一种可衍生的二维左手材料结构的制作方法

本发明涉及左手材料，特别是一种可衍生的二维左手材料，可以更好地实现左手材料的实用价值。

背景技术：

左手材料(left-handed materials，LHM)是一种介电常数ε和磁导率μ同时为负的材料，最早是由前苏联的Veselago在1968年从理论上提出的。直到2001年，Smith提出了导电金属线(ROD)和开口谐振环(SRRs)的组合结构，首次人工实现了ε和μ同时为负的左手材料，从此奠定了左手材料的研究基础。由于左手材料所具有的奇异电磁特性，使其成为了物理界研究的焦点，它在光学成像，微带传输线，天线雷达，电磁隐身和电磁加热等领域都具有广阔的应用前景。2006年Eleftherios等人在Smith成果的基础上提出双平行短金属线可以代替SRRs实现磁谐振。

随着左手材料的快速发展，出现了越来越多的设计形式，大体可分为两种类型，一种是根据Smith的原理制备出的各种“环棒”结构，另一种是根据Eleftherios的原理设计出的电磁谐振一体化结构。然而这些结构都只能在电磁波以单一方式入射时实现左手特性，如对称环结构、双S型结构、H型结构等只能在电磁波平行于介质基板入射时实现双负特性；金属线对结构，双工型结构等只能在电磁波垂直于介质基板入射时实现双负。上述的两种类型结构分别从两个不同方向实现了双负特性，并不能满足两个方向同时实现双负特性，在实际应用中存在很大的局限性，多维数和多方向的左手材料才能更好的满足实际应用的需求。

技术实现要素：

本发明的目的是克服传统左手材料的复杂性和入射方向的局限性，提供一种可衍生的二维左手材料。该结构制备简单，尺寸较小，不仅可以实现二维左手特性，克服了一维左手材料实际应用的局限性，而且还具有可衍生的特点。通过增加结构中间引入交叉金属线的个数，可衍生出一系列的类型结构，能够在不同的频域内实现二维左手特性，适用于各种不同工作频带场合的应用。

本发明的设计方案是：一种可衍生的二维左手材料结构，所述的左手材料结构包括介质基板和覆在所述介质基板上的金属条，其特征在于所述的金属条上刻蚀有至少两组相互交叉的金属线，每一组相互交叉的金属线均由两条金属线组成，所述的两条金属线反向对称刻蚀在介质基板的两侧，且位于介质基板同一侧的金属线中，每两条相邻金属线组成“V”字形结构。

所述的介质基板为介电常数为9.8的氧化铝陶瓷，所述金属条采取覆铜技术刻蚀在介质基板两侧，覆铜厚度为0.01mm。

所述的左手材料结构包括两组相互交叉的金属线，位于所述介质基板同一侧的两条金属线成“V”字形结构。

所述的左手材料结构包括三组相互交叉的金属线，位于所述介质基板同一侧的三条金属线成“N”字形结构。

所述的左手材料结构包括四组相互交叉的金属线，位于所述介质基板同一侧的四条金属线成“W”字形结构。

所述的金属条宽度为w＝6mm±2mm，所述的金属条高度为h＝10mm±2mm，所述的金属条上用于蚀刻金属线的部位长度为s＝4mm±1mm，所述的金属线宽度为t＝1mm±0.2mm。

所述介质基板的厚度为d＝0.3mm。

本发明所达到的有益效果：

1.本发明结构简单，制作方便，克服了传统左手材料的复杂性，节省了成本，而且易于加工，节省了人力。

2.本发明采用了氧化铝陶瓷介质基板，它比一般的高分子基板具有更高的强度和耐高温性能，可以适应各种环境，结构更加稳定。

3.本发明的左手材料可以在电磁波平行入射和垂直入射两种情况下，同时实现负介电常数和负磁导率，拓宽了电磁波的入射角度，可以满足实际应用中的综合需求，具有二维左手特性，克服了一维左手材料实际应用的局限性。

4.本发明的左手材料通过增加结构中间引入交叉金属线的个数，能够衍生出一系列结构相似的设计，具备可衍生特性，可以在不同的频域内实现二维左手特性，能够满足各种工作频带的实用要求。

附图说明

图1是本发明实施例1的结构图；

图2是本发明实施例1电磁波垂直入射的S参数幅度(dB)图；

图3是本发明实施例1电磁波垂直入射的等效电磁参数图；

图4是本发明实施例1电磁波水平入射的S参数幅度(dB)图；

图5是本发明实施例1电磁波水平入射的等效电磁参数图；

图6是本发明实施例2的结构图；

图7是本发明实施例2电磁波垂直入射的S参数幅度(dB)图；

图8是本发明实施例2电磁波垂直入射的等效电磁参数图；

图9是本发明实施例2电磁波水平入射的S参数幅度(dB)图；

图10是本发明实施例2电磁波水平入射的等效电磁参数图；

图11是本发明实施例3的结构图；

图12是本发明实施例3电磁波垂直入射的S参数幅度(dB)图；

图13是本发明实施例3电磁波垂直入射的等效电磁参数图；

图14是本发明实施例3电磁波水平入射的S参数幅度(dB)图；

图15是本发明实施例3电磁波水平入射的等效电磁参数图。

具体实施方式

本发明的可衍生的二维左手材料结构包括介质基板和覆在所述介质基板上的金属条，所述的金属条上刻蚀有至少两组相互交叉的金属线，每一组相互交叉的金属线均由两条金属线组成，所述的两条金属线反向对称刻蚀在介质基板的两侧，且位于介质基板同一侧的金属线中，每两条相邻金属线组成“V”字形结构。

本发明通过增加交叉金属线的个数可以衍生出一系列结构相似的设计，能够在不同的频域内实现左手特性，并且各结构的特性频域之间满足一定的数值规律。

下面详细介绍本发明的具体实施例：

实施例1：

如图1，本实施例的左手材料结构包括介质基板和覆在所述介质基板上的金属条，所述的金属条上刻蚀两组相互交叉的金属线，每一组相互交叉的金属线中的两条金属线采取覆铜技术，反向对称刻蚀在介质基板的两侧。本实施例的覆铜厚度为0.01mm，金属条宽度w＝6mm±2mm，高度h＝10mm±2mm，金属条上用于刻蚀金属线的部位长度s＝4mm±1mm，金属线宽度t＝1mm±0.2mm。介质基板采用介电常数为9.8的氧化铝陶瓷，介质基板厚度为d＝0.3mm。

根据电磁波垂直和平行入射两个方向分析结构单元，先分析垂直入射介质基板的情况，如图2是该结构S参数的幅度曲线，如图3是等效电磁参数图，该结构在7.83-8.17GHz频带内ε和μ实部同时为负，出现左手通带。当电磁波平行入射时，如图4是该结构的S参数的幅度曲线，等效电磁参数如图5所示，该结构在8.25-8.46GHz频带内ε和μ实部同时为负，出现左手通带。

在两种入射条件下，介质板前后两个反向对称的三角形金属结构在电磁波磁场分量的作用下都可以耦合产生磁谐振，从而实现负磁导率，但是两种条件下磁谐振耦合原理是不同的。当电磁波垂直射入介质基板的情况下，介质基板两侧的三角形金属条相互耦合，形成磁谐振从而产生负磁导率；当电磁波平行射入介质基板的情况下，介质基板两侧的三角形金属条由于反相对称放置，会形成环形电路，从而产生了磁谐振，实现负磁导率。两种情况下的负介电常数都是由三角形金属条本身的等离子体效应产生的，从而实现二维双负特性。

实施例2：

如图6，本实施例在实施例1结构的基础上，在所述的金属条上刻蚀三组相互交叉的金属线，得到一种新型的衍生结构。图7所示为该结构在电磁波垂直入射情况下的S参数曲线图，图8为等效电磁参数曲线图，该结构在8.36-8.68GHz频带内ε和μ实部同时为负，实现左手特性；图9所示为该结构在电磁波水平入射情况下的S参数曲线图，图10为等效电磁参数曲线图，可以看出在12.3-12.5GHz的频域内ε和μ实部同时为负，实现左手特性。

实施例3：

如图11，本实施例在实施例1结构的基础上，在所述的金属条上刻蚀四组相互交叉的金属线，，从而得到又一种衍生结构。图12所示为该结构在电磁波垂直入射情况下的S参数曲线图，图13为等效电磁参数曲线图，该结构在8.98-9.13GHz频带内ε和μ实部同时为负，实现左手特性；图14所示为该结构在电磁波水平入射情况下的S参数曲线图，图15为等效电磁参数曲线图，可以看出在16.62-16.79GHz的频域内ε和μ实部同时为负，实现左手特性。

对比以上三个实施例中的三种结构的等效电磁参数可知，在电磁波垂直入射的条件下，三种结构出现左手特性的频域分别为：两条金属线(7.83-8.17GHz)；三条金属线(8.36-8.68GHz)；四条金属线(8.98-9.13GHz)。比较分析可以归纳出该类型结构的一般特性：电磁波垂直入射时，随着结构中间引入的金属线个数的增加，结构的谐振频率呈线性增长趋势，每增加一根金属线，谐振频率向高频方向移动0.5GHz左右。在电磁波平行入射条件下，三种结构出现左手特性的频域分别为：两条金属线(8.25-8.46GHz)；三条金属线(12.3-12.5GHz)；四条金属线(16.62-16.79GHz)。同样可以归纳出：电磁波平行入射时，谐振频率也是随着结构中间引入金属线个数的增加呈线性增长趋势的，每增加一根金属线，谐振频率向高频方向移动4GHz左右。

本发明的二维左手材料结构，在电磁波平行入射和垂直入射两种情况下，可以同时实现负介电常数和负磁导率。基于该结构可以衍生出一系列结构相似的设计，能够在不同的频域内实现二维左手特性，可以满足各种工作频域的实用需求。