CN111786119A

CN111786119A - 一种拼接的曲面壳型左手超材料

Info

Publication number: CN111786119A
Application number: CN202010507010.XA
Authority: CN
Inventors: 赵青; 刘玉献; 焦蛟; 薄勇; 童继生
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2020-06-05
Filing date: 2020-06-05
Publication date: 2020-10-16

Abstract

本发明公开了一种拼接的曲面壳型左手超材料，包括基板和多个金属谐振环，金属谐振环包括外环和内环，内环位于外环内，金属谐振环为多个，多个金属谐振环的大小不同，以阵列方式构成超材料结构。本发明通过有规律的剪切和拼接实现了超材料的曲面化，设计出了曲面壳型超材料。本曲面超材料在小尺寸情况下实现了低频段实现了双负性质。采用剪切和拼接的技术，曲面的超材料的半径和厚度可以实现动态调节的。通过拼接来实现曲面超材料，其双负频段也可以根据需求来动态调节。超材料有效区间的带宽比较宽，可以达到0.6GHz，并且有效区间内超材料损耗可以接受。曲面超材料具有很好的定向性。电磁波可以从内部向外发射且只在垂直电磁波的方向起作用。

Description

一种拼接的曲面壳型左手超材料

技术领域

本发明涉及超材料的涉及领域，尤其涉及一种拼接的曲面壳型左手超材料。

背景技术

左手材料是一类在一定的频段下同时具有负介电常数和负磁导率的人工周期材料，其电场、磁场、波矢量遵循左手规则，具有负折射、零折射率、倏逝波放大、逆多普勒效应、逆切仑科夫辐射、亚波长衍射等奇异特性。自从左手材料提出以来，一直备受关注。

虽然自然界中存在着各种各样不同特性的材料，但是尚未发现具有以上特性的天然材料，基于理论研究，我们可以通过人工构造出左手材料。而且左手材料的应用领域非常广泛，可以用来提高天线增益，而且可以用于天线小型化等领域；

可以用于改善微波器件和光学器件的性能；可以用于设计大容量存储介质等。在改善圆形或者柱形天线的性能，则需要与之匹配的壳型左手材料。

传统的左手材料虽然具有良好的性质，但是存在许多问题。当前左手材料的样品大多采用将所设计的金属图案蚀刻在电路板表面之上，并按照一定规律排列成蜂窝状或层状的形式，但是其存在的缺陷也是十分明显，如左手频段窄、性能不好、整体尺寸偏大而且容易受到外力而变形而且其实用性不高。目前所提出的左手材料其双负性能大都表现在高频部分，无法用于目前的通信频段，当需要降低其双负性能的频段时，往往需要增加其尺寸，这就导致了所设计的超材料的尺寸偏大，无法用于在天线上。目前左手材料的设计主要有两种方式，一种是采用谐振环和金属条的组合或者是只用谐振环，而另一种主要采用传输线的结构，通过这两种结构都可以实现左手材料的设计，从而达到双负性能。目前大部分超材料都是平面左手材料，很少涉及曲面超材料，然而某些天线则需要曲面超材料与之匹配从而达到良好的性能。因此设计一种小型化、低频段、宽频带、高性能、曲面壳型左手超材料是亟需解决问题。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种拼接的曲面壳型左手超材料。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

本发明包括基板和多个金属谐振环，所述金属谐振环包括外环和内环，所述内环位于所述外环内，所述金属谐振环为多个，多个所述金属谐振环的大小不同，以阵列方式构成超材料结构。

首先设计出大小不同的平面谐振环超材料单元，然后再设计出平面阵列超材料结构，阵列超材料结构是通过平面谐振环单元进行上下和前后组合而成的，然后通过剪切成大小和高度符合一定规律的曲面超材料，最后把剪切成的曲面超材料进行一定规律的拼接成曲面壳型超材料，在拼接的过程中始终保持外壳的半径R减去内壳的半径r等于壳的厚度，从而达到曲面壳型超材料结构。

所述超材料结构为多个大小、高度符合规律的曲面材料，所述曲面材料为壳型材料，多个所述壳型材料拼接外壳半径减去内壳半径等于壳的厚度。

所述壳型材料的半径25mm，最长尺寸为50mm，高度小于25mm。所述曲面壳型左手超材料，初始半径小于25mm，壳的厚度小于10mm，最大尺寸小于50mm。

所述壳型超材料的介质基板为FR-4材料或损耗较小的介电常数和FR-4类似的材料作为介质基板。

所述壳型材料工作频率在2.4G-3G。

所述金属谐振环为表面覆铜结构。

所述壳型超材料在剪切和拼接的时候按照外球半径减去内球半径为固定值进行剪切，超材料的尺寸可以根据两个半径的大小进行调整，从而得出相应的工作频段。

本发明的有益效果在于：

本发明是一种拼接的曲面壳型左手超材料，与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)本发明通过有规律的剪切和拼接实现了超材料的曲面化，设计出了曲面壳型超材料。

2)本曲面超材料在小尺寸情况下实现了低频段实现了双负性质。

3)本发明采用剪切和拼接的技术，曲面的超材料的半径和厚度可以实现动态调节的。

4)本发明的通过拼接来实现曲面超材料，其双负频段也可以根据需求来动态调节。

5)本发明超材料有效区间的带宽比较宽，可以达到0.6GHz，并且有效区间内超材料损耗可以接受。

6)本发明曲面超材料具有很好的定向性。电磁波可以从内部向外发射且只在垂直电磁波的方向起作用

附图说明

图1是本发明曲面超材料的单元结构图

图2是本发明曲面超材料在具体实施中的俯视图。

图3是本发明在具体实施中的内部结构图。

图4是本发明在具体实施中反演的介电常数和磁导率曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

图1是曲面超材料的单元结构，单元结构的组成为多个谐振环刻蚀在FR-4介质基板上，而且多个谐振环之间的距离为定值，图中1为FR-4基板，2为谐振环的外环，3为谐振环的内环，且谐振环的材料为铜。

如图2所示，一种曲面壳型超材料，把开口谐振环刻蚀在FR-4基板的正面，调节开口谐振环的尺寸直至符合要求，然后把单元开口谐振环进行有规律的组合排列成阵列的谐振环超材料，然后根据球形结构对阵列超材料进行剪切，把剪切好的超材料按照一定的规律进行组合，最后拼接成壳型超材料。

如图3所示，曲面超材料的内部为中空的壳型，外半球和内半球的半径之差等于壳的厚度。

如图4所示，图4为反演得到的介电常数和磁导率，从图中可以看出介电常数和磁导率在2.4GHz-3.0GHz小于0，其他区间大于0。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims

1.一种拼接的曲面壳型左手超材料，其特征在于：包括基板和多个金属谐振环，所述金属谐振环包括外环和内环，所述内环位于所述外环内，所述金属谐振环为多个，多个所述金属谐振环的大小不同，以阵列方式构成超材料结构。

2.根据权利要求1所述的拼接的曲面壳型左手超材料，其特征在于：所述超材料结构为多个大小、高度符合规律的曲面材料，所述曲面材料为壳型材料，多个所述壳型材料拼接外壳半径减去内壳半径等于壳的厚度。

3.根据权利要求2所述的拼接的曲面壳型左手超材料，其特征在于：所述壳型材料的半径25mm，最长尺寸为50mm，高度小于25mm。

4.根据权利要求3所述的拼接的曲面壳型左手超材料，其特征在于：所述壳型超材料的介质基板为FR-4材料或损耗较小的介电常数和FR-4类似的材料作为介质基板。

5.根据权利要求4所述的拼接的曲面壳型左手超材料，其特征在于：所述壳型材料工作频率在2.4G-3G。

6.根据权利要求1所述的拼接的曲面壳型左手超材料，其特征在于：所述金属谐振环为表面覆铜结构。

7.根据权利要求5所述的拼接的曲面壳型左手超材料，其特征在于：所述壳型超材料在剪切和拼接的时候按照外球半径减去内球半径为固定值进行剪切，超材料的尺寸可以根据两个半径的大小进行调整，从而得出相应的工作频段。