CN107221753B

CN107221753B - 多频段左手材料结构

Info

Publication number: CN107221753B
Application number: CN201710361632.4A
Authority: CN
Inventors: 姜文; 华烽; 程通; 龚书喜
Original assignee: Xian University of Electronic Science and Technology
Current assignee: Xian University of Electronic Science and Technology
Priority date: 2017-05-22
Filing date: 2017-05-22
Publication date: 2020-01-31
Anticipated expiration: 2037-05-22
Also published as: CN107221753A

Abstract

本发明提出一种多频段左手材料结构，解决现有左手材料结构双负频段数目少的问题，包括介质基板、第一谐振单元、第二谐振单元，第一谐振单元和第二谐振单元由“I”型金属细带和两个相同的“L”型金属结构与“巾”型金属结构组成，第一谐振单元和第二谐振单元印制在介质基板两侧，且三者的几何中心重合，本发明通过两层相互垂直交叉的谐振单元，使左手材料结构的双负频段达到三个，三个双负频段分别为2.7～4GHz、6.5～6.7GHz、10.1～10.7GHz，且最高相对带宽达到38.8％。本发明有着双负频段数目多，最大相对带宽高的特点，可用于实现左手材料在光学成像、微波器件、天线系统、电磁隐身等领域的应用。

Description

多频段左手材料结构

技术领域

本发明属于电磁介质特性研究技术领域，具体涉及一种多频段左手材料结构谐振单元的设计，可用于实现左手材料在光学成像、微波器件、天线系统、电磁隐身等领域的应用。

背景技术

左手材料是一种新型的人工复合材料，左手材料的显著特性就是介电常数ε和磁导率μ在一定的电磁波频段内同时为负，但是仍然遵守Maxwell方程组，而传统介质的介电常数和磁导率都是正的。因为在介质中传播的电磁波的特征是由介电常数和磁导率共同决定的，于是与常规介质不同，在左手材料中传播的电磁波的相速度和群速度方向相反，电磁波的能量传播方向和相速度方向相反，

和之间满足左手螺旋关系而不是右手螺旋关系，因此得名左手材料。

1968年前苏联科学家Veselago首次提出左手材料的思想，随后英国物理学家Pendry等先后设计并提出由周期排列的细金属棒阵列(rod)和金属谐振环(SRR)组成的人工媒质，分别得到了微波段负介电常数与负磁导率的特异性材料，之后Chen等研究者分别研究了将谐振环与金属线集合于一起的”弓”型、“Ω”型、“工”型结构的左手材料。从此以后又不断出现了一些新结构包括螺旋环型结构、树枝型结构、蘑菇型结构、双S型结构。Z型结构、H型结构等。这些左手材料单元结构的普遍存在了双负频段个数少，最大相对带宽窄的问题。例如：

厦门大学在其申请的专利《一种双频段背向交叉耦合周期排列左手材料及其制备方法》(申请号：201410045559.6，公开号：CN 103746190 A)中，提出了一种由形如“E”字型的三叉结构金属线单元组成的左手材料，通过在微波介质材料基板两侧印制至少三个相互对称的三叉金属线单元可以实现在12GHz与17GHz附近两个不同频段上同时产生负介电常数和负磁导率，但是其制备方法比较麻烦，且双负频段仅有两个。

田子建等人在物理学报上发表的一篇名为《基于双∑形金属条的双向左手材料》一文中，提出了一种基于双∑形金属条的双向型二维左手材料结构，该结构由介质基板和两个方向对称放置在介质基板两侧的∑形金属条组成，在电磁波平行入射和垂直入射两种情况下，都能够实现双负特性，达到了在同一个材料上实现两个双负波段的目的，但是其缺点是两个双负频段是在电磁波从不同方向入射到结构的情况下产生的，实现起来比较复杂，而且双负频段数量较少。

总而言之，现有的左手材料结构普遍存在双负频段少的缺点，这极大的限制了左手材料结构的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于提出一种多频段左手材料结构，用于解决现有左手材料结构存在的双负频段数目少的问题，扩大左手材料结构的应用范围。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

多频段左手材料结构，包括介质基板1、第一谐振单元2和第二谐振单元3，所述第一谐振单元2印制在介质基板1的上表面，第二谐振单元3印制在介质基板1的下表面；

所述第一谐振单元2由“I”型金属细带21和两个相同的“L”型金属结构22与“巾”型金属结构23组成，该两个“L”型金属结构22位于介质基板1上表面边缘的一侧，且形成带切角的正方形；该“I”型金属细带21位于正方形切角对角线处的两边，且对称分布；该两个“巾”型金属结构23位于“I”型金属细带21的两边，且对称分布，两个“巾”型金属结构23的上端分别与两个“L”型金属结构22的直角内侧相连接，其中间部分的下端与“I”型金属细带21的中心垂直相连接；

所述第二谐振单元3与第一谐振单元2结构相同，且第二谐振单元3以其中心旋转90°后印制在介质基板1的下表面；

所述第一谐振单元2、第二谐振单元3和介质基板1三者的几何中心重合。

所述介质基板1采用介电常数ε＝4.4的FR4材料，其长度L＝7.8mm～8.2mm，宽度W＝7.8mm～8.2mm，厚度为H＝0.4mm～0.6mm。

所述第一谐振单元2和第二谐振单元3的长度和宽度均为a＝7.5mm～7.7mm。

所述“L”型金属结构22两端边缘和“巾”型金属结构23两边边缘均与“I”型金属细带21平行，且间距均为d＝0.1mm～0.25mm。

所述“L”型金属结构22的外侧边长为a₁＝6.9mm～7.05mm，内侧边长为a₂＝5.9mm～6.05mm，宽度为w₁＝0.4mm～0.6mm。

所述“巾”型金属结构23两边的长度为c₁＝2.5mm～2.7mm，宽度为w₃＝0.3mm～0.5mm，两边边长之间的间距为c₂＝1.9mm～2.1mm，中间的宽度为w₄＝0.4mm～0.6mm。

所述“I”型金属细带21的长度为c₃＝9.8mm～10.2mm，宽度为w₂＝0.4mm～0.6mm。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

本发明由于采用两个“L”型金属结构两端边缘和两个“巾”型金属结构两边的边缘与“I”型金属细带平行形成开口，使第一谐振单元结构能产生一个等效的LC谐振回路；同时由于第二谐振单元与第一谐振单元结构相同，且以其中心旋转90°印制在介质基板下表面，增加了整个结构的谐振回路，克服现有左手材料结构存在的双负频段数目少的技术问题，增加双负频段数目。

实验表明，本发明在在2.7～4GHz、6.5～6.7GHz、10.1～10.7GHz三个频段同时具有负的等效磁导率和负的等效介电常数，三个双负频段内的最大相对带宽达到38.8％，极大的提高了左手材料的带宽性能。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明中的第一谐振单元和第二谐振单元结构示意图；

图3为本发明的仿真示意图；

图4为本发明实施例1的S参数仿真结果图；

图5为本发明实施例1的等效电磁参数示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步描述：

实施例1：

参照图1和图2，本发明包括介质基板1、第一谐振单元2和第二谐振单元3。其中第一谐振单元2印制在介质基板1的上表面，第二谐振单元3与第一谐振单元2结构相同，且第二谐振单元3以其中心旋转90°印制在介质基板1的下表面以增加左手材料的谐振回路。该第一谐振单元2、第二谐振单元3和介质基板1三者的几何中心重合。

所述第一谐振单元2和第二谐振单元3均由“I”型金属细带21和两个相同的“L”型金属结构22与“巾”型金属结构23组成，如图2所示。

两个“L”型金属结构22位于介质基板1上表面边缘的一侧，且形成带切角的正方形；“I”型金属细带21位于正方形切角对角线处的两边，且对称分布；两个“巾”型金属结构23位于“I”型金属细带21的两边，且对称分布，两个“巾”型金属结构23的上端分别与两个“L”型金属结构22的直角内侧相连接，其中间部分的下端与“I”型金属细带21的中心垂直相连接。

为产生等效电容C，使谐振单元产生等效LC谐振回路，两个“L”型金属结构22两端边缘和两个“巾”型金属结构23两边边缘均与“I”型金属细带21平行形成开口，其间距为d，其中d＝0.15mm。

第一谐振单元2和第二谐振单元3的长度和宽度均为a＝7.6mm。

“L”型金属结构22外侧边长为a₁＝7mm；内侧边长为a₂＝6mm；宽度为w₁＝0.5mm。

“巾”型金属结构23两边的长度为c₁＝2.6mm；两边边长之间的间距为c₂＝2mm；两边的宽度为w₃＝0.4mm，中间的宽度为w₄＝0.5mm。

“I”型金属细带21长度为c₃＝10mm，宽度为w₂＝0.5mm。

所述介质基板1采用介电常数ε＝4.4的FR4材料，其长度为L＝8mm，宽度为W＝8mm，厚度为H＝0.5mm。

实施例2：

本实施例与实施例1的结构相同，仅对如下参数作出调整：

“L”型金属结构22两端边缘和“巾”型金属结构23两边边缘与“I”型金属细带21的间距为d＝0.25mm，“L”型金属结构22外侧边长为a₂＝6.9mm；内侧边长为a₃＝5.9mm，宽度为w₁＝0.4mm；“巾”型金属结构23两边的长度为c₁＝2.5mm；两边的宽度为w₃＝0.5mm，中间的宽度为w₄＝0.4mm；“I”型金属细带21长度为c₃＝9.8mm，宽度为w₂＝0.4mm。

实施例3：

本实施例与实施例1的结构相同，仅对如下参数作出调整：

介质基板1的长度为L＝8.4mm，宽度W＝8.4mm，第一谐振单元2和第二谐振单元3的长度和宽度均为a＝7.7mm，“L”型金属结构22宽度为w₁＝0.45mm。

以下结合仿真试验，对本发明的技术效果作进一步说明：

1.仿真模型：

参照图3，在商业仿真软件HFSS_16.0中对实施例1中的左手材料结构进行建模，在该左手材料结构的四周设置理想电磁边界，其中上下边界设置为理想电边界PEC，前后边界设置为理想磁边界PMC，电磁波垂直于左手材料结构从port端口入射。

2.仿真内容：

2.1利用商业仿真软件HFSS_16.0对上述的仿真模型进行电磁仿真，得到S参数结果如图4。

2.2利用商业数学软件MATLAB_2014对得到的S参数进行反演计算，得到等效电磁参数结果如图5。

3.仿真结果：

从图4中可以看出，实线为S11随频率变化曲线，虚线为S21随频率变化曲线，横坐标为仿真过程中设置的频率范围，单位为GHz，纵坐标为仿真得到的S参数值，单位为dB。从图4中可以看出实施例1中的左手材料结构在2.8GHz、6.6GHz、10.5GHz附近为通带，且S11和S21在2.8GHz、6.6GHz、10.5GHz均发生一定的突变，并且突变较为明显，结果表明，实施例1中的左手材料结构在这些频点附近存在双负频段。

从图5中可以看出，横坐标为仿真过程中设置的频率范围，单位为GHz，纵坐标为等效电磁参数值，实线为等效介电常数实部随频率变化曲线，虚线为等效磁导率实部随频率变化曲线。实施例1中的左手材料结构在2.7～4GHz、6.5～6.7GHz、10.1～10.7GHz三个频段内具有负的等效磁导率，在1～13GHz内具有负的等效介电常数，结果表明，实施例1中的左手材料结构在2.7～4GHz、6.5～6.7GHz、10.1～10.7GHz为双负频段，得到一个三频段的左手材料结构，且最高相对带宽达到38.8％。

以上仿真结果说明，本发明在三个频段内产生了双负特性，增加了左手材料结构双负频段的频段数目，且一定程度提高了最大相对带宽。

以上描述仅是本发明的三个实施例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求和保护范围之内。

Claims

1.多频段左手材料结构，包括介质基板(1)、第一谐振单元(2)和第二谐振单元(3)，所述第一谐振单元(2)印制在介质基板(1)的上表面，第二谐振单元(3)印制在介质基板(1)的下表面，其特征在于：

所述第一谐振单元(2)由线形金属细带(21)、两个相同的“L”型金属结构(22)和“巾”型金属结构(23)组成；该线形金属细带(21)位于正方形介质基板(1)的对角线上，且从正方形介质板(1)的右上角延伸至左下角；该两个“L”型金属结构(22)位于介质基板(1)上表面边缘的两侧，两个“L”型金属结构(22)的两端分别带有切角，且关于介质基板(1)的中心对称分布；所述两个“巾”型金属结构(23)分别位于线形金属细带(21)中心的两侧，且关于正方形介质板(1)的中心上下对称；该两个“巾”型金属结构(23)的上端分别与两个“L”型金属结构(22)的直角内侧相连接，其中间部分的下端与线形金属细带(21)的中心垂直相连接；

所述第二谐振单元(3)与第一谐振单元(2)结构相同，且第二谐振单元(3)以其中心旋转90°后印制在介质基板(1)的下表面；

所述第一谐振单元(2)、第二谐振单元(3)和介质基板(1)三者的几何中心重合。

2.根据权利要求1所述的多频段左手材料结构，其特征在于：所述介质基板(1)采用介电常数ε＝4.4的FR4材料，其长度L＝7.8mm～8.2mm，宽度W＝7.8mm～8.2mm，厚度为H＝0.4mm～0.6mm。

3.根据权利要求1所述的多频段左手材料结构，其特征在于：所述第一谐振单元(2)和第二谐振单元(3)的长度和宽度均为a＝7.5mm～7.7mm。

4.根据权利要求1所述的多频段左手材料结构，其特征在于：所述“L”型金属结构(22)两端边缘和“巾”型金属结构(23)两边边缘均与线形金属细带(21)平行，且间距均为d＝0.1mm～0.25mm。

5.根据权利要求1所述的多频段左手材料结构，其特征在于：所述“L”型金属结构(22)的外侧边长为a₁＝6.9mm～7.05mm，内侧边长为a₂＝5.9mm～6.05mm，宽度为w₁＝0.4mm～0.6mm。

6.根据权利要求1所述的多频段左手材料结构，其特征在于：所述“巾”型金属结构(23)两边的长度为c₁＝2.5mm～2.7mm，宽度为w₃＝0.3mm～0.5mm，两边边长之间的间距为c₂＝1.9mm～2.1mm，中间的宽度为w₄＝0.4mm～0.6mm。

7.根据权利要求1所述的多频段左手材料结构，其特征在于：所述线形金属细带(21)的长度为c₃＝9.8mm～10.2mm，宽度为w₂＝0.4mm～0.6mm。