本发明涉及电磁超材料的应用领域，具体涉及一种改进的渔网型近零折射率的超材料单元设计。
背景技术：
低折射率或者零折射率超材料凭借其独特的电磁特性在各领域引起了极大的关注。依据其类似静态场分布和无限相速的特性，诸如高定向性辐射、波前整形、方向图的赋形等实际应用得到实现。但因其结构特性，固有的色散特性导致了其窄的工作带宽，严重阻碍了该类超材料的实际应用范围。因此，如何有效地设计出宽带超材料单元成为突破应用壁垒的关键。
电磁周期结构即广义上的超材料，是一类具有自然界中所不具备的超常物理性质的等效均匀人工复合结构或复合材料。超材料由人工构造的周期性微结构组成，以等效介电常数εeff、等效磁导率μeff描述其整体电磁特征。通过设计不同的微结构，可使超材料的相对等效介电常数εre-eff、相对等效磁导率μre-eff为小于1的正实数、负实数或复数，从而使电磁波传播方式从根本上发生变化。而折射率近零超材料就是相对等效介电常数εre-eff和相对等效磁导率μre-eff的乘积近零的超材料。
如图1所示，传统的渔网型结构单元由三层对称结构组成，即在一定厚度的介质基板的两侧表面覆上结构尺寸相同的具有一定宽度的微带线相互正交构成的十字型金属结构。传统的渔网型结构就是由该单元在二维方向上进行周期延拓。
传统的渔网型结构能够实现电磁谐振，其电谐振的实现是依据drude模型，将一定宽度的金属线进行二维的周期性排布，进而实现在特定频率范围内的等效介电常数εre-eff近零。传统的渔网型结构实现零相对等效介电常数的频点依赖于金属线宽和周期排布的尺寸，除此之外，等效介电常数εre-eff近零的频率范围内的大小还依赖于基板的相对介电常数的大小。
其磁谐振的实现是两层金属之间的介质基板中产生了位移电流，结合金属线上的感应电流，金属线、介质基板和金属线三层结构之间构成了闭合环路的诱导电流。当外界磁场垂直穿过该闭合环路时就产生了磁谐振。传统的渔网型结构实现磁谐振的频点主要依赖于金属线的长度，也即周期排布的晶格常数。
通过提取的传统渔网型结构单元的电磁参数结果来看，相对等效介电常数εre-eff近零的宏观特性只能在相对小的频带范围内实现，这也是drude模型结构固有的特点；而对于结构实现的提取的电磁参数结果显示：在一阶磁谐振和二阶磁谐振的相当宽的频率范围内，相对等效磁导率μre-eff均接近零。
由于电谐振和磁谐振之间的相互影响，传统的渔网型结构很难将零相对等效介电常数的频点调节到一阶磁谐振和二阶磁谐振的相当宽的频率范围内的合适的位置。因此，在指定频段内相对等效介电常数εre-eff和相对等效磁导率μre-eff相差较大，因此虽能够在非常窄实现近零折射率的特性，但空间匹配度较差，导致较低的传输系数。传统渔网型结构具有结构简单、低剖面、易装配等特点，通过改进该结构能够实现高传输系数、宽带、近零折射的超材料单元。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明提供了一种基于改进渔网型结构的宽带近零折射率的超材料单元。在保证良好的空间匹配度的同时实现相对宽带范围内的近零折射率特性。
实现本发明的技术方案如下：
一种基于改进渔网型结构的宽带近零折射率电磁超材料，由多个长方体结构的单元组成，每个单元自上到下依次为改进型渔网结构金属层、介质层和改进型渔网结构金属层；
改进型渔网结构金属层为边缘加工有周期性交错槽线的渔网结构的金属板。
进一步地，改进型渔网结构包括以微带线相互正交构成的十字型结构和槽线，每个十字型结构的枝节上设置四个槽线，每个枝节上的槽线均相互平行，每个枝节上的第一个槽线设置在微带线相交区域边缘处，第二个槽线设置在枝节的相对侧，且与第一个槽线间距为a，第三个槽线与第一个槽线在枝节的同一侧，且与第二个槽线间距为a，第四个槽线与第二个槽线在枝节的同一侧，且与第三个槽线间距为a，所述槽线等宽度等深度。
进一步地，改进型渔网结构金属层的槽线的深度为0.5mm—0.9mm，宽度为0.1mm—0.3mm。
进一步地，a＝0.3mm～0.5mm。
进一步地，改进型渔网结构金属层的材料为铜。
进一步地，介质层的材料为苯丙环丁烯。
有益效果：
本发明在原有传统渔网型超材料结构单元的基础上，对结构进行改进，引入了周期性金属槽线结构，即在正反两面的金属结构边缘蚀刻出若干槽线。通过改变蚀刻的槽线的长度和宽度来调节结构单元的传输特性、频带宽度及中心频点位置，于此同时保证了结构单元的低剖面等特点。使用数值仿真进行参数优化，结果显示该单元在30.7ghz￣37.7ghz有着很高的传输系数(＞0.94)。而其折射率小于1带宽能够达到11％之上。这相较于传统渔网型结构单元具有很大的提升。
附图说明
图1是传统渔网型结构单元的正视图。
图2(a)是本发明的超材料单元结构正视图，图2(b)是本发明的超材料单元结构的侧视图。
图3(a)、(b)为本发明的结构单元关键尺寸参数优化仿真结果。
图4(a)是本发明的结构单元的传输系数曲线仿真结果；图4(b)是通过反演算法得到的本发明的结构单元的等效介电常数和等效磁导率的曲线结果；图4(c)是本发明的结构单元通带内的折射率曲线结果；图4(d)是本发明的结构单元通带内的折射率小于1的曲线结果。
其中，p-结构单元的周期尺寸，w-金属线宽，td-金属的厚度，d-蚀刻的槽线的深度，g-蚀刻的槽线的宽度，h-结构单元介质基板的厚度。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种基于改进渔网型结构的宽带近零折射率的超材料单元。如图2(a)和图2(b)所示，本发明的结构单元分为三层结构，顶层为改进型金属渔网结构，中间层为介质层，底层同样为改进型金属渔网结构。上下两层的金属材料为铜，质层材料为bcb(苯丙环丁烯)，相对介电常数2.6。
改进型渔网结构金属层为边缘加工有周期性交错槽线的渔网结构的金属板，改进型渔网结构包括以微带线相互正交构成的十字型结构和槽线，每个十字型结构的枝节上设置四个槽线，每个枝节上的槽线相互平行且两两相对相错设置，每个枝节上的第一个槽线设置在微带线相交区域的边缘处，以这一槽线为起点，依次在枝节两侧交替设置槽线，所述槽线等宽度等深度。
对金属层边缘开槽的目的是为了调节一阶和二阶磁谐振的频点，使零相对等效介电常数的频点落在一阶磁谐振和二阶磁谐振的相当宽的频率范围内的合适的位置，进而实现宽带近零折射率的特性。相比于传统渔网型结构，多出来两个可调节的参数，即槽线的宽度g和槽线的深度d，这将十分有利于调节结构单元的特性。
如图3(a)、(b)所示，通过对结构的几何参数的仿真优化，我们发现，影响该结构单元的两个参数深度d和宽度g中：
d的值决定其频带宽度同时会造成频移。d的值过小会造成带内传输系数的减小，通带位置往高频方向移动且通带带宽稍微增大。d的深度范围0.5mm—0.9mm。
g的值对于单元带宽的影响非常小，仅仅会影响结构的带外抑制能力。g的值增大会导致带外的抑制变弱。g的宽度为0.1mm—0.3mm。
除此之外，交错槽线的排布周期常数也是一个关键的参数，改进型渔网结构改变了金属线的长度影响金属线长度的关键参数主要有槽线深度d，槽线宽度g和交错槽线的排布周期常数。当该排布周期常数越小，有效金属线长度越长，一阶磁谐振和二阶磁谐振的频点越小。在本发明中，我们固定交错槽线的排布周期常数为0.5mm。
通过数值优化仿真的方法，我们得到了指定频段内的具体结构尺寸，由表1所示。
表1改进型渔网结构超材料单元的结果尺寸
单位(mm)
通过我们的数值仿真分析及电磁参数提取，可以得出如下结果：
1、传输带宽
由图4(a)可知，该单元在30.7ghz￣37.7ghz有着很高的传输系数(＞0.94)，具有20.5％的相对传输带宽。
2、相对等效介电常数和相对等效磁导率
由图4(b)可知，零相对等效介电常数的频点落在一阶磁谐振和二阶磁谐振的相当宽的频率范围内的一个的位置，在零相对等效介电常数的频点附近区域，相对等效介电常数和相对等效磁导率的值相互接近且其绝对值很小。
3、折射率
根据麦克斯韦关系，根据相对等效介电常数和相对等效磁导率可得到折射率的值。由图4(c)、(d)可知，其折射率小于1带宽能够达到11％之上。因此通过对传统渔网型结构改进，能够实现在较宽带宽内的高传输系数、低折射率。这些性能优势能够应用在高增益天线、定向辐射等方面。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。