CN109301491A - 超材料结构与超材料微波谐振器 - Google Patents

超材料结构与超材料微波谐振器 Download PDF

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颜世桃
李程
杨彬
丁庆
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    • 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

本发明涉及一种超材料结构以及用这一超材料结构制作而成的超材料微波谐振器，所述超材料结构包括：介质层；第一金属涂层，覆盖于所述介质层，包括第一弧形金属涂层和第一条状金属涂层，所述第一条状金属涂层与所述第一弧形金属涂层相交；第二金属涂层，与所述第一金属涂层结构相同且对称设置，覆盖于所述介质层,包括第二弧形金属涂层和第二条状金属涂层，所述第二条状金属涂层与所述第二弧形金属涂层相交，所述第二弧形金属涂层的开口与所述第一弧形金属涂层的开口相对，且开口端部间隔设置，所述第二条状金属涂层与所述第一条状金属涂层具有相同的延伸方向，并且端部间隔设置。采用这一超材料结构制作而成的微波谐振器具有Q值高且制作工艺难度小的优点。

Description

超材料结构与超材料微波谐振器
技术领域
本发明涉及一种超材料结构，特别是涉及一种适用于制造微波谐振器的超材料结构。
背景技术
伴随着社会和科学不断地发展，人们对更快的消息传输和信息处理的需求与日俱增，提高传统通信网络和电子数据处理能力，在更小的空间中提高数据处理和数据存储能力成为人们研究的热点。然而，要实现这些需求需要大幅改进器件对电磁的调控能力。对于自然存在的物质，并不能很好的甚至无法满足上述需求，而超材料的出现，使这些功能的实现成为可能，超材料是指一些具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料，超材料的性质不取决与构成材料的属性，而是取决于基本单元的空间结构，通过灵活的设计可以实现很多有趣的电磁现象，作为亚波长电磁学关键器件的主要载体，目前在微波至光学领域得到广泛研究。
品质因子(Q值)是衡量微腔发光器件性能的一个重要参数，Q值代表微谐振腔存储能量大小的能力，反应其总损耗的大小，Q值越大，意味着损耗越小。目前的超材料谐振峰的设计都局限于表面模式，诸如偶极谐振、LC谐振之类的谐振峰，这类表面模式谐振峰由于受到了金属欧姆损耗和辐射损耗的影响，对其Q值的提高非常困难。通常使用非对称SRR结构来降低辐射损失，具有略微不同形状的两个不对称SRR，由于每个SRR中的电流之间的相消干涉导致的暗模式,在此辐射损耗相当低,从而形成高Q因子。但是，这种SRR元件几乎需要重叠，对制造工艺要求严格。
发明内容
基于此，有必要针对现有用于制造高Q因子微波谐振器的超材料制造工艺要求严格的问题，提供一种制造工艺要求不高的用于制造高Q因子微波谐振器的超材料结构。
一种超材料结构，包括：
介质层；
第一金属涂层，覆盖于所述介质层，包括第一弧形金属涂层和第一条状金属涂层，所述第一条状金属涂层与所述第一弧形金属涂层相交；
第二金属涂层，与所述第一金属涂层结构相同且对称设置，覆盖于所述介质层,包括第二弧形金属涂层和第二条状金属涂层，所述第二条状金属涂层与所述第二弧形金属涂层相交，所述第二弧形金属涂层的开口与所述第一弧形金属涂层的开口相对，且开口端部间隔设置，所述第二条状金属涂层与所述第一条状金属涂层具有相同的延伸方向，并且端部间隔设置。
本申请提出的超材料结构由于环形和电偶极子之间的破坏性干涉产生的一种激励模式，即电偶极子辐射几乎被环形偶极子抵消。因此，在谐振频率处产生了极高的Q因子，使得本申请的超材料结构具有Q值高的优点。另外，本申请提出的超材料结构不需要严格重叠，所以对制造工艺要求较低，使得本申请的超材料结构具有制造工艺要求低的优点。
在一个实施例中，所述第一条状金属涂层位于所述第一弧形金属涂层的对称轴上，且所述第一条状金属涂层的长度小于所述第一弧形金属涂层的外半径；所述第二条状金属涂层位于所述第二弧形金属涂层的对称轴上，且所述第二条状金属涂层的长度小于所述第二弧形金属涂层的外半径。
在一个实施例中，所述介质层为正方形，所述第一弧形金属涂层与所述第二弧形金属涂层位于同一个圆环上，且所述第一弧形金属涂层与所述第二弧形金属涂层的对称轴都与所述介质层的一个对称轴位于同一条直线上，且所述介质层的边长不小于所述第一弧形金属涂层的外半径。
在一个实施例中，所述第一弧形金属涂层的开口端部与所述第二弧形金属涂层的开口端部间隔为1.4mm，且所述第一条状金属涂层的端部与所述第二条状金属涂层的端部间隔为0.75mm。
在一个实施例中，所述介质层厚度为1mm，且边长为15mm。
在一个实施例中，所述第一金属涂层和所述第二金属涂层的厚度为0.02mm。
在一个实施例中，所述第一弧形金属涂层和所述第二弧形金属涂层外半径与内半径之差为1.5mm，且所述第一条状金属涂层和所述第二条状金属涂层的宽度为1.5mm。
在一个实施例中，所述介质层的介电常数为11.9，所述第一金属涂层和所述第二金属涂层的电导率为4.561e+007s/m。
在一个实施例中，所述介质层的材料为硅，所述第一金属涂层和所述第二金属涂层的材料为金。
本申请提供的实施例中，对所述超材料结构的制造材料以及尺寸等作了进一步限定，使得所述超材料的Q值达到最高。
本申请还提供一种超材料微波谐振器，所述超材料微波谐振器包括多个上述实施例中的任意一个所述超材料结构，且所述多个超材料结构周期性排列于一个表面，一个所述超材料结构为一个周期，且所述多个超材料结构沿着所述表面贴合排列。
本申请提供的超材料微波谐振器采用本申请提供的超材料结构制作而成，因此，也具有制作工艺简单且Q值高的优点。
附图说明
图1为本申请实施例提供的超材料的俯视结构示意图；
图2为本申请实施例提供的超材料的仿真透射曲线图；
图3为本申请实施例提供的超材料微波谐振器的俯视结构示意图。
符号说明：
100 超材料
110 介质层
120 第一金属涂层
121 第一弧形金属涂层
122 第一条状金属涂层
130 第二金属涂层
131 第二弧形金属涂层
132 第二条状金属涂层
200 超材料微波谐振器
210 表面
具体实施方式
为了是本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例，并结合附图，对本申请的可展开式太阳能背包进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
除非另有定义，本申请所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本申请在说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。
请参见图1，本申请一个实施例提供一种超材料结构100。所述超材料结构100包括介质层110、第一金属涂层120和第二金属涂层130。
所述第一金属涂层120覆盖于所述介质层110。所述第一金属涂层120包括第一弧形金属涂层121和第一条状金属涂层122。所述第一条状金属涂层122与所述第一弧形金属涂层121相交。所述第二金属涂层130与所述第一金属涂层120结构相同且对称设置。所述第二金属涂层130覆盖于所述介质层110。所述第二金属涂层130包括第二弧形金属涂层131和第二条状金属涂层132。所述第二条状金属涂层132与所述第二弧形金属涂层131相交。所述第二弧形金属涂层131的开口与所述第一弧形金属涂层121的开口相对，且开口端部间隔设置。所述第二条状金属涂层132与所述第一条状金属涂层122具有相同的延伸方向，并且端部间隔设置。
所述介质层110可以为任意形状，本申请不做具体限定。另外，所述介质层110的材料可以为任意半导体材料，本申请不做具体限定。在一个实施例中，所述介质层110的材料为硅。所述介质层110的介电常数可以为任意值，优选地，所述介质层110的介电常数为11.9。
所述第一金属涂层120的材料可以为任意金属材料，本申请不做具体限定。在一个实施例中，所述第一金属涂层120的材料为金。所述第一金属涂层120的电导率可以为任意值，优选地，所述第一金属涂层120的电导率为4.561e+007s/m。
所述第二金属涂层130的材料与所述第一金属涂层120相同。所述第二金属涂层130的电导率与所述第一金属涂层120相同。
所述超材料结构100采用以上结构。由于这种结构可以使环形偶极矩源T和电偶极子P之间的破坏性干涉产生的一种激励模式，即电偶极子辐射几乎被环形偶极子抵消。因此，所述超材料结构100在谐振频率处产生了极高的Q因子，使得本申请的超材料结构100具有Q值高的优点。具体地，其中，所述环形偶极矩源T存在于所述第一金属涂层120和所述第二金属涂层130所围成的两个空间内的。所述环形偶极矩源T为:
所述电偶极子P存在于所述第一条状金属涂层122和所述第二条状金属涂层132上。所述电偶极子P为:
其中，j为感应体电流密度，ω为角频率，c为真空中光的速度，r为偶极子位置到观察者的矢量。当r＝0,即环形偶极子和点偶极子放置在原点时，两个偶极子叠加而产生的电场和磁场分别是
其中，k为波束，且k＝2π/λ，E为电场强度，H为磁场强度。当P＝ikT时，形成破坏性干扰。除r＝0外，电偶极矩在任何地方都会发生。在原点处的局部电场和磁场没有损失，因此Q值很高。
另外，这种结构不需要严格重叠，所以对制造工艺要求较低，使得本申请的超材料结构100具有制造工艺要求低的优点。
在一个实施例中，所述第一条状金属涂层122位于所述第一弧形金属涂层121的对称轴上。且所述第一条状金属涂层122的长度小于所述第一弧形金属涂层121的外半径。所述第二条状金属涂层132位于所述第二弧形金属涂层131的对称轴上。且所述第二条状金属涂层132的长度小于所述第二弧形金属涂层131的外半径。进一步地，所述介质层110为正方形，所述第一弧形金属涂层121与所述第二弧形金属涂层131位于同一个圆环上。所述第一弧形金属涂层121与所述第二弧形金属涂层131的对称轴都与所述介质层110的一个对称轴位于同一条直线上。所述介质层110的边长不小于所述第一弧形金属涂层121的外半径。
所述介质层110可以为任意形状，本实施例设置其形状为正方形，在本实施例中，所述介质层110的边长为15mm，厚度为1mm。所述第一金属涂层120的厚度可以为0.02mm。在本实施例中，所述第一弧形金属涂层121外半径与内半径之差为1.5mm，且所述第一条状金属涂层122的宽度为1.5mm。
所述第二金属涂层130的厚度可以与所述第一金属涂层120的厚度相同。在本实施例中，所述第二弧形金属涂层131外半径与内半径之差为1.5mm，且所述第二条状金属涂层132的宽度为1.5mm。
在本实施例中，所述第二弧形金属涂层131的开口与所述第一弧形金属涂层121的开口相对，且开口端部间隔设置，其间隔为1.4mm。所述第一条状金属涂层122与所述第二条状金属涂层132具有相同的延伸方向，并且端部间隔设置，其间隔为0.75mm。
本实施例中，对所述超材料结构100的元件位置关系、制造材料以及尺寸等作了进一步限定，使得所述超材料结构100的Q值达到最高。
请参见图2，为了证明本实施例提出的超材料结构100可以有超高的Q值，这里提供一个本实施例中的超材料结构100的仿真透射曲线图。所述仿真透射曲线图为采用CST微波工作室软件仿真所得，具体仿真过程如下：
第一步骤为设置CST微波工作室软件的单位为mm；
第二步骤为设置所述超材料结构100的具体的结构和尺寸，在本实施例中，设置所述介质层110为正方形，且所述介质层110的边长为15mm，厚度为1mm。设置所述介质层110的介电常数为11.9。设置所述第一金属涂层120的电导率为4.561e+007s/m。设置所述第一金属涂层120的厚度为0.02mm。设置所述第一弧形金属涂层121外半径与内半径之差为1.5mm，且设置所述第一条状金属涂层122的宽度为1.5mm。设置所述第二金属涂层130的电导率为4.561e+007s/m。设置所述第二金属涂层130的厚度为0.02mm。设置所述第二弧形金属涂层131外半径与内半径之差为1.5mm，设置所述第二条状金属涂层132的宽度为1.5mm。设置所述第二弧形金属涂层131的开口与所述第一弧形金属涂层121的开口端部间隔为1.4mm。设置所述第一条状金属涂层122的端部与所述第二条状金属涂层132的端部间隔为0.75mm；
第三步骤为添加边界条件，这里设置磁场传播方向沿坐标轴X的正方向或反方向，电场传播方向沿着坐标轴Y的正方向或反方向，电磁波传播方向沿坐标轴Z的正方向或者反方向。需要说明的是，这里坐标轴X的方向与所述介质层110的一个边平行设置，且这个边位于所述第一金属涂层120的开口方向上；
第四步骤为设置仿真端口1和仿真端口2，这里，这两个端口设置在坐标轴Z的正方向或者反方向上；
第五步骤为进行频域算法仿真。
最终得到的仿真曲线如图2所示，从图中可以看到，透射曲线很窄，幅度可到-72dB，中心频率f0＝10.6GHz，3dB带宽对应频率分别为f1＝10.44GHz，f2＝10.74GHz，由公式Q＝f0/(f2-f1)可计算得出Q约为35。因此，可以证明，本申请提出的超材料结构100具有高Q值的优点。
请参见图3，本申请提供采用本申请提供的超材料结构100制作而成的超材料微波谐振器200，包括多个上述实施例中任意一个所述的超材料结构100。所述多个超材料100周期性排列与一个表面210。一个所述超材料结构100为一个周期。所述多个超材料结构100沿着所述表面210贴合排列。所述多个超材料结构100的数量可以根据实际应用需要确定，本申请不对其做具体限定。
本实施例提供的超材料微波谐振器200采用上述实施例中任意一个提供的超材料结构100周期性排列而成，因此，也具有制作工艺简单且Q值高的优点。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种超材料结构(100)，其特征在于，包括：
介质层(110)；
第一金属涂层(120)，覆盖于所述介质层(110)，包括第一弧形金属涂层(121)和第一条状金属涂层(122)，所述第一条状金属涂层(122)与所述第一弧形金属涂层(121)相交；
第二金属涂层(130)，与所述第一金属涂层(120)结构相同且对称设置，覆盖于所述介质层(110),包括第二弧形金属涂层(131)和第二条状金属涂层(132)，所述第二条状金属涂层(132)与所述第二弧形金属涂层(131)相交，所述第二弧形金属涂层(131)的开口与所述第一弧形金属涂层(121)的开口相对，且开口端部间隔设置，所述第二条状金属涂层(132)与所述第一条状金属涂层(122)具有相同的延伸方向，并且端部间隔设置。
2.根据权利要求1所述的超材料结构(100)，其特征在于，所述第一条状金属涂层(122)位于所述第一弧形金属涂层(121)的对称轴上，且所述第一条状金属涂层(122)的长度小于所述第一弧形金属涂层(121)的外半径；所述第二条状金属涂层(132)位于所述第二弧形金属涂层(131)的对称轴上，且所述第二条状金属涂层(132)的长度小于所述第二弧形金属涂层(131)的外半径。
3.根据权利要求2所述的超材料结构(100)，其特征在于，所述介质层(110)为正方形，所述第一弧形金属涂层(121)与所述第二弧形金属涂层(131)位于同一个圆环上，且所述第一弧形金属涂层(121)与所述第二弧形金属涂层(131)对称轴都与所述介质层(110)的一个对称轴位于同一条直线上，所述介质层(110)的边长不小于所述第一弧形金属涂层(121)的外半径。
4.根据权利要求3所述的超材料结构(100)，其特征在于，所述第一弧形金属涂层(121)的开口端部与所述第二弧形金属涂层(131)的开口端部间隔为1.4mm，且所述第一条状金属涂层(122)的端部与所述第二条状金属涂层(132)的端部间隔为0.75mm。
5.根据权利要求3所述的超材料结构(100)，其特征在于，所述介质层(110)厚度为1mm，且边长为15mm。
6.根据权利要求3所述的超材料结构(100)，其特征在于，所述第一金属涂层(120)和所述第二金属涂层(130)的厚度为0.02mm。
7.根据权利要求3所述的超材料结构(100)，其特征在于，所述第一弧形金属涂层(121)和所述第二弧形金属涂层(131)外半径与内半径之差为1.5mm，且所述第一条状金属涂层(122)和所述第二条状金属涂层(132)的宽度为1.5mm。
8.根据权利要求1所述的超材料结构(100)，其特征在于，所述介质层(110)的介电常数为11.9，所述第一金属涂层(120)和所述第二金属涂层(130)的电导率为4.561e+007s/m。
9.根据权利要求1所述的超材料结构(100)，其特征在于，所述介质层(110)的材料为硅，所述第一金属涂层(120)和所述第二金属涂层(130)的材料为金。
10.一种超材料微波谐振器(200)，其特征在于，包括多个如权利要求1-3中任意一项所述的超材料结构(100)，且所述多个超材料结构(100)周期性排列于一个表面(210)，一个所述超材料结构(100)为一个周期，且所述多个超材料结构(100)沿着所述表面(210)贴合排列。
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