[发明专利]一种基于改进渔网型结构的宽带近零折射率电磁超材料

说明书

本发明公开一种基于改进渔网型结构的宽带近零折射率电磁超材料，由多个长方体结构的单元组成，每个单元自上到下依次为改进型渔网结构金属层、介质层和改进型渔网结构金属层；改进型渔网结构金属层为边缘加工有周期性交错槽线的渔网结构的金属板；本发明在保证良好的空间匹配度的同时实现相对宽带范围内的近零折射率特性。

技术领域

本发明涉及电磁超材料的应用领域，具体涉及一种改进的渔网型近零折射 率的超材料单元设计。

背景技术

低折射率或者零折射率超材料凭借其独特的电磁特性在各领域引起了极大 的关注。依据其类似静态场分布和无限相速的特性，诸如高定向性辐射、波前 整形、方向图的赋形等实际应用得到实现。但因其结构特性，固有的色散特性 导致了其窄的工作带宽，严重阻碍了该类超材料的实际应用范围。因此，如何 有效地设计出宽带超材料单元成为突破应用壁垒的关键。

电磁周期结构即广义上的超材料，是一类具有自然界中所不具备的超常物 理性质的等效均匀人工复合结构或复合材料。超材料由人工构造的周期性微结 构组成，以等效介电常数ε_eff、等效磁导率μ_eff描述其整体电磁特征。通过设计 不同的微结构，可使超材料的相对等效介电常数ε_re-eff、相对等效磁导率μ_re-eff为小于1的正实数、负实数或复数，从而使电磁波传播方式从根本上发生变化。 而折射率近零超材料就是相对等效介电常数ε_re-eff和相对等效磁导率μ_re-eff的 乘积近零的超材料。

如图1所示，传统的渔网型结构单元由三层对称结构组成，即在一定厚度 的介质基板的两侧表面覆上结构尺寸相同的具有一定宽度的微带线相互正交构 成的十字型金属结构。传统的渔网型结构就是由该单元在二维方向上进行周期 延拓。

传统的渔网型结构能够实现电磁谐振，其电谐振的实现是依据Drude模型， 将一定宽度的金属线进行二维的周期性排布，进而实现在特定频率范围内的等 效介电常数ε_re-eff近零。传统的渔网型结构实现零相对等效介电常数的频点依 赖于金属线宽和周期排布的尺寸，除此之外，等效介电常数ε_re-eff近零的频率 范围内的大小还依赖于基板的相对介电常数的大小。

其磁谐振的实现是两层金属之间的介质基板中产生了位移电流，结合金属 线上的感应电流，金属线、介质基板和金属线三层结构之间构成了闭合环路的 诱导电流。当外界磁场垂直穿过该闭合环路时就产生了磁谐振。传统的渔网型 结构实现磁谐振的频点主要依赖于金属线的长度，也即周期排布的晶格常数。

通过提取的传统渔网型结构单元的电磁参数结果来看，相对等效介电常数 ε_re-eff近零的宏观特性只能在相对小的频带范围内实现，这也是Drude模型结 构固有的特点；而对于结构实现的提取的电磁参数结果显示：在一阶磁谐振和 二阶磁谐振的相当宽的频率范围内，相对等效磁导率μ_re-eff均接近零。

由于电谐振和磁谐振之间的相互影响，传统的渔网型结构很难将零相对等 效介电常数的频点调节到一阶磁谐振和二阶磁谐振的相当宽的频率范围内的合 适的位置。因此，在指定频段内相对等效介电常数ε_re-eff和相对等效磁导率 μ_re-eff相差较大，因此虽能够在非常窄实现近零折射率的特性，但空间匹配度 较差，导致较低的传输系数。传统渔网型结构具有结构简单、低剖面、易装配 等特点，通过改进该结构能够实现高传输系数、宽带、近零折射的超材料单元。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于改进渔网型结构的宽带近零折射率的超 材料单元。在保证良好的空间匹配度的同时实现相对宽带范围内的近零折射率 特性。

实现本发明的技术方案如下：