基于雙十字架型的寬帶低耗小單元左手材料的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種基于雙十字架型的寬帶低耗小單元左手材料。本實(shí)用新型包括兩個(gè)十字架型金屬線結(jié)構(gòu)，且由兩個(gè)十字架型金屬線結(jié)構(gòu)鏡像并列放置在介質(zhì)基板的同一側(cè)組成；十字架型金屬線結(jié)構(gòu)由短橫直線和長(zhǎng)豎直線構(gòu)成，十字架型金屬線的短橫直線長(zhǎng)度a為1.0～5.0mm，長(zhǎng)豎直線的長(zhǎng)度b為2.0～6.0mm,長(zhǎng)豎直線的線寬的取值范圍為0.1～0.25mm；雙十字架型金屬線結(jié)構(gòu)單元陣列中長(zhǎng)豎直線之間的橫向間距g為0.1～0.25mm，短橫直線之間的縱向間距k為2.5～6.0mm。本實(shí)用新型加工簡(jiǎn)單；雙十字架結(jié)構(gòu)的高度耦合性使其在傳輸損耗、單元電長(zhǎng)度都很小的情況下，帶寬達(dá)到50%以上，拓寬了左手材料的應(yīng)用領(lǐng)域。
【專利說(shuō)明】基于雙十字架型的寬帶低耗小單元左手材料
[0001]

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本實(shí)用新型涉及一種基于雙十字架型的寬帶低耗小單元左手材料，屬于電磁介質(zhì)特性研究領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0003]Veselago在1968年提出了左手材料的概念，并指出其介電常數(shù)和磁導(dǎo)率在一定電磁波頻段內(nèi)同時(shí)為負(fù)，且具有諸如負(fù)折射現(xiàn)象、完美透鏡效應(yīng)、逆Doppler效應(yīng)等很多奇異的電磁特性(V.G.Veselag0.The Electrodynamics of Substances withSimultanesously Negtive Value[J].Soviet Physics.1968, 10:509-514)。正是由于這些特殊的電磁特性，才使得左手材料在光學(xué)成像、天線系統(tǒng)、微波器件以及電磁隱身等領(lǐng)域具有廣泛且重要的應(yīng)用。然而這一理論直到三十年后才由Smith通過金屬導(dǎo)線和開口諧振環(huán)結(jié)合體的形式首次實(shí)(D.R.Smith ff.J.Padilla, D.C.Vier, et al.Composite mediumwith simultaneously negative permeability and permittivity, Phys.Rev.Lett.2000.84:4184-4187.)。自此以后，左手材料的研究走上了飛速發(fā)展得快車道。
[0004]在近十幾年的時(shí)間里，左手材料得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，各種不同設(shè)計(jì)類型不斷地被提出。大體上，這些結(jié)構(gòu)可根據(jù)電磁波的入射方向分為兩種類型:一種是電磁波平行入射介質(zhì)基板形式，如H形結(jié)構(gòu)、對(duì)稱環(huán)結(jié)構(gòu)、“巨”字形結(jié)構(gòu)、歐米伽結(jié)構(gòu)等；另一種是電磁波平行入射介質(zhì)基板形式，如金屬線對(duì)結(jié)構(gòu)、漁網(wǎng)結(jié)構(gòu)、網(wǎng)格形結(jié)構(gòu)等。但是垂直入射結(jié)構(gòu)相對(duì)于平行入射有著明顯的缺點(diǎn)，例如容易導(dǎo)致屏蔽效應(yīng)(screening effects),吸收損耗(absorpt1n loss)較大等。而這些缺點(diǎn)都是實(shí)用環(huán)境所盡量避免的.在平行入射結(jié)構(gòu)中，又可按結(jié)構(gòu)類型分為單面和雙面兩種。雙面結(jié)構(gòu)由于要在介質(zhì)基板的兩側(cè)都進(jìn)行結(jié)構(gòu)蝕亥IJ，增加了制作的難度，同時(shí)損耗也普遍偏大，也不是實(shí)用結(jié)構(gòu)的首選。所以，現(xiàn)階段單面平行入射的左手材料結(jié)構(gòu)是研究的主要方向。目前已經(jīng)出現(xiàn)了多種單面結(jié)構(gòu)，如Nasrin的十字金屬線對(duì)結(jié)構(gòu)的左手材料，陳春暉的磁諧振器與共面短金屬導(dǎo)線相結(jié)合的左手材料，楊晨的十字環(huán)形結(jié)構(gòu)以及孫永志的雙S型結(jié)構(gòu)等。而這些結(jié)構(gòu)普遍存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜、帶寬窄、損耗大以及體積大等一系列問題，嚴(yán)重限制了左手材料的應(yīng)用和發(fā)展。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本實(shí)用新型的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于雙十字架型的寬帶低耗小單元左手材料。
[0006]本實(shí)用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案如下:
[0007]本實(shí)用新型包括兩個(gè)十字架型金屬線結(jié)構(gòu)，且兩個(gè)十字架型金屬線結(jié)構(gòu)鏡像并列放置在介質(zhì)基板的同一側(cè)組成雙十字架型金屬線結(jié)構(gòu)單元陣列；
[0008]所述的十字架型金屬線結(jié)構(gòu)由短橫直線和長(zhǎng)豎直線構(gòu)成，十字架型金屬線的短橫直線長(zhǎng)度為a，a的取值范圍為1.0?5.0_，十字架型金屬線的長(zhǎng)豎直線的長(zhǎng)度為b，b的取值范圍為2.0?6.0mm,十字架型金屬線的長(zhǎng)豎直線的線寬為w，w的取值范圍為0.1?0.25mm ;雙十字架型金屬線結(jié)構(gòu)單元陣列中長(zhǎng)豎直線之間的橫向間距為g，g的取值范圍為
0.1?0.25mm，雙十字架型金屬線結(jié)構(gòu)單元陣列中短橫直線之間的縱向間距為k，k的取值范圍為2.5?6.0mm ;雙十字架型金屬線結(jié)構(gòu)單元陣列中長(zhǎng)豎直線兩端距上下邊界的距離為d, d的取值范圍為O?0.2mm。
[0009]所述的雙十字架型金屬線結(jié)構(gòu)單元陣列的單元間隔為c，c的取值為0.1?0.5mm ;所述的單元間隔為兩個(gè)雙十字架型金屬線結(jié)構(gòu)單元陣列中，同一水平線上十字架型金屬線短橫直線之間的距離；
[0010]所述的雙十字架型金屬線結(jié)構(gòu)單元陣列中金屬線的電諧振和磁諧振位于同一頻段，從而實(shí)現(xiàn)左手特性。
[0011]所述的雙十字架型金屬線結(jié)構(gòu)單元陣列刻蝕在介質(zhì)基板上；所述的介質(zhì)基板為介電常數(shù)4.4的環(huán)氧樹脂PCB基板；在刻蝕過程中，若使用單層單面覆銅PCB基板刻蝕，則能制備單層雙十字架型左手材料；；若將多片單層的雙十字架型左手材料按等間距1.0?1mm排列，即得到塊狀左手材料。
[0012]本實(shí)用新型有益效果如下:
[0013]本實(shí)用新型中左手材料的單元僅為單一的雙十字架型的金屬線結(jié)構(gòu)，因而加工工藝十分簡(jiǎn)單；雙十字架結(jié)構(gòu)的高度耦合性使其在傳輸損耗、單元電長(zhǎng)度都很小的情況下，帶寬達(dá)到50%以上，大大拓寬了左手材料的應(yīng)用領(lǐng)域。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1:雙十字架型左手材料的結(jié)構(gòu)單元；
[0015]圖2:實(shí)施例一雙十字架型左手材料的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016]圖3 (a):實(shí)施例一雙十字架型左手材料的仿真S參數(shù)曲線；
[0017]圖3 (b):實(shí)施例一雙十字架型左手材料的仿真S參數(shù)曲線；
[0018]圖4 (a):通過參數(shù)提取方法提取的實(shí)例一的等效媒質(zhì)參數(shù)圖；
[0019]圖4 (b):通過參數(shù)提取方法提取的實(shí)例一的等效媒質(zhì)參數(shù)圖；
[0020]圖4 (c):通過參數(shù)提取方法提取的實(shí)例一的等效媒質(zhì)參數(shù)圖；
[0021]圖5:實(shí)施例二雙十字架型左手材料的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖6:實(shí)施例三雙十字架型左手材料的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖7:實(shí)施例四的樣品圖；
[0024]圖8:實(shí)施例四的測(cè)試結(jié)果與實(shí)施例一的仿真結(jié)果對(duì)比圖。

【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步說(shuō)明。
[0026]如圖1和圖2所示，基于雙十字架型的寬帶低耗小單元左手材料，包括兩個(gè)十字架型金屬線結(jié)構(gòu)，且兩個(gè)十字架型金屬線結(jié)構(gòu)鏡像并列放置在介質(zhì)基板的同一側(cè)組成雙十字架型金屬線結(jié)構(gòu)單元陣列；
[0027]所述的十字架型金屬線結(jié)構(gòu)由短橫直線和長(zhǎng)豎直線構(gòu)成，十字架型金屬線的短橫直線長(zhǎng)度為a，a的取值范圍為1.0?5.0_，十字架型金屬線的長(zhǎng)豎直線的長(zhǎng)度為b，b的取值范圍為2.0?6.0mm,十字架型金屬線的長(zhǎng)豎直線的線寬為w，w的取值范圍為0.1?0.25mm ;雙十字架型金屬線結(jié)構(gòu)單元陣列中長(zhǎng)豎直線之間的橫向間距為g，g的取值范圍為
0.1?0.25mm，雙十字架型金屬線結(jié)構(gòu)單元陣列中短橫直線之間的縱向間距為k，k的取值范圍為2.5?6.0mm ;雙十字架型金屬線結(jié)構(gòu)單元陣列中長(zhǎng)豎直線兩端距上下邊界的距離為d, d的取值范圍為O?0.2mm。
[0028]所述的雙十字架型金屬線結(jié)構(gòu)單元陣列的單元間隔為c，c的取值為0.1?0.5mm ;所述的單元間隔為兩個(gè)雙十字架型金屬線結(jié)構(gòu)單元陣列中，同一水平線上十字架型金屬線短橫直線之間的距離；
[0029]所述的雙十字架型金屬線結(jié)構(gòu)單元陣列中金屬線的電諧振和磁諧振位于同一頻段，從而實(shí)現(xiàn)左手特性。
[0030]所述的雙十字架型金屬線結(jié)構(gòu)單元陣列通過電路板刻蝕技術(shù)刻蝕在介質(zhì)基板上；所述的介質(zhì)基板為介電常數(shù)4.4的環(huán)氧樹脂PCB基板；在刻蝕過程中，若使用單層單面覆銅PCB基板刻蝕，則能制備單層雙十字架型左手材料；若將多片單層的雙十字架型左手材料按等間距1.0?1mm排列，即得到塊狀左手材料。
[0031]實(shí)施例一:
[0032]采用電路板刻蝕技術(shù)，在厚度為0.5mm的環(huán)氧樹脂PCB基板某一面上刻蝕出雙十字架型金屬線結(jié)構(gòu)單元陣列，單元間距c=0.15mm。雙十字架金屬線短橫直線的長(zhǎng)度a= 1.4mm,長(zhǎng)豎直線的長(zhǎng)度b=2.8mm,直線的線寬w=0.12mm,兩十字架型金屬線之間的橫向間距g=0.18mm，縱向間距k=2.6mm，金屬線結(jié)構(gòu)距上下邊界的距離d=0.1mm。將刻蝕后的PCB板切成大小為10.08mmX6.35mm，制得單層雙十字架型左手材料如附圖2所示。
[0033]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。仿真S參數(shù)如附圖3(a)、3 (b)、3 (c)所示，附圖3 (a)為Sn、S21的幅值曲線圖，從中可以看出在9.4?16GHz上出現(xiàn)了一個(gè)通帶，且在通帶內(nèi)S21的幅度大于-0.6dB，這說(shuō)明平均每個(gè)結(jié)構(gòu)單元的傳輸損耗小于0.15dB。附圖3 (b)為Sn、S21的相位曲線圖。通過參數(shù)提取方法提取的等效媒質(zhì)參數(shù)如附圖4所示。附圖4 (a)表明實(shí)施例結(jié)構(gòu)在9.4?16GHz的頻段上具有負(fù)的介電常數(shù)。附圖4 (b)表明實(shí)施例結(jié)構(gòu)在9.4?16GHz的頻段上具有負(fù)的磁導(dǎo)率。附圖4 (c)表明實(shí)施例結(jié)構(gòu)在9.4?16GHz的頻段上具有負(fù)的等效折射率。因此實(shí)施例結(jié)構(gòu)在9.4?16GHz的頻段上實(shí)現(xiàn)左手特性，左手特性的頻帶相對(duì)帶寬達(dá)到52%，平均單元傳輸損耗小于
0.15dB。中心頻率的電長(zhǎng)度0.06。實(shí)現(xiàn)寬帶低耗小單元的左手材料。
[0034]實(shí)施例二:
[0035]采用電路板刻蝕技術(shù)，在厚度為0.7mm的環(huán)氧樹脂PCB基板某一面上刻蝕出雙十字架型金屬線結(jié)構(gòu)單元陣列，單元間距c=0.25mm。雙十字架金屬線短橫直線的長(zhǎng)度a=2.3mm,長(zhǎng)豎直線的長(zhǎng)度b=3.1mm,直線的線寬w=0.15mm,兩十字架型金屬線之間的橫向間距g=0.15mm,縱向間距k=3.8mm,金屬線結(jié)構(gòu)距上下邊界的距離d=0.05mm。將刻蝕后的PCB板切成大小為16.95mmX8.24mm，制得單層雙十字架型左手材料如附圖5所示。
[0036]實(shí)施例三:
[0037]采用電路板刻蝕技術(shù)，在厚度為1.0mm的環(huán)氧樹脂PCB基板某一面上刻蝕出雙十字架型金屬線結(jié)構(gòu)單元陣列，單元間距c=0.3mm。雙十字架金屬線短橫直線的長(zhǎng)度a=4.0mm,長(zhǎng)豎直線的長(zhǎng)度b=5.5mm,直線的線寬w=0.2mm,兩十字架型金屬線之間的橫向間距g=0.1mm,縱向間距k=4.6mm,金屬線結(jié)構(gòu)距上下邊界的距離d=0mm。將刻蝕后的PCB板切成大小為7.19mmX 17.2mm，制得單層雙十字架型左手材料如附圖6所示。
[0038]實(shí)施例四:
[0039]由實(shí)施例一制得單層雙十字架型左手材料,將15塊單層左手材料以1.524mm為周期排列成一個(gè)22.86mmX 10.08mmX 6.35mm的左手材料塊。將其放在BJ100波導(dǎo)里，利用波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)接頭鏈接矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀與波導(dǎo)，S參數(shù)由安捷倫的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀N520C測(cè)得，樣品如附圖7所示。測(cè)試結(jié)果與實(shí)施例一的仿真結(jié)果對(duì)比如附圖8所示(必須指出的是，標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)BJ100的工作頻率范圍是8?12GHz，所以測(cè)試的結(jié)果只放置了該頻段內(nèi)的結(jié)果，但這并不影響實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。通過對(duì)比我們發(fā)現(xiàn)測(cè)試出來(lái)的通帶壁仿真結(jié)果向上平移了一點(diǎn)，這是由于加工和制作誤差、片與片之間的填充物EVA海綿的介電常數(shù)不等于空氣的介電常數(shù)以及單元結(jié)構(gòu)沒有很好的接觸波導(dǎo)壁等因素導(dǎo)致的)。
[0040]以上所述，僅為本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施例而已，當(dāng)不能以此限定本實(shí)用新型實(shí)施的范圍，即大凡依本實(shí)用新型權(quán)利要求及發(fā)明說(shuō)明書內(nèi)容所做的簡(jiǎn)單的等效變化與修飾，皆應(yīng)仍屬本實(shí)用新型專利覆蓋的范圍。
【權(quán)利要求】
1.基于雙十字架型的寬帶低耗小單元左手材料，其特征在于包括兩個(gè)十字架型金屬線結(jié)構(gòu)，且兩個(gè)十字架型金屬線結(jié)構(gòu)鏡像并列放置在介質(zhì)基板的同一側(cè)組成雙十字架型金屬線結(jié)構(gòu)單元陣列。
2.如權(quán)利要求1所述的基于雙十字架型的寬帶低耗小單元左手材料，其特征在于所述的十字架型金屬線結(jié)構(gòu)由短橫直線和長(zhǎng)豎直線構(gòu)成，十字架型金屬線的短橫直線長(zhǎng)度為a，a的取值范圍為1.0?5.0mm,十字架型金屬線的長(zhǎng)豎直線的長(zhǎng)度為b，b的取值范圍為2.0?6.0mm,十字架型金屬線的長(zhǎng)豎直線的線寬為w，w的取值范圍為0.1?0.25mm ；雙十字架型金屬線結(jié)構(gòu)單元陣列中長(zhǎng)豎直線之間的橫向間距為g，g的取值范圍為0.1?0.25mm，雙十字架型金屬線結(jié)構(gòu)單元陣列中短橫直線之間的縱向間距為k，k的取值范圍為2.5?6.0mm ;雙十字架型金屬線結(jié)構(gòu)單元陣列中長(zhǎng)豎直線兩端距上下邊界的距離為d，d的取值范圍為O?0.2mm。
3.如權(quán)利要求1所述的基于雙十字架型的寬帶低耗小單元左手材料，其特征在于所述的雙十字架型金屬線結(jié)構(gòu)單元陣列的單元間隔為c，c的取值為0.1?0.5mm ;所述的單元間隔為兩個(gè)雙十字架型金屬線結(jié)構(gòu)單元陣列中，同一水平線上十字架型金屬線短橫直線之間的距離。
4.如權(quán)利要求1所述的基于雙十字架型的寬帶低耗小單元左手材料，其特征在于所述的雙十字架型金屬線結(jié)構(gòu)單元陣列中金屬線的電諧振和磁諧振位于同一頻段。
5.如權(quán)利要求1所述的基于雙十字架型的寬帶低耗小單元左手材料，其特征在于所述的雙十字架型金屬線結(jié)構(gòu)單元陣列刻蝕在介質(zhì)基板上；所述的介質(zhì)基板為介電常數(shù)4.4的環(huán)氧樹脂PCB基板。
【文檔編號(hào)】H01Q15/00GK203983501SQ201420380521
【公開日】2014年12月3日 申請(qǐng)日期:2014年7月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月10日
【發(fā)明者】耿友林, 董懷景 申請(qǐng)人:杭州電子科技大學(xué)