带有可调十字金属线结构的双悬臂e型反向嵌套左手材料的制作方法
【专利摘要】带有可调十字金属线结构的双悬臂E型反向嵌套左手材料，涉及一种左手材料。提供一种带有可调十字金属线结构的双悬臂E型反向嵌套左手材料。设有介电基板、双悬臂E型金属线和十字金属线结构；所述双悬臂E型金属线反向对称刻蚀在介电基板的一侧，交错嵌套的E字结构中间臂断开，所述十字金属线结构设在介电基板背面。实现了左手材料双悬臂E型结构各边长度、两个悬臂E型金属线的耦合度、十字结构正交交叠位置的易于调控，通过调节单元几何参数，实现某个或多个左手频段可控。实现改变入射波方向和电场极化方向而保持磁场极化方向不变时，阵列结构的左手特性不发生改变，拓宽了电磁波的入射角度，可以实现从两个方向上入射同时表现左手特性。
【专利说明】带有可调十字金属线结构的双悬臂E型反向嵌套左手材料
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种左手材料，特别是涉及一种可以实现在两个方向上入射、频率特性可控的带有可调十字金属线结构的双悬臂E型反向嵌套左手材料。
【背景技术】
[0002]左手材料(left-handed metamaterials)是一种具有负介电常数和负磁导率的人工复合材料，是由前苏联物理学家Mandelshtam于1940年最初提出的周期分布阵列结构。这种刻蚀在微波电路介质基板上的周期阵列结构能够引起电场和磁场在一定频率范围内的谐振，使得该结构等效介电常数和磁导率同时表现为负值。左手材料的主要特点是，在左手材料中传播的电磁波的相速度和群速度方向相反，电磁波的能量传播方向和相速度方向相反，S、及和見之间满足左手螺旋关系。20世纪90年代，Pendry等人(V.G.Veselag0.The Electrodynamics of Substances with Simultanesously NegtiveValue [J].Soviet Physics.1968, 10:509-514)提出了用周期性金属线组成的理论模型,推导出该结构模型的负介电常数频段。根据Pendry的研究，通过对开口谐振环，即SRRs的周期型排列，可以使材料的磁性特性在一定的频段内呈负值。1996年他首先提出了周期排列的金属细导线在入射频率比等离子体谐振频率低时，会出现介电常数为负的情况，同时给出了计算有效介电常数的解析模型。1999年他的研究小组再一次提出周期放置的开环谐振器阵列，可以表现出负磁导率的特性，并且论文中给出了计算SRR磁导率的模型结构。2000 年 Smith 以平均值法(Hsu Y J, Huang Y C，Lih J S.Electromagnetic resonancein deformed split ring resonators of lefthanded meta-materials[J].2003, 258:161-166)为理论依据，提出了三种直接能够计算左手材料有效介电常数及有效磁导率的方法，分析了左手材料负折射率的解析解构，并得到了左手材料负折射率与材料介电常数和磁导率的关系。2006年，Xu等人的研究向人们展示了 SRR阵列有效本构参数张量的提取技术(Antoniades M A, Eleftheriades G V.Compact liner lead metamateral phaseshifters for broadband applications.[J]IEEE Antennas and Wireless PropagationLetters.2003, 2:103-106)，指出在本构参数张量提取过程中，可以用等效电路方法来描述物理本质。近年来，左手材料被应用在众多领域，包括电磁学、光学、声学、电磁隐身、通信和医学等领域，成为国内外学者的研究热点。除SRR结构外，很多结构在某个频点或频段已经表现出了左手特性，包括螺旋环型结构、树枝状结构、蘑菇型结构、双S型结构、Z型结构等。但这些结构的左手材料只能在某一个特定入射方向上实现左手特性，因此缺乏应用的灵活性和多样性。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是提供一种带有可调十字金属线结构的双悬臂E型反向嵌套左手材料。
[0004]本发明设有介电基板、双悬臂E型金属线和十字金属线结构；所述双悬臂E型金属线反向对称刻蚀在介电基板的一侧，交错嵌套的E字结构中间臂断开，所述十字金属线结构设在介电基板背面。
[0005]所述介电基板可米用微波介电材料基板，介电基板的介电常数可为2?10,优选
4.4±5% ;介电基板的厚度可为0.25?1.3mm,优选0.40_±5%。
[0006]所述十字金属线可采用带有均匀分布可调十字金属线，所述带有均匀分布可调十字金属线可采用至少2组周期性的双悬臂E型金属线结构阵列，所述十字金属线与双悬臂E型金属线同周期同间距。
[0007]本发明实现了左手材料双悬臂E型结构各边长度、两个悬臂E型金属线的耦合度、十字结构正交交叠位置的易于调控，通过调节单元几何参数，能够实现某个或多个左手频段可控。由于采用了以上结构，实现了改变入射波方向和电场极化方向而保持磁场极化方向不变时，阵列结构的左手特性不发生改变，拓宽了电磁波的入射角度，这样制备的新型微波左手材料可以实现从两个方向上入射同时表现左手特性，是一种新型的双入射左手材料，具有在实际应用中能够从多方向入射所表现出相同左手性能的优点，实现了左手材料的多维化和多向化。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]图1为本发明实施例中带有均匀分布可调十字金属线结构的双悬臂E型反向嵌套的新型双入射左手材料示意图。
[0009]图2为本发明实施例中左手材料背面的可调十字金属线单元结构。
[0010]图3为本发明实施例在一块高性能介电材料微波基板上分别对位刻蚀出周期性的双悬臂E型结构，在沿着波的传播方向上雕刻至少3个单元，并列至少3排的基板在两个方向上构成周期性结构，整体上实现左手特性和双入射左手特性。
[0011]图4为将相应参数(中心间距为3.00±0.01mm，边长a=2.00±0.01mm，宽度w=0.20±0.01mm, b=2.20±0.01mm,中心边长度，d=0.15±0.0lmm, ρ=0.05±0.01mm,w=0.25±0.01mm,L=3.00±0.0lmm)的样品填充于波导内时，波导端口传输系数S12的幅度和端口反射系数Sll的幅度。
[0012]图5为将相应参数(中心间距为3.00±0.01mm，边长a=2.00±0.01mm，宽度w=0.20±0.01mm, b=2.20±0.01mm,中心边长度，d=0.15±0.0lmm, ρ=0.05±0.01mm,w=0.25±0.01mm,L=3.00±0.0lmm)的样品填充于波导内时，波导端口传输系数S12的相位和端口反射系数Sll的相位。
[0013]图6为图4中的样品的等效介电常数的实部。
[0014]图7为图4中的样品的等效磁导率。
[0015]图8为改变电磁波在X轴方向的入射，让电磁波以y轴方向入射，保持磁场极化方向不变。将上述样品填充于波导内时，波导端口传输系数S12的幅度和端口反射系数Sll的幅度。
[0016]图9为改变电磁波在X轴方向的入射，让电磁波以y轴方向入射，保持磁场极化方向不变。将上述样品填充于波导内时，波导端口传输系数S12的相位和端口反射系数Sll的相位。【具体实施方式】
[0017]以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明。
[0018]参见图1?3，本发明实施例设有至少3排高性能介电材料微波基板I ;所述高性能介电材料微波基板I的一侧11刻蚀至少3个双悬臂E型金属线单元，所述双悬臂E型金属线单元是由2个反向错位对称嵌套的E型金属线12组成，高性能介电材料微波基板I的另一侧21刻蚀至少3个十字金属线单元22，所述十字金属线单元22和双悬臂E型金属线单元的数目相同，所述十字金属线单元22的横边221与双悬臂E型金属线单元的纵边121垂直，所述十字金属线单元22的纵边222与双悬臂E型金属线单元的纵边121平行，双悬臂E型金属线单元的中心与十字金属线单元的中心在同一水平高度，双悬臂E型金属线单元之间的距离相同，十字金属线单元之间的距离相同。
[0019]所述高性能介电材料微波基板I的介电常数为2?10,最好为4.4±5%ο厚度可为 0.25 ?1.3mm,最好为 0.40_±5%。
[0020]所述E型金属线12的外边长a可为2?3mm,金属各边的宽度w=0.05?0.25mm,双悬臂E的内部边的长度b=l?2.5mm,中心边与侧边之间的距离d=0.1?0.5mm,两个悬臂E的对应各边之间的距离ρ=0.I?0.5mm，厚度为0.01?0.03mm。其典型值为a=2.00±0.01mm, w=0.20±0.01mm, b=2.20±0.01mm，d=0.15±0.01mm, ρ=0.05±0.01mm,金属线的厚度为0.018mm±5%。
[0021]所述十字金属线22的长度为L=2?6mm，宽度w=0.10?0.30mm,厚度为0.01?
0.03mm。其典型值为 L=3.00±0.01mm，w=0.25±0.02mm,厚度为 0.018_±5%。
[0022]优化组合后可获取左手材料不同电磁参数，包括等效介电常数和等效磁导率。在3?12GHz范围内可由几何参量调谐控制实现某个频点上等效介电常数和等效磁导率同时为负。
[0023]本发明采用电路板刻蚀技术，在厚度为0.40mm±5%的聚四氟乙烯基板的某一面刻蚀出至少三个完全相同的金属铜双悬臂E型单元构成周期阵列，周期重复的金属铜双悬臂E型单元必须分布在与双悬臂E型金属铜线的纵边垂直的一条轴线上，中心间距为6.5 ± 3.5mm,金属铜的厚度为0.018mm± 5%,对称金属铜双悬臂E型单兀的外边长a=2.00±0.0lmm,边的宽度w=0.20±0.0lmm,双悬臂E型单元中心边的长度b=2.20±0.0lmm,中心边与侧边之间的距离d=0.15±0.01mm，两个双悬臂E的对应各边之间的距离P=0.05±0.0lmm ;聚四氟乙烯基板另一侧对应双悬臂E结构中心位置出刻蚀长度L=3.00±0.0lmm,宽度w=0.25±0.02mm的十字金属线周期阵列，重复周期与双悬臂E结构相同。将制成的一个方向上周期阵列结构在高性能介电材料微波基板轴线方向上同样排列至少三排构成如图3所示的周期阵列，相邻基板之间的距离为1.25mm。这样制作而成的周期阵列结构，对单元结构中双悬臂E型结构中各个边的长度宽度和十字金属线长度宽度等几何参量综合优化组合，取不同的值，就可以制成能够工作在特定频段的双悬臂E结构和十字金属线组合而成的左手材料，并且具有不同的等效介电常数、等效磁导率和等效折射率。
[0024]实施例一:
[0025]采用典型PCB制版技术，在厚度为0.40mm±5%覆铜箔厚度e=0.018mm±5%的聚四氟乙烯基板的一侧刻蚀出至少三个完全相同的金属铜双悬臂E型单元结构，由此构成周期阵列，周期重复的金属铜双悬臂E型结构必须排列在与E字结构三个水平边平行的一条轴线上。其中，中心间距为3.00±0.0lmm,对称双悬臂E型结构的外边长a=2.00±0.01mm,金属各边的宽度w=0.20±0.0lmm,双悬臂E型结构的中心边长度b=2.20±0.0lmm,中心边与侧边之间的距离d=0.15±0.01mm，两个双悬臂E型结构的对应各边之间的距离P=0.05±0.01mm。在另一侧刻蚀出中心与双悬臂E型结构中心位置对应且直边垂直于E字结构的三个水平边，具有同样周期的均匀分布可调十字金属线结构阵列，均匀分布的可调十字金属线结构两条相互垂直的线宽度w=0.25±0.01mm，线的长度L=3.00±0.0lmm0这样制备而成的在微波入射方向成5个单元结构的周期性左手材料，并列放入波导腔内部使在磁场H的方向上也成3个单元结构的周期性。使得电磁波从X方向入射，测得装入左手材料的波导的端口传输系数和反射系数，波导端口传输系数S12的幅度和端口反射系数Sll的幅度如图4所示，波导端口传输系数S12的相位和端口反射系数Sll的相位如图5所示，以及由测量系数计算出的等效介电常数如图6所示，等效磁导率如图7所示。结果显示在IOGHz附近的频域中，等效介电常数和磁导率均为负值，这表明在IOGHz频率附近该结构可以作为一种左手材料来应用。
[0026]实施例二:
[0027]采用典型PCB制版技术，在厚度为0.40mm±5%覆铜箔厚度e=0.018mm±5%的聚四氟乙烯基板的一侧刻蚀出至少三个完全相同的金属铜双悬臂E型单元结构，由此构成周期阵列，周期重复的金属铜双悬臂E型结构必须排列在与E字结构三个水平边平行的一条轴线上。其中，中心间距为3.00±0.01mm，对称双悬臂E型结构的外边长a=2.00±0.01mm，金属各边的宽度w=0.20±0.01mm，双悬臂E的中心边长度b=2.20±0.0lmm,中心边与侧边之间的距离d=0.15±0.01mm，两个双悬臂E型结构的对应各边之间的距离p=0.05±0.01mm。在另一侧刻蚀出中心与双悬臂E型结构中心位置对应且直边垂直于E字结构的三个水平边，具有同样周期的均匀分布可调十字金属线结构阵列，十字金属线结构两条相互垂直的线宽度w=0.25±0.0lmm,线的长度L=3.00±0.0lmm0这样制备而成的在微波入射方向上成5个单元结构的周期性左手材料，并列放入波导腔内部使在磁场H的方向上成3个单元结构的周期性，但是电磁波从I方向入射，保持磁场极化方向不变，测得装入左手材料的波导的端口传输系数和反射系数，波导端口传输系数S12的幅度和端口反射系数Sll的幅度如图8所示,波导端口传输系数S12的相位和端口反射系数Sll的相位如图9所示。由图8和9可知，本发明从两个方向入射电磁波时，仿真计算结果没有差异，在IOGHz附近的频域内等效介电常数和磁导率都是负值，表明带有均匀分布可调十字金属线结构的双悬臂E型反向嵌套左手材料可以实现在两个相互垂直方向入射的左手特性，是一种双入射左手材料。
【权利要求】
1.带有可调十字金属线结构的双悬臂E型反向嵌套左手材料，其特征在于设有介电基板、双悬臂E型金属线和十字金属线结构；所述双悬臂E型金属线反向对称刻蚀在介电基板的一侧，交错嵌套的E字结构中间臂断开，所述十字金属线结构设在介电基板背面。
2.如权利要求1所述带有可调十字金属线结构的双悬臂E型反向嵌套左手材料，其特征在于所述介电基板米用微波介电材料基板。
3.如权利要求1所述带有可调十字金属线结构的双悬臂E型反向嵌套左手材料，其特征在于所述介电基板的介电常数为2?10。
4.如权利要求3所述带有可调十字金属线结构的双悬臂E型反向嵌套左手材料，其特征在于所述介电基板的介电常数为4.4±5%。
5.如权利要求1所述带有可调十字金属线结构的双悬臂E型反向嵌套左手材料，其特征在于所述介电基板的厚度为0.25?1.3mm。
6.如权利要求5所述带有可调十字金属线结构的双悬臂E型反向嵌套左手材料，其特征在于所述介电基板的厚度为0.40mm±5%。
7.如权利要求1所述带有可调十字金属线结构的双悬臂E型反向嵌套左手材料，其特征在于所述十字金属线采用带有均匀分布可调十字金属线。
8.如权利要求7所述带有可调十字金属线结构的双悬臂E型反向嵌套左手材料，其特征在于所述带有均匀分布可调十字金属线采用至少2组周期性的双悬臂E型金属线结构阵列。
9.如权利要求1所述带有可调十字金属线结构的双悬臂E型反向嵌套左手材料，其特征在于所述十字金属线与双悬臂E型金属线同周期同间距。
【文档编号】H01Q15/00GK103700948SQ201410011259
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2014年1月10日 优先权日:2014年1月10日
【发明者】游佰强, 金琬晴, 戚宇轩, 周建华, 李海雄, 孙越 申请人:厦门大学