CN106067603A - 一种超小电尺寸电磁谐振单元及其构成的左手媒介和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超小电尺寸电磁谐振单元及其构成的左手媒介和应用。谐振单元包括衬底和衬底平面上的二分之一波长双平行开路传输线，双平行传输线沿螺旋形卷曲布置，在电磁波入射下能同时被电场和磁场激发产生电谐振和磁谐振；多个谐振单元沿同一直线通过耦合电感连接排列形成一谐振组，多排谐振组平行间隔阵列在同一平面形成一层谐振层，由多层谐振层上下层叠形成左手媒介。本发明能构造出超均匀人工媒介，克服了人工媒介相对于特氟龙等传统连续媒介不够均匀的特性，使得人工媒介能在实际中得到应用并保持原有的特性不变，可广泛应用于各种人工媒介领域。

Description

一种超小电尺寸电磁谐振单元及其构成的左手媒介和应用

技术领域

本发明涉及人工微波媒介领域，尤其是涉及人工微波媒介等领域的一种基于单层平面工艺构造的超小电尺寸电磁谐振单元及其构成的左手媒介和应用。

背景技术

人工媒介的物理本质，是通过密集排列的亚波长谐振单元，模拟自然媒介中原子的电磁极化，以在所需频段获得特定的频率色散。左手媒介即介电常数和磁导率同时为负值的媒介，其特殊之处在于，它的性质不是由它的化学组成而决定的，而是由它的亚波长的结构的性质决定的。组成左手媒介的亚波长结构通常是指尺寸为亚波长的电磁谐振单元，这样可以将自然媒介中的描述原子和电子极化的Drude-Lorentz色散模型从紫外(1PHz)及以上频段移至光、微波等较低频段，以此获得可以任意控制的等效介电常数和磁导率。

左手媒介的概念最早由H.Lamb和A.Schuster于1904年提出。1968年，前苏联科学家Veselago系统地讨论和总结了电磁波在左手媒介中的异常传播特性。其研究认为，左手媒介中的电场、磁场和波矢矢量需服从左手定则，从而表现出负相位传播、逆多普勒频移、逆切伦科夫辐射、负菲涅尔折射等诸多奇异特性。并以此来制作超级透镜、隐身衣、天线罩以及各种微波功能器件。1996年和1999年，Pendry先后利用亚波长周期排列的细金属导线阵列和开口谐振环(Split-ring resonator，SRR)阵列分别实现了在微波频段具有等效负介电常数和负磁导率的人工媒介。2000年，Smith等人通过混合两种亚波长阵列，首次实现了微波频段的左手媒介，并于2002年报道了著名的棱镜实验，给出了负折射率存在的实验验证。

然而，尽管到目前为止，对左手媒介的研究取得了非常大的进展，但是在实际应用中却受到了很大的阻碍。造成这种现象的最主要的原因是人造左手媒介的不均匀性。诸如特氟龙之类的传统媒介，当其被切割成很小的单元时，仍然会保持其对应的电磁现象不变。但是，对于人工媒介来说，一般的人工媒介的均匀度仅为每个单元尺寸为自由空间中的波长的六分之一到十分之一。在这样的均匀度之下，一般的人工媒介要想保证其特性不变，那么他们的尺寸会很大。

基于上述原因，2008年Erentok提出了在传统的谐振单元中引入集总分立电容电感的方式来增加谐振单元的谐振频率来改善均匀度的方法。Padilla课题组的研究员提出了使用螺旋电感结构和蛇形线型结构分别来构造负磁导率和负电导率的人工媒介，其本质仍然是基于引入集总电感的方式来增加电感量，进而降低谐振频率的方法。但是在微波毫米波频段，集总电感电容的传输损耗和辐射损耗是不可忽略的。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种超小电尺寸电磁谐振单元及其构成的左手媒介和应用，谐振单元采用单层平面工艺构造。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一、一种超小电尺寸电磁谐振单元：

所述的谐振单元包括衬底和衬底平面上的二分之一波长双平行开路传输线，两条传输线平行沿螺旋形卷曲布置，从而实现谐振单元空间尺寸的压缩。

本发明由谐振单元形成谐振器由两部分组成，一部分为二分之一波长开路双平线谐振单元，另一部分为连接两谐振单元的耦合电感。利用二分之一波长开路传输线谐振单元，将半波长微带开路谐振器的物理结构压缩成螺旋形结构，可以使得其电谐振频率不变，但是物理尺寸会变小。同时，螺旋形结构的引入使得原本只能够被电场激发谐振的半波长微带谐振器可以同时被磁场激发谐振，进而制造各种不同频率处的电谐振单元和磁谐振单元。

所述的两条传输线沿方形的螺旋形卷曲布置如图1所示。图1中所示的两条传输线呈对称分布，但本发明所要求的两条传输线可以不必对称。

所述的谐振单元的边长尺寸为自由空间中波长的几十分之一到千分之一级别。

本发明可利用不同的平面工艺制造获得不同工作频率下尺寸为自由空间中波长的十分之一到千分之一级别的谐振单元。

所述的谐振单元在电磁波入射下同时被电场和磁场激发产生电谐振和磁谐振。

具体实施中的电磁波的磁场方向沿谐振单元所在平面的法向。

二、一种所述谐振单元在构造等效均匀的左手媒介中的应用。

本发明可通过控制电谐振和磁谐振的负通带频率范围使之产生重叠来构造左手媒介。具体实施可由多个谐振单元沿同一直线排列形成一排谐振组，谐振组共用同一衬底；多排谐振组平行间隔阵列在同一平面形成一层谐振层，谐振层共用同一衬底；再由多层谐振层上下层叠形成左手媒介。

三、一种由所述谐振单元构造而成的左手媒介：

所述左手媒介主要由多层谐振层上下层叠而成，每层谐振层由多排谐振组平行间隔阵列在同一平面而成，每谐振组由多个权利要求1～4任一所述谐振单元沿同一直线排列形成。

每谐振组中的谐振单元依次通过S形的耦合电感相连接而成。谐振单元中一根传输线经耦合电感与相邻谐振单元的一根传输线相连接。

所述的左手媒介在电磁波入射下同时被电场和磁场激发产生电谐振和磁谐振。

所述的电磁波的磁场方向沿谐振单元所在平面的法向，电场方向沿谐振组中谐振单元排列的直线方向。

本发明与背景技术相比具有的有益效果是：

采用本发明的电磁谐振单元通过引入在射频频段广泛使用的传输线而非集总元件的方法，克服了集总元件在微波、毫米波频段大的传输和辐射损耗的缺点，同时物理尺寸会变小，可制造各种不同频率处的电谐振单元和磁谐振单元。

此外，本发明可通过控制电谐振和磁谐振的负通带频率范围使之产生重叠来构造左手媒介，通过耦合电感将很多个很小的谐振单元进行连接并周期排列就可以构造超均匀人工媒介。

本发明采用不同工艺能力的平面工艺，可以不同程度地压缩单个谐振单元的电尺寸，克服了人工媒介相对于特氟龙等传统连续媒介不够均匀的特性，使得人工媒介在各种应用领域，例如完美成像、天线罩以及隐身衣等领域，具有广阔的前景。

附图说明

图1为本发明谐振单元的结构示意图；

图2为本发明实施例样品的局部尺寸图；

图3为本发明实施例左手材料中一层谐振层的结构图；

图4为本发明实施例样品的散射参数曲线，曲线1为S21，曲线2为S11；

图5(a)至图5(c)为利用本发明实施例样品的等效介电常数、等效磁导率以及等效折射率，曲线1表示等效参数的实部，曲线2表示等效参数的虚部。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明的实施例及其实施工作过程如下：

图2为利用本发明谐振单元的实例，该谐振单元为双层结构，包括顶层的金属结构1和底层的介质板2。当入射波的电场方向沿x方向，磁场沿y方向，传播方向沿z轴方向时，由于电场是垂直于双平行线结构的，会在两条平行传输线上产生方向相反的电流；同时由于双平行线的螺旋型结构，当磁场垂直于螺旋环时会产生环形电流，这是产生磁谐振的必备条件。同时可以通过调整谐振单元的尺寸以及耦合电感的电感量，使得电谐振和磁谐振的负频段产生交叠，进而构造左手媒介。

本发明构造的深亚波长谐振单元实例基本尺寸如图2所示。

本实例中的深亚波长谐振单元样品由两层媒介组成，每个单元呈正方形结构，每个单元的长度和宽度分别为a＝b＝660μm。顶层为由完美导体(PEC)构成的螺旋状的双平行线结构(1)，厚度为t_m＝1μm。顶层金属结构的线宽和线间距为w＝g＝1μm，内径的长和宽分别为Ir₁＝9μm、Ir₂＝16μm。底层为起支撑作用的衬底(2)，这里选取有损硅板材，其厚度为t_s＝500μm，相对介电常数为11.9，电导率为2.5×10^-4S/m，相对磁导率为1。

谐振单元在和电磁波发生相互作用时，会在电场的激发下引发电谐振，进而在双平行线上产生方向相反的电流。同时由于螺旋结构的引入，使得该谐振单元可以在磁场的激发下引发磁谐振，在双平行线上产生方向相同的环形电流。

实施例实施过程中通过电磁仿真软件CST进行仿真，利用仿真得到的散射参数反算出介质的等效媒介参数，验证了上述谐振单元的负折射特性。对应不同的工作频率可对应选择其他的参数。

根据Smith等人的研究，可以利用样品介质板的散射参数，根据Maxwell-Garnett等效媒介理论，计算出能代表其电磁特性的等效介电常数和等效磁导率。均匀介质中S参数与波阻抗z，折射系数n之间的关系为：

$S_{21}=S_{12}=\frac{1}{cos\left(nkd\right)-\frac{i}{2}\left(z+\frac{1}{z}\right)sin\left(nkd\right)}$

$S_{11}=S_{22}=\frac{i}{2}\left(z-\frac{1}{z}\right)sin\left(nkd\right)$

其中，S₂₁、S₁₂分别表示两个端口之间的透射，其中S₁₁、S₂₂分别表示两个端口的反射，d为介质板的厚度，k为玻尔兹曼常数。由以上两式，可得到介质中的波阻抗z和折射系数n分别为：

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

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

进而得到介质的等效介电常数μ(ω)和等效磁导率ε(ω)分别为：

$\mathrm{\ϵ}\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{n}{z}={\mathrm{\ϵ}}^{\′}\left(\mathrm{\ω}\right)+{\mathrm{i\ϵ}}^{\′\′}\left(\mathrm{\ω}\right)$

μ(ω)＝nz＝μ'(ω)+iμ”(ω)

其中，ε'(ω)为该等效介质相对介电常数的实部，ε”(ω)为该等效介质相对介电常数的虚部，μ'(ω)为该等效介质相对介电常数的实部，μ”(ω)为该等效介质相对介电常数的虚部，ω表示角频率。

实施例利用CST频域仿真得到的该谐振单元的散射参数如图4所示，利用Matlab工具按上述所述公式可得到有效介电常数和磁导率。

在本实例设计尺寸下的谐振器的各种相关的等效介质参数如图5所示，与图4所示的散射参数相对应，从而验证了该谐振单元的负折射特性。从图5(a)可以看出，在0.29GHz附近，该谐振单元能被x方向极化的电场引发电谐振，在0.29GHz到0.56GHz的频率范围内，实现了负介电常数(ε'(ω)<0)。同样地，从图5(b)可以看出，在0.45GHz附近，该谐振单元能被y方向极化的磁场引发磁谐振，在0.45GHz到0.51GHz的频段范围内，实现了负磁导率(μ'(ω)<0)。在两者重叠的频率范围之内(0.45GHz到0.51GHz)，其等效折射率的实部为负值。

根据本发明谐振单元实例的工作频率约为0.45GHz，如果要工作在其他频率，可通过调整线宽和线间距，以及绕的圈数来实现。

以上所述，仅是根据本发明设计的一个工作在0.45GHz特定频率的较佳实例而已，并非对本发明作任何形式上的限定，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或修饰为等同变化的等效实例，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实例所作的任何的简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种超小电尺寸电磁谐振单元，其特征在于：所述的谐振单元包括衬底和衬底平面上的两条二分之一波长开路传输线，两条传输线平行沿螺旋形卷曲布置，从而实现谐振单元空间尺寸的压缩。

2.根据权利要求1所述的一种超小电尺寸电磁谐振单元，其特征在于：所述的两条传输线沿方形的螺旋形卷曲布置。

3.根据权利要求1所述的一种超小电尺寸电磁谐振单元，其特征在于：所述的谐振单元在不同的工艺精度下的边长尺寸为谐振频率处自由空间中波长的几十分之一到千分之一级别。

4.根据权利要求1所述的一种超小电尺寸电磁谐振单元，其特征在于：所述的谐振单元在电磁波入射下能同时被电场和磁场激发产生电谐振和磁谐振。

5.一种超小电尺寸电磁谐振单元的应用，其特征在于：权利要求1～4任一所述的谐振单元在构造等效均匀的左手媒介中的应用。

6.一种由权利要求1～4任一所述谐振单元构造而成的左手媒介，其特征在于：所述左手媒介主要由多层谐振层上下层叠而成，每层谐振层由多排谐振组平行间隔阵列在同一平面而成，每谐振组由多个权利要求1～4任一所述谐振单元沿同一直线排列形成。

7.根据权利要求6所述的一种左手媒介，其特征在于：每谐振组中的谐振单元依次通过耦合电感相连接而成。

8.根据权利要求6所述的一种左手媒介，其特征在于：所述的左手媒介在电磁波入射下同时被电场和磁场激发产生电谐振和磁谐振。

9.根据权利要求8所述的一种左手媒介，其特征在于：所述的电磁波的磁场方向沿谐振单元所在平面的法向，电场方向沿谐振组中谐振单元排列的直线方向。