CN108258431A - 一种设有开缝的工字型左手材料 - Google Patents

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金杰
何政蕊
张赟
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    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q15/00—Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
    • H01Q15/0006—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices
    • H01Q15/0086—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices said selective devices having materials with a synthesized negative refractive index, e.g. metamaterials or left-handed materials

Abstract

本发明公开了一种设有开缝的工字型左手材料，其特征在于，包括由介质基板构成的单元结构，介质基板由介电常数为4～4.8、损耗正切值为0.02的环氧树脂板制成，所述介质基板的高度为3～3.6mm，高度为1.4mm，厚度为0.5mm；所述介质基板的一侧镀有工字型结构的镀铜；所述工字型结构中的竖向镀铜上设有矩形开缝，所述单元结构沿三维立体方向分别扩张延伸相互连接形成有工字型结构阵列，所述工字型结构阵列沿沿X轴方向设置为理想磁边界条件PHC，Z轴的方向设置为理想导体边界条件PEC，电磁波沿Y轴方向入射，设置激励方式为波阻抗激励，在Y方向上具有左手特性。该左手材料具有宽频带、低损耗、小单元、结构简单、易于制作等特点。

Description

一种设有开缝的工字型左手材料
技术领域
本发明涉及超材料领域，具体涉及一种设有开缝的工字型左手材料。
背景技术
Veselago在1968年提出了左手材料的概念，并指出其介电常数和磁导率在一定电磁波频段内同时为负，且具有诸如负折射现象、完美透镜效应、逆Doppler效应等很多奇异的电磁特性。正是由于这些特殊的电磁特性，才使得左手材料在光学成像、天线系统、微波器件以及电磁隐身等领域具有广泛且重要的应用。然而这一理论直到三十年后才由Smith通过金属导线和开口谐振环结合体的形式首次实现。自此以后，左手材料的研究走上了飞速发展得快车道。
在近十几年的时间里，左手材料得到了长足的发展，各种不同设计类型不断地被提出。大体上，这些结构可根据电磁波的入射方向分为两种类型：一种是电磁波平行入射介质基板形式，如“巨”字形结构、欧米伽结构等；另一种是电磁波平行入射介质基板形式，如工字型、网格形结构等。但是垂直入射结构相对于平行入射有着明显的缺点，例如容易导致屏蔽效应(screening effects)，吸收损耗(absorption loss)较大等。而这些缺点都是实用环境所尽量避免的.在平行入射结构中，又可按结构类型分为单面和双面两种。双面结构由于要在介质基板的两侧都进行结构蚀刻，增加了制作的难度，同时损耗也普遍偏大，也不是实用结构的首选。所以，现阶段单面平行入射的左手材料结构是研究的主要方向。目前已经出现了多种单面结构，如Nasrin的十字金属线对结构的左手材料，陈春晖的磁谐振器与共面短金属导线相结合的左手材料等。而这些结构普遍存在着结构复杂、带宽窄、损耗大以及体积大等一系列问题，严重限制了左手材料的应用和发展。因此制作出宽频带、低损耗、小单元的新型单面左手材料势在必行。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种具有宽频带、低损耗、小单元、结构简单、易于制作的设有开缝的工字型左手材料。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种设有开缝的工字型左手材料，其特征在于，包括由介质基板构成的单元结构，介质基板由介电常数为4～4.8、损耗正切值为0.02的环氧树脂板制成，所述介质基板的高度为3～3.6mm，高度为1.4mm，厚度为0.5mm；所述介质基板的一侧镀有工字型结构的镀铜；所述工字型结构中的竖向镀铜上设有矩形开缝，所述单元结构沿三维立体方向分别扩张延伸相互连接形成有工字型结构阵列，所述工字型结构阵列沿沿X轴方向设置为理想磁边界条件PHC，Z轴的方向设置为理想导体边界条件PEC，电磁波沿Y轴方向入射，设置激励方式为波阻抗激励，在Y方向上具有左手特性。
进一步的，所述矩形开缝的长和宽分别为1.5mm和0.05mm。
进一步的，单元结构之间通过介电常数近似于空气的材料相互连接。
进一步的，所述镀铜的宽度为0.12mm，厚度为0.035mm。
进一步的，所述工字型结构的竖向镀铜长度为2.6mm。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
通过仿真分析得到本发明左手材料在8.93GHz～14.05GHz频段内等效介电常数、等效磁导率和折射率同时为负，绝对带宽为5.12GHz，相对带宽为44.56％，单元电尺寸仅为0.05，单元损耗低至0.27dB，体现了该设有开缝工字型结构的左手材料的优良性能。
附图说明
图1为本发明左手材料单元结构及尺寸结构示意图。
图2为左手材料用于仿真的单元结构图。
图3(a)和图3(b)分别为S参数的幅度仿真结果和相位仿真结果。
图4(a)、(b)、(c)分别为等效介电常数、磁导率、折射率的电磁参数仿真图。
图5为等效电磁参数对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
本发明保护一种设有开缝的工字型左手材料，包括由介质基板构成的单元结构，本实施例中介质基板由常用介质FR4材料做成，相对介电常数为4.4，损耗正切值为0.02，基板高度h＝3.36mm，宽度a＝1.40mm，厚度为0.50mm，结构尺寸如图1所示，介介质基板的一侧镀有工字型结构的镀铜；工字型结构中的竖向镀铜上设有矩形开缝，镀铜的宽度为0.12mm，厚度为0.035mm。且工字型结构的竖向镀铜长度经过HFSS软件优化设计后的具体的尺寸为l＝2.60mm，其中矩形开缝的缝长t＝1.50mm，宽s＝0.05mm。
本实施例中左手材料单元结构印刷在介质基板单侧上，按照1x4x1向三维坐标轴的三个方向扩张，形成阵列，如图2所示，其仿真结构单元尺寸为0.50mm*6.05mm*3.36mm，单元结构之间通过介电常数近似于空气的材料相互连接，如泡沫、双面海绵；对图2中的仿真单元结构进行边界条件和激励方式的设定：沿X轴的方向设置为理想磁边界条件PHC，前后间距设置为1.524mm，沿Z轴方向设置为理想导体边界条件PEC，上下间距设置为3.36mm，电磁波沿Y轴方向，从左向右入射到开缝工字型内部，此时设置激励方式为波阻抗激励，左右的间距为6.05mm；在Y轴方向上具有左手特性。
通过HFSS软件得到的S参数幅度曲线和相位曲线如图3(a)和图3(b)所示，仿真时最低频率设为7.00GHz，最高频率设为15.00GHz，频率间隔为0.01GHz；从图3(a)中可以看出，S11和S21谐振点位于8.26GHz和13.83GHz，回波损耗为-44.67dB。从图3(b)中可以看出，S21的相位在8.88GHz处开始发生突变，标志着双负区域的开始，且在通带内S21的幅度大于‐1.06dB，说明平均每个单元结构的传输损耗小于0.27dB。
2005年Smith提出了S参数法，它能够通过S参数的相位和幅度，准确、快速的提取出来左手材料的等效电磁参数，现在已经普遍应用在左手材料领域。通过一段MATLAB代码，可以从S参数中提取出等效电磁参数：等效介电常数、等效磁导率、折射率。通过找出三者实部同时为负的频段区域，来确定左手频段。
如图4(a)至图5所示，等效介电常数、磁导率、折射率在8.93GHz～14.05GHz内同时为负，其共同频段即为新型开缝工结构的左手频段。
表1等效电磁参数随频率变化趋势
等效电磁参数 频率/GHz
ε<0 8.93-14.63
μ<0 8.93-14.05
n<0 8.93-14.40
表1所示，可以看出该新型结构在8.93GHz～14.05GHz频段内等效介电常数、等效磁导率和折射率同时为负，绝对带宽为5.12GHz，相对带宽为44.56％，单元电尺寸仅为0.05，单元损耗低至0.27dB，体现了该设有开缝的工字型结构是一种优秀的单面一维左手材料。
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种设有开缝的工字型左手材料，其特征在于，包括由介质基板构成的单元结构，介质基板由介电常数为4～4.8、损耗正切值为0.02的环氧树脂板制成，所述介质基板的高度为3～3.6mm，高度为1.4mm，厚度为0.5mm；所述介质基板的一侧镀有工字型结构的镀铜；所述工字型结构中的竖向镀铜上设有矩形开缝，所述单元结构沿三维立体方向分别扩张延伸相互连接形成有工字型结构阵列，所述工字型结构阵列沿沿X轴方向设置为理想磁边界条件PHC，Z轴的方向设置为理想导体边界条件PEC，电磁波沿Y轴方向入射，设置激励方式为波阻抗激励，在Y方向上具有左手特性。
2.根据权利要求1所述一种设有开缝的工字型左手材料，其特征在于，所述矩形开缝的长和宽分别为1.5mm和0.05mm。
3.根据权利要求1所述一种设有开缝的工字型左手材料，其特征在于，单元结构之间通过介电常数近似于空气的材料相互连接。
4.根据权利要求1所述一种设有开缝的工字型左手材料，其特征在于，所述镀铜的宽度为0.12mm，厚度为0.035mm。
5.根据权利要求1所述一种设有开缝的工字型左手材料，其特征在于，所述工字型结构的竖向镀铜长度为2.6mm。
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