CN110957582B - 一种紧耦合小型化超材料结构 - Google Patents

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Abstract

本发明的一种紧耦合小型化超材料结构，包括介质基板，介质基板的一侧端面设有印刷金属层，并在介质基板的另一侧端面设有呈十字状的金属架，介质基板的内还镶嵌式设有耦合电容层。本发明的一种紧耦合小型化超材料结构，通过利用呈十字状结构的金属架形成电感结构，并利用介质基板内镶嵌耦合电容层与印刷金属层之间相互作用形成一个相互并联的电容结构，产生更大的等效电容，从而降低超材料结构尺寸，实现超材料的小型化。

Description

一种紧耦合小型化超材料结构
技术领域
本发明涉及微波领域，更具体地，涉及一种紧耦合小型化超材料结构。
背景技术
雷达及各种无线设备的广泛覆盖，造成频谱资源使用紧张，多频通信和多频雷达成为现代微波领域中迅速发展的方向，随之而来的则是不同频段设备之间的相互干扰。由于超材料结构可以对空间中的电磁波进行选频和滤波，屏蔽带外信号，因此超材料结构的研究具有非常重要的意义。
超材料结构可以对空间中的电磁波进行滤波，与电磁波相互作用表现出明显的带通或帯阻特性，由周期性排列的金属贴片或开孔单元构成的一种二维周期阵列结构。因其具有特定频率选择作用而广泛应用于微波、红外直至可见光波段，成为国内外研究热点。
超材料结构在工程应用中，当入射电磁波倾角发生变化时，会导致中心频点出现偏移，透波率下降。
现有的将超材料单元小型化以提高超材料结构角度稳定性的方法一般有三种：第一种，采用介质加载方法，通过对超材料结构加载高介电常数介质材料，提高超材料结构的等效电长度，从而降低结构的物理尺寸。这种方法，由于介质本身存在损耗，因此，降低带内传输曲线的平坦度，增大通带内插损(来自Ben A.Munk所著《Frequency SelectiveSurfaces Theory and Design》)；第二种，采用曲径技术方法，将超材料结构在二维或三维空间中进行折弯，紧凑的将同样长度的超材料结构布置于更小的空间范围内。这种方法存在1.小型化程度有限；2、折弯的结构间耦合对整体性能的不利影响无法去除；3、容易产生高频栅瓣。第三种，采用集总器件加载方法，利用集总的电容电感器件对超材料结构进行加载，通过调整集总器件的电容值或电感值来实现超材料结构的小型化。这种方法存在：1、小型化程度有限(因为现在最小的集总器件规格为0201，长度为0.6mm，宽度0.3mm，所以分布式电容的间隙尺寸不能小于0.5mm，但实际PCB加工工艺可以将间隙做到0.05mm，等效电容结构间的间隙越小，则分布式电容越大)；2、工艺复杂；3、小型化程度越高，其加载的集总电容越大，产生栅瓣也越大。
因此，针对上述的技术问题，亟需发明一种可以突破现有工艺及器件局限的极致小型化设计、工艺简单的紧耦合小型化超材料结构，以满足实际需要。
发明内容
本发明提供一种结构简单、工艺简单且便于生产和加工的紧耦合小型化超材料结构，以解决上述现有技术问题。
根据本发明的一个方面，提供一种紧耦合小型化超材料结构，包括介质基板，所述介质基板的一侧端面设有印刷金属层，并在所述介质基板的另一侧端面设有呈十字状的金属架，所述介质基板的内还镶嵌式设有耦合电容层。
在上述方案基础上优选，所述印刷金属层的面积小于所述介质基板的面积。
在上述方案基础上优选，所述耦合电容层设置在所述介质基板靠近所述印刷金属层一侧。
在上述方案基础上优选，所述金属架的端部与所述介质基板的侧端平齐。
本发明的一种紧耦合小型化超材料结构，通过利用呈十字状结构的金属架形成电感结构，并利用介质基板内镶嵌耦合电容层与印刷金属层之间相互作用形成一个相互并联的电容结构，产生更大的等效电容，从而降低超材料结构尺寸，实现超材料的小型化。
本发明的一种紧耦合小型化超材料结构，以一种完全的分布式结构方式，实现了突破现有工艺及器件局限的极致小型化设计、工艺简单。而且由于本发明的紧耦合小型化超材料结构没有复杂的曲径结构(就是将一定长度通过折叠在不改变长度的前提下，减少结构整体尺寸)和大容值集总电容，可以完美的解决以往小型化技术带来的栅瓣问题。
附图说明
图1为本发明的紧耦合小型化超材料结构的正视图；
图2为本发明的紧耦合小型化超材料结构的后视图；
图3为本发明的紧耦合小型化超材料结构的侧视图；
图4为本发明的紧耦合小型化超材料结构的等效电路图；
图5为本发明的紧耦合小型化超材料结构的测试效果图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
请参阅图1，并结合图2和图3所示，本发明一种紧耦合小型化超材料结构，包括介质基板10，其中，介质基板10的一侧端面设有印刷金属层11，并在介质基板10的另一侧端面设有呈十字状的金属架20，介质基板10的内还镶嵌式设有耦合电容层12。
其中，印刷金属层11的面积小于介质基板10的面积，并且耦合电容层12设置在介质基板10靠近印刷金属层11一侧，本发明金属架20的端部与介质基板10的侧端平齐。
本发明的，金属架20包括纵向梁21和横向梁22，纵向梁21与横向梁22呈垂直状设置，且纵向梁21的两端分别与介质基板10的顶部和底部平齐，横向梁22的两端登别与介质基板10的左侧端面和右侧端面平行。
本发明的印刷金属层11与耦合电容层12之间相互作用形成两个相互并联的电容，从而产生一个更大的等效电容，介质基板10传输产生的电阻R，金属架20产生一个电感Ln，具体的等效电路如图4所示。
为了验证本发明的紧耦合小型化超材料结构性能，将紧耦合一阶响应超材料结构和一阶响应超材料结构，分别在单元尺寸为5mm的条件下，进行试验，实验结果如图5所示，在同样的5mm结构尺度下，紧耦合一阶响应超材料结构实现比非共振(7.4GHZ)更低的带通频段(7.0GHZ)。
本发明的一种紧耦合小型化超材料结构，通过利用呈十字状结构的金属架20形成电感结构，并利用介质基板10内镶嵌耦合电容层12与印刷金属层11之间相互作用形成一个相互并联的电容结构，产生更大的等效电容，从而降低超材料结构尺寸，实现超材料的小型化。
最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种紧耦合小型化超材料结构，其特征在于，包括介质基板，所述介质基板的一侧端面设有印刷金属层，并在所述介质基板的另一侧端面设有呈十字状的金属架，所述介质基板的内部还镶嵌式设有耦合电容层，所述耦合电容层与所述印刷金属层相互耦合形成两个相互并联的电容，所述印刷金属层的面积小于所述介质基板的面积，所述耦合电容层设置在所述介质基板靠近所述印刷金属层一侧。
2.如权利要求1所述的一种紧耦合小型化超材料结构，其特征在于，所述金属架的端部与所述介质基板的侧端平齐。
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