CN108258432A - 一种田字型的二维左手材料 - Google Patents

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金杰
何政蕊
焦强
翟少华
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Tianjin University
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Tianjin University
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • 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

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Abstract

本发明公开了一种田字型的二维左手材料，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，所述介质基板为正方形，边长为3.2～3.5mm，厚度为0.8mm；所述介质基板的一侧镀有田字型结构的镀铜，所述田字型结构为中心对称结构，所述田字型结构中的十字形由两个矩形镀铜结构相交形成，所述田字型结构的四个顶角无镀铜，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田字型结构阵列，所述田字型结构阵列沿沿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和Z轴两个方向上具有左手特性。

Description

一种田字型的二维左手材料
技术领域
本发明涉及超材料领域，具体涉及一种田字型的二维左手材料。
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。
近年来，左手材料的研究方向主要有：一方面是多维数、多频带左手材料的新型结构的设计与实现，如双Z形金属条结构，十字环型结构同向开口双环结构；另一方面是左手材料在微波、天线领域内的应用。但现存的多维数左手材料往往存在结构复杂、带宽窄、损耗大和电路板双侧印刷等问题，所以性能优良、结构简单、易于加工的新型多维左手材料结构成为一个重要的研究方向。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种具有优良性能的田字型的二维左手材料。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种田字型的二维左手材料，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，所述介质基板为正方形，边长为3.2～3.5mm，厚度为0.8mm；所述介质基板的一侧镀有田字型结构的镀铜，所述田字型结构为中心对称结构，所述田字型结构中的十字形由两个矩形镀铜结构相交形成，所述田字型结构的四个顶角无镀铜，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田字型结构阵列，所述田字型结构阵列沿沿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和Z轴两个方向上具有左手特性。
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0.07mm。
进一步的，所述矩形镀铜结构的长和宽分别为3.3mm和0.12mm。
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6.66GHz～12.24GHz频段内等效介电常数、等效磁导率、折射率同时为负，绝对带宽为5.58GHz，相对带宽为59.05％，单元损耗低至0.22dB，单元电尺寸为0.10，体现了具有该田字型中心对称结构的二维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。
本发明保护一种田字型的二维左手材料，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，正方形介质基板边长a＝3.36mm mm，厚度为0.80mm，介质基板的一侧镀有田字型结构的镀铜，田字型结构为中心对称结构，田字型结构中的十字形由两个矩形镀铜结构相交形成，矩形镀铜结构的长和宽分别为3.3mm和0.12mm；田字型结构的四个顶角没有设置镀铜，留有缺口；而镀铜金属线的宽度为0.12mm，厚度为0.07mm，结构尺寸如图1所示，此外还有短横线长度l1＝1.35mm，l2＝1.19mm。
本实施例中二维左手材料单元结构印刷在介质基板单侧上，按照1x3x1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0.87mm*10.08mm*10.08mm，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Port1端口入射到开缝工字型内部，从Port2端口出射，此时设置激励方式为波阻抗激励，左右的间距为10.08mm。该中心对称结构是一种新型二维左手结构，在y和z轴两个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6.00GHz，最高频率设为13.00GHz，频率间隔为0.01GHz.从图3(a)中可以看出，S11和S21谐振点位于6.55GHz和12.31GHz，回波损耗为-56.59dB；从图3(b)中可以看出，S21的相位在6.66GHz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-0.66dB，说明平均每个单元结构的传输损耗小于0.22dB。
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，本发明可以从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，来确定左手频段的范围。
如图4(a)至图5所示，等效介电常数、磁导率、折射率在6.66GHz～12.24GHz内同时为负，其共同频段即为改进型开缝十字型二维结构的左手频段。
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 6.66-12.24
μ<0 6.66-12.40
n<0 6.66-12.47
如表1所示，可以看出具有本发明结构的左手材料在6.66GHz～12.24GHz频段内等效介电常数、等效磁导率、折射率同时为负，绝对带宽为5.58GHz，相对带宽为59.05％，单元损耗低至0.22dB，单元电尺寸为0.10，体现了田字型中心对称结构是一种性能优良的单面二维左手材料。
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 (4)

1.一种田字型的二维左手材料，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，所述介质基板为正方形，边长为3.2～3.5mm，厚度为0.8mm；所述介质基板的一侧镀有田字型结构的镀铜，所述田字型结构为中心对称结构，所述田字型结构中的十字形由两个矩形镀铜结构相交形成，所述田字型结构的四个顶角无镀铜，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田字型结构阵列，所述田字型结构阵列沿沿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和Z轴两个方向上具有左手特性。
2.根据权利要求1所述一种田字型的二维左手材料，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。
3.根据权利要求1所述一种田字型的二维左手材料，其特征在于，所述镀铜的宽度为0.12mm，厚度为0.07mm。
4.根据权利要求1所述一种田字型的二维左手材料，其特征在于，所述矩形镀铜结构的长和宽分别为3.3mm和0.12mm。
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Citations (3)

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20080296710A1 (en) * 2005-09-30 2008-12-04 The Government Of The Us, As Represented By The Secretary Of The Navy Photoconductive Metamaterials with Tunable Index of Refraction
CN102760966A (zh) * 2012-07-03 2012-10-31 深圳光启创新技术有限公司 宽频高透波超材料及其天线罩和天线系统
CN104409846A (zh) * 2014-11-27 2015-03-11 张永超 一种透波超材料天线罩

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Title
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吴良威等: "基于多开口田字形宽频带低损耗左手材料", 《物理学报》 *
王宝等: "一种新型宽频低损左手材料设计", 《激光与光电子学进展》 *

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