CN108598713A - 一种基于t形金属条的单面左手材料及块状左手材料 - Google Patents

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    • 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

本发明公开了一种基于T形金属条的单面左手材料及块状左手材料。本发明的单面左手材料由T形金属条结构单元阵列构成，所述T形金属条结构单元包括两个T形金属条，所述两个T形金属条反向对称交错放置在FR4介质基板单面上。本发明的块状左手材料，包括多片按照间距1.5mm等间距排列的上述基于T形金属条的单面左手材料，所述基于T形金属条的单面左手材料蚀刻在介电常数4.4的环氧树脂PCB基板正面上。本发明中左手材料的单元仅为单一的T形的金属线结构，因而加工工艺十分简单；其传输损耗、单元电长度都很小的情况下，通带带宽达到6.69GHz，并实现了通带的偏移，大大拓宽了左手材料的应用范围。

Description

一种基于T形金属条的单面左手材料及块状左手材料
技术领域
本发明属于电磁介质技术领域，具体涉及一种基于T形金属条的单面左手材料及块状左手材料。
背景技术
左手材料是一类按照一定结构合成的人工媒质，并在特定的电磁频段范围内同时具有负介电常数ε和负磁导率μ。这种材料的奇异特性能够在微波、天线、射频和光学等领域发挥重要的作用。
虽然自然界中存在着各种各样不同特性的材料，但是尚未发现具有该特性的天然材料，基于理论研究，我们可以通过人工构造出来。作为一种人工媒质，左手材料的制备通常在一般媒质中嵌入设计的几何谐振结构，组合形成天然媒质不具有的电磁特性，在物理学界和电磁学界具有重要的研究意义和实际应用。
左手材料这一对物理学界和电磁学界具有划时代意义的系统理论是由前苏联科学家V.G.Veselago于1968年第一次提出的，并通过对左手材料理论模型的计算预测了一系列天然媒质不具有的物理现象：电磁波矢量和波印廷矢量反向平行传播，电场E、磁场H、波矢量k三者之间呈左手螺旋规则等。之后在1996年，J.B.Pendry等人结合电等离子体效应与Drude模型提出了周期性排列的细金属棒阵列产生负等效介电常数的方法；在1999年又结合磁等离子体效应与Drude模型提出了金属谐振环阵列产生负等效磁导率的方法。D.R.Smith等人在此基础上，设计了著名的棱镜折射实验在实验上通过测量其设计的Smith结构左手材料的折射率验证了左手材料的存在。此后，各国科研工作者提出了诸多的新型左手材料结构，比如双十字架形结构、“Ⅱ”形结构、“H”形结构、巨形结构、网格形结构、渔网结构等。然而这些结构普遍存在结构复杂，频带窄等一系列问题。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术制备左手材料的不足，提出一种基于T形金属条的单面左手材料及块状左手材料。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：
一种基于T形金属条的单面左手材料，所述单面左手材料由T形金属条结构单元阵列构成，所述T形金属条结构单元包括两个T形金属条，所述两个T形金属条反向对称交错放置在FR4介质基板单面上。
优选的，所述T形金属条由两条长度分别为H和L的金属条构成，所述H的范围为1.3mm～1.5mm，L范围为2mm～2.5mm；所述金属条的宽度为a，a范围为0.1mm～0.2mm。
优选的，所述T形金属条结构单元阵列由T形金属条结构单元按照1x3排列构成。
优选的，所述FR介质基板的高H1＝9.48mm，长L1＝6.4mm，厚度d＝0.6mm～1.2mm。
优选的，所述T形金属条结构单元阵列刻蚀在FR介质基板的正面，且与FR介质基板的上下边缘的距离为g，g的范围为0.1～0.2mm；T形金属条结构单元中相交错的两条金属条之间的距离为q，q范围为0.1mm～0.5mm。
优选的，所述T形金属条结构单元阵列中各T形金属条结构单元之间的间隔为b,b的范围为0.1～0.5mm；所述间隔为两个T形金属条结构单元中同一水平线上金属横条之间的距离。
优选的，所述金属条的电谐振和磁谐振位于同一频段，从而实现左手特性。
一种块状左手材料，包括多片按照间距1.5mm等间距排列的上述基于T形金属条的单面左手材料，所述基于T形金属条的单面左手材料蚀刻在介电常数4.4的环氧树脂PCB基板正面上。
本发明的有益效果：
本发明中左手材料的单元仅为单一的T形的金属线结构，因而加工工艺十分简单；其传输损耗、单元电长度都很小的情况下，通带带宽达到6.69GHz，并实现了通带的偏移，大大拓宽了左手材料的应用范围。
附图说明
图1基于T形金属条的单面左手材料单元阵列。
图2(a)基于T形金属条的单面左手材料的结构示意图；
图2(b)实施例一1.5mm层间距的块状左手材料的结构示意图。
图3(a)实施例一基于T形金属条的单面左手材料的仿真S参数幅值曲线；
图3(b)实施例一基于T形金属条的单面左手材料的仿真S参数相位曲线；
图4(a)通过参数提取方法提取的实例一的等效折射率；
图4(b)通过参数提取方法提取的实例一的等效介电常数；
图4(c)通过参数提取方法提取的实例一的等效磁导率；
图5实施例二的测试结果与实施例一的仿真结果对比图。
具体实施方式
下面结合具体实施例来对本发明进行进一步说明，但并不将本发明局限于这些具体实施方式。本领域技术人员应该认识到，本发明涵盖了权利要求书范围内所可能包括的所有备选方案、改进方案和等效方案。
如图1所示，基于T形金属条的单面左手材料，由T形金属条结构单元规则排列而成，T形金属条结构单元中的两个T形金属条呈反向对称交错放置。
所述的基于T形金属条的单面左手材料的金属线长度由宽度为a＝0.2mm，长度分别为H＝1.45mm和L＝2.44mm的金属条组成，蚀刻在FR4介质板正面上。介质板正面金属条结构单元距离介质板上下边缘g＝0.16mm，T形金属条结构单元中相交错的两条金属条之间的距离为q，q＝0.3mm。T形金属条结构单元阵列的单元间隔为b＝0.1mm。
如图2(a)所示，基于T形金属条的单面左手材料的结构示意图由基于T形金属条的单面左手材料单元阵列按照1×3排列而成。
所述的基于T形金属条的单面左手材料通过电路板蚀刻技术蚀刻在高H1＝9.48mm和长L1＝6.4mm的介质基板上；所述的介质基板为介电常数4.4的环氧树脂PCB基板；若将多片所述的左手材料按照一定间距排列，就可得到便于测试的块状左手材料。
所述的基于T形金属条的单面左手材料中金属线的电谐振和磁谐振发生于同一频段，实现左手材料特性。
实施例一：
采用电路板刻蚀技术，在厚度为0.6mm,在高H1＝9.48mm和长L1＝6.4mm的环氧树脂PCB基板双面蚀刻出基于T形金属条的单面左手材料，两种金属条宽度为a＝0.2mm，长度分别为H＝1.45mm和长度为L＝2.44mm。介质板正面金属距离介质板上下边缘g＝0.16mm，两条T形金属条直接距离，q＝0.3mm。T形金属条结构单元阵列的单元间隔为b＝0.1mm。
将11片的单面左手材料以1.5mm为间距平行放置，组成块状结构左手材料,结构如图2(b)所示。
采用商业电磁仿真软件Ansoft HFSS对结构模型进行仿真优化时，将垂直于波入射方向(X方向)为入射和出射端口，将直于y轴方向的两侧设为完美电导体(PEC)，将直于Z轴向的两侧设为完美磁导体(PMC)，仿真S参数幅值如图3所示，附图3(a)为S11、S21的幅值曲线图，附图3(b)为S11、S21的相位曲线图。通过仿真得到的S参数如图3(a)所示，S11和S21的谐振点位于9.42GHz和16.11GHz，回波损耗为-43.48dB。S21的相位在9.42GHz初开始开始下降，标志着双负区域的开始，且在通带内S21的幅度大于-2.43db，说明平均每个单元结构的传输损耗小于-0.2db。附图4(a)表明实施例一结构在9.42～16.11GHz的频段上具有负的等效折射率。附图4(b)表明实施例一结构在9.42～16.11GHz的频段上具有负的等效介电常数。附图4(c)表明实施例一结构在9.42～16.11GHz的频段上具有负的等效磁导率。因此实施例一结构在9.42～16.11GHz的频段上实现左手特性。
实施例二：
由实施例一的材料，用EVA海绵代替设计过程中的空气，制作成间距为1.5mm的规则块状左手材料，将其放入矩形波导BJ100型中，利用转接头连接矢量网络分析仪，S参数由安捷伦E5071C型矢量网络分析仪测得。所测试得到的结果与实施例一仿真结果进行对比如图5所示(需要指出的是，标准波导BJ100的工作频率范围是8～12GHz，所以矢量网络分析仪测试的结果只能验证该频段内的结果)
通过S参数的仿真结果和测量结果相比较如图3(a)、图3(b)可以看出，仿真与测试数据基本吻合。
通过对比可以看出实际测得的S参数比仿真设计时得到的S参数谐振频率有略微的偏移且幅值有一定变化，这是由于制造工艺导致的误差和单元之间的空隙采用EVA海绵对于反射和透射性能存在一定的干扰和测试系统的误差导致，随着块状左手材料尺寸和单元结构的增加，导致EVA海绵的增厚和测试误差变大，进而影响实验结果。
以上所述，仅为本发明的优选实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，即但凡依本发明权利要求及发明说明书内容所做的简单的等效变化与修饰，皆应仍属本发明专利覆盖的范围。

Claims (8)

1.一种基于T形金属条的单面左手材料，其特征在于，所述单面左手材料由T形金属条结构单元阵列构成，所述T形金属条结构单元包括两个T形金属条，所述两个T形金属条反向对称交错放置在FR4介质基板单面上。
2.根据权利要求1所述的一种基于T形金属条的单面左手材料，其特征在于，所述T形金属条由两条长度分别为H和L的金属条构成，所述H的范围为1.3mm～1.5mm，L范围为2mm～2.5mm；所述金属条的宽度为a，a范围为0.1mm～0.2mm。
3.根据权利要求1所述的一种基于T形金属条的单面左手材料，其特征在于，所述T形金属条结构单元阵列由T形金属条结构单元按照1x3排列构成。
4.根据权利要求1所述的一种基于T形金属条的单面左手材料，其特征在于，所述FR介质基板的高H1＝9.48mm，长L1＝6.4mm，厚度d＝0.6mm～1.2mm。
5.根据权利要求1所述的一种基于T形金属条的单面左手材料，其特征在于，所述T形金属条结构单元阵列刻蚀在FR介质基板的正面，且与FR介质基板的上下边缘的距离为g，g的范围为0.1～0.2mm；T形金属条结构单元中相交错的两条金属条之间的距离为q，q范围为0.1mm～0.5mm。
6.根据权利要求1所述的一种基于T形金属条的单面左手材料，其特征在于，所述T形金属条结构单元阵列中各T形金属条结构单元之间的间隔为b,b的范围为0.1～0.5mm；所述间隔为两个T形金属条结构单元中同一水平线上金属横条之间的距离。
7.根据权利要求1所述的一种基于T形金属条的单面左手材料，其特征在于，所述金属条的电谐振和磁谐振位于同一频段。
8.一种块状左手材料，包括多片按照间距1.5mm等间距排列的权利要求1-7中任一项所述的基于T形金属条的单面左手材料，所述基于T形金属条的单面左手材料蚀刻在介电常数4.4的环氧树脂PCB基板正面上。
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