CN114221118A - 一种宽频超材料结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种宽频超材料结构，其包括介质基板和刻蚀于介质基板一面的金属层。金属层为一闭合且左右对称的金属网状结构，该结构由金属方格与按同一方向等间隔排布的多组谐振结构组成。多组谐振结构基于多点谐振设计，且谐振结构的长度为谐振频率的四分之一波长，通过多个谐振频带的耦合设计，实现宽带超材料设计。本发明所设计的宽频超材料结构可以通过控制多谐振结构的数量和谐振结构的尺寸，调整谐振频点和工作带宽，设计的宽频超材料结构简单，已于共形设计，可以应用在隐身和雷达天线罩中。

Description

一种宽频超材料结构
技术领域
本发明涉及电磁场与微波技术和微波无线通信技术领域，尤其涉及一种宽频超材料结构。
背景技术
超材料因其独特的电磁特性以及广泛的用途成为了近几年电磁学中被广泛关注的热点研究内容。超材料具有自然界中的天然材料所不具备的特殊电磁特性，即它属于一种人工电磁结构，且超材料的电磁特性主要由单元结构所决定，同时还受到介质基板材料的影响。广义的超材料包括左手材料，电(磁)单负材料，电磁带隙结构等，其电磁响应特性主要由介电常数ε和磁导率μ所表示。在自然界中，几乎所有的天然材料都具有ε>0，μ>0的电磁特性，在这些材料中电场矢量与磁场矢量间满足右手螺旋法则，因此自然界中的材料被称为右手材料。与之对立，当电磁特性满足ε<0，μ<0时，其电场矢量和磁场矢量满足左手螺旋法则，故具有该种电磁特性的材料被称为左手材料，也即狭义的超材料。而随着对超材料研究的愈发成熟，业界对于超材料的定义已经不单单局限于介电常数和磁导率同时为负的左手材料，如ε<0，μ>0的电单负材料与ε>0，μ<0磁单负材料都被认定为广义的超材料。
超材料是人们在不违背基本物理学的前提下，通过对其单元结构进行设计从而得到自然界中天然材料电磁性质所完全不同人工材料结构。若利用超材料独特的电磁特性，解决天线、微波电路等电磁场与电磁波领域目前的一些问题，将为传统的设计方法带来一个新的研究方向。在目前的研究中，超材料在电磁场与电磁波的研究可以分为如下几个方向：1、将超材料应用于天线的设计，从而提高其带宽、增益、实现小型化等性能，2、利用超材料的极化控制特性及超材料吸波特性来控制电磁波散射，达到减缩雷达散射截面的目的，从而实现电磁隐身。3、使用超材料的旋光性、双折射特性等特性来实现电磁波的极化转换。4、利用超材料对表面波与空间波的抑制特性实现对MIMO天线之间耦合的抑制。但是，超材料的发展具有其自身的技术瓶颈，超材料所具有的窄带特性与无线通信领域发展趋势相悖，这在很大程度上限制了超材料在电磁场与电磁波领域的应用。因此，利用现有的技术基础设计出具有宽频特性的超材料具有十分重要的应用意义。
发明内容
本发明的目的是提出一种宽频超材料结构，该结构通过多组按同一方向等间隔排布的谐振结构实现，最终拓展超材料结构单元的宽频带特性，从而满足超材料在电磁场与电磁波领域多应用场景的需求。
本发明的目的是这样实现的：包括介质基板102及刻蚀在介质基板一面的金属层101，其特征在于：金属层101位于介质基板的102的结构中心，金属层101为一闭合且左右对称的金属网状结构，且由闭合的金属方格与多组按同一方向等间隔排布的谐振结构组成。
本发明还包括这样一些结构特征：
1.金属层101中的多组谐振结构按照同一方向等间距排列，且每组谐振结构的长度与谐振频点的四分之一波长相当，且多组谐振枝节在整体上呈现左右对称特征。
2.所述金属层101尺寸小于所述的介质基板102。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提出一种宽频超材料结构，通过在金属层101中引入多谐振结构，实现多个临近频点谐振，并通过多谐振频带的工作带宽交叠，实现宽带超材料设计。该发明可以通过调整多组谐振结构的尺寸，多谐振结构之间的间隙，动态调整谐振的频点和谐振带宽，调整超材料的工作频率和带宽。传统的超材料天然自带着窄带特性，而这种窄带特性是与无线通信领域发展的趋势相违背的，所以超材料所具有的窄带特性在很大程度上限制了超材料在电磁场与电磁波领域的广泛应用。而本发明所提出的一种宽频超材料结构通过构建多组谐振结构的方式实现了超材料的宽频设计，这对超材料在无线通信上的广泛应用有着巨大的实际意义，有效地推动了超材料在电磁场与电磁波等领域广泛应用。
本发明提出的一种宽频超材料结构，采用在金属层101和多组谐振结构的方式实现了超材料的宽频特性，突破了传统超材料设计中固有窄带特性的障碍，提出了宽频超材料设计的新思路，开拓了超材料在电磁场与电磁波等领域的应用前景。本发明提出的一种宽频超材料结构可以广泛用于降低雷达散射截面、实现电磁波极化转换、去除MIMO天线之间耦合的宽频带应用场景中，在工程应用意义上具有巨大的应用前景。此外，本发明提出的一种宽频带超材料结构可以合理地调整谐振结构的数量及多谐振结构之间的间隙实现对各个谐振频率点和谐振带宽的有效控制，从而可以根据实际工程的需要进行宽带、双频带、多频带超材料结构的设计。
本发明所提出的一种宽频超材料结构仅仅由两个部分组成：介质基板102和金属层101，其中金属层101位于介质基板102的一面，这意味着本发明所提出的超材料结构与传统的超材料结构相比较具有结构简单、调试方便、易于集成等优点，这在很大的程度上促进了超材料在电磁场与电磁波等领域运用的优势，因此本发明所提出的一种宽频超材料结构在科研与工程应用中都有巨大的研究价值。
附图说明
图1是本发明所设计的一种宽频超材料结构的俯视图；
图2是本发明所设计的一种宽频超材料结构的侧视图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
结合图1-图2，本发明的目的是这样实现的：本发明所设计的一种宽频超材料结构主要包含金属层101和介质基板102两部分，其中金属层101印刷于介质基板102的一面，并且金属层101尺寸小于介质基板102，且位于介质基板102的结构中心。金属层101为一闭合的结构，其在外观上呈现出了高度的对称特性，且该印刷金属层101主要等间隔分布的谐振枝节和闭合金属方环所构成。
所述的印刷金属层101为一完全闭合的结构，其主要金属方格与按同一方向等间隔排布的多组谐振结构组成，且为左右对称的金属网状结构。在金属层101中设置多组谐振结构的意义在于，多组谐振结构可引入多个谐振频点，且每个谐振频点的谐振结构与其谐振频率的四分之一波长一致，通过调整多组谐振结构的尺寸、多组谐振结构间的缝隙，使多个谐振频点的频带交叠，实现宽频超材料设计。本发明将多组谐振结构集成于一个闭合的金属方格之中，进而控制超材料结构的谐振频率与谐振带宽。此外，可以根据实际的应用需求合理地调整谐振结构的数量及谐振结构间距，调整超材料的谐振频带和工作带宽，同时也能够利用多频带谐振的特点，使临近的谐振频点间通过工作带宽的相互交叠，实现宽频超材料设计。
所述的一种宽频超材料结构与传统的超材料结构相比，本发明通过在金属层101内构建多组谐振结构，从而引入多个谐振频点，通过合理地调整多组谐振结构的间距和尺寸，使得引入的多组谐振结谐振频带的带宽交叠，从而实现了超材料结构的宽频特性。而传统的超材料天然具有窄带特性，这种窄带特性在很大的程度上限制了超材料在电磁场与电磁波等领域的广泛应用，这意味着若不突破超材料的窄带特性和超材料在无线通信领域、雷达等领域的应用限制，超材料很难在实际工程需求中得到广泛应用。本发明中所提出的一种宽频超材料结构通过在金属层101内构建多组谐振结构，从而引入多个谐振频点，使多组谐振结谐振频带的带宽交叠，拓展超材料的带宽，实现超材料的宽频设计。
本发明所提出的一种宽频超材料结构突破了传统超材料设计中固有的窄带特性，通过在金属层101中集成多组谐振结构，实现了超材料的宽频特性设计，提出了超材料带宽展宽的新思路，拓展了超材料在电磁场与电磁波领域上的应用前景。本发明提出的一种宽频超材料结构可以广泛用于降低雷达散射截面、实现电磁波极化转换、降低或者消除MIMO天线之间耦合，特别是针对宽带天线、雷达，本发明的超材料结构具有很大的优势，在工程应用上具有巨大的应用前景。此外，本发明提出的一种宽频带超材料结构，可以合理地调整谐振结构的数量及多谐振结构之间的间隔实现对各个谐振频率点和谐振带宽的有效控制，从而可以根据实际工程的需要进行宽带、双频带、多频带超材料结构的设计。
综上所述，本发明公开了一种宽频超材料结构，该超材料结构仅仅由两个部分组成，即金属层101和介质基板102，且金属层101为一完全封闭并高度对称的结构，由由金属方格与按同一方向等间隔排布的多组谐振结构组成，且金属层101位于介质基板102一面的结构中心。多谐振结构引入了多个谐振频率点，且该超材料结构所采用的多谐振结构的谐振长度与谐振频点的四分之一波长相近，引入的谐振频率点可以通过调整多谐振结构的谐振频点下的工作带宽叠加实现超材料单元的宽频特性设计。此外，本发明所提出的一种宽频带超材料结构，可以通过调整谐振结构的数量及多谐振结构之间的间隔实现对各个谐振频率点和谐振带宽的有效控制，从而可以根据实际工程的需要进行宽带、双频带、多频带超材料结构的设计。本发明所设计的超材料具有结构简单、调试方便、易于集成等优点，这在很大的程度上促进了超材料在电磁场与电磁波等领域的应用，因此本发明所提出的一种宽频超材料结构在科研与工程应用中都有着巨大的研究价值。
综上，本发明提出了一种宽频超材料结构，其包括介质基板和刻蚀于介质基板一面的金属层。金属层为一闭合且左右对称的金属网状结构，该结构由金属方格与按同一方向等间隔排布的多组谐振结构组成。多组谐振结构基于多点谐振设计，且谐振结构的长度为谐振频率的四分之一波长，通过多个谐振频带的耦合设计，实现宽带超材料设计。本发明所设计的宽频超材料结构可以通过控制多谐振结构的数量和谐振结构的尺寸，调整谐振频点和工作带宽，设计的宽频超材料结构简单，已于共形设计，可以应用在隐身和雷达天线罩中。

Claims (3)

1.一种宽频超材料结构，包括介质基板(102)及刻蚀在介质基板一面的金属层(101)，其特征在于：金属层(101)位于介质基板的(102)的结构中心，金属层(101)为一闭合且左右对称的金属网状结构，且由闭合的金属方格与多组按同一方向等间隔排布的谐振结构组成。
2.根据权利要求1所述的一种宽频超材料结构，其特征在于：金属层(101)中的多组谐振结构按照同一方向等间距排列，且每组谐振结构的长度与谐振频点的四分之一波长相当，且多组谐振枝节在整体上呈现左右对称特征。
3.根据权利要求1所述的一种宽频超材料结构，其特征在于：所述金属层(101)尺寸小于所述的介质基板(102)。
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