基于平面周期结构的二维左手材料的制造方法

摘要

本发明涉及一种基于平面周期结构的二维左手材料的制造方法，属于电磁材料领域。本发明二维左手材料包含至少一个单元结构；每个单元结构是由内部包含有至少一对平行金属条的电介质材料构成的；每对平行金属条在介质中的排列方向一致；外部入射电磁波的电场方向平行于金属条的长边，磁场方向平行或者垂直于金属条的平面，都可实现左手特性。本发明设计的左手材料是全固态结构，能够承受一定的外力而不变形；本发明中的金属结构是排列方向一致的平行金属条，结构简单，便于加工；本发明采用金属结构的平面布局实现左手材料的二维特性，避免了空间正交结构实现二维左手材料时难于利用现有微加工技术制备微纳米结构并且价格昂贵的缺点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于平面周期结构的二维左手材料的制造方法，属于电磁材料领域。

背景技术

1968年，前苏联科学家V.G.Veselago首次提出了左手材料(left-handed metamaterials，LHM)的概念，它是指介电常数ε和磁导率μ在一定的电磁波频段内同时为负的一种材料。2000年，美国加州大学San Diego分校的D.R.Smith等人在英国帝国理工学院J.B.Pendry的研究基础上第一次构造出了一种二维左手材料，其方法是采用金属细导线(Rod)阵列实现等效负介电常数，采用金属开口谐振环(split ring resonator，SRR)实现等效负磁导率，然后将这两种阵列混合排列即可。之后，各种各样的二维左手材料纷纷涌现。这些二维左手材料大多采用PCB电路板印刷技术，将金属细导线和金属开口谐振环分别印刷在PCB电路板的两侧，然后将PCB板切割成若干结构单元，并按照正交的方式排列组合起来，即可实现二维的左手材料；或者是直接采用金属结构，在两个正交的方向上搭建起来实现二维左手材料。虽然这些结构单元的尺寸都远远小于工作波长可近似为均匀介质，但是，它们只能看做是一种空间框架结构，而不是真正的实体介质材料，容易受到外力的影响而变形，从而影响到性能的稳定性。另外，随着左手材料的工作频段逐渐由微波向红外光、可见光移动，金属的某些特殊形状尺寸很难加工，又由于采用的是空间正交的排列方式实现二维的结构，所以进一步增加了制作工艺的难度，从而限制了左手材料的应用和发展。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制作简单、方便的基于平面周期结构的二维左手材料的制造方法。

技术解决方案：本发明二维左手材料包含至少一个单元结构；每个单元结构是由内部包含有至少一对平行金属条的电介质材料构成的；每对平行金属条在介质中的排列方向一致；外部入射电磁波的电场方向平行于金属条的长边，磁场方向平行或者垂直于金属条的平面，即可实现由该单元结构组成的二维左手材料。

本发明有益的效果：

本发明设计的左手材料是全固态结构，能够承受一定的外力而不变形，能够保持性能的稳定；本发明中的金属结构是排列方向一致的平行金属条，结构简单，便于加工；本发明采用金属结构的平面布局实现左手材料的二维特性，避免了空间正交结构实现二维左手材料时难于利用现有微加工技术制备微纳米结构并且价格昂贵的缺点。

附图说明

图1是本发明的二维左手材料的结构原理示意图；

图2是本发明的单元结构图。

具体实施方式

如图1所示，本发明二维左手材料是由包含至少一个单元结构；每个单元结构是由内部包含有至少一对平行金属条的电介质材料构成的；

本发明的二维左手材料是6列×4行×3层个单元结构的情形，每个单元结构如图2所示，它是由内部包含有2对排列方向一致的平行金属条2的电介质材料1组成的。实际应用时可根据所需要左手材料的大小和预先设计的结构单元的大小选择单元结构的数目。当外部入射电磁波的电场方向平行于单元结构中金属条的长边，而磁场方向平行或者垂直于金属条的平面时，都可实现左手特性，所以就构成了二维的左手材料。从图1中可以看出，本发明的二维左手材料中，所有的金属条都是按照同一方式排列的，所以完全可以利用平面工艺加工制造，避免了空间立体结构复杂的情形。

图2中画出了两对金属条的情形。由于电场在相邻单元结构的金属条之间发生电谐振产生负介电常数，磁场在同一单元结构中的金属条之间发生磁谐振而产生负磁导率，电谐振频率和磁谐振频率都与金属条的大小和每对金属条中两金属条的间距有关，所以可以通过调整金属条的大小和间距设置单元结构，使负介电常数频段和负磁导率频段重合，即可实现左手材料。

实施例1：

本例单元结构内设置有两对金属条，其中每对金属条中两金属条的间距w作为变量，当w的取值从0.2mm-0.8mm时，考虑到在0-50GHz的频率范围内，讨论w对二维左手材料左手频段的影响。单元结构的大小取为1mm，介质是相对介电常数为4.4、相对磁导率为1、介质损耗角正切为0.02的FR4材料。结构单元中的金属条是铜，其大小为0.95mm×0.2mm×0.01mm，取两对的情形，对与对之间的距离为0.5mm。本例产生的左手频段见表一。

表1

以上实施例1中，只是考虑了每对金属条中两金属条的间距w作为变量，而其他参数不变的情况下，形成的二维左手材料的频段。除此之外，金属条的大小、单元结构的大小、单元结构所用的介电常数的大小、单元结构中所用的金属条的对数、相邻两对金属条的间距都可根据实际需要而进行选择与调整。