基於匚形金屬條的單面二維左手材料的製作方法

2023-05-20 19:14:16 2

本發明涉及一種基於匚形金屬條的單面二維左手材料，屬於電磁介質特性研究領域。

背景技術：

左手材料是一類在一定的頻段下同時具有負磁導率和介電常數的材料(對電磁波的傳播形成負的折射率)。前蘇聯科學技術v.g.veselago第一次在1968年系統的提出左手材料的主要思想，預測了在左手材料中傳播的電磁波相位的傳播方向和能量的傳播方向相反。當折射率為負值時，波矢量方向與能量方向相反，e、h、k形成左手規則，即左手材料。j.b.pendry等人首先構造出了由周期性排列的細金屬棒陣列組成的等效介電常數為負的超材料和金屬諧振環組成的等效磁導率為負的超材料。d.r.smith等人將細金屬棒和金屬諧振環有規律的排列在一起，構造了世界上第一塊實現等效介電常數和等效磁導率同時為負的左手材料，並通過」稜鏡實驗」第一次從實驗室證明了左手材料的存在。此後，左手材料成為物理學界和電磁學界研究的熱點之一。隨著對左手材料研究的深入，各種新型的左手材料結構被不斷提出，基本可以分為單面和雙面兩大類。單面左手材料有雙十字架形、「ⅱ」形、巨形等，雙面左手材料有雙σ形、雙z形等，普遍存在維度受限、結構複雜等問題。

技術實現要素：

本發明要解決的問題是提供一種基於匚形金屬條的單面二維左手材料。

為了解決上述技術問題，本發明採用如下技術方案：基於匚形金屬條的單面二維左手材料，包括兩個匚形金屬條，且兩個匚形金屬條按照反向對稱交叉擺放在fr4介質基板單面上，構成匚形左手材料單元結構，所述匚形左手材料單元結構按照4×4排列構成單面二維左手材料。

所述匚形金屬條的寬度為a，a的取值範圍為0.1mm～0.5mm，所述匚形金屬條的高度為h，h的取值範圍為1mm～1.7mm，所述匚形金屬條的長度為l，l的取值範圍為0.8mm～1.5mm，所述匚形左手材料單元結構距離所述介質基板左右邊緣距離為g，g的取值範圍為0.15mm～0.45mm，所述匚形左手材料單元結構距離所述介質基板上下邊緣距離為p，p的取值範圍為0.1～0.2mm，兩條匚形金屬條橫向距離分別為q，q的取值範圍為0.2mm～0.5mm，兩條匚形金屬條縱向距離分別為m，m的取值範圍為0.2mm～0.6mm。

所述的匚形單元結構陣列由16個匚形單元結構按照4×4排列構成。

所述的匚形單元結構陣列中金屬線的電諧振和磁諧振位於同一頻段。

所述的匚形單元結構陣列刻蝕在介質基板上。

所述的介質基板為介電常數4.4的環氧樹脂pcb基板。

所述的介質基板的高h1和長l1均等於10mm，厚度為d，d的取值範圍為0.6mm～1.2mm。

將多片所述單面二維左手材料分別按照間距1.5mm等間距排列，在兩個方向分別得到不同頻帶的左手材料。

本發明有益效果如下：

本發明中的左手材料單元結構僅由長度不同的兩種金屬條按照規則排列成在fr4介質板的單面，加工製作上十分方便；本發明只需在介質板單面蝕刻單元結構就能實現二維左手材料特性，克服了傳統材料的加工不便和維度受限的缺陷；兩個方向的通帶帶寬分別為7.45ghz和6.61ghz，大大的增大了左手材料特性的帶寬。

附圖說明

圖1：匚形左手單元單元結構示意圖；

圖2(a)：基於匚形單元結構的單面二維左手材料的結構示意圖；

圖2(b)：實施例一和例二1.5mm層間距的基於匚形單元結構的單面二維左手材料的結構示意圖；

圖3(a)：實施例一1.5mm層間距的基於匚形單元結構的單面二維左手材料電磁波沿介質板x方向入射的仿真s參數曲線；

圖3(b)：實施例二1.5mm層間距的匚形單元結構的單面二維左手材料電磁波沿介質板y方向入射的仿真s參數曲線；

圖4：通過參數提取方法提取的實例一和實例二的等效介電常數曲線；

圖5：通過參數提取方法提取的實例一和實例二的等效磁導率曲線；

圖6：通過參數提取方法提取的實例一和實例二的折射率曲線；

圖7：通過參數提取方法提取的實例一和實例二的波阻抗曲線；

圖8(a)：實施例三的測試結果與實施例一的仿真結果對比圖；

圖8(b)：實施例三的測試結果與實施例二的仿真結果對比圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明做進一步說明。

如圖1所示，匚形左手單元單元結構由兩種長度的金屬條規則排列組成，兩個匚形金屬條呈反向對稱交叉放置。

所述的單元結構由寬度為a＝0.2mm，高度為h＝1.5mm和長度為l＝1.2mm的金屬條組成，蝕刻在fr4介質板正面上。介質板正面金屬距離介質板左右邊緣g＝0.35mm，上下邊緣p＝0.175mm，兩條匚形金屬條之間的距離：q＝0.4mm，m＝0.45mm。

如圖2所示，基於匚形單元結構的單面二維左手材料的結構示意圖由16個單元結構按照4x4排列組成。

所述的基於匚形單元結構的單面二維左手材料通過電路板蝕刻技術蝕刻在高和長h1＝l1＝10mm的介質基板上；所述的介質基板為介電常數4.4的環氧樹脂pcb基板；若將多片所述的左手材料按照一定間距排列，就可得到便於測試的塊狀左手材料。

所述的基於匚形單元結構的單面二維左手材料中金屬線的電諧振和磁諧振發生於同一頻段，在二維方向上分別具有不同頻段的左手材料特性，實現二維左手材料。

實施例一：

如圖2(a)所示，採用電路板刻蝕技術，將按照4x4排列的16個由寬度為a＝0.2mm，長度分別為h＝1.5mm和長度為l＝1.2mm金屬條組成的所述的單元結構，在厚度為d＝0.6mm，高和長h1＝l1＝10mm的環氧樹脂pcb基板正面蝕刻出匚形單元陣列結構。介質板正面金屬距離介質板左右邊緣g＝0.35mm，上下邊緣p＝0.175mm，兩條匚形金屬條直接距離，q＝0.4mm，m＝0.45mm。

如圖2(b)所示，將11片左手材料單元結構以1.5mm的間距平行放置，組成塊狀左手材料結構。

電磁波沿介質板x方向入射時，採用商業電磁仿真軟體ansofthfss對結構模型進行仿真優化時，將垂直于波入射方向(x方向)為入射和出射埠，將直於y軸方向的兩側設為完美電導體(pec)，將直於z軸向的兩側設為完美磁導體(pmc)，仿真s參數如圖3(a)所示，附圖3(a)為s11、s21的幅值曲線圖。通過仿真得到的s參數如圖3(a)所示，s11和s21的諧振點位於7.45ghz和14.06ghz，回波損耗為-32.68db。s21的相位在7.45ghz初開始開始下降，標誌著雙負區域的開始，且在通帶內s21的幅度大於-3.97db，說明平均每個單元結構的傳輸損耗小於-0.25db。附圖4表明實施例一結構在7.45～14.06ghz的頻段上具有負的介電常數。附圖5表明實施例一結構在7.45～14.06ghz的頻段上具有負的磁導率。附圖6表明實施例一結構在7.45～14.06ghz的頻段上具有負的等效折射率。因此實施例一結構在7.45～14.06ghz的頻段上實現左手特性。

實施例二：

電磁波沿介質板y方向入射時，採用商業電磁仿真軟體ansofthfss對結構模型進行仿真優化時，將垂直于波入射方向(y方向)為入射和出射埠，將直於x軸方向的兩側設為完美電導體(pec)，將直於z軸向的兩側設為完美磁導體(pmc)，仿真s參數如圖3(b)所示，附圖3(b)為s11、s21的幅值曲線圖。通過仿真得到的s參數如圖3(b)所示，s11和s21的諧振點位於8.38ghz和15.83ghz，回波損耗為-35.84db。s21的相位在8.38ghz初開始開始下降，標誌著雙負區域的開始，通帶內s21的幅度大於-1.77db，說明平均每個單元結構的傳輸損耗小於-0.11db。附圖4表明實施例二結構在8.38ghz～15.83ghz的頻段上具有負的介電常數。附圖5表明實施例二結構在8.38ghz～15.83ghz的頻段上具有負的磁導率。附圖6表明實施例二結構在8.38ghz～15.83ghz的頻段上具有負的等效折射率。因此實施例二結構在8.38ghz～15.83ghz的頻段上實現左手特性。

實施例三：

由實施例一和例二的材料，用eva海綿代替設計過程中的空氣，製作成間距為1.5mm的規則塊狀左手材料，實物呈矩形狀如圖7所示，將其放入矩形波導bj100型中，利用轉接頭連接矢量網絡分析儀，s參數由安捷倫e5071c型矢量網絡分析儀測得。兩個方向所測試得到的結果分別與實施例一和例二的仿真結果進行對比如圖8(a)、圖8(b)所示(需要指出的是，標準波導bj100的工作頻率範圍是8～12ghz，所以矢量網絡分析儀測試的結果只能驗證該頻段內的結果)

通過s參數的仿真結果和測量結果相比較如圖8(a)、圖8(b)可以看出，仿真與測試數據基本吻合。

通過對比可以看出兩個方向實際測得的s參數比仿真設計時得到的s參數諧振頻率向右偏移0.5～0.8ghz，這是由於單元之間的空隙採用eva海綿對於反射和透射性能存在一定的幹擾和測試系統的誤差導致，隨著塊狀左手材料尺寸和單元結構的增加，導致eva海綿的增厚和測試誤差變大，進而影響頻偏增大。