非对称双频段高音谱号形微波频段左手材料的制作方法

本发明涉及电磁超材料，尤其是涉及一种基于非对称高音谱号形单元结构的双频左手材料。

背景技术：

电磁超材料是指一些自然界不具有某些电磁特性的人工复合材料[1]。它往往是单体材料周期排列得到。狭义的超材料常常指左手材料(lhms)，是指一类在一定频段下同时实现负的介电常数和负的磁导率的电磁材料，其中传播的电磁波的波矢量和坡印廷矢量刚好相反，故左手材料相比于自然界其他普通材料拥有一些奇特的电磁特性，如：逆多普勒效应、倏逝波放大效应、逆切伦科夫辐射效应(cerenkov)、后向波效应、“完美透镜”效应以及负折射率等，可以实现隐身斗篷^[2]或者超透镜等。

目前，得到广泛研究的左手材料在微波频段居多，实现微波频段的经典左手材料结构有j.t.huangfu设计的ω型结构^[3]、h.s.chen等人提出的s形谐振结构^[4]、树枝结构、分型渔网结构、十字交叉圆形环结构、随机结构、花瓣形结构^[5]和dna螺旋结构^[6]等等。这些结构具有性能比较稳定、结构和尺寸比较容易计算等优点，但是因为基本是均匀对称结构且有的还是双层结构，所以具有产生左手特性的带宽比较窄、可调参数少、加工复杂等缺点。

例如，2015年空军工程大学的jiafuwang等人^[7]利用双层开口谐振环设计的左手材料，在12ghz附近实现磁导率和介电常数均为负，只是所设计的结构是双层的，实际应用中存在加工复杂等缺点。2017年abdulrahmanshueaimohsenalqadami等人^[8]利用对称螺旋谐振器结构实现左手特性，并将该左手结构应用到5ghzmimo天线中，实现了小型化并增强天线的辐射特性。

以上所述这些结构均是利用金属结构的磁谐振与电谐振在特定频段实现负磁导率和负介电常数而实现左手特性的，但是所设计的结构面临带宽比较窄、传导损耗比较大以及制造工艺比较复杂等主要问题。随着左手材料研究工作的继续，新左手结构单元不断被设计出来，使左手材料从双面到单面、带宽增加和损耗更小的方向发展。

参考文献：

[1]engheta,nader；richardw.ziolkowski.metamaterials:physicsandengineeringexplorations[m].johnwiley&sons.2006:3–30,37,143–150,215–234,240–256.

[2]schurigd,mockjj,justicebj,etal.metamaterialelectromagneticcloakatmicrowavefrequencies.[j].science,2006,314(5801):977-80.

[3]huangfuj,ranl,chenh,etal.experimentalconfirmationofnegativerefractiveindexofametamaterialcomposedofω-likemetallicpatterns[j].appliedphysicsletters,2004,84(9):1537-1539.

[4]chenh,ranl,huangfuj,etal.left-handedmaterialscomposedofonly-shapedresonators[j].physicalreviewestatisticalnonlinear&softmatterphysics,2004,70(2).

[5]金琬晴.基于复合左右手传输线的新型微带天线研究[d].厦门大学,2015.

[6]李坚.基于不规则/非对称结构的左手材料单元及其天线设计[d].厦门大学,2016.

[7]wangjf,qusb,mah,etal.tunableplanarleft-handedmetamaterialsbasedonsplit-ringresonatorpairs[c].ieeemtt-sinternationalmicrowaveworkshopseriesonadvancedmaterialsandprocessesforrfandthzapplications.ieee,2015:1-3.

[8]alqadamiasm,jamlosmf,sohpj,etal.left-handedcompactmimoantennaarraybasedonwirespiralresonatorfor5-ghzwirelessapplications[j].appliedphysicsa,2017,123(1):64.

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于非对称高音谱号形单元结构的双频左手材料。

本发明设有介质基板，在介质基板的上表面覆有良导体层，所述良导体层为高音谱号形状，良导体层由位于中心的主干骨架金属带与主干骨架金属带两侧的4个带缺口半圆环组成；4个圆环缺口位于横截对称中心位置；主干骨架金属带底部设有一段向左延伸的弯脚并形成高音谱号图案。

所述介质基板可采用矩形高性能介质基板，介质基板的厚度可为2～3mm，长度可为10～20mm，宽度可为9～20mm，相对介电常数可为2～9，损耗角正切优于0.025。

所述良导体层可选自铜、银等金属材料。

所述4个带缺口半圆环可为不对称分布。

所述主干骨架金属带右侧2个并排的感式谐振带缺口半圆环分别位于主干骨架金属带顶部与中部，带缺口半圆环的圆心距主干骨架金属带顶部的距离各为1.2～2.4mm、5.0～10.0mm，上下排布控制单元右侧的互感，各自外半径可为1.2～2.4mm、1.8～3.6mm，半圆环宽度均为0.5～1.0mm，其大小变化影响其电感参量；主干骨架金属带左侧制备的2个同心的半圆环位于金属带中部，圆心距顶部距离为4.8～9.6mm，各自外半径为2.2～4.4mm、1.2～2.4mm，半圆环宽度均为0.5～1.0mm，作用机理为影响其电感参量并控制左侧互感。四个半圆环中部的缺口均位于圆弧横截对称中心位置，宽度为0.2～1.0mm，缺口引入了局域电容。

所述主干骨架金属带的长度可为8～16mm，宽度可为0.6～1.2mm，影响整个结构磁谐振频率，并负责产生整个电路负的介电常数。金属带底部向左延伸的弯脚长度为1.6～3.2mm，宽度为0.6～1.2mm，金属带末端形状采用半圆导角，与感式谐振圆弧之间存在耦合电容，低频时可忽略不计。

与现有的左手材料相比，本发明所提供的非对称高音谱号形状双频段左手材料具有结构简单、易于加工等优点，可以在较宽的频率范围内实现双负特性。其中，双负频段跳变点处负折射率可达到-6，高于一般文献中-1～-4的设计范围。在电磁波入射时环路上形成电感，环路上的开口缝隙形成电容，环2与环4之间存在环间电容，弯脚和大环之间存在耦合电容，整个电路负的介电常数主要由中间主干骨架金属带产生，从而确定磁谐振频率。当磁谐振在负的介电常数频段时，该频率附近便产生了左手特性。初步确定非对称高音谱号形左手材料各个参数的大体取值范围后，再利用软件进行仿真优化以确定最终结构。

附图说明

图1为本发明非对称高音谱号形的左手材料单元结构图。

图2为本发明实施的相对等效介电常数变化示意图。在图2中，横坐标为频率/ghz，纵坐标为相对等效介电常数的取值；实线为等效介电常数的实部，虚线为等效介电常数的虚部。

图3为本发明实施的相对等效磁导率变化示意图。在图3中，横坐标为频率/ghz，纵坐标为相对等效磁导率的取值；实线为等效磁导率的实部，虚线为等效磁导率的虚部。

图4为本发明实施的折射率变化示意图。在图4中，横坐标为频率/ghz,纵坐标为等效折射率的取值；实线为等效折射率的实部，虚线为等效折射率的虚部。

具体实施方式

本发明实施例提供的非对称高音谱号形双频段左手材料的整体结构图如图1所示，所述非对称高音谱号形双频段左手材料设有高性能介质基板，介质基板的上表面覆有铜层。fr4介质基板上厚度h＝2.6mm，形状为矩形，边长a＝13mm与b＝13mm，其相对介电常数εr＝4.4。铜层刻蚀为非对称高音谱号形状，结构中心的主干骨架金属带长度a0＝12mm，宽度t1＝1mm，金属带底部向左延伸的弯脚长度l1＝2.5mm，宽度t3＝1mm，金属带末端形状采用半圆导角。主干骨架金属带两侧制备4个不对称分布的带缺口感式谐振半圆环结构，主干骨架金属带右侧2个并排制备的半圆环分别位于金属带顶部与中部，圆心距顶部距离各为d1＝1.7mm和d3＝7.2mm，各自外半径为r1＝1.7mm和r3＝2.8mm，半圆环宽度t2＝0.6mm，半圆环1中部的缺口位于横截对称中心位置，宽度g＝0.6mm，半圆环3中部的缺口位于横截对称中心位置，宽度g＝0.6mm；主干骨架金属带左侧2个同心的半圆环位于金属带中部，圆心距顶部距离d2＝6.8mm，各自外半径为r2＝3.3mm和r4＝2.1mm,半圆环宽度t2＝0.6mm，半圆弧2中部的缺口位于横截对称中心位置，宽度g＝0.6mm，半圆弧4中部的缺口均位于横截对称中心位置，宽度g＝0.6mm。

参见图2和3，该设计在8.2～8.7ghz频段以及9.4到9.9ghz频段范围内产生了负介电常数；该设计在8.2～8.7ghz频段以及9.4～11ghz频段范围内产生了负磁导率；故而可知产生双负特性的频段为二者交集，即8.2～8.7ghz频段以及9.4～9.9ghz，所设计的非对称高音谱号形双频段左手材料在这个频段具有左手特性。

参见图4，在双负跳变点处开始产生负的折射率n，该点附近负折射率高达-6，高于一般文献中所设计-1～-4之间折射率的左手材料。

从上面的分析可以得出，由非均匀对称结构实现左手特性的频段相对其左手结构的谐振频点发生了偏移，而均匀对称结构实现左手特性的频段与其左手结构的谐振频点相对应。