一種k波段電磁雙負超材料的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及電磁雙負超材料，特別是一種在常規尺寸下實現的K波段的電磁雙負超材料，屬于電磁“超材料”結構設計領域。
【背景技術】
[0002]電磁雙負材料是一種介電常數和磁導率同時為負的人工合成超材料，其電場向量，磁場向量，波矢分量滿足左手定則，所以又稱為左手材料。雙負材料與自然界中其他材料的區別之一是電磁波在其中傳播時群速度與向速度相反，這種反常的電磁特性使得雙負材料呈現出很多超自然的物理現象，比如逆多普勒效應、負折射現象、完美透鏡效應、反涅爾斯定律等。雙負材料最早由前蘇聯科學家V.G.Vese Iago于上世紀60年代在理論上證實，但是當時在自然界中并不能找到這種具有奇妙特性的物質。直到20世紀60年代，英國科學家Penty等人提出周期型排列的導電金屬線和金屬諧振環(SRR)分別在一定頻率下可以實現負介電常數和負磁導率。以此為基礎，美國科學家Smith教授設計出了一種金屬桿和金屬諧振環周期性排列的復合材料，最終使其呈現出雙負特性。
[0003]諧振腔與金屬線組成的SRR結構是實現雙負材料制備的一種結構單元。隨后提出的樹枝型結構，矩形諧振腔結構，雙“I”型結構，雙“Z”型結構等也都很好地實現了材料的雙負特性，但由于隨著雙負材料單元尺寸增大，其諧振頻率變小，出現雙負特性的頻率范圍也隨之變小。在電磁器件可以接受的尺寸上，目前提出的雙負材料出現雙負特性的頻率范圍集中在較低的C波段以及X波段，對于更高頻段的電磁雙負材料還沒有實現。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于提供一種K波段電磁雙負超材料，所述的雙負超材料基于傳統的諧振腔與金屬線組合的結構，提出一種新型諧振器，該諧振器通過較小諧振腔并聯的方式，提高了諧振頻率，與矩形金屬導線組合形成新型雙負材料，該材料不僅在18.8Ghz(K波段)處實現了雙負特性，同時保證了輻射面積，使其在電磁器件中應用時可以更好的發揮雙負特性。解決了目前的雙負材料出現雙負特性的頻率過高時尺寸太小而難以應用的問題。
[0005]本發明設計方案是:一種新型諧振器與矩形金屬導線組合的新型雙負材料結構，即一種K波段電磁雙負超材料，所述新型雙負材料包括介質基板，所述介質基板上覆蓋有一個諧振器和一條矩形金屬導線，所述矩形金屬導線豎向放置于諧振器下方，所述新型諧振器的內部為三個金屬條組合而成的閉合正三角形，所述諧振器的外部為正六邊形結構。所述正六邊形結構的其中三個頂點與所述閉合正三角形的三個頂點重合，所述正六邊形結構的另外三個頂點處均開設有開口，總體表現為三個小的諧振腔背向的組合。
[0006]根據本發明所述的K波段電磁雙負超材料，所述介質基板為介電常數4.4的樹脂氧化玻璃纖維FR4-ep0Xy，所述諧振器和矩形金屬導線采取覆銅技術刻蝕在介質基板兩側，覆銅厚度為0.1mm。
[0007]根據本發明所述的K波段電磁雙負超材料，介質基板厚度為0.25mm。
[0008]根據本發明所述的K波段電磁雙負超材料，諧振器外部正六邊形外邊長m為2mm，組成正六邊形所用金屬條寬度w為0.3mm。
[0009]根據本發明所述的K波段電磁雙負超材料，諧振器內部正三角形外邊長s為3.46mm，組成正三角形所用金屬條寬度w為0.3mm。
[0010]根據本發明所述的K波段電磁雙負超材料，諧振器中正六邊形三個開口的開口寬度g為0.44mm。
[0011]根據本發明所述的K波段電磁雙負超材料，矩形金屬導線長度為6mm，寬度為
0.3mm，厚度為0.1mm。
[0012]有益效果:
[0013](I)本發明取材方便，制備簡單，尺寸較小，無需傳統制備過程中的焊接工序，便于加工制作，具有極大的實用價值。
[0014](2)本發明基于傳統的諧振環和金屬線組合的結構，可以同時實現介電常數和磁導率同時為負。單個諧振器也有很好地磁響應特性，可以獨自應用在各類電磁器件上。
[0015](3)本發明出現雙負特性的頻段位于高頻，結構尺寸屬于常規尺寸，輻射面積較大，可以更好的實現高頻段雙負材料的應用。
【附圖說明】
[0016]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明作進一步的詳細描述。
[0017]圖1是新型諧振器的平面圖；
[0018]圖2是新型雙負材料的結構圖；
[0019]圖3是電磁波入射新型雙負材料的S參數(dB)幅度圖；
[0020]圖4是新型雙負材料等效磁導率幅度圖；
[0021 ]圖5是新型雙負材料等效介電常數幅度圖。
[0022]圖中，I為介質基板，2為矩形金屬導線，3為諧振器
【具體實施方式】
[0023]本發明新型雙負材料包括介質基板和覆蓋在介質基板上的新型諧振器和矩形金屬導線，如圖1，所述新型諧振器由三個小的三角形諧振腔背向組合而成，每個小諧振腔均有一個開口，與之相對的三條三角形的邊組成一個大的閉合正三角形。所述矩形金屬導線刻蝕在介質基板的另一側，與諧振器外圍六邊形的兩個邊平行，并且位于所平行的兩條邊的中間位置，總體呈對稱結構。
[0024]本發明優選實例詳情如下:
[0025]如圖2，本例實施的K波段電磁雙負超材料由介質基板和刻蝕在介質基板兩側的諧振器和矩形金屬導線組成。諧振器由三個小的諧振腔背向組合而成，內部形成閉合正三角形結構，外部呈現為正六邊形結構，諧振器厚度為0.1mm，所用材料為銅。諧振器外部正六邊形的外邊長為2mm，組成正六邊形的金屬條寬度為0.3mm。諧振器內部的正三角形外邊長為3.46mm，組成正三角形的金屬條寬度為0.3mm。諧振器正六邊形的三個開口的開口寬度均為
0.44mm。介質基板另一側矩形金屬導線長度為6mm，寬度為0.3_，厚度為0.1mm，所用材料為銅。
[0026]電磁波垂直入射介質基板時，圖3是電磁波入射新型雙負材料的S參數(dB)幅度圖，圖4是新型雙負材料等效磁導率幅度圖，圖5是新型雙負材料等效介電常數幅度圖，該結構在18.8GHz時出現雙負通帶，介電常數和磁導率同時為負。
[0027]本申請提出的K波段電磁雙負超材料由新型諧振器和矩形金屬導線組成，通過加載等效電容和等效電感實現復合左右手傳輸線結構，實現了介電常數和磁導率同時為負。通過較小諧振腔并聯的方式，在較大尺寸下實現了 K頻段的雙負條件。這種材料在電磁器件上應用時，既實現了高頻段的雙負特性，又保證了輻射面積，可以應用在微帶天線等電磁器件上。
【主權項】
1.一種K波段電磁雙負超材料，其特征在于:所述K波段電磁雙負超材料包括介質基板，所述介質基板上覆蓋有一個諧振器和一條矩形金屬導線，所述矩形金屬導線豎向放置于諧振器下方，所述諧振器的內部為三個金屬條組合而成的閉合正三角形，所述諧振器的外部為正六邊形結構，所述正六邊形結構的其中三個頂點與所述閉合正三角形的三個頂點重合，所述正六邊形結構的另外三個頂點處均設有開口，總體表現為三個小的諧振腔背向的組合。2.根據權利要求1所述的K波段電磁雙負超材料，其特征在于所述介質基板為介電常數4.4的環氧樹脂玻璃纖維板FR4-ep0Xy，所述諧振器和矩形金屬導線均采取覆銅技術刻蝕在介質基板的兩側。3.根據權利要求1所述的K波段電磁雙負超材料，其特征在于所述諧振器厚度為0.1mm，諧振器外部正六邊形結構的外邊長為2mm，組成正六邊形所用金屬條寬度為0.3mm;諧振器內部正三角形的外邊長為3.46mm，組成正三角形所用金屬條寬度為0.3mm;諧振器外部正六邊形的三個開口的開口寬度為0.44mm，所述矩形金屬導線長度為6mm，寬度為0.3mm，厚度為0.1mnin4.根據權利要求1所述的K波段電磁雙負材料，其特征在于介質基板厚度為0.25mm。
【專利摘要】本發明涉及一種K波段電磁雙負超材料，包括介質基板和覆蓋在介質基板上的一個新型諧振器與一條矩形金屬導線。所述新型諧振器包括內部的三個金屬條組合而成的一個閉合正三角形，外部為具有三個開口的正六邊形的結構。閉合三角形與六邊形的三個頂點重合，六邊形未與三角形重合的三個頂點上各有一個開口。總體表現為三個小的諧振腔背向的組合。基于傳統的諧振腔與矩形金屬導線組合的結構，提出一種新型諧振器，該諧振器通過較小諧振腔并聯的方式，提高了諧振頻率，與矩形金屬導線組合形成新型雙負材料，該材料不僅在18.8Ghz(K波段)處實現了雙負特性，同時保證了輻射面積，使其在電磁器件中應用時可以更好的發揮雙負特性。
【IPC分類】H01Q13/08, H01Q1/38
【公開號】CN105552542
【申請號】CN201610022528
【發明人】劉曉陽, 焦新光
【申請人】中國礦業大學(北京)
【公開日】2016年5月4日
【申請日】2016年1月14日