[发明专利]一种双频段背向交叉耦合周期阵列左手材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种左手材料，尤其是涉及一种双频段背向交叉耦合周期阵列左手材料及其制备方法。

背景技术

左手材料（left-handed metamaterials）是一种到现在还没有在自然界中找到的人工复合材料，是由前苏联物理学家Mandelshtam于1940年最初提出的，是在传统的电路介质基板上刻蚀出一定尺寸的不同形状的金属图形,在X、Y和Z方向上至少三个图形单元组成周期性结构，由这些不同的金属图形结构引起电场和磁场在一定频率范围内的谐振，当电磁波穿过这种材料构成的介质时，就会表现出与传统介质完全不同的性质。它的主要特征就是介质的两个宏观电磁常数即介电常数和磁导率同时为负，但是仍然遵守Maxwell方程组，而传统介质的介电常数和磁导率都是正的。因为在介质中传播的电磁波的特征是由介电常数和磁导率共同决定的，于是与常规介质不同，在左手材料中传播的电磁波的相速度和群速度方向相反，电磁波的能量传播方向和相速度方向相反，和之间满足左手螺旋关系而不是右手螺旋关系，因此得名左手材料。1968年前苏联的科学家Veselago最初对左手材料在理论上做了研究，获知左手材料会呈现出许多新颖的特性，如反常Doppler效应、反常Cherenkov效应、负折射现象等。但是在接下来的30多年来，因为是工程和实验室都没有找到具有以上特性的材料，所以对左手材料的研究一直处于停滞状态。直到1996年英国的皇家科学院院士J.B.Pendry受到等离子体的启发，把金属丝（Rods）均匀排列，电磁波射入金属丝阵列，当波长和电场极化方向满足一定条件时，该金属阵列就可以等效为等离子体，得到负的介电常数；三年之后，他又利用开口的金属谐振环（SRR,Split ring resonator），在特定入射波的条件下获得了负的磁导率。2000年，美国的科学家D.R.Smith研究小组在Pendry等人研究的基础上，将SRR和Rods合理地组合起来，首次得到了同时具有负的介电常数和磁导率的物质，从此以后，越来越多的人投身到左手材料的研究热潮中，左手材料被“Science”杂志评为2003年度十大科技突破之一。在研究中，逐渐发现左手材料在光学、电磁学、声学、电磁隐身、通信、医学诊断成像等领域有重要的应用价值。目前，各国科研工作者所设计的左手材料都能在某个频点或频段上实现左手特性，并且已经设计出各种各样的单元结构，其中包括螺旋环型结构（Pendry J B.A chiral route to negative refraction[J].Science,2004,306(5700):1353-1355）、树枝状结构（Zhang B S L C R,Xiao-Peng Y P Z.Broadband metamaterial absorber based on dendritic structure[J].ActaPhysicaSinica,2010,5:042）、蘑菇型结构、双S型结构、Z型结构等。

发明内容

本发明的目的是提供一种双频段背向交叉耦合周期阵列左手材料及其制备方法。

所述双频段背向交叉耦合周期阵列左手材料设有至少3排微波介电材料基板，所述微波介电材料基板的一侧雕刻至少3个三叉结构金属线单元，所述三叉结构金属线单元是由形状如同字母E的金属线状材料组成；微波介电材料基板的另一侧雕刻至少3个与三叉结构金属线单元对称的背向三叉结构金属线单元，所述对称的背向三叉结构金属线单元和三叉结构金属线单元的数目相同，三叉结构金属线单元的中心与背向三叉结构金属线单元的中心在同一水平高度，三叉结构金属线单元之间的距离相同，背向三叉结构金属线单元之间的距离相同。

所述微波介电材料基板的介电常数可为2.2～16，典型值为4.4±5%；厚度可为0.2～3mm，典型值为0.4±5%mm。

所述三叉结构金属线与背向三叉结构金属线单元的外侧边长a可为2.0～3.0mm，外底边的长度b可为1.0～2.5mm，中心棒边长c可为0.8～2.0mm，金属线各边的宽度w可为0.05～0.25mm，金属线厚度可为0.01～0.03mm；其典型值为a=3.0±0.02mm，w=0.2±0.02mm，b=2.2±0.02mm，c=1.6±0.02mm，金属线厚度=0.018mm±5%。

优化组合后可获取左手材料不同电磁参数（等效介电常数ε和等效磁导率μ），在8～20GHz范围内某两个不同频点上等效介电常数和等效磁导率同时为负。

所述双频段背向交叉耦合周期阵列左手材料的制备方法，包括以下步骤：