CN110739540B - 一种人工电介质 - Google Patents

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Abstract

本发明的一种人工电介质，包括基板、贴附在所述基板一面上的第一金属覆层和贴附在所述基板另一面上的第二金属覆层；所述第一金属覆层由多排金属贴片组成，每排金属贴片包括多个金属贴片；所述第二金属覆层由多列金属贴片组成，每列金属贴片包括多个金属贴片；相邻金属贴片之间具有间隙，每个金属贴片具有多个叉指，两个相邻叉指之间形成凹陷，且相邻的两个金属贴片，其中一个金属贴片的叉指与另一个金属贴片的凹陷相对应。本发明的人工电介质，其等效相对介电常数的调节范围较宽，上限值较高，可以满足现有高性能应用场合下对电磁波灵活调控的需要；其单元谐振频率较高，可以满足在较高微波频段，实现较高相对介电常数的要求。

Description

一种人工电介质
技术领域
本发明涉及电介质技术领域，尤其涉及一种人工电介质。
背景技术
人工电介质是用亚波长人工结构周期排列而成的具有等效介电特性的人工结构。近年来，人工电介质被大量应用于微波和天线工程中，如用于减小微波器件尺寸、增加天线的定向性、实现天线波束调控等。在透镜天线的应用中，人工电介质在折射率、阻抗、极化方面都有着明显的优势。例如在梯度指数(GRIN)超材料透镜天线中，方环形人工电介质用于增加带宽和实现双极化；在IML结构透镜天线中，H形人工电介质用于实现带宽增强，光束聚焦，增益增强和极化效率；在Luneburg透镜天线中，双圆环形人工电介质提供了增益和方向性的增强等等。
人工电介质根据其组成单元结构的不同可以划分成不同类型，典型的单元结构类型有工形结构、方环形结构等。下面对工形和方环形人工电介质的结构原理进行简要介绍。
图1为工形人工电介质单元的正视图。其中，4为介质基板，5为工形金属条带。若外加电场沿着工形金属条带方向，则工形金属条带可等效为电偶极子产生电偶极矩进而产生非零的等效极化强度，这就是工形人工电介质具有等效介电特性的基本原理。
图2为方环形人工电介质单元的正视图。其中，4为介质基板，6为方环形金属条带。若外加电场沿着方环某条边的方向，则方环形金属条带可等效为电偶极子产生电偶极矩进而产生非零的等效极化强度，这就是方环形人工电介质具有等效介电特性的基本原理。
当前各种高性能微波器件和天线的研究要求人工电介质有较宽的调节范围，而现有基于工形、方环形结构的人工电介质可实现的相对介电常数的调节范围较窄，主要是上限值不高，不能满足现有高性能应用场合下对电磁波灵活调控的需要。人工电介质的有效工作频段在其单元结构谐振频率之下，而现有基于工形、方环形结构的人工电介质的单元谐振频率较低，难以满足在较高微波频段比如在20GHz以上实现较高相对介电常数的要求。
因此，结合上述存在的技术问题，有必要提供一种新的技术方案。
发明内容
针对现有工形、方环形结构的人工电介质可实现的相对介电常数的调节范围较小、上限值不高，以及谐振频率较低的情况，本发明提出一种基于双面正交叉指条带结构的人工电介质表面，相比现有工形、方环形人工电介质谐振频率更高，相对介电常数可调范围更宽，能满足在较高微波频段的应用场合下对电磁波灵活调控的需要，具体技术方案如下所述：
本发明的一种人工电介质，包括基板、贴附在所述基板一面上的第一金属覆层和贴附在所述基板另一面上的第二金属覆层；
所述第一金属覆层由多排金属贴片组成，每排金属贴片包括多个金属贴片；
所述第二金属覆层由多列金属贴片组成，每列金属贴片包括多个金属贴片；
相邻金属贴片之间具有间隙，每个金属贴片具有多个叉指，两个相邻叉指之间形成凹陷，且相邻的两个金属贴片，其中一个金属贴片的叉指与另一个金属贴片的凹陷相对应。
进一步地，所述基板为绝缘基板。
进一步地，所述第一金属覆层的多排金属贴片中，每一排的多个金属贴片等距离设置；
所述第二金属覆层的多列金属贴片中，每一列的多个金属贴片等距离设置。
进一步地，所述第一金属覆层的多排金属贴片中，相邻的两排金属贴片，其中一排的每个金属贴片的叉指分别对应指向另一排的每个金属贴片的凹陷。
进一步地，所述第二金属覆层的多列金属贴片中，相邻的两列金属贴片，其中一列的每个金属贴片的叉指分别对应指向另一列的每个金属贴片的凹陷。
进一步地，所述金属贴片上凹陷的宽度大于叉指的宽度，且凹陷的深度与叉指的高度一致。
进一步地，所述第一金属覆层的每列金属贴片中，相邻的两个金属贴片形成一个周期单元；所述第二金属覆层的每排金属贴片中，相邻的两个金属贴片形成一个周期单元。
进一步地，所述第一金属覆层上周期单元内金属贴片的尺寸与所述第二金属覆层上周期单元内金属贴片的尺寸一致。
进一步地，所述金属贴片为矩形。
进一步地，所述叉指为矩形。
本发明的一种人工电介质，具有如下有益效果：
(1)本发明的人工电介质，其等效相对介电常数的调节范围较宽，上限值较高，可以满足现有高性能应用场合下对电磁波灵活调控的需要。
(2)本发明的人工电介质，其单元谐振频率较高，可以满足在较高微波频段比如在20GHz以上实现较高相对介电常数的要求。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
图1为工形人工电介质单元的正视图；
图2为方环形人工电介质单元的正视图；
图3为本发明提出的人工电介质整体结构斜视图；
图4为本发明提出的人工电介质整体结构各层分解示意图；
图5为本发明提出的人工电介质周期单元结构各层分解示意图，其中，tf为第一金属覆层或第二金属覆层的厚度，ts为基板的厚度；
图6为本发明提出的人工电介质周期单元第一金属覆层正视图，其中，ax和ay分别为叉指条带金属贴片沿x和y方向的排布周期，w为叉指宽度，d为叉指长度，g为分属不同金属贴片的相邻叉指间隙，s为各叉指到达相邻非所属叉指条带金属贴片的距离，we为整个叉指条带宽度；
图7为本发明提出的人工电介质周期单元第二金属覆层正视图；
图8为本发明提出的人工电介质实施例1的相对介电常数在0到30GHz的频响图(仿真结果)；
图9为本发明提出的人工电介质沿纵向排布两片所形成级联结构的两级周期单元结构侧视图，其中，az为本发明的人工电介质沿z方向的排布周期，td为要模拟电介质的厚度；
图10为本发明提出的人工电介质实施例2的相对介电常数在0到30GHz的频响图(仿真结果)；
其中，1-第一金属覆层，2-基板，3-第二金属覆层，4-介质基板，5-工形金属条带，6-方环形金属条带。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明的一种人工电介质，其整体结构如图3和图4所示，从左至右依次为第一金属覆层1、基板2和第二金属覆层3，所述基板2采用的是绝缘材料，可以使所述第一金属覆层1和第二金属覆层3之间电绝缘。整个人工电介质是一种二维周期表面，第一金属覆层1为叉指条带金属贴片的周期阵列，第二金属覆层3同样为叉指条带金属贴片的周期阵列，单元尺寸和排布周期和第一金属覆层1相同，但是第二金属覆层3的周期阵列相对于第一金属覆层1的周期阵列旋转了90度，相互之间成正交的关系。
图3和图4所示的人工电介质，每一个周期单元的结构如图5至图7所示，每个单元同样包括第一金属覆层1、基板2和第二金属覆层3共3层。图5为每个周期单元的各层分解示意图，图6、图7分别为周期单元的第一金属覆层1视图、第二金属覆层3视图。图5至图7的第一金属覆层1和第二金属覆层3均显示了两个相邻的叉指条带金属贴片，但分别只显示了二分之一面积，由图可见叉指条带金属贴片实际是两端加载有叉指的矩形金属贴片，其结构特征在于矩形金属贴片的一对平行边被修改成周期的凹凸形状，其中凸出部分即叉指，每个叉指条带金属贴片的叉指均指向相邻叉指条带金属贴片的凹陷区域。图5至图7中，ts为第一金属覆层1或第二金属覆层3的厚度，tf为基板2的厚度，ax和ay分别为叉指条带金属贴片沿x和y方向的排布周期(ax＝ay)，w为叉指宽度，d为叉指长度，g为分属不同金属贴片的相邻叉指间隙，s为各叉指到达相邻非所属叉指条带金属贴片的距离，we为整个叉指条带宽度，we和w、g以及每个叉指条带金属贴片的单边叉指数目nd之间存在如下关系：we＝nd*(w+g)-g。nd可以是任意正整数，图5至图7显示的nd为2，这仅仅是示例，实际应用中可不限于2。
本发明的基本原理如下：本发明的人工电介质对外加电磁波会呈现出电感、电容效应。其中叉指条带金属贴片本身可以等效为电感，同金属覆层内相邻叉指条带金属贴片之间的间隙可以等效为电容。若外加电场沿着第一金属覆层1上叉指条带的叉指指向(即y方向)，则第一金属覆层1上叉指条带金属贴片可等效为电偶极子产生电偶极矩，使得本发明的人工电介质沿y方向产生等效介电特性；同样，若外加电场沿着第二金属覆层3上叉指条带的叉指指向(即x方向)，则第二金属覆层3上叉指条带金属贴片可等效为电偶极子产生电偶极矩，使得本发明的人工电介质沿x方向上产生等效介电特性。本发明的人工电介质，其等效电偶极矩大小，也就是等效介电特性，可通过改变本发明人工电介质的等效电感和等效电容的大小，也即调节叉指条带金属贴片长度、叉指的长宽和间隙、叉指数目以及相邻叉指条带金属贴片的间隙等来实现。
由于本发明人工电介质的等效电容是由金属覆层内相邻叉指条带金属贴片的间隙所提供的，而叉指的存在增大了相邻叉指条带金属贴片的等效正对面积，使得该间隙电容值显著增大，因此在相同的单元排布周期下，本发明提出的人工电介质可实现的等效电容数值比传统工形和方环形人工电介质的等效电容数值明显增大，等效相对介电常数调节范围的上限值也得以显著增加，达到了相对介电常数可调范围扩大的效果；同时由于本发明人工电介质的等效电感可以通过减小叉指条带的宽度(we)和单元排布周期(ax＝ay)间的差距而控制得很小，由谐振频点计算公式
Figure BDA0002254058990000051
可知，本发明人工电介质的谐振频率也相应较高，能够满足在较高微波频段范围比如20GHz以上模拟特定相对介电常数的需要。此外由于本发明提出的人工电介质，其第一金属覆层1、第二金属覆层3的叉指条带金属贴片大小尺寸完全相同且叉指分别指向相互正交的x和y方向，故本发明的人工电介质对分别沿这两个方向的外加电场呈现同样的等效介电性质，具有面内近似二维各向同性的等效介电特性。
实施例一
任务是模拟厚度为1.5mm、相对介电常数在24GHz时为4.4的电介质薄板。具体实施方案：本发明人工电介质的第一金属覆层1和第二金属覆层3材料为铜，第一金属覆层1和第二金属覆层3的厚度tf都为0.018mm；基板2采用聚酰亚胺挠性CCL板材，基板2厚度ts为0.0254mm，相对介电常数为3.5，损耗角正切为0.018；叉指条带金属贴片的排布周期ax＝ay＝0.9mm，叉指宽度w、叉指长度d、相邻叉指间隙g均为0.15mm，每个叉指条带金属贴片的单边叉指数目为nd＝3，故整个叉指条带宽度we＝nd*(w+g)-g＝0.75mm，各叉指到达相邻非所属叉指条带金属贴片的距离s＝0.5mm。图8展示了本实施例在正入射电磁波激励、入射电场沿着x或y方向时，其等效相对介电常数随频率变化的曲线。由图8可以看出，在本实施例中，本发明的人工电介质在24GHz时的相对介电常数达到4.438。另外本实施例的单元谐振频率高达94GHz左右。
实施例二
任务是模拟厚度为td＝3mm、相对介电常数在24GHz时为5.6的较厚电介质板。对于较厚的电介质板模拟任务，可以将若干片本发明提出的人工电介质沿纵向(垂直于表面的方向)以一定周期az排列得到。在本实施例中，选择将两片人工电介质以az＝1.5mm为周期沿纵向排列来模拟td＝3mm厚的电介质，所得级联结构的双层周期单元结构如图9所示。本实施例中每片人工电介质的配置完全相同，具体如下：第一金属覆层1和第二金属覆层3的材料为铜，第一金1属覆层和第二金属覆层3的厚度tf都为0.018mm；基板2采用聚酰亚胺挠性CCL板材，基板2厚度ts为0.0254mm，相对介电常数为3.5，损耗角正切为0.018；叉指条带金属贴片的排布周期ax＝ay＝0.9mm，叉指宽度w、叉指长度d、相邻叉指间隙g均为0.15mm，每个叉指条带金属贴片的单边叉指数目为nd＝3，故整个叉指条带宽度we＝nd*(w+g)-g＝0.75mm，各叉指到达相邻非所属叉指条带金属贴片的距离s＝0.463mm。图10展示了本实施例在正入射电磁波激励、入射电场沿着x或y方向时，其等效相对介电常数随频率变化的曲线。由图10可以看出，本实施例中，本发明的人工电介质在24GHz时的相对介电常数达到5.562。另外本实施例的单元谐振频率高达89GHz左右。
综合上述实施例一和实施例二可得出，本发明的人工电介质，具有如下有益效果：其单元谐振频率很高，能满足在较高频率范围比如20GHz以上实现较高相对介电常数的要求；可实现的等效相对介电常数变化范围较宽，上限值较高，能满足在较高微波频段的应用场合下对电磁波灵活调控的需要；另外本发明所提出的人工电介质可通过多片级联来完成对较厚真实电介质的模拟。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改和变型。

Claims (9)

1.一种人工电介质，其特征在于，包括基板(2)、贴附在所述基板(2)一面上的第一金属覆层(1)和贴附在所述基板(2)另一面上的第二金属覆层(3)；
所述第一金属覆层(1)由多排金属贴片组成，每排金属贴片包括多个金属贴片，所述第一金属覆层(1)的每列金属贴片中，相邻的两个金属贴片形成一个周期单元；
所述第二金属覆层(3)由多列金属贴片组成，每列金属贴片包括多个金属贴片，所述第二金属覆层的每排金属贴片中，相邻的两个金属贴片形成一个周期单元；
每个周期单元内的两个金属贴片之间具有间隙，每个金属贴片具有多个叉指，两个相邻叉指之间形成凹陷，且相邻的两个金属贴片，其中一个金属贴片的叉指与另一个金属贴片的凹陷相对应。
2.根据权利要求1所述的人工电介质，其特征在于，所述基板(2)为绝缘基板。
3.根据权利要求1所述的人工电介质，其特征在于，所述第一金属覆层(1)的多排金属贴片中，每一排的多个金属贴片等距离设置；
所述第二金属覆层(3)的多列金属贴片中，每一列的多个金属贴片等距离设置。
4.根据权利要求3所述的人工电介质，其特征在于，所述第一金属覆层(1)的多排金属贴片中，相邻的两排金属贴片，其中一排的每个金属贴片的叉指分别对应指向另一排的每个金属贴片的凹陷。
5.根据权利要求1所述的人工电介质，其特征在于，所述第二金属覆层(3)的多列金属贴片中，相邻的两列金属贴片，其中一列的每个金属贴片的叉指分别对应指向另一列的每个金属贴片的凹陷。
6.根据权利要求1所述的人工电介质，其特征在于，所述金属贴片上凹陷的宽度大于叉指的宽度，且凹陷的深度与叉指的高度一致。
7.根据权利要求1所述的人工电介质，其特征在于，所述第一金属覆层上周期单元内金属贴片的尺寸与所述第二金属覆层上周期单元内金属贴片的尺寸一致。
8.根据权利要求1所述的人工电介质，其特征在于，所述金属贴片为矩形。
9.根据权利要求1所述的人工电介质，其特征在于，所述叉指为矩形。
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