本發(fā)明屬于電磁介質(zhì)特性研究技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種多頻段左手材料結(jié)構(gòu)諧振單元的設(shè)計(jì)，可用于實(shí)現(xiàn)左手材料在光學(xué)成像、微波器件、天線系統(tǒng)、電磁隱身等領(lǐng)域的應(yīng)用。

背景技術(shù)：

左手材料是一種新型的人工復(fù)合材料，左手材料的顯著特性就是介電常數(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)，但是仍然遵守maxwell方程組，而傳統(tǒng)介質(zhì)的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率都是正的。因?yàn)樵诮橘|(zhì)中傳播的電磁波的特征是由介電常數(shù)和磁導(dǎo)率共同決定的，于是與常規(guī)介質(zhì)不同，在左手材料中傳播的電磁波的相速度和群速度方向相反，電磁波的能量傳播方向和相速度方向相反，和之間滿足左手螺旋關(guān)系而不是右手螺旋關(guān)系，因此得名左手材料。

1968年前蘇聯(lián)科學(xué)家veselago首次提出左手材料的思想，隨后英國(guó)物理學(xué)家pendry等先后設(shè)計(jì)并提出由周期排列的細(xì)金屬棒陣列(rod)和金屬諧振環(huán)(srr)組成的人工媒質(zhì)，分別得到了微波段負(fù)介電常數(shù)與負(fù)磁導(dǎo)率的特異性材料，之后chen等研究者分別研究了將諧振環(huán)與金屬線集合于一起的”弓”型、“ω”型、“工”型結(jié)構(gòu)的左手材料。從此以后又不斷出現(xiàn)了一些新結(jié)構(gòu)包括螺旋環(huán)型結(jié)構(gòu)、樹(shù)枝型結(jié)構(gòu)、蘑菇型結(jié)構(gòu)、雙s型結(jié)構(gòu)。z型結(jié)構(gòu)、h型結(jié)構(gòu)等。這些左手材料單元結(jié)構(gòu)的普遍存在了雙負(fù)頻段個(gè)數(shù)少，最大相對(duì)帶寬窄的問(wèn)題。例如：

廈門(mén)大學(xué)在其申請(qǐng)的專利《一種雙頻段背向交叉耦合周期排列左手材料及其制備方法》(申請(qǐng)?zhí)枺?01410045559.6，公開(kāi)號(hào)：cn103746190a)中，提出了一種由形如“e”字型的三叉結(jié)構(gòu)金屬線單元組成的左手材料，通過(guò)在微波介質(zhì)材料基板兩側(cè)印制至少三個(gè)相互對(duì)稱的三叉金屬線單元可以實(shí)現(xiàn)在12ghz與17ghz附近兩個(gè)不同頻段上同時(shí)產(chǎn)生負(fù)介電常數(shù)和負(fù)磁導(dǎo)率，但是其制備方法比較麻煩，且雙負(fù)頻段僅有兩個(gè)。

田子建等人在物理學(xué)報(bào)上發(fā)表的一篇名為《基于雙∑形金屬條的雙向左手材料》一文中，提出了一種基于雙∑形金屬條的雙向型二維左手材料結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由介質(zhì)基板和兩個(gè)方向?qū)ΨQ放置在介質(zhì)基板兩側(cè)的∑形金屬條組成，在電磁波平行入射和垂直入射兩種情況下，都能夠?qū)崿F(xiàn)雙負(fù)特性，達(dá)到了在同一個(gè)材料上實(shí)現(xiàn)兩個(gè)雙負(fù)波段的目的，但是其缺點(diǎn)是兩個(gè)雙負(fù)頻段是在電磁波從不同方向入射到結(jié)構(gòu)的情況下產(chǎn)生的，實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較復(fù)雜，而且雙負(fù)頻段數(shù)量較少。

總而言之，現(xiàn)有的左手材料結(jié)構(gòu)普遍存在雙負(fù)頻段少的缺點(diǎn)，這極大的限制了左手材料結(jié)構(gòu)的應(yīng)用前景。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提出一種多頻段左手材料結(jié)構(gòu)，用于解決現(xiàn)有左手材料結(jié)構(gòu)存在的雙負(fù)頻段數(shù)目少的問(wèn)題，擴(kuò)大左手材料結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：

多頻段左手材料結(jié)構(gòu)，包括介質(zhì)基板1、第一諧振單元2和第二諧振單元3，所述第一諧振單元2印制在介質(zhì)基板1的上表面，第二諧振單元3印制在介質(zhì)基板1的下表面；

所述第一諧振單元2由“i”型金屬細(xì)帶21和兩個(gè)相同的“l(fā)”型金屬結(jié)構(gòu)22與“巾”型金屬結(jié)構(gòu)23組成，該兩個(gè)“l(fā)”型金屬結(jié)構(gòu)22位于介質(zhì)基板1上表面邊緣的一側(cè)，且形成帶切角的正方形；該“i”型金屬細(xì)帶21位于正方形切角對(duì)角線處的兩邊，且對(duì)稱分布；該兩個(gè)“巾”型金屬結(jié)構(gòu)23位于“i”型金屬細(xì)帶21的兩邊，且對(duì)稱分布，兩個(gè)“巾”型金屬結(jié)構(gòu)23的上端分別與兩個(gè)“l(fā)”型金屬結(jié)構(gòu)22的直角內(nèi)側(cè)相連接，其中間部分的下端與“i”型金屬細(xì)帶21的中心垂直相連接；

所述第二諧振單元3與第一諧振單元2結(jié)構(gòu)相同，且第二諧振單元3以其中心旋轉(zhuǎn)90°后印制在介質(zhì)基板1的下表面；

所述第一諧振單元2、第二諧振單元3和介質(zhì)基板1三者的幾何中心重合。

所述介質(zhì)基板1采用介電常數(shù)ε＝4.4的fr4材料，其長(zhǎng)度l＝7.8mm～8.2mm，寬度w＝7.8mm～8.2mm，厚度為h＝0.4mm～0.6mm。

所述第一諧振單元2和第二諧振單元3的長(zhǎng)度和寬度均為a＝7.5mm～7.7mm。

所述“l(fā)”型金屬結(jié)構(gòu)22兩端邊緣和“巾”型金屬結(jié)構(gòu)23兩邊邊緣均與“i”型金屬細(xì)帶21平行，且間距均為d＝0.1mm～0.25mm。

所述“l(fā)”型金屬結(jié)構(gòu)22的外側(cè)邊長(zhǎng)為a1＝6.9mm～7.05mm，內(nèi)側(cè)邊長(zhǎng)為a2＝5.9mm～6.05mm，寬度為w1＝0.4mm～0.6mm。

所述“巾”型金屬結(jié)構(gòu)23兩邊的長(zhǎng)度為c1＝2.5mm～2.7mm，寬度為w3＝0.3mm～0.5mm，兩邊邊長(zhǎng)之間的間距為c2＝1.9mm～2.1mm，中間的寬度為w4＝0.4mm～0.6mm。

所述“i”型金屬細(xì)帶21的長(zhǎng)度為c3＝9.8mm～10.2mm，寬度為w2＝0.4mm～0.6mm。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)：

本發(fā)明由于采用兩個(gè)“l(fā)”型金屬結(jié)構(gòu)兩端邊緣和兩個(gè)“巾”型金屬結(jié)構(gòu)兩邊的邊緣與“i”型金屬細(xì)帶平行形成開(kāi)口，使第一諧振單元結(jié)構(gòu)能產(chǎn)生一個(gè)等效的lc諧振回路；同時(shí)由于第二諧振單元與第一諧振單元結(jié)構(gòu)相同，且以其中心旋轉(zhuǎn)90°印制在介質(zhì)基板下表面，增加了整個(gè)結(jié)構(gòu)的諧振回路，克服現(xiàn)有左手材料結(jié)構(gòu)存在的雙負(fù)頻段數(shù)目少的技術(shù)問(wèn)題，增加雙負(fù)頻段數(shù)目。

實(shí)驗(yàn)表明，本發(fā)明在在2.7～4ghz、6.5～6.7ghz、10.1～10.7ghz三個(gè)頻段同時(shí)具有負(fù)的等效磁導(dǎo)率和負(fù)的等效介電常數(shù)，三個(gè)雙負(fù)頻段內(nèi)的最大相對(duì)帶寬達(dá)到38.8％，極大的提高了左手材料的帶寬性能。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明中的第一諧振單元和第二諧振單元結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明的仿真示意圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例1的s參數(shù)仿真結(jié)果圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例1的等效電磁參數(shù)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述：

實(shí)施例1：

參照?qǐng)D1和圖2，本發(fā)明包括介質(zhì)基板1、第一諧振單元2和第二諧振單元3。其中第一諧振單元2印制在介質(zhì)基板1的上表面，第二諧振單元3與第一諧振單元2結(jié)構(gòu)相同，且第二諧振單元3以其中心旋轉(zhuǎn)90°印制在介質(zhì)基板1的下表面以增加左手材料的諧振回路。該第一諧振單元2、第二諧振單元3和介質(zhì)基板1三者的幾何中心重合。

所述第一諧振單元2和第二諧振單元3均由“i”型金屬細(xì)帶21和兩個(gè)相同的“l(fā)”型金屬結(jié)構(gòu)22與“巾”型金屬結(jié)構(gòu)23組成，如圖2所示。

兩個(gè)“l(fā)”型金屬結(jié)構(gòu)22位于介質(zhì)基板1上表面邊緣的一側(cè)，且形成帶切角的正方形；“i”型金屬細(xì)帶21位于正方形切角對(duì)角線處的兩邊，且對(duì)稱分布；兩個(gè)“巾”型金屬結(jié)構(gòu)23位于“i”型金屬細(xì)帶21的兩邊，且對(duì)稱分布，兩個(gè)“巾”型金屬結(jié)構(gòu)23的上端分別與兩個(gè)“l(fā)”型金屬結(jié)構(gòu)22的直角內(nèi)側(cè)相連接，其中間部分的下端與“i”型金屬細(xì)帶21的中心垂直相連接。

為產(chǎn)生等效電容c，使諧振單元產(chǎn)生等效lc諧振回路，兩個(gè)“l(fā)”型金屬結(jié)構(gòu)22兩端邊緣和兩個(gè)“巾”型金屬結(jié)構(gòu)23兩邊邊緣均與“i”型金屬細(xì)帶21平行形成開(kāi)口，其間距為d，其中d＝0.15mm。

第一諧振單元2和第二諧振單元3的長(zhǎng)度和寬度均為a＝7.6mm。

“l(fā)”型金屬結(jié)構(gòu)22外側(cè)邊長(zhǎng)為a1＝7mm；內(nèi)側(cè)邊長(zhǎng)為a2＝6mm；寬度為w1＝0.5mm。

“巾”型金屬結(jié)構(gòu)23兩邊的長(zhǎng)度為c1＝2.6mm；兩邊邊長(zhǎng)之間的間距為c2＝2mm；兩邊的寬度為w3＝0.4mm，中間的寬度為w4＝0.5mm。

“i”型金屬細(xì)帶21長(zhǎng)度為c3＝10mm，寬度為w2＝0.5mm。

所述介質(zhì)基板1采用介電常數(shù)ε＝4.4的fr4材料，其長(zhǎng)度為l＝8mm，寬度為w＝8mm，厚度為h＝0.5mm。

實(shí)施例2：

本實(shí)施例與實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)相同，僅對(duì)如下參數(shù)作出調(diào)整：

“l(fā)”型金屬結(jié)構(gòu)22兩端邊緣和“巾”型金屬結(jié)構(gòu)23兩邊邊緣與“i”型金屬細(xì)帶21的間距為d＝0.25mm，“l(fā)”型金屬結(jié)構(gòu)22外側(cè)邊長(zhǎng)為a2＝6.9mm；內(nèi)側(cè)邊長(zhǎng)為a3＝5.9mm，寬度為w1＝0.4mm；“巾”型金屬結(jié)構(gòu)23兩邊的長(zhǎng)度為c1＝2.5mm；兩邊的寬度為w3＝0.5mm，中間的寬度為w4＝0.4mm；“i”型金屬細(xì)帶21長(zhǎng)度為c3＝9.8mm，寬度為w2＝0.4mm。

實(shí)施例3：

本實(shí)施例與實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)相同，僅對(duì)如下參數(shù)作出調(diào)整：

介質(zhì)基板1的長(zhǎng)度為l＝8.4mm，寬度w＝8.4mm，第一諧振單元2和第二諧振單元3的長(zhǎng)度和寬度均為a＝7.7mm，“l(fā)”型金屬結(jié)構(gòu)22寬度為w1＝0.45mm。

以下結(jié)合仿真試驗(yàn)，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)效果作進(jìn)一步說(shuō)明：

1.仿真模型：

參照?qǐng)D3，在商業(yè)仿真軟件hfss_16.0中對(duì)實(shí)施例1中的左手材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，在該左手材料結(jié)構(gòu)的四周設(shè)置理想電磁邊界，其中上下邊界設(shè)置為理想電邊界pec，前后邊界設(shè)置為理想磁邊界pmc，電磁波垂直于左手材料結(jié)構(gòu)從port端口入射。

2.仿真內(nèi)容：

2.1利用商業(yè)仿真軟件hfss_16.0對(duì)上述的仿真模型進(jìn)行電磁仿真，得到s參數(shù)結(jié)果如圖4。

2.2利用商業(yè)數(shù)學(xué)軟件matlab_2014對(duì)得到的s參數(shù)進(jìn)行反演計(jì)算，得到等效電磁參數(shù)結(jié)果如圖5。

3.仿真結(jié)果：

從圖4中可以看出，實(shí)線為s11隨頻率變化曲線，虛線為s21隨頻率變化曲線，橫坐標(biāo)為仿真過(guò)程中設(shè)置的頻率范圍，單位為ghz，縱坐標(biāo)為仿真得到的s參數(shù)值，單位為db。從圖4中可以看出實(shí)施例1中的左手材料結(jié)構(gòu)在2.8ghz、6.6ghz、10.5ghz附近為通帶，且s11和s21在2.8ghz、6.6ghz、10.5ghz均發(fā)生一定的突變，并且突變較為明顯，結(jié)果表明，實(shí)施例1中的左手材料結(jié)構(gòu)在這些頻點(diǎn)附近存在雙負(fù)頻段。

從圖5中可以看出，橫坐標(biāo)為仿真過(guò)程中設(shè)置的頻率范圍，單位為ghz，縱坐標(biāo)為等效電磁參數(shù)值，實(shí)線為等效介電常數(shù)實(shí)部隨頻率變化曲線，虛線為等效磁導(dǎo)率實(shí)部隨頻率變化曲線。實(shí)施例1中的左手材料結(jié)構(gòu)在2.7～4ghz、6.5～6.7ghz、10.1～10.7ghz三個(gè)頻段內(nèi)具有負(fù)的等效磁導(dǎo)率，在1～13ghz內(nèi)具有負(fù)的等效介電常數(shù)，結(jié)果表明，實(shí)施例1中的左手材料結(jié)構(gòu)在2.7～4ghz、6.5～6.7ghz、10.1～10.7ghz為雙負(fù)頻段，得到一個(gè)三頻段的左手材料結(jié)構(gòu)，且最高相對(duì)帶寬達(dá)到38.8％。

以上仿真結(jié)果說(shuō)明，本發(fā)明在三個(gè)頻段內(nèi)產(chǎn)生了雙負(fù)特性，增加了左手材料結(jié)構(gòu)雙負(fù)頻段的頻段數(shù)目，且一定程度提高了最大相對(duì)帶寬。

以上描述僅是本發(fā)明的三個(gè)實(shí)施例，不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的任何限制，顯然對(duì)于本領(lǐng)域的專業(yè)人員來(lái)說(shuō)，在了解了本發(fā)明內(nèi)容和原理后，都可能在不背離本發(fā)明原理、結(jié)構(gòu)的情況下，進(jìn)行形式和細(xì)節(jié)上的各種修正和改變，但是這些基于本發(fā)明思想的修正和改變?nèi)栽诒景l(fā)明的權(quán)利要求和保護(hù)范圍之內(nèi)。