專利名稱：基于兩層基板的小型化人工電磁材料及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電磁材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種電磁材料及其制備方法，特別涉及一種高頻HF、甚高頻VHF和特高頻UHF頻段的高度亞波長(zhǎng)小型化人工電磁材料及其制備方法，可用于構(gòu)造HF、VHF和UHF頻段的具有負(fù)折射率特性的小型化人工電磁材料，改善HF、VHF和UHF頻段的通訊系統(tǒng)或設(shè)備的性能。
背景技術(shù)：
人工電磁材料(Metamaterials)是指在自然界中本身并不存在或者沒(méi)有發(fā)現(xiàn)，而是人們根據(jù)電磁學(xué)理論的計(jì)算所構(gòu)造出來(lái)的，具有非常規(guī)電磁屬性的人造媒質(zhì)或材料，其典型代表有單負(fù)材料、左手材料和零折射率材料。
單負(fù)材料是等效介電常數(shù)e和等效磁導(dǎo)率U只有一個(gè)為負(fù)的一種新型人工電磁材料，其中包括等效介電常數(shù)為負(fù)，等效磁導(dǎo)率為正的電單負(fù)材料和效介電常數(shù)為正，等效磁導(dǎo)率為負(fù)的磁單負(fù)材料兩種。由于電磁波在單負(fù)材料中的波矢是虛數(shù)，因而單負(fù)材料中只存在凋落場(chǎng)，電磁波不能通過(guò)，但是電磁波能夠在負(fù)等效介電常數(shù)材料和負(fù)等效磁導(dǎo)率材料組成的雙層結(jié)構(gòu)中發(fā)生完全隧穿效應(yīng)，因此通過(guò)組合負(fù)等效介電常數(shù)材料和負(fù)等效磁導(dǎo)率材料可以構(gòu)造出性能較好的左手材料。左手材料是等效介電常數(shù)e和等效磁導(dǎo)率U同時(shí)為負(fù)的一種新型人工電磁材料，具有負(fù)折射率、倏逝波放大、逆多普勒效應(yīng)、逆切侖科夫輻射等特性，這些獨(dú)特的性質(zhì)使其具有很大的應(yīng)用潛力，可以實(shí)現(xiàn)平板聚焦，天線波束匯聚，完美透鏡，超薄諧振腔，后向波天線等功能。近年來(lái)，人工電磁材料的發(fā)展十分迅速，尤其是在微波段和光學(xué)波段應(yīng)用廣泛，但是目前人工電磁材料在HF、VHF和UHF頻段的應(yīng)用卻遇到了巨大阻礙。如今HF、VHF和UHF頻段的設(shè)備已經(jīng)涉及人們生活的各個(gè)領(lǐng)域，如遠(yuǎn)距離衛(wèi)星通信，磁共振成像MRI，磁諧振無(wú)線能量傳輸，短波與超短波通訊，以及收音機(jī)和電視機(jī)等常見(jiàn)的日常設(shè)備，理論上若能將人工電磁材料運(yùn)用于這些設(shè)備，其性能將會(huì)得到大幅改善。以上提到的這些應(yīng)用的工作頻率在3MHz至1000MHz，目前人們提出的人工電磁材料的單元結(jié)構(gòu)尺寸一般在入/10，其中入指其工作波長(zhǎng)，上述3MHz至1000MHz的頻率換算為波長(zhǎng)為IOOm至0. 3m,若按照常規(guī)設(shè)計(jì)的人工電磁材料單元，其單元結(jié)構(gòu)尺寸約為IOm至0. 03m,尺寸太大，無(wú)法投入實(shí)際應(yīng)用，所以設(shè)計(jì)HF、VHF和UHF頻段且尺寸在\ /100以下高度亞波長(zhǎng)小型化人工電磁材料具有較大的應(yīng)用前景。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述已有技術(shù)的不足，提供一種基于兩層基板的小型化人工電磁材料及制備方法，使單元結(jié)構(gòu)尺寸減小到X/100以下，以滿足HF、VHF和UHF頻段的高度亞波長(zhǎng)實(shí)際應(yīng)用要求。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明給出如下三種技術(shù)方案
技術(shù)方案I基于兩層基板的小型化人工電磁材料，包括N個(gè)結(jié)構(gòu)單元，NS 2，每個(gè)結(jié)構(gòu)單元設(shè)有兩個(gè)介質(zhì)基板層，其特征在于，第一介質(zhì)基板層的一面蝕刻矩形折線，另一面為光面，即絕緣板；第二介質(zhì)基板層的一面蝕刻平面螺旋線，該螺旋中心連有圓形金屬貼片，另一面蝕刻矩形折線；第一介質(zhì)基板層的光面與第二介質(zhì)基板層的螺旋面粘結(jié)為一體，形成一個(gè)折線一螺旋線一折線結(jié)構(gòu)的整體基板，該整體基板的兩端涂有金屬層，金屬層分別與第一介質(zhì)基板層上的折線和第二介質(zhì)基板層上的折線連接?；趦蓪踊宓男⌒突斯る姶挪牧现苽浞椒ǎㄈ缦虏襟E(I)選用厚度為0. Imm Imm,介電常數(shù)e r = 2. 6±0. 05,損耗角正切tan 3 =0.015的聚四氟乙烯單面PCB覆銅板，在其覆銅箔表面蝕刻矩形折線，得到一面為折線面另一面為光面的第一介質(zhì)基板層；矩形折線的長(zhǎng)Lm=O. 99L，寬Hm=O. 99H，矩形折線的橫線線寬Lwm=L 15X 10_2L，矩形折線的豎線線寬Lwm=T. 7X 10氣，線間距Swm=7. 7 X 10氣，其中L和H分 別為覆銅板的長(zhǎng)和寬；(2)選用厚度為0. Imm Imm,介電常數(shù)e r = 2. 6±0. 05,損耗角正切tan 3 =0.015的聚四氟乙烯雙面PCB覆銅板，在其一個(gè)覆銅箔表面蝕刻平面螺旋線，在另一個(gè)覆銅箔表面蝕刻矩形折線，制得一面為螺旋面另一面為折線面的第二介質(zhì)基板層；平面螺旋線的外輪廓長(zhǎng)度Lp=O. 92L，外輪廓寬度Hp=O. 92H，匝數(shù)n=13，線寬Lwp=S. I X 10氣，線間距為Swp=L 23X IO-2L,螺旋中心所連的圓形金屬貼片的半徑！■為0. 5mm 5mm ;矩形折線的長(zhǎng)Lm=O. 99L，寬Hm=O. 99H，矩形折線的橫線線寬Lwm=L 15X 10氣，矩形折線的豎線線寬Lwm=T. 7X10_3L，線間距Swm= . 7X10_3L，其中L、H分別為覆銅板的長(zhǎng)和寬；(3)將第一介質(zhì)基板層的光面與第二介質(zhì)基板層的螺旋面緊密貼合，經(jīng)絕緣粘結(jié)材料熱壓處理粘接為一體，形成折線一螺旋線一折線結(jié)構(gòu)的整體基板；(4)在整體基板的兩端涂10 U nTlmm厚的金屬層，再將兩端的金屬層分別與該整體基板兩面的折線連接，制得人工電磁材料結(jié)構(gòu)單元；(5)重復(fù)步驟(I) (4)，得到N個(gè)結(jié)構(gòu)單元，N彡2，將所有的結(jié)構(gòu)單元以單元整體基板的長(zhǎng)度為周期進(jìn)行平行等距排列，通過(guò)絕緣粘結(jié)材料熱壓處理粘接，制得人工電磁材料塊材。技術(shù)方案2基于兩層基板的小型化人工電磁材料，包括N個(gè)結(jié)構(gòu)單元，NS 2，每個(gè)結(jié)構(gòu)單元設(shè)有兩個(gè)介質(zhì)基板層，其特征在于，第一介質(zhì)基板層的一面蝕刻矩形折線，另一面為光面，即絕緣板；第二介質(zhì)基板層的一面蝕刻矩形折線，另一面蝕刻平面螺旋線，該螺旋中心連有圓形金屬貼片；第一介質(zhì)基板層的光面與第二介質(zhì)基板層的折線面粘接為一體，形成一個(gè)折線一折線一螺旋線結(jié)構(gòu)的整體基板，該整體基板的兩端涂有金屬層，該金屬層分別與第一介質(zhì)基板層上的矩形折線和第二介質(zhì)基板層上的矩形折線連接?；趦蓪踊宓男⌒突斯る姶挪牧现苽浞椒?，包括如下步驟I)選用厚度為0. Imm Imm,介電常數(shù)e r = 2. 6±0. 05,損耗角正切tan 3 =0.015的聚四氟乙烯單面PCB覆銅板，在其覆銅箔表面蝕刻矩形折線，制得一面為折線面另一面為光面的第一介質(zhì)基板層；矩形折線的長(zhǎng)Lm=O. 99L，寬Hm=O. 99H ;矩形折線的橫線線寬Lwm=L 15X 10氣，矩形折線的豎線線寬已=7. 7X 10氣，線間距Swm=7. 7X 10_3L，其中L、H分別為覆銅板的長(zhǎng)和寬；2)選用厚度為0. Imm Imm,介電常數(shù)e r = 2. 6±0. 05,損耗角正切tan 3 =0. 015的聚四氟乙烯雙面PCB覆銅板，在其一個(gè)覆銅箔表面蝕刻矩形折線，在另一個(gè)覆銅箔表面蝕刻平面螺旋線，制得一面為折線面另一面為螺旋面的第二介質(zhì)基板層；矩形折線的長(zhǎng)Lm=O. 99L，寬Hm=O. 99H，矩形折線的橫線線寬Lwm=L 15X 10氣，矩形折線的豎線線寬Lwm=T. 7X10_3L，線間距Swm=7. 7X10_3L ;平面螺旋線的外輪廓長(zhǎng)度Lp=O. 92L，外輪廓寬度Hp=O. 92H，匝數(shù)n=13，線寬Lwp=8. I X 10氣，線間距為Swp=L 23X 10_2L，螺旋中心所連的圓形金屬貼片的半徑r為0. 5mm 5mm,其中L、H分別為覆銅板的長(zhǎng)和寬；3)將第一介質(zhì)基板層的光面與第二介質(zhì)基板層的折線面緊密貼合，經(jīng)絕緣粘結(jié)材料熱壓處理粘接為一體，形成折線一折線一螺旋線結(jié)構(gòu)的整體基板；4)在整體基板的兩端涂10 U nTlmm厚的金屬層，再將兩端的金屬層分別與該整體基板兩面的折線連接，制得人工電磁材料結(jié)構(gòu)單元；5)重復(fù)步驟I) 4)，得到N個(gè)結(jié)構(gòu)單元，N彡2，將所有的結(jié)構(gòu)單元以單元整體基板的長(zhǎng)度為周期進(jìn)行平行等距排列，通過(guò)絕緣粘結(jié)材料熱壓處理粘接，制得人工電磁材料塊材。技術(shù)方案3基于兩層基板的小型化人工電磁材料，包括N個(gè)結(jié)構(gòu)單元，NS 2，每個(gè)結(jié)構(gòu)單元設(shè)有兩個(gè)介質(zhì)基板層，其特征在于，第一介質(zhì)基板層的一面蝕刻平面螺旋線，該螺旋中心連有圓形金屬貼片，另一面為光面，即絕緣板；第二介質(zhì)基板層的一面蝕刻矩形折線，另一面蝕刻平面螺旋線，該螺旋中心連有圓形金屬貼片；第一介質(zhì)基板層的光面與第二介質(zhì)基板層的折線面粘接為一體，形成一個(gè)螺旋線折線螺旋線結(jié)構(gòu)的整體基板，該整體基板的兩端涂有金屬層，金屬層與第二介質(zhì)基板層上的矩形折線連接?；趦蓪踊宓男⌒突斯る姶挪牧现苽浞椒?，包括如下步驟(A)選用厚度為0. Imm 1_，介電常數(shù)％ = 2. 6±0. 05，損耗角正切tan S=0. 015的聚四氟乙烯單面PCB覆銅板，在其覆銅箔表面蝕刻平面螺旋線，制得一面為螺旋面另一面為光面的第一介質(zhì)基板層；平面螺旋線的外輪廓長(zhǎng)度Lp=O. 92L，外輪廓寬度Hp=O. 92H，匝數(shù)n=13，線寬Lwp=S. I X 10氣，線間距為Swp=L 23X 10_2L，螺旋中心所連的圓形金屬貼片的半徑r為0. 5mm 5mm,其中L、H分別為覆銅板的長(zhǎng)和寬；(B)選用厚度為0. Imm Imm,介電常數(shù)e r = 2. 6±0. 05,損耗角正切tan 3 =0.015的聚四氟乙烯雙面PCB覆銅板，在其一個(gè)覆銅箔表面蝕刻矩形折線，在另一個(gè)覆銅箔表面蝕刻平面螺旋線，制得一面為折線面另一面為螺旋面的第二介質(zhì)基板層；矩形折線的長(zhǎng)Lm=O. 99L，寬Hm=O. 99H，矩形折線的橫線線寬Lwm=L 15X 10_2L，矩形折線的豎線線寬Lwm=7. 7X 10氣，線間距Swm= . 7X 10氣；平面螺旋線的外輪廓長(zhǎng)度Lp=O. 92L，外輪廓寬度Hp=O. 92H，匝數(shù)n=13，線寬Lwp=8. 1X10_3L，線間距為Swp=L 23X10_2L，螺旋中心所連的圓形金屬貼片的半徑r為0. 5mm 5mm,其中L、H分別為覆銅板的長(zhǎng)和寬；(C)將第一介質(zhì)基板層的光面與第二介質(zhì)基板層的折線面緊密貼合，經(jīng)絕緣粘結(jié)材料熱壓處理粘接為一體，形成螺旋線一折線一螺旋線結(jié)構(gòu)的整體基板；
(D)在整體基板的兩端涂10 U nTlmm厚的金屬層，再將兩端的金屬層與該整體基板上的折線連接，制得人工電磁材料結(jié)構(gòu)單元；
(E)重復(fù)步驟(A) (D)，得到N個(gè)結(jié)構(gòu)單元，N彡2，將所有的結(jié)構(gòu)單元以單元整體基板的長(zhǎng)度為周期進(jìn)行平行等距排列，通過(guò)絕緣粘結(jié)材料熱壓處理粘接，制得人工電磁材料塊材。本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明由于使用在兩層基板的三個(gè)不同覆銅箔表面分別蝕刻矩形折線或平面螺旋線，可形成折線-螺旋線-折線結(jié)構(gòu)、折線-折線-螺旋線結(jié)構(gòu)、螺旋線-折線-螺旋線不同的整體基板結(jié)構(gòu)；同時(shí)由于在整體基板的兩端涂金屬層，并與整體基板中的矩形折線連接，構(gòu)成單元結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了在HF、VHF和UHF頻段的特定頻段的負(fù)折射率特性；此外由于將兩端的金屬層分別與整體基板的折線連接，使得結(jié)構(gòu)單元結(jié)構(gòu)尺寸減小到X/100以下，克服了傳統(tǒng)人工電磁材料在HF、VHF和UHF頻段單元尺寸過(guò)大，無(wú)法投入實(shí)際應(yīng)用的限制，其中X為工作波長(zhǎng)。



圖I為本發(fā)明第一實(shí)施例的單元結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明第一實(shí)施例的制作流程圖；圖3為本發(fā)明第二實(shí)施例的單元結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明第二實(shí)施例的制作流程圖；圖5為本發(fā)明第三實(shí)施例的單元結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為本發(fā)明第三實(shí)施例的制作流程圖；圖7為本發(fā)明的矩形折線示意圖；圖8為本發(fā)明的平面螺旋線示意圖；圖9為本發(fā)明第二實(shí)施例的等效介電常數(shù)特性圖；圖10為本發(fā)明第二實(shí)施例的等效磁導(dǎo)率特性圖；圖11為本發(fā)明第二實(shí)施例的等效媒質(zhì)折射率特性圖。具體實(shí)現(xiàn)方式實(shí)施例I參照?qǐng)D1，本發(fā)明基于兩層基板的小型化人工電磁材料的結(jié)構(gòu)單元包括兩個(gè)介質(zhì)基板層，其中第一介質(zhì)基板層I的一面蝕刻折線，另一面為光面，即絕緣板；第二介質(zhì)基板層2的一面蝕刻平面螺旋線，該螺旋線中心連有圓形金屬貼片4，另一面蝕刻矩形折線；第一介質(zhì)基板層I的光面與第二介質(zhì)基板層2的螺旋面粘結(jié)為一體，形成一個(gè)折線一螺旋線一折線結(jié)構(gòu)的整體基板，該整體基板的兩端涂有金屬層3，整體基板一端所涂的金屬層3與第一介質(zhì)基板層I上的矩形折線的底端連接，整體基板另一端所涂的金屬層3與第二介質(zhì)基板層2上的矩形折線的頂端連接個(gè)單元，N > 2，以單元整體基板的長(zhǎng)度為周期進(jìn)行平行等距排列粘接，得到人工電磁材料塊材。參照?qǐng)D2，本發(fā)明制作圖I結(jié)構(gòu)材料的方法，按如下步驟進(jìn)行步驟I，選用厚度為0. 2mm，介電常數(shù)e ^ = 2. 6±0. 05，損耗角正切tan S =0.015的聚四氟乙烯單面PCB覆銅板，在其覆銅箔表面蝕刻如圖7所示的矩形折線，制得一面為折線面另一面為光面的第一介質(zhì)基板層；矩形折線的長(zhǎng)Lm=O. 99L，寬Hm=O. 99H，矩形折線的橫線線寬Lwm=L 15X10_2L，矩形折線的豎線線寬Lwm=7. 7X10_3L，線間距Swm= . 7X10_3L，其中L、H分別為覆銅板的長(zhǎng)和寬，具體數(shù)值根據(jù)實(shí)際需要選取，本實(shí)例取L=H=20mm。步驟2，選用厚度為0. 2mm，介電常數(shù)e ^ = 2. 6±0. 05，損耗角正切tan S =0.015的聚四氟乙烯雙面PCB覆銅板，在其一個(gè)覆銅箔表面蝕刻如圖8所示的平面螺旋線，在另一個(gè)覆銅箔表面蝕刻如圖7所示的矩形折線，制得一面為螺旋面另一面為折線面的第二介質(zhì)基板層；平面螺旋線的外輪廓長(zhǎng)度Lp=O. 92L，外輪廓寬度Hp=O. 92H，匝數(shù)n=13，線寬Lwp=S. 1X10_3L，線間距為Swp=L 23X10_2L，螺旋中心所連的圓形金屬貼片的半徑r=0. 5mm ；矩形折線的長(zhǎng)Lm=O. 99L，寬Hm=O. 99H，矩形折線的橫線線寬Lwm=L 15X 10_2L，矩形折線的豎線線寬Lwm=7. 7X10_3L，線間距Swm=7. 7X10_3L，其中L、H分別為覆銅板的長(zhǎng)和寬，具體數(shù)值根據(jù)實(shí)際需要選取，本實(shí)例取L=H=20mm。步驟3，將第一介質(zhì)基板層的光面與第二介質(zhì)基板層的螺旋面緊密貼合，經(jīng)絕緣粘結(jié)材料熱壓處理，使其粘接為一體，形成折線一螺旋線一折線結(jié)構(gòu)的整體基板。步驟4，在整體基板的兩端涂10 y m厚的金屬層，整體基板一端所涂的金屬層與第一介質(zhì)基板上矩形折線的底端連接，整體基板另一端所涂的金屬層與第二介質(zhì)基板上矩形 折線的頂端連接，制得人工電磁材料結(jié)構(gòu)單元。步驟5，重復(fù)步驟I 步驟4，得到N個(gè)結(jié)構(gòu)單元，N彡2，將所有的結(jié)構(gòu)單元以單元整體基板的長(zhǎng)度為周期進(jìn)行平行等距排列，并通過(guò)絕緣粘結(jié)材料熱壓，將這些結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行粘接，制得人工電磁材料塊材。實(shí)施例2參照?qǐng)D3，本發(fā)明基于兩層基板的小型化人工電磁材料的結(jié)構(gòu)單元包括兩個(gè)介質(zhì)基板層，其中第一介質(zhì)基板層I的一面蝕刻矩形折線，另一面為光面，即絕緣板；第二介質(zhì)基板層2的一面蝕刻矩形折線，另一面蝕刻平面螺旋線，該螺旋線中心連有圓形金屬貼片4 ;第一介質(zhì)基板層I的光面與第二介質(zhì)基板層2的折線面粘結(jié)為一體，形成一個(gè)折線-折線-螺旋線結(jié)構(gòu)的整體基板，該整體基板的兩端涂有金屬層3，整體基板一端所涂的金屬層3與第一介質(zhì)基板層I上矩形折線的底端連接，整體基板另一端所涂的金屬層3與第二介質(zhì)基板層2上矩形折線的頂端連接個(gè)單元，N > 2，以單元整體基板的長(zhǎng)度為周期進(jìn)行平行等距排列粘接，得到人工電磁材料塊材。參照?qǐng)D4，本發(fā)明制作圖3結(jié)構(gòu)材料的方法，按如下步驟進(jìn)行步驟(I),選用厚度為0. Imm,介電常數(shù)e r = 2. 6±0. 05,損耗角正切tan 3 =
0.015的聚四氟乙烯單面PCB覆銅板，在其覆銅箔表面蝕刻如圖7所示的矩形折線，制得一面為折線面另一面為光面的第一介質(zhì)基板層；矩形折線的長(zhǎng)L111=O. 99L，寬Hni=O. 99H，矩形折線的橫線線寬L =l. 15 X IO-2L,矩形折線的豎線線寬L_=7. 7 X 10_3L，線間距S_=7. 7X10_3L，其中L、H分別為覆銅板的長(zhǎng)度和寬度，具體數(shù)值根據(jù)實(shí)際需要選取，本實(shí)例取 L=H=26mm。步驟(2)，選用厚度為0. 1mm，介電常數(shù)e r = 2. 6±0. 05，損耗角正切tan S=0.015的聚四氟乙烯雙面PCB覆銅板，在其一個(gè)覆銅箔表面蝕刻如圖7所示的矩形折線，在另一個(gè)覆銅箔表面蝕刻如圖8所示的平面螺旋線，制得一面為折線面另一面為螺旋面的第二介質(zhì)基板層；矩形折線的長(zhǎng)Lm=O. 99L，寬Hm=O. 99H，矩形折線的橫線線寬Lwm=L 15X10_2L，矩形折線的豎線線寬Lwm=7. 7X10_3L，線間距Swm= . 7X IO^3L ;平面螺旋線的外輪廓長(zhǎng)度Lp=O. 92L，外輪廓寬度Hp=O. 92H，匝數(shù)n=13，線寬Lwp=8. I X 10氣，線間距為Swp=L 23X10_2L，螺旋中心所連的圓形金屬貼片的半徑r=lmm，其中L、H分別為覆銅板的長(zhǎng)度和寬度，具體數(shù)值根據(jù)實(shí)際需要選取，本實(shí)例取L=H=26mm。步驟(3)，將第一介質(zhì)基板層的光面與第二介質(zhì)基板層的折線面緊密貼合，經(jīng)絕緣粘結(jié)材料熱壓處理，使其粘接為一體，形成折線一折線一螺旋線結(jié)構(gòu)的整體基板。步驟(4)，在整體基板的兩端涂17 厚的金屬層，整體基板一端所涂的金屬層與第一介質(zhì)基板上的矩形折線的底端連接，整體基板另一端所涂的金屬層與第二介質(zhì)基板上的矩形折線的頂端連接，制得人工電磁材料結(jié)構(gòu)單元。步驟(5)，重復(fù)步驟(I) 步驟(4)，得到N個(gè)結(jié)構(gòu)單元，N彡2，將所有的結(jié)構(gòu)單元以單元整體基板的長(zhǎng)度為周期進(jìn)行平行等距排列，并通過(guò)絕緣粘結(jié)材料熱壓，將這些結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行粘接，制得人工電磁材料塊材。實(shí)施例3參照?qǐng)D5，本發(fā)明基于兩層基板的小型化人工電磁材料的結(jié)構(gòu)單元包括兩個(gè)介質(zhì)基板層，其中第一介質(zhì)基板層I的一面蝕刻螺旋線，該螺旋線中心連有圓形金屬貼片4，另一面為光面，即絕緣板；第二介質(zhì)基板層2的一面蝕刻矩形折線，另一面蝕刻螺旋線，螺旋線中心連有圓形金屬貼片4，此螺旋線與第一介質(zhì)基板層上的螺旋線對(duì)稱放置；第一介質(zhì)基板層I的光面與第二介質(zhì)基板層2的折線面粘結(jié)為一體，形成一個(gè)螺旋線一折線一螺旋線結(jié)構(gòu)的整體基板，該整體基板的兩端涂有金屬層3，整體基板兩端所涂的金屬層3分別與第二介質(zhì)基板層2上的矩形折線的底端和頂端連接個(gè)單元，N > 2，以單元整體基板的長(zhǎng)度為周期進(jìn)行平行等距排列粘接，得到人工電磁材料塊材。參照?qǐng)D6，本發(fā)明制作圖5結(jié)構(gòu)材料的方法，按如下步驟進(jìn)行步驟A，選用厚度為1mm，介電常數(shù)e ^ = 2. 6±0. 05，損耗角正切tan S = 0.015的聚四氟乙烯單面PCB覆銅板，在其覆銅箔表面蝕如圖8所示的平面螺旋線，制得一面為螺旋面另一面為光面的第一介質(zhì)基板層；平面螺旋線的外輪廓邊長(zhǎng)Lp=O. 92L，外輪廓寬度Hp=O. 92H，匝數(shù)n=13，線寬Lwp=8. I X 10氣，線間距為Swp=L 23X 10_2L，螺旋中心所連的圓形金屬貼片的半徑r=5mm，其中L、H分別為覆銅板的長(zhǎng)度和寬度，具體數(shù)值根據(jù)實(shí)際需要選取，本實(shí)例取L=H=40mm。步驟B，選用厚度為1mm，介電常數(shù)e ^ = 2. 6±0. 05，損耗角正切tan S = 0.015的聚四氟乙烯雙面PCB覆銅板，在其一個(gè)覆銅箔表面蝕刻如圖7所示的矩形折線，在另一個(gè)覆銅箔表面蝕刻如圖8所示的平面螺旋線，此螺旋線與第一介質(zhì)基板層上的螺旋線對(duì)稱放置，制得一面為折線面另一面為螺旋面的第二介質(zhì)基板層；矩形折線的長(zhǎng)Lm=O. 99L，寬Hm=O. 99H，矩形折線的橫線線寬Lwm=L 15X 10_2L，矩形折線的豎線線寬已=7. 7X 10氣，線間距Swm=7. 7X 10氣；平面螺旋線的外輪廓邊長(zhǎng)Lp=O. 92L，外輪廓寬度Hp=O. 92H，線寬Lwp=S. 1X10_3L，線間距為Swp=L 23X10_2L，螺旋中心所連的圓形金屬貼片的半徑r=5mm，其中L、H分別為覆銅板的長(zhǎng)度和寬度，具體數(shù)值根據(jù)實(shí)際需要選取，本實(shí)例取L=H=40mm。步驟C，將第一介質(zhì)基板層的光面與第二介質(zhì)基板層的折線面緊密貼合，經(jīng)絕緣粘結(jié)材料熱壓處理，使其粘接為一體，形成螺旋線折線螺旋線結(jié)構(gòu)的整體基板。步驟D，在整體基板的兩端涂Imm厚的金屬層，整體基板兩端所涂的金屬層分別與第二介質(zhì)基板上矩形折線的底端和頂端連接，制得人工電磁材料結(jié)構(gòu)單元。步驟E，重復(fù)步驟A 步驟D，得到N個(gè)結(jié)構(gòu)單元，N彡2，將所有的結(jié)構(gòu)單元以單元、整體基板的長(zhǎng)度為周期進(jìn)行平行等距排列，并通過(guò)絕緣粘結(jié)材料熱壓，將這些結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行粘接，制得人工電磁材料塊材。本發(fā)明的實(shí)施效果可通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真計(jì)算進(jìn)一步說(shuō)明為了得到嚴(yán)格正確的數(shù)值計(jì)算結(jié)果和盡量準(zhǔn)確的電磁仿真結(jié)果，從而進(jìn)一步證明基于兩層基板的小型化人工電磁材料構(gòu)造的可行性，本發(fā)明使用了基于有限元方法的電磁場(chǎng)仿真商業(yè)軟件HFSS對(duì)所要構(gòu)造的部分材料進(jìn)行數(shù)值全波仿真，研究得出其中一種方案的等效介電常數(shù)、磁導(dǎo)率和折射率的特性。針對(duì)實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)的材料進(jìn)行具體的計(jì)算機(jī)仿真，圖9給出其等效介電常數(shù)的特性，圖10給出其等效磁導(dǎo)率的特性，圖11給出其等效媒質(zhì)折射率的特性。從圖9可以看出，在25MHz到113. 5MHz范圍內(nèi)，本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)介電常數(shù)為負(fù)的特
性。 從圖10可以看出，在27. 5MHz到35MHz范圍內(nèi)，本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)磁導(dǎo)率為負(fù)的特性。從圖11可以看出，在27. 5MHz到35MHz范圍內(nèi)，本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)折射率為負(fù)的特性。
權(quán)利要求
1.一種基于兩層基板的小型化人工電磁材料，包括N個(gè)結(jié)構(gòu)單元，N ^ 2，每個(gè)結(jié)構(gòu)單元設(shè)有兩個(gè)介質(zhì)基板層，其特征在于，第一介質(zhì)基板層(I)的一面蝕刻矩形折線，另一面為光面，即絕緣板；第二介質(zhì)基板層(2)的一面蝕刻平面螺旋線，該螺旋中心連有圓形金屬貼片(4)，另一面蝕刻矩形折線；第一介質(zhì)基板層(I)的光面與第二介質(zhì)基板層(2)的螺旋面粘結(jié)為一體，形成一個(gè)折線一螺旋線一折線結(jié)構(gòu)的整體基板，該整體基板的兩端涂有金屬層(3)，金屬層(3)分別與第一介質(zhì)基板層(I)上的折線和第二介質(zhì)基板層(2)上的折線連接。
2.一種基于兩層基板的小型化人工電磁材料制備方法，包括如下步驟 (1)選用厚度為0.Imm Imm,介電常數(shù)e r = 2. 6±0. 05,損耗角正切tan 3 =0.015的聚四氟乙烯單面PCB覆銅板，在其覆銅箔表面蝕刻矩形折線，得到一面為折線面另一面為光面的第一介質(zhì)基板層；矩形折線的長(zhǎng)Lm=O. 99L，寬Hm=O. 99H，矩形折線的橫線線寬Lwm=L 15X 10_2L，矩形折線的豎線線寬Lwm=T. 7X 10氣，線間距Swm=7. 7 X 10氣，其中L和H分別為覆銅板的長(zhǎng)和寬； (2)選用厚度為0.Imm 1mm，介電常數(shù)e r = 2. 6±0. 05，損耗角正切tan S =.0.015的聚四氟乙烯雙面PCB覆銅板，在其一個(gè)覆銅箔表面蝕刻平面螺旋線，在另一個(gè)覆銅箔表面蝕刻矩形折線，制得一面為螺旋面另一面為折線面的第二介質(zhì)基板層；平面螺旋線的外輪廓長(zhǎng)度Lp=O. 92L，外輪廓寬度Hp=O. 92H，匝數(shù)n=13，線寬Lwp=S. IX 10氣，線間距為Swp=L 23X IO-2L,螺旋中心所連的圓形金屬貼片的半徑！■為0. 5mm 5mm ;矩形折線的長(zhǎng)Lm=O. 99L，寬Hm=O. 99H，矩形折線的橫線線寬Lwm=L 15X 10氣，矩形折線的豎線線寬Lwm=T. 7X10_3L，線間距Swm= . 7X10_3L，其中L、H分別為覆銅板的長(zhǎng)和寬； (3)將第一介質(zhì)基板層的光面與第二介質(zhì)基板層的螺旋面緊密貼合，經(jīng)絕緣粘結(jié)材料熱壓處理粘接為一體，形成折線-螺旋線折線結(jié)構(gòu)的整體基板； (4)在整體基板的兩端涂10u nTlmm厚的金屬層，再將兩端的金屬層分別與該整體基板兩面的折線連接，制得人工電磁材料結(jié)構(gòu)單元； (5)重復(fù)步驟(I) (4)，得到N個(gè)結(jié)構(gòu)單元，N彡2，將所有的結(jié)構(gòu)單元以單元整體基板的長(zhǎng)度為周期進(jìn)行平行等距排列，通過(guò)絕緣粘結(jié)材料熱壓處理粘接，制得人工電磁材料塊材。
3.一種基于兩層基板的小型化人工電磁材料，包括N個(gè)結(jié)構(gòu)單元，N ^ 2，每個(gè)結(jié)構(gòu)單元設(shè)有兩個(gè)介質(zhì)基板層，其特征在于，第一介質(zhì)基板層(I)的一面蝕刻矩形折線，另一面為光面，即絕緣板；第二介質(zhì)基板層(2)的一面蝕刻矩形折線，另一面蝕刻平面螺旋線，該螺旋中心連有圓形金屬貼片(4);第一介質(zhì)基板層(I)的光面與第二介質(zhì)基板層(2)的折線面粘接為一體，形成一個(gè)折線一折線一螺旋線結(jié)構(gòu)的整體基板，該整體基板的兩端涂有金屬層(3 )，該金屬層(3 )分別與第一介質(zhì)基板層(I)上的矩形折線和第二介質(zhì)基板層(2 )上的矩形折線連接。
4.一種基于兩層基板的小型化人工電磁材料制備方法，包括如下步驟 .1)選用厚度為0. Imm Imm,介電常數(shù)e r = 2. 6±0. 05,損耗角正切tan 3 =0.015的聚四氟乙烯單面PCB覆銅板，在其覆銅箔表面蝕刻矩形折線，制得一面為折線面另一面為光面的第一介質(zhì)基板層；矩形折線的長(zhǎng)Lm=O. 99L，寬Hm=O. 99H ;矩形折線的橫線線寬Lwm=L 15X 10氣，矩形折線的豎線線寬已=7. 7X 10氣，線間距Swm=7. 7X 10_3L，其中L、H分別為覆銅板的長(zhǎng)和寬； .2)選用厚度為0.Imm 1_，介電常數(shù)L = 2. 6±0. 05，損耗角正切tan S = 0.015的聚四氟乙烯雙面PCB覆銅板，在其一個(gè)覆銅箔表面蝕刻矩形折線，在另一個(gè)覆銅箔表面蝕刻平面螺旋線，制得一面為折線面另一面為螺旋面的第二介質(zhì)基板層；矩形折線的長(zhǎng)Lm=O. 99L，寬Hm=O. 99H，矩形折線的橫線線寬Lwm=L 15 X 10_2L，矩形折線的豎線線寬Lwm=T. 7X10_3L，線間距Swm=7. 7X10_3L ;平面螺旋線的外輪廓長(zhǎng)度Lp=O. 92L，外輪廓寬度Hp=O. 92H，匝數(shù)n=13，線寬Lwp=8. I X 10氣，線間距為Swp=L 23X 10_2L，螺旋中心所連的圓形金屬貼片的半徑r為0. 5mm 5mm,其中L、H分別為覆銅板的長(zhǎng)和寬； .3)將第一介質(zhì)基板層的光面與第二介質(zhì)基板層的折線面緊密貼合，經(jīng)絕緣粘結(jié)材料熱壓處理粘接為一體，形成折線一折線一螺旋線結(jié)構(gòu)的整體基板； .4)在整體基板的兩端涂10u nTl_厚的金屬層，再將兩端的金屬層分別與該整體基板兩面的折線連接，制得人工電磁材料結(jié)構(gòu)單元； .5)重復(fù)步驟I) 4)，得到N個(gè)結(jié)構(gòu)單元，N^ 2，將所有的結(jié)構(gòu)單元以單元整體基板的長(zhǎng)度為周期進(jìn)行平行等距排列，通過(guò)絕緣粘結(jié)材料熱壓處理粘接，制得人工電磁材料塊材。
5.一種基于兩層基板的小型化人工電磁材料，包括N個(gè)結(jié)構(gòu)單元，N ^ 2，每個(gè)結(jié)構(gòu)單元設(shè)有兩個(gè)介質(zhì)基板層，其特征在于，第一介質(zhì)基板層(I)的一面蝕刻平面螺旋線，該螺旋中心連有圓形金屬貼片(4)，另一面為光面，即絕緣板；第二介質(zhì)基板層(2)的一面蝕刻矩形折線，另一面蝕刻平面螺旋線，該螺旋中心連有圓形金屬貼片(4);第一介質(zhì)基板層(I)的光面與第二介質(zhì)基板層(2)的折線面粘接為一體，形成一個(gè)螺旋線一折線一螺旋線結(jié)構(gòu)的整體基板，該整體基板的兩端涂有金屬層(3)，金屬層(3)與第二介質(zhì)基板層(2)上的矩形折線連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于兩層基板的小型化人工電磁材料，其特征在于第二介質(zhì)基板層的螺旋線與第一介質(zhì)基板層上的螺旋線對(duì)稱放置。
7.一種基于兩層基板的小型化人工電磁材料制備方法，包括如下步驟 (A)選用厚度為0.Imm Imm,介電常數(shù)e r = 2. 6±0. 05,損耗角正切tan 3 =0.015的聚四氟乙烯單面PCB覆銅板，在其覆銅箔表面蝕刻平面螺旋線，制得一面為螺旋面另一面為光面的第一介質(zhì)基板層；平面螺旋線的外輪廓長(zhǎng)度Lp = 0. 92L，外輪廓寬度Hp=O. 92H，匝數(shù)n=13，線寬Lwp=8. I X 10氣，線間距為Swp=L 23X 10_2L，螺旋中心所連的圓形金屬貼片的半徑r為0. 5mm 5mm,其中L、H分別為覆銅板的長(zhǎng)和寬； (B)選用厚度為0.Imm 1mm，介電常數(shù)e r = 2. 6±0. 05，損耗角正切tan S =.0.015的聚四氟乙烯雙面PCB覆銅板，在其一個(gè)覆銅箔表面蝕刻矩形折線，在另一個(gè)覆銅箔表面蝕刻平面螺旋線，制得一面為折線面另一面為螺旋面的第二介質(zhì)基板層；矩形折線的長(zhǎng)Lm=O. 99L，寬Hm=O. 99H，矩形折線的橫線線寬Lwm=L 15X 10氣，矩形折線的豎線線寬Lwm=T. 7X10_3L，線間距Swm=7. 7X10_3L ;平面螺旋線的外輪廓長(zhǎng)度Lp=O. 92L，外輪廓寬度Hp=O. 92H，匝數(shù)n=13，線寬Lwp=8. I X 10氣，線間距為Swp=L 23X 10_2L，螺旋中心所連的圓形金屬貼片的半徑r為0. 5mm 5mm,其中L、H分別為覆銅板的長(zhǎng)和寬； (C)將第一介質(zhì)基板層的光面與第二介質(zhì)基板層的折線面緊密貼合，經(jīng)絕緣粘結(jié)材料熱壓處理粘接為一體，形成螺旋線一折線一螺旋線結(jié)構(gòu)的整體基板； (D)在整體基板的兩端涂10u nTlmm厚的金屬層，再將兩端的金屬層與該整體基板上的折線連接，制得人工電磁材料結(jié)構(gòu)單元； (E)重復(fù)步驟(A) (D)，得到N個(gè)結(jié)構(gòu)單元，N彡2，將所有的結(jié)構(gòu)單元以單元整體基板的長(zhǎng)度為周期進(jìn)行平行等距排列，通過(guò)絕緣粘結(jié)材料熱壓處理粘接，制得人工電磁材料塊材。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于兩層基板的小型化人工電磁材料及制備方法，主要解決目前HF、VHF和UHF頻段的人工電磁材料結(jié)構(gòu)單元尺寸過(guò)大、頻率過(guò)高、無(wú)法投入實(shí)際應(yīng)用的問(wèn)題。其實(shí)現(xiàn)步驟是首先，在兩個(gè)單面或雙面的PCB覆銅板上蝕刻矩形折線或平面螺旋線，將兩個(gè)覆銅板粘接成一個(gè)整體基板，整體基板的兩端涂金屬層，將基板上的折線分別與兩端所涂金屬層連接，得到一個(gè)結(jié)構(gòu)單元；然后，將相同的結(jié)構(gòu)單元以單元整體基板的長(zhǎng)度為周期進(jìn)行平行等距排列粘接，得到人工電磁材料塊材。本發(fā)明可在HF、VHF和UHF頻段中實(shí)現(xiàn)單負(fù)媒質(zhì)特性和負(fù)折射率特性，具有高度亞波長(zhǎng)、小型化、頻率低的優(yōu)點(diǎn)，可用于改善HF、VHF和UHF頻段的各類通訊電子系統(tǒng)的性能。
文檔編號(hào)H01Q15/00GK102751584SQ201210192548
公開(kāi)日2012年10月24日 申請(qǐng)日期2012年6月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月12日
發(fā)明者余世星, 劉海霞, 史琰, 周凱, 李龍, 翟會(huì)清, 范迎春 申請(qǐng)人:西安電子科技大學(xué)