專利名稱：基于斜三角開口對(duì)環(huán)的寬帶低耗左手材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于斜三角開口對(duì)環(huán)的寬帶低耗左手材料，屬于電磁介質(zhì)特性研究技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
左手材料是介電常數(shù)ε和磁導(dǎo)率μ在一定的電磁波頻段內(nèi)同時(shí)為負(fù)的一種新型人工電磁材料，具有不同于常規(guī)材料的奇異電磁特性，在光學(xué)成像、微波器件、天線系統(tǒng)、電磁隱身等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。左手材料自其問世以來，一直是國(guó)際學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)之一。2000年Smith研究小組用開口諧振環(huán)和金屬線首次實(shí)現(xiàn)了磁導(dǎo)率和介電常數(shù)同時(shí)為負(fù)的左手材料，見 D. R. Smith W. J. Padilla,D. C. Vier,et al. Composite medium with simultaneously negative permeability and permittivity, Phys. Rev.Lett. 2000. 84 4184-4187.。引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注并積極展幵研究，但是帶寬窄、損耗高限制了左手材料的應(yīng)用。文獻(xiàn):Zhou J，Zhang L，Tuttle G，Koschny T，Soukoulis CM. Negative index materials using simple short wire pairs. Phys Rev B，2006，73(4) :04110.、 M. Kafesaki, I. Tsiapa, N. Katsarakis, T. Koschny, C. M. Soukoulis, and E. N. Economou, Left-handed metematerials :The fishnet structure and its variations. Phy. Rev. B :Condens. Matter Mater. Phys. ,2007,75(23) :235114.禾口 Chen HSh，Ran LX，Huangfu JT, Zhang XM, Chen KSh, Grzegorczyk TM, et al. Negative refraction of a combined double S-shaped metamaterial. Appl Phys Lett，2005，86 :151909. 3 篇文獻(xiàn)分別提出的網(wǎng)格型和漁網(wǎng)型左手材料，其優(yōu)點(diǎn)是能使電磁波垂直于基板平面入射，缺點(diǎn)是容易導(dǎo)致屏蔽效應(yīng)(screening effects)禾口較大的吸收損耗(absorption loss)。Simovski R， He SL. Frequency range and explicit expressions for negative permittivity and permeability for an isotropic medium formed by a lattice of perfectly conduting Ω particles. Phys Lett A，2003，311 :254-63.文獻(xiàn) Simovski R，He SL. Frequency range and explicit expressions for negative permittivity and permeability for an isotropic medium formed by a lattice of perfectly conduting Ω particles. Phys Lett A，2003，311 :254-63.提出的 S 型，文獻(xiàn) Cheng Zhu，Chang-Hong Liang，Long Li. Broadband negative index metamaterials with low-loss. Int J Electron Commun, 2010,10 :004.提出的Ω型左手材料結(jié)構(gòu)新穎，但最大相對(duì)帶寬僅為19.3%，且損耗高。 Ω型左手材料是基于三角諧振單元的左手材料，帶寬達(dá)到了 2. 7GHz，但是相對(duì)帶寬仍有待提高° 文獻(xiàn) Chen Chun-Hui, Qu Shao-Bo, Xu Zhuo, Wang Jia-Fu, Ma Hua, Zhou Hang, A two-dimension broad pass-band left-handed metamaterial based on single-sided metallic structure, Acta Phys. Sin. ,2011,60(2) :024101.提出的單面金屬結(jié)構(gòu)的寬帶左手材料，相對(duì)帶寬有很大提高，但損耗還有待降低。目前文獻(xiàn)報(bào)道左手材料大多都只有一個(gè)傳輸通帶，關(guān)于多頻段左手材料的研究則比較少。文獻(xiàn)H. S. Chen,L. X. Ran, J. Τ. Huangfu, Χ. Μ. Zhang, K. S. Chen, Τ. Μ. Grzegorczyk, and J. Α. Kong. , Metamaterial exhibitingleft-handed properties over multiple frequency bands. J. Appl. Phys. ,2004,96(9) 5338-5340.提出的基于S型諧振器的雙頻段左手材料結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但最大相對(duì)帶寬僅為 13.6%，且損耗高。文獻(xiàn) Weiren Zhu, Xiaopeng Zhao，and Jiquan Guo, Multibands of negative refractive indexes in the left-handed metamaterials with multiple dendritic structures，Appl Phys Lett. ，2008，92 :241116.禾口文獻(xiàn) Jiafu Wang, Shabo Qu，Yiming Yang，Hua Ma，XiangWu，and Zhuo Xu，Multiband left-handed metamaterials， Appl Phys Lett. ,2009,95 :014105.通過將不同尺寸的左手材料結(jié)構(gòu)單元組合在一起實(shí)現(xiàn)了多頻段的左手材料，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不易加工，且損耗大。文獻(xiàn)Minhua Li, Helin Ymg， Yan Tian, Dongyun Hou, Dual bands of negative refractive indexes in the planar left-handed metamaterials， Journal of Magnetism and Magnetic Materials，2011， 323 :607-610.提出了一種電磁波可垂直于基板入射的雙頻段平面左手材料，但是該結(jié)構(gòu)的雙負(fù)頻段不易調(diào)節(jié)，且損耗大?？偠灾?，現(xiàn)有的左手材料結(jié)構(gòu)普遍存在損耗高、頻帶窄的缺點(diǎn)，且大多只有一個(gè)左手通帶。

發(fā)明內(nèi)容
要解決的技術(shù)問題為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種基于斜三角開口對(duì)環(huán)的寬帶低耗左手材料，能產(chǎn)生兩個(gè)磁諧振，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)雙負(fù)頻段。研究表明，調(diào)節(jié)單元尺寸可改變雙負(fù)頻段工作頻率和帶寬，實(shí)現(xiàn)寬頻帶低耗雙負(fù)媒質(zhì)。技術(shù)方案—種基于斜三角開口對(duì)環(huán)的寬帶低耗左手材料，其特征在于包括介質(zhì)基板1、斜三角開口對(duì)環(huán)磁諧振單元2和斜三角開口對(duì)環(huán)-金屬線的共面結(jié)構(gòu)3 ；將斜三角開口對(duì)環(huán)磁諧振單元2和斜三角開口對(duì)環(huán)-金屬線的共面結(jié)構(gòu)3刻蝕在介質(zhì)板1的兩側(cè)；所述的斜三角開口對(duì)環(huán)-金屬線的共面結(jié)構(gòu)3是將兩根金屬導(dǎo)線設(shè)置在斜三角開口對(duì)環(huán)磁諧振單元上，兩根金屬導(dǎo)線分別位于斜三角開口對(duì)環(huán)磁諧振單元得兩個(gè)對(duì)邊。所述介質(zhì)基板采用介電常數(shù)ε =2. 65的聚四氟乙烯。所述介質(zhì)基板的尺寸為4mmX4mmX 1mm。所述斜三角開口對(duì)環(huán)磁諧振單元中的邊長(zhǎng) =2. 6mm，所述斜三角開口對(duì)環(huán)-金屬線的共面結(jié)構(gòu)中的邊長(zhǎng)％ = 3mm，加金屬線后的邊長(zhǎng)Id1 = 4mm ；兩個(gè)結(jié)構(gòu)的邊框線寬w = 0. 2mm，每邊的開口對(duì)環(huán)長(zhǎng)度1 = 1. Omm，每邊的開口對(duì)環(huán)間隙d = 0. 2mm。所述斜三角開口對(duì)環(huán)磁諧振單元中的邊長(zhǎng) =3. 6mm，所述斜三角開口對(duì)環(huán)-金屬線的共面結(jié)構(gòu)中的邊長(zhǎng) =2. 4mm，兩個(gè)結(jié)構(gòu)的邊框線寬W = 0. 2mm，每邊的開口對(duì)環(huán)長(zhǎng)度1 = 1. 0mm，每邊的開口對(duì)環(huán)間隙d = 0. 2謹(jǐn)。有益效果本發(fā)明提出的一種基于斜三角開口對(duì)環(huán)的寬帶低耗左手材料，將磁諧振環(huán)-金屬線共面結(jié)構(gòu)與磁諧振環(huán)相結(jié)合，提出了一種基于斜三角開口對(duì)環(huán)結(jié)構(gòu)的左手材料結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能產(chǎn)生兩個(gè)雙負(fù)頻段，通過調(diào)節(jié)單元尺寸可改變雙負(fù)頻段工作范圍，實(shí)現(xiàn)寬帶低耗左手材料的設(shè)計(jì)。本發(fā)明結(jié)構(gòu)在9. 3-13. 2GHz頻段同時(shí)具有負(fù)的磁導(dǎo)率和負(fù)的介電常數(shù)，相對(duì)帶寬34. 7%，損耗性能系數(shù)347. 9，實(shí)現(xiàn)了寬帶低耗左手材料。


圖1:本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意2 本發(fā)明的結(jié)構(gòu)中的斜三角開口對(duì)環(huán)磁諧振單元示意3 本發(fā)明的結(jié)構(gòu)中的斜三角開口對(duì)環(huán)-金屬線的共面結(jié)構(gòu)示意4 斜三角開口對(duì)環(huán)磁諧振單元的等效電路5 斜三角開口對(duì)環(huán)-金屬線的共面結(jié)構(gòu)的等效電路6 實(shí)施例1的仿真S21曲線圖7 通過參數(shù)提取方法提取的實(shí)施例1的等效媒質(zhì)參數(shù)圖a 介電常數(shù)和磁導(dǎo)率圖，b 折射率8 通過參數(shù)提取方法提取的實(shí)施例2的等效媒質(zhì)參數(shù)圖a 介電常數(shù)和磁導(dǎo)率圖，b 折射率9 本發(fā)明結(jié)構(gòu)和SRR+Wire在各自諧振頻點(diǎn)處的電流分布和電場(chǎng)分布圖a 電流分布圖，b 電場(chǎng)分布10 產(chǎn)生磁響應(yīng)的斜三角開口對(duì)環(huán)結(jié)構(gòu)和SRR結(jié)構(gòu)的等效電路11 損耗性能系數(shù)及諧振頻點(diǎn)處的電場(chǎng)分布圖
具體實(shí)施例方式現(xiàn)結(jié)合實(shí)施例、附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述本實(shí)施例的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中的介質(zhì)基板采用介電常數(shù)ε =2. 65的聚四氟乙烯,尺寸為4mmX4mmX 1mm。實(shí)施例1 在介質(zhì)基板其中一個(gè)側(cè)面刻蝕斜三角開口對(duì)環(huán)-金屬線共面結(jié)構(gòu)，具體結(jié)構(gòu)見圖 3，其中所述斜三角開口對(duì)環(huán)-金屬線的共面結(jié)構(gòu)中的邊長(zhǎng)％ = 3mm，加金屬線后的邊長(zhǎng)Id1 =4mm，結(jié)構(gòu)的邊框線寬w = 0. 2mm，每邊的開口對(duì)環(huán)長(zhǎng)度1 = 1. 0mm，每邊的開口對(duì)環(huán)間隙 d = 0. 2mm。在介質(zhì)基板的背面刻蝕斜三角開口對(duì)環(huán)結(jié)構(gòu)，具體結(jié)構(gòu)見圖2，其中所述斜三角開口對(duì)環(huán)磁諧振單元中的邊長(zhǎng) =2. 6mm，結(jié)構(gòu)的邊框線寬w = 0. 2mm，每邊的開口對(duì)環(huán)長(zhǎng)度 1 = 1. 0mm，每邊的開口對(duì)環(huán)間隙d = 0. 2mm。采用商業(yè)電磁仿真軟件Ansoft HFSS對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真。TEM波從模型的左端入射，電場(chǎng)、磁場(chǎng)方向如圖1中所示。與電場(chǎng)方向垂直的兩個(gè)邊界設(shè)置為理想電邊界(PEC)， 與磁場(chǎng)方向垂直的兩個(gè)邊界設(shè)置為理想磁邊界(PMC)。仿真S21曲線如圖6所示，可以發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)有兩個(gè)傳輸通帶。通過參數(shù)提取方法提取的等效媒質(zhì)參數(shù)如圖4。圖4(a)表明本發(fā)明實(shí)施例結(jié)構(gòu)在9. 6-11. 3GHz和15. 4-16. 3GHz具有負(fù)的等效磁導(dǎo)率，在9. 6-16. 4GHz具有負(fù)的等效介電常數(shù)。圖4(b)表明新結(jié)構(gòu)在9. 6-16. 3具有負(fù)的等效折射率。因此結(jié)構(gòu)在 9. 6-11. 3GHz和15. 4-16. 3GHz為雙負(fù)頻段，得到雙頻段左手材料。實(shí)施例2 其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，當(dāng)Ei1 = 2. 4mm、a2 = 3. 6mm時(shí)，得到寬帶低耗左手材料。該結(jié)
5構(gòu)的雙負(fù)頻段為9. 3-13. 2GHz，相對(duì)帶寬達(dá)到34. 7 %，用參數(shù)提取方法提取等效媒質(zhì)參數(shù)如圖8所示。為了比較損耗性能，將本結(jié)構(gòu)與典型的SRR+wire雙負(fù)媒質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比。圖9給出了本發(fā)明結(jié)構(gòu)和SRR+wire結(jié)構(gòu)在各自諧振頻點(diǎn)處的電流分布和電場(chǎng)分布。由圖9(a)可以看出，斜三角開口對(duì)環(huán)-金屬線結(jié)構(gòu)上的電流自上而下，其作用相當(dāng)于金屬線，表現(xiàn)出電響應(yīng)。結(jié)合圖9(b)可知，斜三角開口對(duì)環(huán)上的強(qiáng)環(huán)路電流形成的自電感與對(duì)環(huán)間的強(qiáng)電場(chǎng)形成的自電容相結(jié)合構(gòu)成自諧振電路，表現(xiàn)為負(fù)的磁響應(yīng)，而SRR+Wire 結(jié)構(gòu)的磁響應(yīng)主要是由SRR環(huán)決定。對(duì)于產(chǎn)生磁響應(yīng)的斜三角開口對(duì)環(huán)結(jié)構(gòu)和SRR結(jié)構(gòu)，其等效電路圖都可由圖10所示。已知RLC電路的損耗與每個(gè)電路元件和品質(zhì)因數(shù)Q有關(guān)，
權(quán)利要求
1.一種基于斜三角開口對(duì)環(huán)的寬帶低耗左手材料，其特征在于包括介質(zhì)基板(1)、斜三角開口對(duì)環(huán)磁諧振單元(2)和斜三角開口對(duì)環(huán)-金屬線的共面結(jié)構(gòu)(3)；將斜三角開口對(duì)環(huán)磁諧振單元⑵和斜三角開口對(duì)環(huán)-金屬線的共面結(jié)構(gòu)(3)刻蝕在介質(zhì)板(1)的兩側(cè)； 所述的斜三角開口對(duì)環(huán)-金屬線的共面結(jié)構(gòu)(3)是將兩根金屬導(dǎo)線設(shè)置在斜三角開口對(duì)環(huán)磁諧振單元上，兩根金屬導(dǎo)線分別位于斜三角開口對(duì)環(huán)磁諧振單元得兩個(gè)對(duì)邊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于斜三角開口對(duì)環(huán)的寬帶低耗左手材料，其特征在于所述介質(zhì)基板采用介電常數(shù)ε =2. 65的聚四氟乙烯。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述基于斜三角開口對(duì)環(huán)的寬帶低耗左手材料，其特征在于 所述介質(zhì)基板的尺寸為4mmX4mmX 1mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于斜三角開口對(duì)環(huán)的寬帶低耗左手材料，其特征在于所述斜三角開口對(duì)環(huán)磁諧振單元中的邊長(zhǎng) =2. 6mm，所述斜三角開口對(duì)環(huán)-金屬線的共面結(jié)構(gòu)中的邊長(zhǎng)= 3mm，加金屬線后的邊長(zhǎng)Id1 = 4mm;兩個(gè)結(jié)構(gòu)的邊框線寬w = 0. 2mm，每邊的開口對(duì)環(huán)長(zhǎng)度1 = 1. 0mm，每邊的開口對(duì)環(huán)間隙d = 0. 2mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述基于斜三角開口對(duì)環(huán)的寬帶低耗左手材料，其特征在于 所述斜三角開口對(duì)環(huán)磁諧振單元中的邊長(zhǎng) =3. 6mm，所述斜三角開口對(duì)環(huán)-金屬線的共面結(jié)構(gòu)中的邊長(zhǎng)B1 = 2. 4mm，兩個(gè)結(jié)構(gòu)的邊框線寬w = 0. 2mm，每邊的開口對(duì)環(huán)長(zhǎng)度1 = 1. 0mm，每邊的開口對(duì)環(huán)間隙d = 0. 2謹(jǐn)。
全文摘要
本發(fā)明提出的一種基于斜三角開口對(duì)環(huán)的寬帶低耗左手材料，技術(shù)特征在于將磁諧振環(huán)-金屬線共面結(jié)構(gòu)與磁諧振環(huán)相結(jié)合，提出了一種基于斜三角開口對(duì)環(huán)結(jié)構(gòu)的左手材料結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能產(chǎn)生兩個(gè)雙負(fù)頻段，通過調(diào)節(jié)單元尺寸可改變雙負(fù)頻段工作范圍，實(shí)現(xiàn)寬帶低耗左手材料的設(shè)計(jì)。本發(fā)明結(jié)構(gòu)在9.3-13.2GHz頻段同時(shí)具有負(fù)的磁導(dǎo)率和負(fù)的介電常數(shù)，相對(duì)帶寬34.7％，損耗性能系數(shù)347.9，實(shí)現(xiàn)了寬帶低耗左手材料。
文檔編號(hào)H01Q15/00GK102354815SQ20111028491
公開日2012年2月15日 申請(qǐng)日期2011年9月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月22日
發(fā)明者曹祥玉, 李文強(qiáng), 楊歡歡, 鄭秋容, 高軍 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍空軍工程大學(xué)