CN106299716A - 锥状交指dna双螺旋仿生左手材料 - Google Patents

Abstract

锥状交指DNA双螺旋仿生左手材料，涉及一种左手材料。设有介质基板，在介质基板的一表面覆有良导体层，在良导体层上蚀刻有上下2对交叉的对称螺旋金属线，上下2对交叉的对称螺旋金属线呈镜像对称结构，上下2对交叉的对称螺旋金属线以交指的金属杆相连,在每对交叉的对称螺旋金属线内侧设置有向内的交指臂延伸到超过交指中心线，同一方向的指臂末端对齐。通过改变交叉的对称螺旋金属线的圆弧半径、交指结构金属杆特性实现对该左手材料左手特性的灵活控制。结构简单，便于加工，交叉的对称螺旋金属线和交指结构的金属杆的高度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，拓宽了左手材料的应用领域。

Description

锥状交指DNA双螺旋仿生左手材料

技术领域

本发明涉及一种左手材料，尤其是涉及一种锥状交指DNA双螺旋仿生左手材料。

背景技术

电磁超材料(Metamaterials)是一种具有自然界不存在特性的人工复合材料[1]。它由多个复合材料如金属、塑料等的单元组装而成。这些材料单元往往是周期重复排列，并且它们的尺寸小于对应的波长。超材料的特性并非来自它们的基础材料，而是来自它们的新型结构。它们的形状、结构、大小、方向以及排列使其具有控制电磁波的特性，通过阻塞、吸收、加强、弯曲电磁波来获得远超普通材料的电磁特性[2-3]。作为超材料的一种，左手材料(Left-handed Materials)也称作负折射率材料(Negative Index Metamaterials)，反向波媒质(Backward Wave Media),双负超材料(Double Negative Metamaterials)在电磁波的某些频段显示出负的折射率[4]。左手材料由远小于波长的单元组成，这些单元或堆叠，或成曲面并以特殊的重复模式组成了独特的材料。对该材料的设想最早由V.G.Veselago提出[5]，他假设存在一种材料，其电场、磁场和波矢量满足左手螺旋定则，其介电常数ε及磁导率μ均为负。而且在左手材料中传播的电磁波的波矢量和坡印廷矢量刚好相反，因此左手材料相比自然界的普通材料拥有许多奇异的电磁特性。

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[6]、S型结构[7]、Ω型结构[8]、H型结构[9]、树枝结构[10]、渔网结构[11]、多缝开口环与金属十字架型结构[12]等。这些结构通常比较复杂，而且调节限制比较多，因此实用价值不高。

参考文献：

[1]Engheta,Nader；Richard W.Ziolkowski.Metamaterials:Physics andEngineering Explorations[M].John Wiley&Sons.2006:3–30,37,143–150,215–234,240–256。

[2]Zouhdi,Ari Sihvola；Alexey P.Vinogradov.Metamaterials andPlasmonics:Fundamentals,Modelling,Applications[M].New York:Springer-Verlag.2008,Chap.3,106。

[3]Smith D R.What are Electromagnetic Metamaterials？[J].Novelelectromagnetic materials,2009。

[4]Shelby R A,Smith D R,Schultz S.Experimental verification of anegative index of refraction[J].science,2001,292(5514):77-79。

[5]Veselago V G.The electrodynamics of substances with simultaneouslynegative values of and permeability[J].Soviet physics uspekhi,1968,10(4):509。

[6]S.N.Burokur,T.Lepetit,A.Lustrac."Incidence dependence of negativeindex in asymmetric cut wire pairs metamaterials,"Applied Physics Letters,2009,95(19):191114-191114-3。

[7]H.Chen,L.Ran,J.Huangfu,et al."Left-handed materials composed ofonly S-shaped resonators,"Physical Review E,2004,70(5):057605。

[8]F.Zhang,G.Houzet,E.Lheurette,et al."Negative-zero-positivemetamaterial with omega-type metal inclusions,"Journal of Applied Physics,2008.103:084312。

[9]J.F.Zhou,T.Koschny,L.Zhang."Expermental demonstration of negativeindex of refraction,"Applied Physics Letters,2006,88(22):221103。

[10]Y.Yao and X.P.Zhao."Multilevel dendritic structure withsimultaneously negative permeability and permittivity,"Journal of AppliedPhysics,2007,101:124904。

[11]V.D.Lam,J.B.Kim,S.J.Lee,et al."Left-handed behavior of combinedand fishnet structures,"Journal of Applied Physics,2008,103(3):033107-033107-4。

[12]熊汉,洪劲松,金大琳,章志敏.A novel structure for a broadband left-handed metamaterial[J].Chinese Physics B,2012,09:234-238。

发明内容

本发明的目的在于提供一种锥状交指DNA双螺旋仿生左手材料。

本发明设有介质基板，在介质基板的一表面覆有良导体层，在良导体层上蚀刻有上下2对交叉的对称螺旋金属线，上下2对交叉的对称螺旋金属线呈镜像对称结构，上下2对交叉的对称螺旋金属线以交指的金属杆相连,在每对交叉的对称螺旋金属线内侧设置有向内的交指臂延伸到超过交指中心线，同一方向的指臂末端对齐。

本发明可以通过改变交叉的对称螺旋金属线的圆弧半径、交指结构金属杆特性(长度、间距、宽度或者锥形尾部)实现对该左手材料左手特性的灵活控制。

所述介质基板可采用正方形介质基板，正方形介质基板的边长L＝6～10mm，厚度h为0.25～0.50mm，相对介电常数为2～8，损耗角正切值为0.005～0.04，良导体层的厚度为0.01～0.03mm。

所述交叉的对称螺旋金属线均由圆弧组成，圆弧的圆心偏离左右中心轴稍远的一边，离中心轴距离d为0.3～0.6mm，与水平轴线的距离b为2.0～3.0mm。螺旋金属线外侧圆弧半径r均为2.6～3.1mm；内侧圆弧为同心结构，内外圆弧的距离w为0.3～0.6mm。

所述每对交叉的对称螺旋金属线中间的交指结构金属杆数目为n＝3～7个耦合交指，宽度w_r均为0.20～0.40mm，相邻的臂两两之间距离c＝b/n,靠近水平轴的交指臂下侧距离水平轴距离b1为0.3～0.6mm。每条交指臂水平方向都比中垂线超出a1＝0.4～0.8mm。所有交指金属杆的指臂尾端可做成正三角锥状或半圆弧，尾端高g为0.2～0.5mm。

与现有的左手材料相比，本发明具有如下突出的优点和显著的效果：

对于所述锥状交指DNA双螺旋仿生左手材料单元结构，交叉的对称螺旋金属线的形式结构给进一步加载电磁谐振控制结构提供了方便。将其制备于单面覆有良导体的高性能介质基板，可使材料的制作生产以及后期加载应用更加便捷。

当电磁波入射之后，单元结构中交叉的对称螺旋金属线形成完整的磁谐振回路，金属杆产生电谐振，交指电容通过金属线的交错耦合形成类似手指交叉状，其等效电容、电感可以通过指臂间的缝隙大小、指臂长短、形状灵活调节。由于电流主要沿交叉的对称螺旋金属线流动，并且上下两环流方向相反，有较大的耦合电流产生。在磁谐振时，磁场主要集中在交叉的对称螺旋金属线的内侧，说明受锥形交指电容影响，交叉的对称螺旋金属线的磁场由表面转移到内侧，同时在交指臂上的磁场有相当部分集中在锥形指尖上。

将交指金属杆形貌、尺寸、连接方式作为可调控的变量，这些变量均是影响左手材料等效电磁参数的关键因素，通过对这些变量进行调节，可以改变左手材料单元结构的等效电容、等效电感、等效电长度、耦合系数等，从而实现对左手材料电特性如谐振频点、带宽的最终调控。

本发明提供的锥状交指DNA双螺旋仿生左手材料，交叉的对称螺旋金属线形成完整的磁谐振回路实现负磁导率，交指结构金属杆产生电谐振产生负介电常数，结合两者使该结构单元在10GHz附近频段上可以实现负介电常数和负磁导率的左手特性。锥状交指DNA双螺旋仿生左手材料的特征在于，可以通过改变交叉的对称螺旋金属线的圆弧半径r、交指结构金属杆特性(长度a1、间距c、宽度w_r或者锥形尾部g)实现对其左手特性的灵活控制。

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的S参数曲线。在图2中，横坐标为频率/GHz，纵坐标为3个S参数的取值。

图3为本发明实施例1的S参数相位角参数曲线。在图3中，横坐标为频率/GHz，纵坐标为3个S参数相位角的取值。

图4为本发明实施例1的等效磁导率变化示意图。在图4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5为本发明实施例1的等效介电常数变化示意图。在图5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6为本发明实施例1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为本发明实施例1的品质因数。在图7中，横坐标为频率/GHz，纵坐标为品质因数的取值。

图8为本发明实施例1的S参数随金属杆尾端锥形结构高度g的变化。在图8中，横坐标为频率/GHz，纵坐标为S(1,1)的取值。

图9为本发明实施例2的上表面结构图。

图10为本发明实施例2的等效折射率变化示意图。在图10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。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明。

实施例1：参见图1，本发明的基本结构为单面覆有良导体的高性能介质基板，形状为正方形，边长L＝7mm，厚度h为0.25mm，相对介电常数为4.4，损耗角正切值为0.02，良导体厚度为0.017mm。在该介质基板的良导体面蚀刻有上下2对交叉的对称螺旋金属线，呈镜像对称结构，上下以交指的金属杆相连。交叉对称的螺旋金属线均由圆弧组成，圆弧的圆心偏离左右中心轴稍远的一边，离中心轴距离d为0.5mm，与水平轴线的距离b为2.4mm。螺旋金属线外侧圆弧半径r均为2.6mm；内侧圆弧为同心结构，内外圆弧的距离w为0.4mm。在每对交叉的双螺旋线内侧设置有向内的交指臂延伸到超过交指中心线，同一方向的指臂末端对齐。每对双螺旋线中间的交指结构金属杆数目为n＝3个耦合交指，宽度w_r均为0.32mm，相邻的臂两两之间距离c为0.3mm,靠近水平轴的交指臂下侧距离水平轴距离b1为0.6mm。每条交指臂水平方向都比中垂线超出a1＝0.6mm。所有交指金属杆的指臂尾端可做成正三角锥状或半圆弧，尾端高g为0.4mm。锥状交指DNA双螺旋仿生左手材料的特征在于，可以通过改变交叉的对称螺旋金属线的圆弧半径r、交指结构金属杆特性(长度a1、间距c、宽度w_r或者锥形尾部g)实现对其左手特性的灵活控制。

图2，3分别是所述的实施例1的S参数曲线和S参数相位角参数曲线。可知加载锥形交指金属杆后其反射系数S₁₁谐振频率在9.60GHz。因为该结构沿电磁波入射方向仍非对称，因此S₂₂与S₁₁曲线不重合。S₁₁与S₂₁的相位突变点也在9.60GHz，与S₁₁谐振点重合。图4～7为所述的左手结构的等效磁导率，等效介电常数，等效折射率和品质因数。该左手结构磁谐振频率10.1GHz，负磁导率范围在10.10GHz到11.30GHz，电谐振频率也在10.10GHz，负介电常数范围从10.10GHz到13.00GHz，二者重和处即为其双负频率范围：从10.10GHz到11.30GHz。其双负频段内的品质因数从1.0到11.7，其损耗是很低的。

图8为实施例1的S参数随锥状尾端高g的变化。可知随着g的增大，S₁₁及S₂₁的谐振频点都逐渐减小,但其S₁₁幅值也在不断降低，也就是其匹配特性不断减弱。综合考虑S₁₁幅值、交指金属杆的尺寸以及左手结构降频的要求，g应值取0.4mm。g的增大使交指金属杆指臂的磁场分布范围、电流路径都增大，因而导致S参数的谐振频点降低，也将同时使等效电谐振、磁谐振频点降低。当g增大时，总电感将增大，使谐振频点减小，锥形交指金属杆结构的几何参数g可以很好地调节DNA双螺旋左手材料的等效电磁参数。

实施例2：参见图9，本实施例在原单元结构的基础上，将交指结构锥状尾部改为在交指电容的指臂上开半径为r1＝0.12mm的圆形孔，以此在交指结构的指臂增加串联电感。并且在交指电容的指臂上开孔可以明显地改变交指结构中的电流路径，因此改变左手材料的电磁特性。如图10所示，此实施例的双负频段在10.30GHz到12.30GHz，带宽明显增大。

Claims (5)

1.锥状交指DNA双螺旋仿生左手材料，其特征在于设有介质基板，在介质基板的一表面覆有良导体层，在良导体层上蚀刻有上下2对交叉的对称螺旋金属线，上下2对交叉的对称螺旋金属线呈镜像对称结构，上下2对交叉的对称螺旋金属线以交指的金属杆相连,在每对交叉的对称螺旋金属线内侧设置有向内的交指臂延伸到超过交指中心线，同一方向的指臂末端对齐。

2.如权利要求1所述锥状交指DNA双螺旋仿生左手材料，其特征在于所述介质基板采用正方形介质基板。

3.如权利要求2所述锥状交指DNA双螺旋仿生左手材料，其特征在于所述正方形介质基板的边长L＝6～10mm，厚度h为0.25～0.50mm，相对介电常数为2～8，损耗角正切值为0.005～0.04，良导体层的厚度为0.01～0.03mm。

4.如权利要求1所述锥状交指DNA双螺旋仿生左手材料，其特征在于所述交叉的对称螺旋金属线均由圆弧组成，圆弧的圆心偏离左右中心轴稍远的一边，离中心轴距离d为0.3～0.6mm，与水平轴线的距离b为2.0～3.0mm，螺旋金属线外侧圆弧半径r均为2.6～3.1mm；内侧圆弧为同心结构，内外圆弧的距离w为0.3～0.6mm。

5.如权利要求1所述锥状交指DNA双螺旋仿生左手材料，其特征在于所述每对交叉的对称螺旋金属线中间的交指结构金属杆数目为n＝3～7个耦合交指，宽度w_r均为0.20～0.40mm，相邻的臂两两之间距离c＝b/n,靠近水平轴的交指臂下侧距离水平轴距离b1为0.3～0.6mm；每条交指臂水平方向都比中垂线超出a1＝0.4～0.8mm；所有交指金属杆的指臂尾端可做成正三角锥状或半圆弧，尾端高g为0.2～0.5mm。