CN105552542A - 一种k波段电磁双负超材料 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种K波段电磁双负超材料，包括介质基板和覆盖在介质基板上的一个新型谐振器与一条矩形金属导线。所述新型谐振器包括内部的三个金属条组合而成的一个闭合正三角形，外部为具有三个开口的正六边形的结构。闭合三角形与六边形的三个顶点重合，六边形未与三角形重合的三个顶点上各有一个开口。总体表现为三个小的谐振腔背向的组合。基于传统的谐振腔与矩形金属导线组合的结构，提出一种新型谐振器，该谐振器通过较小谐振腔并联的方式，提高了谐振频率，与矩形金属导线组合形成新型双负材料，该材料不仅在18.8Ghz(K波段)处实现了双负特性，同时保证了辐射面积，使其在电磁器件中应用时可以更好的发挥双负特性。
Description
技术领域
本发明涉及电磁双负超材料，特别是一种在常规尺寸下实现的K波段的电磁双负超材料，属于电磁“超材料”结构设计领域。
背景技术
电磁双负材料是一种介电常数和磁导率同时为负的人工合成超材料，其电场向量，磁场向量，波矢分量满足左手定则，所以又称为左手材料。双负材料与自然界中其他材料的区别之一是电磁波在其中传播时群速度与向速度相反，这种反常的电磁特性使得双负材料呈现出很多超自然的物理现象，比如逆多普勒效应、负折射现象、完美透镜效应、反涅尔斯定律等。双负材料最早由前苏联科学家V.G.Veselago于上世纪60年代在理论上证实，但是当时在自然界中并不能找到这种具有奇妙特性的物质。直到20世纪60年代，英国科学家Penty等人提出周期型排列的导电金属线和金属谐振环(SRR)分别在一定频率下可以实现负介电常数和负磁导率。以此为基础，美国科学家Smith教授设计出了一种金属杆和金属谐振环周期性排列的复合材料，最终使其呈现出双负特性。
谐振腔与金属线组成的SRR结构是实现双负材料制备的一种结构单元。随后提出的树枝型结构，矩形谐振腔结构，双“I”型结构，双“Z”型结构等也都很好地实现了材料的双负特性，但由于随着双负材料单元尺寸增大，其谐振频率变小，出现双负特性的频率范围也随之变小。在电磁器件可以接受的尺寸上，目前提出的双负材料出现双负特性的频率范围集中在较低的C波段以及X波段，对于更高频段的电磁双负材料还没有实现。
发明内容
本发明的目的在于提供一种K波段电磁双负超材料，所述的双负超材料基于传统的谐振腔与金属线组合的结构，提出一种新型谐振器，该谐振器通过较小谐振腔并联的方式，提高了谐振频率，与矩形金属导线组合形成新型双负材料，该材料不仅在18.8Ghz(K波段)处实现了双负特性，同时保证了辐射面积，使其在电磁器件中应用时可以更好的发挥双负特性。解决了目前的双负材料出现双负特性的频率过高时尺寸太小而难以应用的问题。
本发明设计方案是：一种新型谐振器与矩形金属导线组合的新型双负材料结构，即一种K波段电磁双负超材料，所述新型双负材料包括介质基板，所述介质基板上覆盖有一个谐振器和一条矩形金属导线，所述矩形金属导线竖向放置于谐振器下方，所述新型谐振器的内部为三个金属条组合而成的闭合正三角形，所述谐振器的外部为正六边形结构。所述正六边形结构的其中三个顶点与所述闭合正三角形的三个顶点重合，所述正六边形结构的另外三个顶点处均开设有开口，总体表现为三个小的谐振腔背向的组合。
根据本发明所述的K波段电磁双负超材料，所述介质基板为介电常数4.4的树脂氧化玻璃纤维FR4-epoxy，所述谐振器和矩形金属导线采取覆铜技术刻蚀在介质基板两侧，覆铜厚度为0.1mm。
根据本发明所述的K波段电磁双负超材料，介质基板厚度为0.25mm。
根据本发明所述的K波段电磁双负超材料，谐振器外部正六边形外边长m为2mm，组成正六边形所用金属条宽度w为0.3mm。
根据本发明所述的K波段电磁双负超材料，谐振器内部正三角形外边长s为3.46mm，组成正三角形所用金属条宽度w为0.3mm。
根据本发明所述的K波段电磁双负超材料，谐振器中正六边形三个开口的开口宽度g为0.44mm。
根据本发明所述的K波段电磁双负超材料，矩形金属导线长度为6mm，宽度为0.3mm，厚度为0.1mm。
有益效果：
(1)本发明取材方便，制备简单，尺寸较小，无需传统制备过程中的焊接工序，便于加工制作，具有极大的实用价值。
(2)本发明基于传统的谐振环和金属线组合的结构，可以同时实现介电常数和磁导率同时为负。单个谐振器也有很好地磁响应特性，可以独自应用在各类电磁器件上。
(3)本发明出现双负特性的频段位于高频，结构尺寸属于常规尺寸，辐射面积较大，可以更好的实现高频段双负材料的应用。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。
图1是新型谐振器的平面图；
图2是新型双负材料的结构图；
图3是电磁波入射新型双负材料的S参数(dB)幅度图；
图4是新型双负材料等效磁导率幅度图；
图5是新型双负材料等效介电常数幅度图。
图中，1为介质基板，2为矩形金属导线，3为谐振器
具体实施方式
本发明新型双负材料包括介质基板和覆盖在介质基板上的新型谐振器和矩形金属导线，如图1，所述新型谐振器由三个小的三角形谐振腔背向组合而成，每个小谐振腔均有一个开口，与之相对的三条三角形的边组成一个大的闭合正三角形。所述矩形金属导线刻蚀在介质基板的另一侧，与谐振器外围六边形的两个边平行，并且位于所平行的两条边的中间位置，总体呈对称结构。
本发明优选实例详情如下：
如图2，本例实施的K波段电磁双负超材料由介质基板和刻蚀在介质基板两侧的谐振器和矩形金属导线组成。谐振器由三个小的谐振腔背向组合而成，内部形成闭合正三角形结构，外部呈现为正六边形结构，谐振器厚度为0.1mm，所用材料为铜。谐振器外部正六边形的外边长为2mm，组成正六边形的金属条宽度为0.3mm。谐振器内部的正三角形外边长为3.46mm，组成正三角形的金属条宽度为0.3mm。谐振器正六边形的三个开口的开口宽度均为0.44mm。介质基板另一侧矩形金属导线长度为6mm，宽度为0.3mm，厚度为0.1mm，所用材料为铜。
电磁波垂直入射介质基板时，图3是电磁波入射新型双负材料的S参数(dB)幅度图，图4是新型双负材料等效磁导率幅度图，图5是新型双负材料等效介电常数幅度图，该结构在18.8GHz时出现双负通带，介电常数和磁导率同时为负。
本申请提出的K波段电磁双负超材料由新型谐振器和矩形金属导线组成，通过加载等效电容和等效电感实现复合左右手传输线结构，实现了介电常数和磁导率同时为负。通过较小谐振腔并联的方式，在较大尺寸下实现了K频段的双负条件。这种材料在电磁器件上应用时，既实现了高频段的双负特性，又保证了辐射面积，可以应用在微带天线等电磁器件上。
Claims (4)
1.一种K波段电磁双负超材料，其特征在于：所述K波段电磁双负超材料包括介质基板，所述介质基板上覆盖有一个谐振器和一条矩形金属导线，所述矩形金属导线竖向放置于谐振器下方，所述谐振器的内部为三个金属条组合而成的闭合正三角形，所述谐振器的外部为正六边形结构，所述正六边形结构的其中三个顶点与所述闭合正三角形的三个顶点重合，所述正六边形结构的另外三个顶点处均设有开口，总体表现为三个小的谐振腔背向的组合。
2.根据权利要求1所述的K波段电磁双负超材料，其特征在于所述介质基板为介电常数4.4的环氧树脂玻璃纤维板FR4-epoxy，所述谐振器和矩形金属导线均采取覆铜技术刻蚀在介质基板的两侧。
3.根据权利要求1所述的K波段电磁双负超材料，其特征在于所述谐振器厚度为0.1mm，谐振器外部正六边形结构的外边长为2mm，组成正六边形所用金属条宽度为0.3mm；谐振器内部正三角形的外边长为3.46mm，组成正三角形所用金属条宽度为0.3mm；谐振器外部正六边形的三个开口的开口宽度为0.44mm，所述矩形金属导线长度为6mm，宽度为0.3mm，厚度为0.1mm。
4.根据权利要求1所述的K波段电磁双负材料，其特征在于介质基板厚度为0.25mm。
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