一种双频段背向交叉耦合周期阵列左手材料及其制备方法
一种双频段背向交叉耦合周期阵列左手材料及其制备方法
【专利摘要】一种双频段背向交叉耦合周期阵列左手材料及其制备方法，涉及一种左手材料。所述左手材料设有至少3排微波介电材料基板，微波介电材料基板的一侧雕刻至少3个三叉结构金属线单元，三叉结构金属线单元由形状如同字母E的金属线状材料组成；微波介电材料基板的另一侧雕刻至少3个与三叉结构金属线单元对称的背向三叉结构金属线单元，对称的背向三叉结构金属线单元和三叉结构金属线单元的数目相同，三叉结构金属线单元的中心与背向三叉结构金属线单元的中心在同一水平高度，三叉结构金属线单元之间的距离相同，背向三叉结构金属线单元之间的距离相同。可实现在12GHz与17GHz附近两个不同频段上同时产生负折射率、负介电常数以及负磁导率。
【专利说明】一种双频段背向交叉耦合周期阵列左手材料及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种左手材料，尤其是涉及一种双频段背向交叉耦合周期阵列左手材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002]左手材料(left-handed metamaterials)是一种到现在还没有在自然界中找到的人工复合材料，是由前苏联物理学家Mandelshtam于1940年最初提出的，是在传统的电路介质基板上刻蚀出一定尺寸的不同形状的金属图形，在X、Y和Z方向上至少三个图形单元组成周期性结构，由这些不同的金属图形结构引起电场和磁场在一定频率范围内的谐振，当电磁波穿过这种材料构成的介质时，就会表现出与传统介质完全不同的性质。它的主要特征就是介质的两个宏观电磁常数即介电常数和磁导率同时为负，但是仍然遵守Maxwell方程组，而传统介质的介电常数和磁导率都是正的。因为在介质中传播的电磁波的特征是由介电常数和磁导率共同决定的，于是与常规介质不同，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，五、及和无之间满足左手螺旋关系而不是右手螺旋关系，因此得名左手材料。1968年如苏联的科学家Veselago最初对左手材料在理论上做了研究，获知左手材料会呈现出许多新颖的特性，如反常Doppler效应、反常Cherenkov效应、负折射现象等。但是在接下来的30多年来，因为是工程和实验室都没有找到具有以上特性的材料，所以对左手材料的研究一直处于停滞状态。直到1996年英国的皇家科学院院士 J.B.Pendry受到等离子体的启发，把金属丝(Rods)均匀排列，电磁波射入金属丝阵列，当波长和电场极化方向满足一定条件时，该金属阵列就可以等效为等离子体，得到负的介电常数；三年之后，他又利用开口的金属谐振环(SRR，Split ringresonator),在特定入射波的条件下获得了负的磁导率。2000年,美国的科学家D.R.Smith研究小组在Pendry等人研究的基础上，将SRR和Rods合理地组合起来，首次得到了同时具有负的介电常数和磁导率的物质，从此以后，越来越多的人投身到左手材料的研究热潮中，左手材料被“Science”杂志评为2003年度十大科技突破之一。在研究中，逐渐发现左手材料在光学、电磁学、声学、电磁隐身、通信、医学诊断成像等领域有重要的应用价值。目前，各国科研工作者所设计的左手材料都能在某个频点或频段上实现左手特性，并且已经设计出各种各样的单元结构，其中包括螺旋环型结构(Pendry J B.A chiral routeto negative refraction [J].Science, 2004, 306 (5700): 1353-1355)、树枝状结构(ZhangB S L C R, Xiao-Peng Y P Z.Broadband metamaterial absorber based on dendriticstructure [J].ActaPhysicaSinica, 2010, 5:042)、蘑燕型结构、双 S 型结构、Z 型结构等。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是提供一种双频段背向交叉耦合周期阵列左手材料及其制备方法。
[0004]所述双频段背向交叉耦合周期阵列左手材料设有至少3排微波介电材料基板，所述微波介电材料基板的一侧雕刻至少3个三叉结构金属线单元，所述三叉结构金属线单元是由形状如同字母E的金属线状材料组成；微波介电材料基板的另一侧雕刻至少3个与三叉结构金属线单元对称的背向三叉结构金属线单元，所述对称的背向三叉结构金属线单元和三叉结构金属线单元的数目相同，三叉结构金属线单元的中心与背向三叉结构金属线单元的中心在同一水平高度，三叉结构金属线单元之间的距离相同，背向三叉结构金属线单元之间的距离相同。
[0005]所述微波介电材料基板的介电常数可为2.2?16,典型值为4.4±5% ;厚度可为0.2 ?3mm，典型值为 0.4±5%mm。
[0006]所述三叉结构金属线与背向三叉结构金属线单元的外侧边长a可为2.0?3.0mm,外底边的长度b可为1.0?2.5mm,中心棒边长c可为0.8?2.0mm,金属线各边的宽度w可为0.05?0.25mm,金属线厚度可为0.01?0.03mm ;其典型值为a=3.0±0.02mm,w=0.2±0.02mm, b=2.2±0.02mm, c=l.6±0.02mm,金属线厚度=0.018mm±5%。
[0007]优化组合后可获取左手材料不同电磁参数(等效介电常数ε和等效磁导率μ )，在8?20GHz范围内某两个不同频点上等效介电常数和等效磁导率同时为负。
[0008]所述双频段背向交叉耦合周期阵列左手材料的制备方法，包括以下步骤:
[0009]( I)采用电路板刻蚀技术，在所设计厚度尺寸的双面敷良导体的介电材料微波基板两侧表面上分别雕刻出正向与背向三叉结构金属线单元阵列，结构单元中心间距可根据设计频段选取3?10mm，典型值为6.5 ± 0.5mm ;
[0010](2)改变基本单元结构中的几何参量制得各种不同大小的结构单元；
[0011](3)将所制得的分布有周期性的背向交叉耦合单元阵列介质板切割成多个单元成一列的条状结构，再并列放置构成二维的双频段背向交叉耦合周期阵列左手材料。
[0012]本发明的结构由基板两侧对称的交叉耦合金属线组成。高性能介电材料微波基板的一侧雕刻一组至少三个开口同侧的三叉结构金属线；微波基板的另一侧雕刻同样数目的开口相反的背向三叉结构金属线，并且基板两侧的金属线结构在同一水平高度上且空间周期大小相同。具有以上结构的微波板沿着轴向排列至少三列，构成两个方向上的周期性结构，这样的周期阵列结构整体可以看作一种新型的微波左手材料。这样制备出来的双频段背向交叉耦合周期阵列左手材料可以在两个不同的频段内同时产生负折射率、负介电常数以及负磁导率。该材料可调控的几何参量有每个三叉结构金属线中的各个边的长度、各个边的线宽、中心棒的位置，这些参量同时也都是可以影响左手材料等效电磁参数的关键因素。因此只要对背向交叉耦合单元结构中的各个几何参量进行调节，就可以根据不同实际应用中的需要获得具有不同等效电磁参数的新型左手材料，其中包括等效介电常数、等效磁导率和等效折射率。本发明的双频段背向交叉耦合周期阵列材料是一种新型的左手材料，具有在两个不同频段上实现左手效应的特点。
[0013]不同结构的左手材料都有自己的特性，本发明提供的一种双频段背向交叉耦合周期阵列左手材料可以在两个较宽的频率范围内实现左手特性，这是因为背向交叉耦合结构的金属线在入射电磁波的作用下产生的感应电流在两个不同的频率上都能产生电磁谐振；并且通过改变谐振环的结构参数就可以改变电流的谐振频率和谐振强度，从而进一步改变材料的左手特性。由于背向交叉耦合周期阵列特殊的单元结构形成了两个不同的谐振回路，金属线上的感应电流在环路上谐振，从而可以实现在两个不同频率范围内实现左手效应；并且可以通过改变结构的线宽和中心棒的位置从而改变谐振环路和谐振频率的大小和强度。
[0014]与常见的左手材料结构相比，本发明结构单元特别设计了背向交叉耦合周期阵列左手材料；这种结构的左手材料可以实现在12GHz与17GHz附近两个不同频段上同时产生负折射率、负介电常数以及负磁导率(即左手效应)；通过调整金属线的线宽、中心棒位置等参数可以调谐控制结构单元的谐振频率和谐振强度，从而改变产生左手效应的频段以达到实际应用的需要。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1为本发明所述双频段背向交叉耦合周期阵列左手材料实施例的结构组成示意图。
[0016]图2为本发明所述双频段背向交叉耦合周期阵列左手材料实施例的正面金属线单元的结构组成示意图。
[0017]图3为本发明所述双频段背向交叉耦合周期阵列左手材料实施例的背面金属线单元的结构组成示意图。
[0018]图4为本发明实施例中波导端口传输系数和反射系数幅度变化示意图。在图4中，横坐标为频率/GHz，纵坐标为S参数的幅度；曲线a为参数Sll的幅度变化示意图，曲线b为参数S12的幅度变化示意图。
[0019]图5为本发明实施例中波导端口传输系数和反射系数相位变化示意图。在图5中，横坐标为频率/GHz,纵坐标为S参数的弧度的相位/rad ；曲线a为参数Sll的相位变化示意图，曲线b为参数S12的相位变化示意图。
[0020]图6为本发明实施例1中左手材料阵列等效介电常数变化示意图。在图6中，横坐标为频率/GHz,纵坐标为介电常数的取值；曲线a为复介电常数的实部，曲线b为复介电常数的虚部。
[0021]图7为本发明实施例1中左手材料阵列等效磁导率变化示意图。在图7中，横坐标为频率/GHz，纵坐标为磁导率的取值；曲线a为复介电常数的实部，曲线b为复介电常数的虚部。
【具体实施方式】
[0022]以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。
[0023]参见图1?3，本发明所述双频段背向交叉耦合周期阵列左手材料实施例设有至少3排微波介电材料基板I，所述微波介电材料基板I的一侧11雕刻至少3个三叉结构金属线单元，所述三叉结构金属线单元是由形状如同字母E的金属线状材料12组成；微波介电材料基板I的另一侧21雕刻至少3个与三叉结构金属线单元12对称的背向三叉结构金属线单元22，所述对称的背向三叉结构金属线单元22和三叉结构金属线单元12的数目相同，三叉结构金属线单元12的中心与背向三叉结构金属线单元22的中心在同一水平高度，三叉结构金属线单元11之间的距离相同，背向三叉结构金属线单元22之间的距离相同。
[0024]所述介电材料微波基板的介电常数可为2.2?16,最好为4.4±5% ;厚度可为
0.2?3謹,最好为0.4±5%mm。
[0025]所述对称三叉状结构中，三叉状的外侧边长a=2.0?3.0mm，各边的宽度w=0.05?0.25mm,外底边的长度b=l.0?2.5mm,中心棒边长c=0.8?2.0mm.其典型值为a=3.0±0.02mm, w=0.2±0.02mm, b=2.2±0.02mm, c=l.6±0.02mm。
[0026]优化组合后可获取左手材料不同电磁参数(等效介电常数ε和等效磁导率μ )，分别在12GHz与17GHz附近频率范围内可实现等效介电常数和等效磁导率同时为负。
[0027]采用电路板雕刻技术，厚度为0.4mm±5%的聚四氟乙烯基板或者环氧玻璃基板的某一面刻蚀出至少三个完全相同的形如字母E的金属线单元结构构成周期阵列，周期重复的金属线结构必须分布在三个水平边平行的一条轴线上，中心间距为3.0±0.01，金属铜的厚度为0.018mm±5%，三叉结构金属线结构外侧边长a=3.0±0.0lmm,各个边的宽度w=0.20±0.0lmm,金属线结构外底边的长度b=2.2±0.0lmm,中心棒边长c=l.6±0.4mm ;微波介质基板另一侧同一水平高度上刻蚀出对称的背向金属线结构，重复周期两面相同。将制成的一个方向上周期阵列结构在微波基板轴线方向上同样排列至少三排构成如图1所示的周期阵列，(在图1中，相邻基板之间的轴向周期距离为1.25mm)。根据这样制作而成的周期阵列结构，对单元结构中背向的金属线结构中各个边的长度宽度等几何参量进行综合优化组合，取不同的值，就可以制成可工作于特定频段的双频段背向交叉耦合周期阵列左手材料，并且具有不同的等效介电常数、等效磁导率和等效折射率。
[0028]本发明的实现过程、测试过程和材料的性能由以下实施例和【专利附图】
【附图说明】。
[0029]采用电路板刻蚀技术，在厚度为0.4mm±5%覆铜箔厚度为0.018mm±5%的聚四氟乙烯基板的一侧刻蚀出7个完全相同的金属铜背向交叉耦合单元结构构成周期阵列，周期性重复的三叉结构金属线必须分布在金属线结构三条水平边平行的一条轴线上，其中心间距为3.0±0.01mm，外侧边长a=3.0±0.01mm，各边的宽度w=0.20±0.01mm，三叉结构金属线的外底边长度b=2.2±0.0lmm,中心棒长度c=l.6±0.0lmm ;介质基板另一侧对应金属线结构中心的位置上对称地刻蚀出同样周期性背向金属线结构阵列。将这样制备成的微波入射方向成7个单元结构的周期性左手材料等间距并列三排放入波导腔内部，测得内部装有左手材料的波导端口传输系数S12和反射系数Sll幅度变化情况如图4所示，波导端口传输系数S12和反射系数Sll相位变化情况如图5所示，以及由S参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。
【权利要求】
1.一种双频段背向交叉耦合周期阵列左手材料，其特征在于设有至少3排微波介电材料基板，所述微波介电材料基板的一侧雕刻至少3个三叉结构金属线单元，所述三叉结构金属线单元是由形状如同字母E的金属线状材料组成；微波介电材料基板的另一侧雕刻至少3个与三叉结构金属线单元对称的背向三叉结构金属线单元，所述对称的背向三叉结构金属线单元和三叉结构金属线单元的数目相同，三叉结构金属线单元的中心与背向三叉结构金属线单元的中心在同一水平高度，三叉结构金属线单元之间的距离相同，背向三叉结构金属线单元之间的距离相同。
2.如权利要求1所述一种双频段背向交叉耦合周期阵列左手材料，其特征在于所述微波介电材料基板的介电常数为2.2?16 ;厚度为0.2?3mm。
3.如权利要求2所述一种双频段背向交叉耦合周期阵列左手材料，其特征在于所述微波介电材料基板的介电常数为4.4±5% ;厚度为0.4±5%mm。
4.如权利要求1所述一种双频段背向交叉耦合周期阵列左手材料，其特征在于所述三叉结构金属线与背向三叉结构金属线单元的外侧边长a为2.0?3.0mm,外底边的长度b为1.0?2.5mm,中心棒边长c为0.8?2.0mm,金属线各边的宽度w为0.05?0.25mm,金属线厚度为0.01?0.03_。
5.如权利要求4所述一种双频段背向交叉耦合周期阵列左手材料，其特征在于所述三叉结构金属线与背向三叉结构金属线单元的外侧边长a=3.0±0.02mm, b外底边的长度=2.2±0.02mm,中心棒边长c=l.6±0.02mm,金属线各边的宽度w=0.2±0.02mm,金属线厚度=0.018mm±5%。
6.如权利要求1?5任一所述双频段背向交叉耦合周期阵列左手材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤: (1)采用电路板刻蚀技术，在所设计厚度尺寸的双面敷良导体的介电材料微波基板两侧表面上分别雕刻出正向与背向三叉结构金属线单元阵列，结构单元中心间距根据设计频段选取3?IOmm ； (2)改变基本单元结构中的几何参量制得各种不同大小的结构单元； (3)将所制得的分布有周期性的背向交叉耦合单元阵列介质板切割成多个单元成一列的条状结构，再并列放置构成二维的双频段背向交叉耦合周期阵列左手材料。
7.如权利要求6所述双频段背向交叉耦合周期阵列左手材料的制备方法，其特征在于在步骤(I)中，所述结构单元中心间距根据设计频段选取6.5±0.5mm。
【文档编号】H01Q15/00GK103746190SQ201410045559
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2014年2月8日 优先权日:2014年2月8日
【发明者】周建华, 徐瑞迪, 李海雄, 游佰强 申请人:厦门大学
【专利摘要】一种双频段背向交叉耦合周期阵列左手材料及其制备方法，涉及一种左手材料。所述左手材料设有至少3排微波介电材料基板，微波介电材料基板的一侧雕刻至少3个三叉结构金属线单元，三叉结构金属线单元由形状如同字母E的金属线状材料组成；微波介电材料基板的另一侧雕刻至少3个与三叉结构金属线单元对称的背向三叉结构金属线单元，对称的背向三叉结构金属线单元和三叉结构金属线单元的数目相同，三叉结构金属线单元的中心与背向三叉结构金属线单元的中心在同一水平高度，三叉结构金属线单元之间的距离相同，背向三叉结构金属线单元之间的距离相同。可实现在12GHz与17GHz附近两个不同频段上同时产生负折射率、负介电常数以及负磁导率。
【专利说明】一种双频段背向交叉耦合周期阵列左手材料及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种左手材料，尤其是涉及一种双频段背向交叉耦合周期阵列左手材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002]左手材料(left-handed metamaterials)是一种到现在还没有在自然界中找到的人工复合材料，是由前苏联物理学家Mandelshtam于1940年最初提出的，是在传统的电路介质基板上刻蚀出一定尺寸的不同形状的金属图形，在X、Y和Z方向上至少三个图形单元组成周期性结构，由这些不同的金属图形结构引起电场和磁场在一定频率范围内的谐振，当电磁波穿过这种材料构成的介质时，就会表现出与传统介质完全不同的性质。它的主要特征就是介质的两个宏观电磁常数即介电常数和磁导率同时为负，但是仍然遵守Maxwell方程组，而传统介质的介电常数和磁导率都是正的。因为在介质中传播的电磁波的特征是由介电常数和磁导率共同决定的，于是与常规介质不同，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，五、及和无之间满足左手螺旋关系而不是右手螺旋关系，因此得名左手材料。1968年如苏联的科学家Veselago最初对左手材料在理论上做了研究，获知左手材料会呈现出许多新颖的特性，如反常Doppler效应、反常Cherenkov效应、负折射现象等。但是在接下来的30多年来，因为是工程和实验室都没有找到具有以上特性的材料，所以对左手材料的研究一直处于停滞状态。直到1996年英国的皇家科学院院士 J.B.Pendry受到等离子体的启发，把金属丝(Rods)均匀排列，电磁波射入金属丝阵列，当波长和电场极化方向满足一定条件时，该金属阵列就可以等效为等离子体，得到负的介电常数；三年之后，他又利用开口的金属谐振环(SRR，Split ringresonator),在特定入射波的条件下获得了负的磁导率。2000年,美国的科学家D.R.Smith研究小组在Pendry等人研究的基础上，将SRR和Rods合理地组合起来，首次得到了同时具有负的介电常数和磁导率的物质，从此以后，越来越多的人投身到左手材料的研究热潮中，左手材料被“Science”杂志评为2003年度十大科技突破之一。在研究中，逐渐发现左手材料在光学、电磁学、声学、电磁隐身、通信、医学诊断成像等领域有重要的应用价值。目前，各国科研工作者所设计的左手材料都能在某个频点或频段上实现左手特性，并且已经设计出各种各样的单元结构，其中包括螺旋环型结构(Pendry J B.A chiral routeto negative refraction [J].Science, 2004, 306 (5700): 1353-1355)、树枝状结构(ZhangB S L C R, Xiao-Peng Y P Z.Broadband metamaterial absorber based on dendriticstructure [J].ActaPhysicaSinica, 2010, 5:042)、蘑燕型结构、双 S 型结构、Z 型结构等。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是提供一种双频段背向交叉耦合周期阵列左手材料及其制备方法。
[0004]所述双频段背向交叉耦合周期阵列左手材料设有至少3排微波介电材料基板，所述微波介电材料基板的一侧雕刻至少3个三叉结构金属线单元，所述三叉结构金属线单元是由形状如同字母E的金属线状材料组成；微波介电材料基板的另一侧雕刻至少3个与三叉结构金属线单元对称的背向三叉结构金属线单元，所述对称的背向三叉结构金属线单元和三叉结构金属线单元的数目相同，三叉结构金属线单元的中心与背向三叉结构金属线单元的中心在同一水平高度，三叉结构金属线单元之间的距离相同，背向三叉结构金属线单元之间的距离相同。
[0005]所述微波介电材料基板的介电常数可为2.2?16,典型值为4.4±5% ;厚度可为0.2 ?3mm，典型值为 0.4±5%mm。
[0006]所述三叉结构金属线与背向三叉结构金属线单元的外侧边长a可为2.0?3.0mm,外底边的长度b可为1.0?2.5mm,中心棒边长c可为0.8?2.0mm,金属线各边的宽度w可为0.05?0.25mm,金属线厚度可为0.01?0.03mm ;其典型值为a=3.0±0.02mm,w=0.2±0.02mm, b=2.2±0.02mm, c=l.6±0.02mm,金属线厚度=0.018mm±5%。
[0007]优化组合后可获取左手材料不同电磁参数(等效介电常数ε和等效磁导率μ )，在8?20GHz范围内某两个不同频点上等效介电常数和等效磁导率同时为负。
[0008]所述双频段背向交叉耦合周期阵列左手材料的制备方法，包括以下步骤:
[0009]( I)采用电路板刻蚀技术，在所设计厚度尺寸的双面敷良导体的介电材料微波基板两侧表面上分别雕刻出正向与背向三叉结构金属线单元阵列，结构单元中心间距可根据设计频段选取3?10mm，典型值为6.5 ± 0.5mm ;
[0010](2)改变基本单元结构中的几何参量制得各种不同大小的结构单元；
[0011](3)将所制得的分布有周期性的背向交叉耦合单元阵列介质板切割成多个单元成一列的条状结构，再并列放置构成二维的双频段背向交叉耦合周期阵列左手材料。
[0012]本发明的结构由基板两侧对称的交叉耦合金属线组成。高性能介电材料微波基板的一侧雕刻一组至少三个开口同侧的三叉结构金属线；微波基板的另一侧雕刻同样数目的开口相反的背向三叉结构金属线，并且基板两侧的金属线结构在同一水平高度上且空间周期大小相同。具有以上结构的微波板沿着轴向排列至少三列，构成两个方向上的周期性结构，这样的周期阵列结构整体可以看作一种新型的微波左手材料。这样制备出来的双频段背向交叉耦合周期阵列左手材料可以在两个不同的频段内同时产生负折射率、负介电常数以及负磁导率。该材料可调控的几何参量有每个三叉结构金属线中的各个边的长度、各个边的线宽、中心棒的位置，这些参量同时也都是可以影响左手材料等效电磁参数的关键因素。因此只要对背向交叉耦合单元结构中的各个几何参量进行调节，就可以根据不同实际应用中的需要获得具有不同等效电磁参数的新型左手材料，其中包括等效介电常数、等效磁导率和等效折射率。本发明的双频段背向交叉耦合周期阵列材料是一种新型的左手材料，具有在两个不同频段上实现左手效应的特点。
[0013]不同结构的左手材料都有自己的特性，本发明提供的一种双频段背向交叉耦合周期阵列左手材料可以在两个较宽的频率范围内实现左手特性，这是因为背向交叉耦合结构的金属线在入射电磁波的作用下产生的感应电流在两个不同的频率上都能产生电磁谐振；并且通过改变谐振环的结构参数就可以改变电流的谐振频率和谐振强度，从而进一步改变材料的左手特性。由于背向交叉耦合周期阵列特殊的单元结构形成了两个不同的谐振回路，金属线上的感应电流在环路上谐振，从而可以实现在两个不同频率范围内实现左手效应；并且可以通过改变结构的线宽和中心棒的位置从而改变谐振环路和谐振频率的大小和强度。
[0014]与常见的左手材料结构相比，本发明结构单元特别设计了背向交叉耦合周期阵列左手材料；这种结构的左手材料可以实现在12GHz与17GHz附近两个不同频段上同时产生负折射率、负介电常数以及负磁导率(即左手效应)；通过调整金属线的线宽、中心棒位置等参数可以调谐控制结构单元的谐振频率和谐振强度，从而改变产生左手效应的频段以达到实际应用的需要。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1为本发明所述双频段背向交叉耦合周期阵列左手材料实施例的结构组成示意图。
[0016]图2为本发明所述双频段背向交叉耦合周期阵列左手材料实施例的正面金属线单元的结构组成示意图。
[0017]图3为本发明所述双频段背向交叉耦合周期阵列左手材料实施例的背面金属线单元的结构组成示意图。
[0018]图4为本发明实施例中波导端口传输系数和反射系数幅度变化示意图。在图4中，横坐标为频率/GHz，纵坐标为S参数的幅度；曲线a为参数Sll的幅度变化示意图，曲线b为参数S12的幅度变化示意图。
[0019]图5为本发明实施例中波导端口传输系数和反射系数相位变化示意图。在图5中，横坐标为频率/GHz,纵坐标为S参数的弧度的相位/rad ；曲线a为参数Sll的相位变化示意图，曲线b为参数S12的相位变化示意图。
[0020]图6为本发明实施例1中左手材料阵列等效介电常数变化示意图。在图6中，横坐标为频率/GHz,纵坐标为介电常数的取值；曲线a为复介电常数的实部，曲线b为复介电常数的虚部。
[0021]图7为本发明实施例1中左手材料阵列等效磁导率变化示意图。在图7中，横坐标为频率/GHz，纵坐标为磁导率的取值；曲线a为复介电常数的实部，曲线b为复介电常数的虚部。
【具体实施方式】
[0022]以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。
[0023]参见图1?3，本发明所述双频段背向交叉耦合周期阵列左手材料实施例设有至少3排微波介电材料基板I，所述微波介电材料基板I的一侧11雕刻至少3个三叉结构金属线单元，所述三叉结构金属线单元是由形状如同字母E的金属线状材料12组成；微波介电材料基板I的另一侧21雕刻至少3个与三叉结构金属线单元12对称的背向三叉结构金属线单元22，所述对称的背向三叉结构金属线单元22和三叉结构金属线单元12的数目相同，三叉结构金属线单元12的中心与背向三叉结构金属线单元22的中心在同一水平高度，三叉结构金属线单元11之间的距离相同，背向三叉结构金属线单元22之间的距离相同。
[0024]所述介电材料微波基板的介电常数可为2.2?16,最好为4.4±5% ;厚度可为
0.2?3謹,最好为0.4±5%mm。
[0025]所述对称三叉状结构中，三叉状的外侧边长a=2.0?3.0mm，各边的宽度w=0.05?0.25mm,外底边的长度b=l.0?2.5mm,中心棒边长c=0.8?2.0mm.其典型值为a=3.0±0.02mm, w=0.2±0.02mm, b=2.2±0.02mm, c=l.6±0.02mm。
[0026]优化组合后可获取左手材料不同电磁参数(等效介电常数ε和等效磁导率μ )，分别在12GHz与17GHz附近频率范围内可实现等效介电常数和等效磁导率同时为负。
[0027]采用电路板雕刻技术，厚度为0.4mm±5%的聚四氟乙烯基板或者环氧玻璃基板的某一面刻蚀出至少三个完全相同的形如字母E的金属线单元结构构成周期阵列，周期重复的金属线结构必须分布在三个水平边平行的一条轴线上，中心间距为3.0±0.01，金属铜的厚度为0.018mm±5%，三叉结构金属线结构外侧边长a=3.0±0.0lmm,各个边的宽度w=0.20±0.0lmm,金属线结构外底边的长度b=2.2±0.0lmm,中心棒边长c=l.6±0.4mm ;微波介质基板另一侧同一水平高度上刻蚀出对称的背向金属线结构，重复周期两面相同。将制成的一个方向上周期阵列结构在微波基板轴线方向上同样排列至少三排构成如图1所示的周期阵列，(在图1中，相邻基板之间的轴向周期距离为1.25mm)。根据这样制作而成的周期阵列结构，对单元结构中背向的金属线结构中各个边的长度宽度等几何参量进行综合优化组合，取不同的值，就可以制成可工作于特定频段的双频段背向交叉耦合周期阵列左手材料，并且具有不同的等效介电常数、等效磁导率和等效折射率。
[0028]本发明的实现过程、测试过程和材料的性能由以下实施例和【专利附图】
【附图说明】。
[0029]采用电路板刻蚀技术，在厚度为0.4mm±5%覆铜箔厚度为0.018mm±5%的聚四氟乙烯基板的一侧刻蚀出7个完全相同的金属铜背向交叉耦合单元结构构成周期阵列，周期性重复的三叉结构金属线必须分布在金属线结构三条水平边平行的一条轴线上，其中心间距为3.0±0.01mm，外侧边长a=3.0±0.01mm，各边的宽度w=0.20±0.01mm，三叉结构金属线的外底边长度b=2.2±0.0lmm,中心棒长度c=l.6±0.0lmm ;介质基板另一侧对应金属线结构中心的位置上对称地刻蚀出同样周期性背向金属线结构阵列。将这样制备成的微波入射方向成7个单元结构的周期性左手材料等间距并列三排放入波导腔内部，测得内部装有左手材料的波导端口传输系数S12和反射系数Sll幅度变化情况如图4所示，波导端口传输系数S12和反射系数Sll相位变化情况如图5所示，以及由S参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。
【权利要求】
1.一种双频段背向交叉耦合周期阵列左手材料，其特征在于设有至少3排微波介电材料基板，所述微波介电材料基板的一侧雕刻至少3个三叉结构金属线单元，所述三叉结构金属线单元是由形状如同字母E的金属线状材料组成；微波介电材料基板的另一侧雕刻至少3个与三叉结构金属线单元对称的背向三叉结构金属线单元，所述对称的背向三叉结构金属线单元和三叉结构金属线单元的数目相同，三叉结构金属线单元的中心与背向三叉结构金属线单元的中心在同一水平高度，三叉结构金属线单元之间的距离相同，背向三叉结构金属线单元之间的距离相同。
2.如权利要求1所述一种双频段背向交叉耦合周期阵列左手材料，其特征在于所述微波介电材料基板的介电常数为2.2?16 ;厚度为0.2?3mm。
3.如权利要求2所述一种双频段背向交叉耦合周期阵列左手材料，其特征在于所述微波介电材料基板的介电常数为4.4±5% ;厚度为0.4±5%mm。
4.如权利要求1所述一种双频段背向交叉耦合周期阵列左手材料，其特征在于所述三叉结构金属线与背向三叉结构金属线单元的外侧边长a为2.0?3.0mm,外底边的长度b为1.0?2.5mm,中心棒边长c为0.8?2.0mm,金属线各边的宽度w为0.05?0.25mm,金属线厚度为0.01?0.03_。
5.如权利要求4所述一种双频段背向交叉耦合周期阵列左手材料，其特征在于所述三叉结构金属线与背向三叉结构金属线单元的外侧边长a=3.0±0.02mm, b外底边的长度=2.2±0.02mm,中心棒边长c=l.6±0.02mm,金属线各边的宽度w=0.2±0.02mm,金属线厚度=0.018mm±5%。
6.如权利要求1?5任一所述双频段背向交叉耦合周期阵列左手材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤: (1)采用电路板刻蚀技术，在所设计厚度尺寸的双面敷良导体的介电材料微波基板两侧表面上分别雕刻出正向与背向三叉结构金属线单元阵列，结构单元中心间距根据设计频段选取3?IOmm ； (2)改变基本单元结构中的几何参量制得各种不同大小的结构单元； (3)将所制得的分布有周期性的背向交叉耦合单元阵列介质板切割成多个单元成一列的条状结构，再并列放置构成二维的双频段背向交叉耦合周期阵列左手材料。
7.如权利要求6所述双频段背向交叉耦合周期阵列左手材料的制备方法，其特征在于在步骤(I)中，所述结构单元中心间距根据设计频段选取6.5±0.5mm。
【文档编号】H01Q15/00GK103746190SQ201410045559
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2014年2月8日 优先权日:2014年2月8日
【发明者】周建华, 徐瑞迪, 李海雄, 游佰强 申请人:厦门大学
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