CN112467392A - 中心对称类π形单边多频左手材料 - Google Patents

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Abstract

中心对称类Π形单边多频左手材料，涉及左手材料。设有单面覆有金属良导体层的介质基板，金属良导体层刻蚀有以基板中心上下左右对称布置的4个类“Π”结构贴片单元；左上类“Π”结构贴片子单元以Π为中心，Π形的左边部分为宽边开放的C1环，Π形的右边部分为长边开放的C2环背向交错衔接而成：左边的C1环与右边的C2环之间设有间隔E3，相邻类“Π”结构贴片子单元之间设有微小缝隙，微小缝隙用于构成磁谐振回路和电谐振回路从而产生等效的负磁导率和等效的负介电常数。每个类“Π”结构的大小矩形环都能构成谐振环，各个谐振环的外纵向枝节电流方向相同，相互叠加，能够激发高频左手频段，实现多频段左手特性。

Description

中心对称类Π形单边多频左手材料
技术领域
本发明涉及左手材料，尤其是涉及涵盖Sub6以及毫米波频段的一种中心对称类Π形单边多频左手材料。
背景技术
左手材料应用范围很广泛，从传统的微波器件到光学器件。在天线设计上，将左手材料直接用作天线单元，可实现全向超宽带天线(Kubacki R,Lamari S,Czyzewski M,etal.A Broadband Left-Handed MetamaterialMicrostrip Antenna with Double-FractalLayers[J].International Journal of Antennas and Propagation,2017,2017)。将左手材料应用在天线贴片表面，可以拓展天线带宽(Ameen M,Chaudhary R K.Metamaterial-based wideband circularly polarised antenna with rotated V-shaped metasurfacefor small satellite applications[J].Electronics Letters,2019,55(7):365-366)。将左手材料周期排布，放置于天线正上空，可以提高天线增益(Kumar S,KumariR.Composite right/left-handed wideband metamaterial antenna loaded with SRRsand CSRRs to improve gain and efficiency[J].IET Microwaves,Antennas andPropagation,2019,13(9):1467-1474)，调控天线的辐射方向图(Labidi M,Tahar J B,Choubani F.New design of antenna array using left handed meta-material“LHM”based on circular Split Ring Resonator“SRR”:2011 11th Mediterranean MicrowaveSymposium(MMS),2011[C])。将左手材料放置在天线馈线周边或者在天线表面开缝，可以起到陷波作用(Amani N,Jafargholi A.Band-notched ultra-wideband antennas usingnonperiodic composite right/left-handed resonators[J].International Journalof RF and Microwave Computer-Aided Engineering,2019,29(6))。
传统左手材料存在尺寸偏大、左手频点单一、左手频段偏窄等弊端。而且，目前全球大多数国家都着手建设第五代通信系统(5G)，因此具有跨频段特性的天线需求会愈加庞大。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术存在的上述不足，为了克服传统左手材料存在的频带窄等缺点，提供一种中心对称类Π形单边多频左手材料。本发明在不破坏原有电磁场和电流分布的基础上，引入新谐振枝节，激发新的左手频带，实现多频段左手性能，同时增大左手带宽，涵盖了Sub6以及毫米波频段，具有良好的适应性和伸缩性。
本发明设有介质基板，在介质基板上单面覆有金属良导体层，金属良导体层刻蚀有以基板中心对称的4个类“Π”结构贴片单元；左上类“Π”结构贴片子单元以Π为中心，Π形的左边部分为宽边开放的C1环，Π形的右边部分为长边开放的C2环背向交错衔接而成：左边的C1环与右边的C2环之间设有间隔E3，相邻类“Π”结构贴片子单元之间设有微小缝隙，微小缝隙用于构成磁谐振回路和电谐振回路从而产生等效的负磁导率和等效的负介电常数，左下、右上、右下类“Π”结构贴片子单元与左上类“Π”结构贴片子单元上下左右对称布置。
所述介质基板采用高性能介质基板,所述介质基板介电常数为2～8，形状为矩形，介质基板长L为3～10mm，宽W为3～10mm，厚度为0.5～2mm。所述金属良导体层的宽度W1为0.1～0.6mm，金属良导体层的厚度为0.01～0.03mm。
所述左上与右上类“Π”结构贴片子单元之间的距离B为0.03～0.3mm。
所述左上与左下类“Π”结构贴片子单元之间的距离B1为0.03～0.2mm。
所述C2环内部长度D为0.3～2.5mm。
所述C2环内部宽度E为0.5～3mm。
所述C1环的开口宽度E1为0.03～0.3mm，C2环开口宽度E2为0.01～0.3mm，C1环与C2环之间的间歇宽度E3为0.01～0.3mm。
本发明的结构单元通过对称旋转构成单层或多层材料，这样的对称旋转结构整体可以看做是一种新型的左手材料。在电磁垂直入射的情况下，每个类“Π”结构的大小矩形环都能构成谐振环，各个谐振环的外纵向枝节电流方向相同，相互叠加，产生负介电常数。并且由于多谐振环的以及大枝节电流的存在，能够激发高频左手频段，实现多频段左手特性。
与常见的左手材料相比，本发明左手材料的单元仅为多个类“Π”结构组成，比传统的左手材料结构制作更加简单，而且尺寸较小，更适合应到天线和微波器件中；类“Π”结构左手材料能够实现多频段、宽频带的左手特性。本发明的左手结构单元可以在2.33～5.16GHz、8.38～8.95GHz、9.96～11.08GHz以及26.35～26.65GHz频段内表现出负等效介电常数和负等效磁导率。
附图说明
图1为本发明实施例1的结构示意图。
图2为本发明实施例1中波导端口反射系数与传输系数幅度变化示意图。在图2中，横坐标为频率/GHz，纵坐标为S参数的幅度；实曲线为参数S11的幅度变化示意图，虚曲线为参数S21的幅度变化示意图。
图3为本发明实施例1中波导端口反射系数与传输系数相位变化示意图。在图3中，横坐标为频率/GHz，纵坐标为S参数的弧度的相位/rad；实曲线为参数S11的相位变化示意图，虚曲线为参数S21的相位变化示意图。
图4为本发明实施例1中左手材料的等效介电常数示意图。在图4中，横坐标为频率/GHz，纵坐标为等效介电常数的取值；实曲线为等效介电常数的实部，虚曲线为等效介电常数的虚部。
图5为本发明实施例1中左手材料的等效磁导率示意图。在图5中，横坐标为频率/GHz，纵坐标为等效磁导率的取值；实曲线为等效磁导率的实部，虚曲线为等效磁导率的虚部。
图6为本发明实施例1中左手材料的等效折射率变化示意图。在图6中，横坐标为频率/GHz，纵坐标为等效折射率的取值；实曲线为等效折射率的实部，虚曲线为等效折射率的虚部。
图7为本发明实施例1中左手材料的品质因素变化示意图。在图7中，横坐标为频率/GHz，纵坐标为品质因素的取值。
图8为本发明实施例2的结构示意图。
图9为本发明实施例2中波导端口反射系数与传输系数幅度变化示意图。在图9中，横坐标为频率/GHz，纵坐标为S参数的幅度；实曲线为参数S11的幅度变化示意图，虚曲线为参数S21的幅度变化示意图。
图10为本发明实施例2中波导端口反射系数与传输系数相位变化示意图。在图10中，横坐标为频率/GHz，纵坐标为S参数的弧度的相位/rad；实曲线为参数S11的相位变化示意图，虚曲线为参数S21的相位变化示意图。
图11为本发明实施例2中左手材料的等效介电常数示意图。在图11中，横坐标为频率/GHz，纵坐标为等效介电常数的取值；实曲线为等效介电常数的实部，虚曲线为等效介电常数的虚部。
图12为本发明实施例2中左手材料的等效磁导率示意图。在图12中，横坐标为频率/GHz，纵坐标为等效磁导率的取值；实曲线为等效磁导率的实部，虚曲线为等效磁导率的虚部。
图13为本发明实施例2中左手材料的等效折射率变化示意图。在图13中，横坐标为频率/GHz，纵坐标为等效折射率的取值；实曲线为等效折射率的实部，虚曲线为等效折射率的虚部。
图14为本发明实施例2中左手材料的品质因素变化示意图。在图14中，横坐标为频率/GHz，纵坐标为品质因素的取值。
具体实施方式
以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。
实施例1：
如图1，本实施例的结构单元由单面覆有金属良导体层的高性能微波介质基板组成，金属良导体层刻蚀有多个类“Π”结构。介质基板的介电常数的取值为4.4，形状为矩形，介质基板长边L的取值为8mm，宽边W取值为8mm，厚度为1.2mm。金属良导体层采用铜层，金属良导体层涂敷厚度为0.02mm，金属良导体层涂敷宽度W1为0.4mm。左右相邻类“Π”结构之间的距离B为0.2mm，上下相邻类“Π”结构之间距离B1为0.1mm。子单元C2内部高度D为1.05mm，子单元C2内部宽度E为1.2mm，C1部分的环开槽E1为0.2mm，C2部分的环开槽E2为0.05mm，C1与C2间距E3为0.1mm。
如图2和3分别是本发明实施例1的S参数的幅度和相位变化曲线，从图2中可以看出在8.4GHz附近出现谐振，同时在图3中S11相位也开始突变，并且在图3中S11和S21的相位在9GHz附近出现突变，说明在此频段下出现了左手特性；如图4为本发明实施例1的等效介电常数变化曲线，从图4中可以看出，等效介电常数的实部在2.33～5.16GHz、8.38～8.95GHz、9.96～11.08GHz频带范围内取值为负，是由于C1环中的纵向枝节以及C1和C2之间的缝隙可以有效地产生负等效介电常数。如图5为本发明实施例1的等效磁导率变化曲线，从图5中可以看出，等效磁导率在2.33～5.16GHz、8.38～9.24GHz、9.96～11.08GHz范围内取值为负，是由于C1环横向枝节与纵向枝节可以有效地产生负等效磁导率，并且拓宽了其带宽；结合图4和图5，左手特性的频带范围为两者重合值，即2.33～5.16GHz、8.38～8.95GHz和9.96～11.08GHz，实现三频段以及宽频带的左手特性。如图6为本发明实施例1的等效折射率变化曲线，折射率在2.33～5.16GHz、8.38～9.56GHz、9.95～12.65GHz和12.75～13.4GHz频带范围内为负值，包含了左手频段2.33～5.16GHz、8.38～8.95GHz和9.96～11.08GHz，涵盖了预期中的5G频段。如图7为本发明实施例1的品质因数变化曲线，FOM在对应的左手频带范围的最小值为4.2，说明此频带范围内的电磁损耗较低。
实施例2：
如图8，本实施例的结构单元由单面涂覆有金属良导体层的高性能微波介质基板组成，金属良导体层上刻蚀有多个类“Π”结构。高性能微波介质基板的介电常数的取值范围为4，形状为矩形，长L的取值为4mm，宽W取值为3.2mm。厚度为0.6mm。金属良导体层为铜层，金属良导体层的厚度为0.02mm，金属良导体层的宽度W1为0.2mm。左右相邻类“Π”结构之间的距离B为0.1mm，上下相邻类“Π”结构之间距离B1为0.05mm。子单元C2内部高度D为0.37mm，子单元内部C2宽度E为0.6mm，C1环开槽E1为0.04mm，C2环开槽E2为0.02mm，C1环与C2环间隔E3为0.02mm。
如图9和10分别是本发明实施例2的S参数的幅度和相位变化曲线，从图9可以看出，在26.4GHz附近出现谐振，同时在图10中S11相位也开始突变，并且在图10中S11和S21的相位在26.4GHz附近出现突变，说明在此频段下出现了左手特性；如图11为本发明实施例2的等效介电常数变化曲线，从图11可以看出，等效介电常数的实部在26.35～26.65GHz频带范围内取值为负，是由于C1环中的纵向枝节以及C1和C2之间的缝隙可以有效地产生负等效介电常数。图12为本发明实施例2的等效磁导率变化曲线，从图12可以看出，等效磁导率在26.35～26.65GHz范围内取值为负，是由于C1环横向枝节与纵向枝节可以有效地产生负等效磁导率，并且拓宽了其带宽；结合图11和图12，左手特性的频带范围为两者重合值，即26.35～26.65GHz，实现了在毫米波频段下的左手特性。图13为本发明实施例2的等效折射率变化曲线，折射率在26.35～27.04GHz频带范围内为负值，包含了左手频段26.35～26.65GHz，涵盖了预期中的毫米波频段。如图14为本发明实施例2的品质因数变化曲线，FOM在对应的左手频带范围的最小值为12.4，说明此频带范围内的电磁损耗较低。
本发明提供一种中心对称的四子基本单元左手材料。基本单元为单面覆有金属良导体层的高性能介质基板，金属良导体层以单元中心对称刻蚀有4个类“Π”结构的子单元，每个类“Π”子单元以Π为中心，Π的左边是宽边开放的C1环，Π的右边是长边开放的C2环背向交错衔接而成：左边的C1与右边的C2的中部间隔为E3。子单元围绕中心沿着上下左右呈对称分布，其中上下间隔为B1，左右间隔为B。实现了类“Π”结构各边长度、C1环和C2环耦合度的易于调控，通过调节单元几何参数，实现在某个或多个左手频段可控，并且能够使得左手频带拓宽，达到多频段、宽频带的特性。该左手材料不仅能满足多频段和宽频带两个特性，并且结构简单，局部耦合效应高，非常适合应用在Sub6以及毫米波频段下的5G设备局部调控，使得5G设备在Sub6以及毫米波频段下拥有更好的自适应性和可伸缩性。
上述实施例仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (10)

1.中心对称类Π形单边多频左手材料，其特征在于设有介质基板，在介质基板上单面覆有金属良导体层，金属良导体层刻蚀有以基板中心对称的4个类“Π”结构贴片单元；左上类“Π”结构贴片子单元以Π为中心，Π形的左边部分为宽边开放的C1环，Π形的右边部分为长边开放的C2环背向交错衔接而成：左边的C1环与右边的C2环之间设有间隔E3，相邻类“Π”结构贴片子单元之间设有微小缝隙，微小缝隙用于构成磁谐振回路和电谐振回路从而产生等效的负磁导率和等效的负介电常数，左下、右上、右下类“Π”结构贴片子单元与左上类“Π”结构贴片子单元上下左右对称布置。
2.如权利要求1所述中心对称类Π形单边多频左手材料，其特征在于所述介质基板采用高性能介质基板，所述介质基板介电常数为2～8。
3.如权利要求1所述中心对称类Π形单边多频左手材料，其特征在于所述介质基板形状为矩形，介质基板长L为3～10mm，宽W为3～10mm，厚度为0.5～2mm。
4.如权利要求1所述中心对称类Π形单边多频左手材料，其特征在于所述金属良导体层的宽度W1为0.1～0.6mm，金属良导体层的厚度为0.01～0.03mm。
5.如权利要求1所述中心对称类Π形单边多频左手材料，其特征在于所述左上与右上类“Π”结构贴片子单元之间的距离B为0.03～0.3mm。
6.如权利要求1所述中心对称类Π形单边多频左手材料，其特征在于所述左上与左下类“Π”结构贴片子单元之间的距离B1为0.03～0.2mm。
7.如权利要求1所述中心对称类Π形单边多频左手材料，其特征在于所述C2环内部长度D为0.3～2.5mm。
8.如权利要求1所述中心对称类Π形单边多频左手材料，其特征在于所述C2环内部宽度E为0.5～3mm。
9.如权利要求1所述中心对称类Π形单边多频左手材料，其特征在于所述C1环的开口宽度E1为0.03～0.3mm，C2环开口宽度E2为0.01～0.3mm。
10.如权利要求1所述中心对称类Π形单边多频左手材料，其特征在于所述C1环与C2环之间的间隔E3宽度为0.01～0.3mm。
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