CN111585033B - 一种具有双阻带的近零折射率超材料 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电磁通信领域，具体涉及一种具有双阻带的近零折射率超材料。本发明包括基板，还包括按照周期性排列等间距设置在基板顶面上的多个谐振结构基础单元；谐振结构基础单元为8字型谐振器结构。本发明在实现了宽带近零折射率频带的同时，将带阻响应引入近零折射率频段的两端。本发明所提出的具有双阻带的近零折射率超材料与传统超材料相比，拥有较宽的近零折射率带宽，以及近零折射率频带的两端同时存在带阻响应，此外具有双阻带的近零折射率超材料的谐振结构基础单元电尺寸亦有所减小。

Description

一种具有双阻带的近零折射率超材料
技术领域
本发明涉及电磁通信领域，具体涉及一种具有双阻带的近零折射率超材料。
背景技术
超材料是一种具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构材料，其介电常数和磁导率可以通过周期性排列的人工微结构来改变，因此整个超材料在一定频率范围内可以具有普通材料所不具备的电磁波透射折射率。随着科技日新月异的发展，人们根据实际的应用环境对超材料提出了多种多样的需求。但是常见的超材料需要其结构平面垂直于电磁波的传播方向才能起到作用，因此需要占据较大的空间，难以满足紧凑空间下的电磁波调控需求。结构平行于电磁波传播方向的超材料即平面超材料鲜有被提出。而平面超材料相对于传统超材料结构而言，结构扁平紧凑，可以更好的应用于高度有限的空间。对于平面超材料而言，其材料特性与其基础单元结构有关。因此急需改变现有的其基础单元结构来实现想要的超材料的材料特性，以满足对电磁波进行调控的应用需求。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的不足，提出了一种具有双阻带的近零折射率超材料，在实现了宽带近零折射率频带的同时，将带阻响应引入近零折射率频段的两端。
本发明为实现上述发明目的，采取的技术方案如下：
一种具有双阻带的近零折射率超材料，包括基板，还包括按照周期性排列等间距设置在基板顶面上的多个谐振结构基础单元；所述谐振结构基础单元为8字型谐振器结构。
进一步的作为本发明的优选技术方案，所述多个谐振结构基础单元之间的横向距离与纵向距离相等。
进一步的作为本发明的优选技术方案，所述基板为印刷电路板；所述8字型谐振器结构印制于印刷电路板的顶面。
进一步的作为本发明的优选技术方案，所述8字型谐振器结构为一根金属带线弯折构成，包括依次垂直连接的第一段金属带线至第十一段金属带线；所述第一段金属带线、第三段金属带线、第五段金属带线、第七段金属带线、第九段金属带线及第十一段金属带线分别相互平行设置；所述第二段金属带线、第四段金属带线、第六段金属带线、第八段金属带线及第十段金属带线分别相互平行设置。
进一步的作为本发明的优选技术方案，所述8字型谐振器结构的纵向长度数值约为近零折射率频带中心频率对应的0.1个真空波长；所述8字型谐振器结构的横向宽度数值约为近零折射率频带中心频率对应的0.11个真空波长。
本发明所述，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
本发明所提出的具有双阻带的近零折射率超材料与传统超材料相比，拥有较宽的近零折射率带宽，以及近零折射率频带的两端同时存在带阻响应，此外具有双阻带的近零折射率超材料的谐振结构基础单元电尺寸亦有所减小。
附图说明
图1是本发明具有双阻带的近零折射率超材料基础单元结构图；
图2是本发明具有双阻带的近零折射率超材料结构图；
图3是本发明具有双阻带的近零折射率超材料基础单元结构关于不同mw的***损耗曲线示意图；
图4是本发明具有双阻带的近零折射率超材料基础单元结构关于不同mg和mw下针对ml3的低频传输零点(fn1)和高频传输零点(fn2)的比值(fn2/fn1)示意图；
图5是本发明具有双阻带的近零折射率超材料关于不同dy的折射率曲线示意图；
图6是本发明具有双阻带的近零折射率超材料关于不同dy的低频阻带附近的***损耗示意图；
图7是本发明具有双阻带的近零折射率超材料关于不同dy的高频阻带附近的***损耗示意图；
图8是本发明具有双阻带的近零折射率超材料的天线结构示意图；
图9是本发明具有双阻带的近零折射率超材料的天线与未加载本发明的天线的端射增益曲线和回波损耗对比图；
图10是本发明具有双阻带的近零折射率超材料的天线在8.73GHz处的方向图；
图11是本发明具有双阻带的近零折射率超材料的天线在9.87GHz处的方向图；
图中标号示意如下：
1-第一段金属带线，2-第二段金属带线，3-第三段金属带线，4-第四段金属带线，5-第五段金属带线，6-第六段金属带线，7-第七段金属带线，8-第八段金属带线，9-第九段金属带线，10-第十段金属带线，11-第十一段金属带线，12-基板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。
如图1与图2所示，一种具有双阻带的近零折射率超材料，包括基板12，还包括按照周期性排列等间距设置在基板顶面上的多个谐振结构基础单元；谐振结构基础单元为8字型谐振器结构。多个谐振结构基础单元之间的横向距离与纵向距离相等。基板12为印刷电路板；8字型谐振器结构印制于印刷电路板的顶面。
8字型谐振器结构为一根金属带线弯折构成，包括依次垂直连接的第一段金属带线1至第十一段金属带线11；第一段金属带线1、第三段金属带线3、第五段金属带线5、第七段金属带线7、第九段金属带线7及第十一段金属带线11分别相互平行设置；第二段金属带线2、第四段金属带线4、第六段金属带线4、第八段金属带线8及第十段金属带线10分别相互平行设置。8字型谐振器结构的纵向长度数值约为近零折射率频带中心频率对应的0.1个真空波长；8字型谐振器结构的横向宽度数值约为近零折射率频带中心频率对应的0.11个真空波长。
单独对本发明实施例的具有双阻带的近零折射率超材料进行分析，可以得到超材料结构尺寸对阻带位置的影响，这里，电场极化方向为图2中dx间距方向，传播方向为图2中dy间距方向。
如图3所示，两个阻带分别在7GHz和11GHz左右产生，这是由于超材料自身的谐振产生的两个传输零点。并且随着mw宽度的增加，两个传输零点同时向高频移动。这里将较低频处的传输零点所在频率命名为fn1,将较高频处的传输零点所在频率命名为fn2。控制超材料的内部耦合强度也会对高低频两个传输零点的频率产生影响。
如图4所示，当金属带线的宽度mw、金属带线的部分长度ml3增加和金属带线之间的距离mg减小，内部耦合增强，两传输零点相互靠近，同样的，当金属带线的宽度mw、金属带线的部分长度ml3减小和金属带线之间的距离mg增加，内部耦合减小，两传输零点相互远离。因此我们可以通过调节金属带线的宽度mw、金属带线的部分长度ml3和金属带线之间的距离mg来获取想要的高低传输零点频率。此外，由于超材料基础单元构造紧密，耦合较强，因此实现了较小的超材料基础单元尺寸，即超材料基础单元小型化。
如图5所示，超材料折射率n受超材料基础单元之间间距dy的影响。超材料折射率实部越接近零，超材料对天线增益的提升效果越明显。超材料折射率虚部体现了电磁波穿过超材料时的损耗，虚部数值越接近零，损耗越小。当间距dy约大，基础单元之间的耦合越小，近零折射率实部随频率变化更平缓，近零折射率带宽变宽；高频处折射率虚部降低，损耗减少。但增大dy会增加超材料的整体尺寸。超材料基础单元间的耦合同样会影响近零折射率两端的高低阻带，如图6和图7分别展示了本发明实施例的具有双阻带的近零折射率超材料中dy对双阻带的影响，当dy增加，双阻带的频带同时缩小，反之，当dy减小，双阻带带宽拓宽。
具体的，构成超材料基础单元的金属带线宽度mw＝0.4mm,超材料基础单元的长ml1＝3.5mm,超材料基础单元的宽ml2＝3.7mm,构成超材料基础单元的第一段金属带线1的长度或第十一段金属带线11的长度均为ml3＝1.45mm,第一段金属带线1和第七段金属带线7以及第五段金属带线5和第十一段金属带线11的间距mg＝0.5mm,超材料基础单元与超材料基础单元之间的横向距离dx与纵向距离dy相等，dx＝dy＝0.6mm,基板厚度h＝0.508mm。
本实施例以加载具有双阻带的近零折射率超材的准八木天线为例对本发明实施例的具有双阻带的近零折射率超材料在提升天线性能方面的作用进行说明。如图8所示，准八木天线由金属环加载的介质环形谐振器驱动器、差分馈电网络、凹型金属反射地以及基板构成。其中金属环加载的环形介质谐振器驱动器、差分馈电网络在基板上层(与超材料金属线同一层)，凹型金属反射地印制在介质基板底层。具有双阻带的近零折射率超材料设置于准八木天线主辐射方向。组成超材料的基础单元的数量越多，超材料对天线性能提升越明显，相应的超材料所占的平面尺寸也就越大。
如图9所示，加载本发明实施例的具有双阻带的近零折射率超材料前后，天线的回波损耗无明显变化，带宽保持在从8.5GHz到10GHz不变。天线的带内最高增益从6.3dBi提升到8.3dBi,带内增益被提升了2dBi左右。工作频带两端的增益滚降由于本发明超材料双阻带的作用，变的更加陡峭，高频处的阻带抑制提升了约10dB。图10和11分别展示了加载了本发明超材料的天线在8.73和9.87GHz处的方向图。本发明实施例的具有双阻带的近零折射率超材加载准八木天线对原始天线的增益和滤波性能都有很大的改善。
本发明所提出的具有双阻带的近零折射率超材料与传统超材料相比，拥有较宽的近零折射率带宽，以及近零折射率频带的两端同时存在带阻响应，此外具有双阻带的近零折射率超材料的谐振结构基础单元电尺寸亦有所减小。
以上所述的具体实施方案，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方案而已，并非用以限定本发明的范围，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所做出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (2)

1.一种具有双阻带的近零折射率超材料，包括基板（12），其特征在于，还包括按照周期性排列等间距设置在基板（12）顶面上的多个谐振结构基础单元；所述谐振结构基础单元为准8字型谐振器结构；所述多个谐振结构基础单元之间的横向距离与纵向距离相等；所述基板（12）为印刷电路板；所述准8字型谐振器结构印制于印刷电路板的顶面；所述准8字型谐振器结构为一根金属带线弯折构成，包括依次垂直连接的第一段金属带线（1）至第十一段金属带线（11）；所述第一段金属带线（1）、第三段金属带线（3）、第五段金属带线（5）、第七段金属带线（7）、第九段金属带线（9）及第十一段金属带线（11）分别在横向方向相互平行设置；第二段金属带线（2）、第四段金属带线（4）、第六段金属带线（6）、第八段金属带线（8）及第十段金属带线（10）分别在竖向方向相互平行设置；
其中，所述第一段金属带线（1）沿逆时针方向依次垂直弯折至第五段金属带线（5）时形成准8字型上半部分对应的第一开口环结构，所述第一开口环结构的开口为第一段金属带线（1）与所述第五段金属带线（5）之间的间隔；所述第六段金属带线（6）的上端与第五段金属带线（5）的一端垂直连接；所述第六段金属带线（6）的下端与第七段金属带线（7）的一端垂直连接；所述第七段金属带线（7）沿顺时针方向依次垂直弯折至第十一段金属带线（11）时形成准8字型下半部分对应的第二开口环结构，所述第二开口环结构的开口为第七段金属带线（7）与所述第十一段金属带线（11）之间的间隔。
2.根据权利要求1所述的具有双阻带的近零折射率超材料，其特征在于，所述准8字型谐振器结构的纵向长度数值为近零折射率频带中心频率对应的0.1个真空波长；所述准8字型谐振器结构的横向宽度数值为近零折射率频带中心频率对应的0.11个真空波长。
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