电磁超材料结构的示意图；

图4为本发明交错缺口正八边形双频带电磁超材料结构的电磁仿真的结果数据示意图；

图5为本发明交错缺口正八边形双频带电磁超材料结构的反演数据示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。

如图3所示，本发明实施例提供一种交错缺口正八边形双频带电磁超材料结构包括：介质基板10，在所述介质基板10的一面蚀刻设有内正八角形金属片1和外正八角形金属片2，内正八角形金属片1的最大半径小于外正八角形金属片2的最小半径，所述内、外正八边形金属片1、2的边间隔均具有一个缺口3，且内、外正八边形金属片1、2的缺口3呈交错状态分布；在所述介质基板10的另一面水平刻蚀设有一金属条4，所述金属条4的长度为介质基板10的长度。

作为一种优选，所述内、外两个八边形金属片1、2的宽度均为0.3毫米，且它们之间距离为0.1毫米；同时内八角形金属片1的最小半径为3毫米,缺口长度为0.2毫米。

作为一种优选，所述金属条4的宽度为0.2毫米，长度为6.5962毫米。

作为一种优选，所述介质基板10采用长宽均为6.5962毫米，厚度为0.12毫米的正方体介质基板，其材料为介电常数为6.15，介电损耗角为0.0019的Rogers6006(tm)。

本发明的交错缺口正八边形超材料结构(ISOMTM，InterlacedsplitsOctagonMetamaterial)相比单一缺口正八边形超材料结构最大不同之处在于每个正八边形的边间隔具有一个缺口，且内外正八边形的缺口呈现交错状态，该设计方案是解决内外正八边形结构耦合的巧妙方式。在常规单缺口正八边形超材料结构中，在外部电磁激励下，由于内外正八边形结构的耦合，仅能表现出单频带特性，这种设计方式类似于传统SRR/MW结构设计，往往超材料结构本身损耗较大，在单一较窄频带内表现出通带特性，限制了其在实际场合应用范围和价值。

电磁仿真软件提供了廉价且快速的验证工具，本方案采用HFSS13有限元电磁仿真软件进行仿真，通过加载周期边界条件，模拟仿真反射-透射系数，即S₁₁和S₂₁，如图4所示。从S参数曲线图可以看出，该结构在两个频段内通透性较好，初步推测该结构可能存在DFB。

为验证所提结构满足双频带性质，采用NRW电磁参数经典反演法进一步反演其有效参数，其核心公式为以下四个公式，其中，k代表波数，d代表基板厚度，两者均可计算出来。

$n=\frac{1}{\mathrm{kd}}{\cos }^{-1}\left[\frac{1}{2S_{21}}(1-S_{11}^2+S_{21}^2)\right]---\left(1\right)$

$z=\sqrt{\frac{{(1+S_{11})}^2-S_{11}^2}{{(1-S_{11})}^2-S_{21}^2}}---\left(2\right)$

ε＝n/z(3)

μ＝n*z(4)

其中，n为折射率，z为阻抗，ε为介电常数，μ为磁导率，S₁₁为反射系数，S₂₁为透射系数。

通过S₁₁和S₂₁参数进行科学计算即可得到所提结构的有效电磁参数，如图5所示。从中可以看出，在0～16GHZ扫频范围内，所提模型结构在9.25GHz～9.68GHz和15.28GHz～15.36GHz内其有效介电常数和磁导率满足同时为负的性质，验证其满足双频带性能指标。

现有正八边形超材料结构只能实现单频带性能，在需要双频带性能指标的应用场合不能满足实际应用。本发明仅需在正八边形结构上进行改进，不需要额外添加电子元器件，从实现双频带的物理机制出发改进正八边形超材料结构。仿真结果表明所提出的正八边形超材料结构方案满足双频带性能指标，且易于实际加工制造，加工成本较低，易于实现应用推广。

以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种交错缺口正八边形双频带电磁超材料结构，其特征在于，包括：介质基板(10)；在所述介质基板(10)的一面蚀刻设有内正八角形金属片(1)和外正八角形金属片(2)，内正八角形金属片(1)的最大半径小于外正八角形金属片(2)的最小半径，所述内、外正八边形金属片(1、2)的边间隔均具有一个缺口(3)，且内、外正八边形金属片(1、2)的缺口(3)呈交错状态分布；在所述介质基板(10)的另一面水平刻蚀设有一金属条(4)，所述金属条(4)的长度为介质基板(10)的长度。

2.如权利要求1所述的交错缺口正八边形双频带电磁超材料结构，所述内、外正八边形金属片(1、2)的宽度均为0.3毫米，且它们之间距离为0.1毫米；同时内正八角形金属片(1)的最小半径为3毫米,缺口长度为0.2毫米。

3.如权利要求2所述的交错缺口正八边形双频带电磁超材料结构，所述金属条(4)的宽度为0.2毫米，长度为6.5962毫米。

4.如权利要求1所述的交错缺口正八边形双频带电磁超材料结构，其特征在于作为优选，所述介质基板(10)采用长宽均为6.5962毫米，厚度为0.12毫米的正方体介质基板，其材料为介电常数为6.15，介电损耗角为0.0019的Rogers6006。