CN104218325A - 一种等效介电常数和磁导率近零的人工电磁材料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种等效介电常数和磁导率近零的人工电磁材料，包括介质基板5，介质基板5采用双面覆铜，介质基板5的上表面蚀刻渔网形金属栅格1；介质基板5下表面蚀刻渔网形金属栅格2，在金属栅格2的每个空白中心处蚀刻金属贴片单元3；介质基板5的四周排列有金属薄层围栏4，金属薄层围栏4与渔网形金属栅格1和渔网形金属栅格2相连接。本发明在同一微波频率实现相对介电常数和磁导率近零，改变金属贴片单元3的形状，可调控相对介电常数和磁导率近零的频点，用于构建波导耦合器、增强天线辐射的方向性与波前整形等领域。
Description
技术领域
本发明属于电子技术领域，更进一步涉及电磁材料技术领域中的一种等效介电常数和磁导率近零的人工电磁材料。本发明可在同一微波频率实现相对介电常数和磁导率近零，用于构建波导耦合器、增强天线辐射的方向性与波前整形等领域。
背景技术
电磁超材料(Metamaterials)也叫新型人工电磁媒质，是指在自然界中本身并不存在，而是根据电磁学理论人工设计所构造出来的，具有非常规电磁的人造媒质或结构。超材料因其所具有的奇异特性已被广泛应用于高方向性天线、隐身技术、雷达以及微波毫米波器件设计等诸多领域。同时，对超材料的研究也涵盖了材料科学与工程、微波天线理论、电磁理论以及先进测量等一系列学科。
零折射率材料是相对折射率为零或近似为零的一种新型人工电磁材料，电磁波在零折射率材料中传播时会表现出许多独特的现象，如相位变化为零、超耦合效应与电磁隧穿等，这对于构建波导耦合器、增强天线辐射的方向性与波前整形等有广阔的应用前景。
天线的覆层是通过在天线上方放置人工电磁材料或结构以达到提高原始天线增益的目的。近零折射率材料因其对电磁波具有波前整形的作用，将其作为天线的覆层，能有效调控天线的口径场分布，实现近似平面波的出射场，能够有效压缩天线的辐射波瓣，汇聚天线的辐射功率，从而提高天线的增益。研究表明，电近零折射率材料作为天线的覆层，只能有效压缩电场所在平面(E面)的辐射波瓣宽度；而磁近零折射率材料作为天线的覆层，只能有效压缩磁场所在平面(H面)的辐射波瓣宽度，两者均不能达到最佳的增益提高效果。
四川大学拥有的专利技术“零折射率透镜及其构成的微波功率合成***”(申请号：201210073795，授权公布号：102593605B)中公开了一种零折射率透镜以及由该零折射率透镜构成的微波功率合成***。该***包括零折射率透镜和至少2个微波辐射天线，微波辐射天线通过所述零折射率透镜向同一方向发射微波。虽然该微波功率合成***具有***结构简单，配置灵活，***成本低的优点。但是，该***仍然存在的不足之处有两点，第一，该***的零折射率透镜厚度为半工作波长的整数倍，***的整体剖面比较大，不利于***的实际应用。第二，该微波功率合成***不能同时压缩微波辐射天线方向图的E面和H面，对原天线增益提高有限。
江苏大学拥有的专利技术“一种同时具有近零折射率效应和左手效应的矩形框分形天线”(申请号：201320514042.8，授权公告号：203617428U)中公开了一种同时具有近零折射率效应和左手效应的矩形框分形天线。该矩形框分形天线包括三层介质基板、金属接地板、矩形框分形金属辐射贴片、微带馈线、矩形金属谐振环。该复合结构的介质基板有三层，第一、三层相对介电常数为10，第二层相对介电常数为2.2。激励源采用Gaussian离散源，通过微带馈线给贴片天线馈电。虽然该天线的电磁能量的局域化程度有了明显的提高，对波束产生汇聚作用，导致天线增益明显增大，并表现为较低的回波损耗。但是，该矩形框分形天线有两点不足之处，第一，该天线采用3层基板，各层的拓扑结构比较复杂，对加工工艺的要求较高，并且其厚度是原贴片天线的3倍，丧失了贴片天线低剖面的优点。第二，该天线不能同时压缩原贴片天线方向图的E面和H面，对原贴片天线增益提高有限。
综上所述，目前人工电磁材料面临着三个问题，
其一，现有介电常数近零的人工电磁材料只对天线的E面电场起波前整形作用，现有磁导率近零的人工电磁材料只对天线的H面磁场起波前整形作用，对天线增益的改善有限。
其二，现有人工电磁材料相对磁导率与相对介电常数不在同一频点近零，不能同时对天线的E面和H面辐射方向图波瓣进行压缩，对改善天线的方向性系数有限。
其三，现有人工电磁材料的结构拓扑复杂，使相对介电常数和磁导率同频近零的人工电磁材料设计难度高、工程实现性差。
发明内容
本发明针对上述现有技术的人工电磁材料面临的不足，提供一种相对介电常数和磁导率近零的人工电磁材料，使得人工电磁材料同时压缩天线E面和H面方向图，并且满足天线覆层波阻抗与自由空间波阻抗匹配条件。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下。
本发明包括介质基板，介质基板采用双面覆铜，介质基板的上表面蚀刻渔网形金属栅格；介质基板下表面蚀刻渔网形金属栅格，在金属栅格的每个空白中心处蚀刻金属贴片单元；介质基板的四周排列有金属薄层围栏，金属薄层围栏与上下表面的渔网形金属栅格相连接。
发明与现有技术相比具有以下优点：
第一，本发明在介质基板上表面刻蚀渔网形金属栅格，在介质基板下表面刻蚀渔网形金属栅格和金属贴片，使得人工电磁材料具有相对介电常数和磁导率近零的特点，克服了现有技术存在的仅介电常数近零的天线覆层只对天线的E面电场起波前整形作用，以及仅磁导率近零的天线覆层只对天线的H面磁场起波前整形作用的缺点，使得本发明具有了同时压缩天线E面和H面辐射方向图主波瓣的优点，有效增加了天线的增益。
第二，本发明通过下表面刻蚀渔网形金属栅格和金属贴片的结构，克服了现有技术存在的人工电磁材料相对磁导率与相对介电常数不在同一频点近零的缺点，使本发明具有与自由空间阻抗匹配和反射较小优点，有效降低了覆层天线的后瓣和剖面。
第三，本发明通过改变下表面多边形金属贴片的形状和尺寸，克服了现有技术存在的人工电磁材料相对磁导率与相对介电常数近零频点固定的缺点，使本发明具有调控相对介电常数和相对磁导率近零频点的优点。
第三，本发明中的人工电磁材料采用双面覆铜的介质基板制成，克服了现有覆层拓扑结构复杂，使覆层设计难度高、工程实现性差的缺点，使得本发明具有设计简单，易于加工的优点。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明上表面渔网形金属栅格单元示意图；
图3为本发明下表面渔网形金属栅格单元和金属贴片单元示意图；
图4为本发明实施例1的相对介电常数实部和虚部随频率变化曲线图；
图5为本发明实施例1的相对磁导率实部和虚部随频率变化曲线图；
图6为本发明实施例1的折射率实部和虚部随频率变化曲线图；
图7为本发明实施例1放置在贴片天线上方示意图；
图8为本发明实施例1对贴片天线E面的压缩方向图与贴片天线E面方向图的对比图；
图9为本发明实施例1对贴片天线H面的压缩方向图与贴片天线H面方向图的对比图。
图10为本发明实施例2的结构示意图；
图11为本发明实施例2的相对介电常数实部和虚部随频率变化曲线图；
图12为本发明实施例2的相对磁导率实部和虚部随频率变化曲线图；
图13为本发明实施例2的折射率实部和虚部随频率变化曲线图；
图14为本发明实施例3的结构示意图；
图15为本发明实施例3的相对介电常数实部和虚部随频率变化曲线图；
图16为本发明实施例3的相对磁导率实部和虚部随频率变化曲线图；
图17为本发明实施例3的折射率实部和虚部随频率变化曲线图。
具体实现方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
参照附图1、附图2和附图3，本发明的结构如下。
本发明包括介质基板5，介质基板5采用双面覆铜，介质基板5的上表面蚀刻渔网形金属栅格1。介质基板5下表面蚀刻渔网形金属栅格2，在金属栅格2的每个空白中心处蚀刻金属贴片单元3。介质基板5的四周排列有金属薄层围栏4，金属薄层围栏4与渔网形金属栅格1和渔网形金属栅格2相连接。
介质基板5的相对介电常数介于2～10之间，厚度为0.5mm～3mm。
介质基板5的上表面渔网形金属栅格1由N1个金属栅格单元6两两间隔5mm～20mm排列组成，其中N1为正整数，2≤N1≤128，每个金属栅格单元6中栅格的宽度为0.1mm～1mm。
介质基板5的下表面渔网形金属栅格2由N2个金属栅格单元7两两间隔3mm～8mm排列组成，其中N2为正整数，2≤N2≤512，每个金属栅格单元7中栅格的宽度为0.1mm～1mm。
金属贴片单元3的形状为多边形或圆形。
金属薄层围栏4的厚度t为0.01mm～1mm，高度l为3mm～6mm。
本发明的实施例1是为了能够获得在10.8GHz频率附近相对介电常数和磁导率近零时所采用的各结构尺寸如下：
本发明实施例1的介质基板5相对介电常数为2.65，介电损耗为0.0015，厚度为1mm。人工电磁材料上表面金属栅格1由25个金属栅格单元6两两间隔12mm排列组成，每个金属栅格单元6的栅格宽度为0.3mm，下表面金属栅格2由100个金属栅格单元7两两间隔6mm排列组成，每个金属栅格单元7的栅格宽度为0.3mm，方形金属贴片单元3的边长为4.2mm，每两个方形金属贴片单元3的间隔为6mm。金属薄层围栏4的厚度t为0.01mm，高度l为4mm。
图4为本发明实施例1的相对介电常数实部和虚部随频率变化曲线图。实施例1的相对介电常数实部和虚部随频率变化曲线图由Matlab计算得到，横坐标为频率，纵坐标为相对介电常数实部和虚部。实线为相对介电常数实部随频率变化曲线，虚线为相对介电常数虚部随频率变化曲线。从实施例1的相对介电常数实部和虚部随频率变化曲线图可以看出，实施例1在10.8GHz频率附近可实现相对介电常数实部和虚部近零。
图5为本发明实施例1的相对磁导率实部和虚部随频率变化曲线图。实施例1的相对磁导率实部和虚部随频率变化曲线图由Matlab计算得到，横坐标为频率，纵坐标为相对磁导率实部和虚部，实线为相对磁导率实部随频率变化曲线，虚线为相对磁导率虚部随频率变化曲线。从实施例1的相对磁导率实部和虚部随频率变化曲线图可以看出，实施例1在10.8GHz频率附近可实现相对磁导率实部和虚部近零。
图6为本发明实施例1的折射率实部和虚部随频率变化曲线图。实施例1的折射率实部和虚部随频率变化曲线图由Matlab计算得到，横坐标为频率，纵坐标为折射率实部和虚部，实线为折射率实部随频率变化曲线，虚线为折射率虚部随频率变化曲。从实施例1的折射率实部和虚部随频率变化曲线图可以看出，实施例1在10.8GHz频率附近可实现折射率实部和虚部近零。
图7为本发明实施例1设置在贴片天线上方作为天线覆层的示意图。贴片天线包括天线介质基板8、天线辐射结构9、天线地板10、天线SMA馈电接头外芯11，天线SMA馈电接头内芯12。天线介质基板8相对介电常数为2.5，厚度为1mm，尺寸为60mm×60mm，天线辐射结构9位于介质基板8的中心，尺寸为7.3mm×7.3mm的方形贴片，天线地板10为60mm×60mm方形贴片，天线SMA馈电接头外芯11半径为0.875mm，高度为1mm，天线SMA馈电接头内芯12半径为0.375mm，高度为2mm。天线SMA馈电接头内芯12与天线辐射结构9相焊接，焊接点位于天线辐射结构9中心左方1.5mm处。实施例1设置在贴片天线上方9mm处。
图8为本发明实施例1对贴片天线E面的辐射方向图与原贴片天线E面辐射方向图的对比图，本发明的方向图由全波仿真计算得到，方向图采用极坐标表示，辐射方向图中左侧纵坐标代表天线远区辐射增益值。从本发明实施例1对贴片天线E面的压缩方向图与原贴片天线E面方向图的对比图可以看出，实施例1对贴片天线的E面方向图有压缩效果，波瓣变窄，增益提高。
图9为本发明实施例1对贴片天线H面的辐射方向图与原贴片天线H面辐射方向图的对比图，本发明的方向图由全波仿真计算得到，方向图采用极坐标表示，辐射方向图中左侧纵坐标代表天线远区辐射增益值。从本发明实施例1对贴片天线H面的压缩方向图与原始贴片天线H面方向图的对比图可以看出，实施例1对贴片天线的H面方向图有压缩效果，波瓣变窄，增益提高。
本发明的实施例2是为了能够获得在11.6GHz频率附近相对介电常数和磁导率近零时所采用的各结构尺寸如下：
参照图10为本发明实施例2的结构示意图，本发明施例2的介质基板5相对介电常数为2.65，介电损耗为0.0015，厚度为1mm。人工电磁材料上表面金属栅格1由25个金属栅格单元6两两间隔12mm排列组成，每个金属栅格单元6的栅格宽度为0.3mm，下表面金属栅格2由100个金属栅格单元7两两间隔6mm排列组成，每个金属栅格单元7的栅格宽度为0.3mm，圆形金属贴片单元3的半径为2.5mm，每两个圆形金属贴片单元3的间隔为6mm。金属薄层围栏4的厚度t为0.01mm，高度l为4mm。
图11为本发明实施例2的相对介电常数实部和虚部随频率变化曲线图。实施例2的相对介电常数实部和虚部随频率变化曲线图由Matlab计算得到，横坐标为频率，纵坐标为相对介电常数实部和虚部，实线为相对介电常数实部随频率变化曲线，虚线为相对介电常数虚部随频率变化曲线。从实施例2的相对介电常数实部和虚部随频率变化曲线图可以看出，实施例2在11.6GHz频率附近可实现相对介电常数实部和虚部近零。
图12为本发明实施例2的相对磁导率实部和虚部随频率变化曲线图。实施例2的相对磁导率实部和虚部随频率变化曲线图由Matlab计算得到，横坐标为频率，纵坐标为相对磁导率实部和虚部，实线为相对磁导率实部随频率变化曲线，虚线为相对磁导率虚部随频率变化曲线。从实施例2的相对磁导率实部和虚部随频率变化曲线图可以看出，实施例2在11.6GHz频率附近可实现相对磁导率实部和虚部近零。
图13为本发明实施例2的折射率实部和虚部随频率变化曲线图。实施例2的折射率实部和虚部随频率变化曲线图由Matlab计算得到，横坐标为频率，纵坐标为折射率实部和虚部，实线为折射率实部随频率变化曲线，虚线为折射率虚部随频率变化曲线。从实施例2的折射率实部和虚部随频率变化曲线图可以看出，实施例2在11.6GHz频率附近可实现折射率实部和虚部近零。
本发明的实施例3是为了能够获得在12.4GHz频率附近相对介电常数和磁导率近零时所采用的各结构尺寸如下：
参照图14为本发明实施例3的结构示意图，本发明实施例3的介质基板5相对介电常数为2.65，介电损耗为0.0015，厚度为1mm。人工电磁材料上表面金属栅格1由25个金属栅格单元6两两间隔12mm排列组成，每个金属栅格单元6的栅格宽度为0.3mm，下表面金属栅格2由100个金属栅格单元7两两间隔6mm排列组成，每个金属栅格单元7的栅格宽度为0.3mm，金属贴片单元3为六边形，其变长为2.5mm，每两个金属贴片单元3的间隔为6mm。金属薄层围栏4的厚度t为0.01mm，高度l为4mm。
图15为本发明实施例3的相对介电常数实部和虚部随频率变化曲线图。实施例3的相对介电常数实部和虚部随频率变化曲线图由Matlab计算得到，横坐标为频率，纵坐标为相对介电常数，实线为相对介电常数实部随频率变化曲线，虚线为相对介电常数虚部随频率变化曲线。从实施例3的相对介电常数实部和虚部随频率变化曲线图可以看出，实施例3在12.4GHz频率附近可实现相对介电常数实部和虚部近零。
图16为本发明实施例3的相对磁导率实部和虚部随频率变化曲线图。实施例3的相对磁导率实部和虚部随频率变化曲线图由Matlab计算得到，横坐标为频率，纵坐标为相对磁导率实部和虚部，实线为相对磁导率实部随频率变化曲线，虚线为相对磁导率虚部随频率变化曲线。从实施例3的相对磁导率实部和虚部随频率变化曲线图可以看出，实施例3在12.4GHz频率附近可实现相对磁导率近零。
图17为本发明实施例3的折射率实部和虚部随频率变化曲线图。实施例3的折射率实部和虚部随频率变化曲线图由Matlab计算得到，横坐标为频率，纵坐标为折射率实部和虚部，实线为折射率实部随频率变化曲线，虚线为折射率虚部随频率变化曲线。从实施例3的折射率实部和虚部随频率变化曲线图可以看出，实施例3在12.4GHz频率附近可实现折射率实部和虚部近零。
Claims (6)
1.一种等效介电常数和磁导率近零的人工电磁材料，包括介质基板(5)，其特征在于，所述的介质基板(5)采用双面覆铜，介质基板(5)的上表面蚀刻渔网形金属栅格(1)；介质基板(5)下表面蚀刻渔网形金属栅格(2)，在金属栅格(2)的每个空白中心处蚀刻金属贴片单元(3)；介质基板(5)的四周排列有金属薄层围栏(4)，金属薄层围栏(4)与渔网形金属栅格(1)和渔网形金属栅格(2)相连接。
2.根据权利要求1所述的等效介电常数和磁导率近零的人工电磁材料，其特征在于，所述的介质基板(5)的相对介电常数介于2～10之间，厚度为0.5mm～3mm。
3.根据权利要求1所述的等效介电常数和磁导率近零的人工电磁材料，其特征在于，所述介质基板(5)的上表面渔网形金属栅格(1)由N1个金属栅格单元(6)两两间隔5mm～20mm排列组成，其中N1为正整数，2≤N1≤128，每个金属栅格单元(6)的栅格宽度为0.1mm～1mm。
4.根据权利要求1所述的等效介电常数和磁导率近零的人工电磁材料，其特征在于，所述介质基板(5)的下表面渔网形金属栅格(2)由N2个金属栅格单元(7)两两间隔3mm～8mm排列组成，其中N2为正整数，2≤N2≤512，每个金属栅格单元(7)的栅格宽度为0.1mm～1mm。
5.根据权利要求1所述的等效介电常数和磁导率近零的人工电磁材料，其特征在于，所述的金属贴片单元(3)的形状为多边形或圆形。
6.根据权利要求1所述的等效介电常数和磁导率近零的人工电磁材料，其特征在于，所述的金属薄层围栏(4)的厚度t为0.01mm～1mm，高度l为3mm～6mm。
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