超大双负通带的超结构微波左手材料研究

韩俊霞

（山西机电职业技术学院 材料工程系，山西 长治 046011）

超大双负通带的超结构微波左手材料研究

韩俊霞

（山西机电职业技术学院 材料工程系，山西 长治 046011）

文章设计、制备了具有超大负折射通带的微波左手材料。通过透射实验和Snell折射实验共同证明了其双负通带的存在，在3.0GHz到9GHz范围内，最大双负（ε和μ同时为负值）的通带为3GHz～6.3GHz。样品首次采用多层电路板一次成型工艺，5个周期总厚度仅4mm，其合理的结构设计使得这种谐振型左手材料的强度和双负通带带宽得到了显著地增大，有望加速实现谐振型左手材料在微波领域的应用。

左手材料；负介电常数；负磁导率；负折射率

1 引言

1968年，苏联科学家Veselago首次指出：当ε和μ同时为负值时，Maxwell方程仍然成立，但电磁波将逆波矢方向传播，并可表现出一些奇异的电磁特性，如逆多普勒效应（ReversedDopplerEffect），逆斯涅尔折射效应（ReversedSnellRefraction）及逆Cerenkov辐射效应（ReversedCerenkovRadiation）等[1]。1996年JohnPendry指出可以用细金属线阵列构造构造有效介电常数为负的人工材料[2]，1999年又提出可以用谐振环阵列构造有效磁导率为负的人工媒质[3]。2001年Smith采用Pendry的方法，构造出有效介电常数和有效磁导率同时为负的人工媒质，并用实验验证了其在微波频段的“负折射”现象[4]。

1992年提出的Ω型谐振环阵列人工媒质以其较大的左手带宽、较小的损耗特性近年来引起了极大的关注[5-8]。Huangfu等人报道了在11.4GHz～12.6GHz可得到负折射率的型人工复合材料，其左手带宽可达1.2GHz[7]。能否在较低的频段得到更大的左手带宽，对于某些微波器件来说，更具有吸引力。文献[8]及前期研究[9]发现基板厚度对谐振频率和左手通带宽度有显著的影响。在此基础上，本文通过模拟计算确定了合理的基板厚度，同进采用先进的多层板一次成型技术来消除谐振型左手材料的缺陷，并通过透射实验和Snell折射实验共同证明了其双负通带的存在及通带的频率范围。

2 样品制备与实验测试

用 0.4mm 的 FR4 基片（ε≈4.9，μ≈1.0），双面印刷正反向Ω型谐振结构，Ω型谐振结构如图1所示，图中 a=5mm，r=1.5mm，R=1.9mm，c=0.4mm，d=0.4mm。试样采用多层板一次成型技术，共5个周期（印刷板与基板等厚度相间），总厚度为4mm。图1（a）为样品整体图，图 1（b）为谐振环结构示意图。多层板一次成型技术严格保证了周期结构的完整性，避免了粘结或热压等方法引入的附加界面和杂质。

图1 多层板一次成型样品结构示意图

实验采用文献[4]中介绍的平行板透射和Snell棱镜实验装置。通过透射实验确定样品的通带，进一步通过Snell棱镜实验确定负折射出现的频段。透射实验样品沿波传播方向5个周期，棱镜实验样品角度为110。测试采用HP 8720ES网络分析仪，平行板透射实验测试结果如图2所示，Snell棱镜实验测试结果如图3所示。

图2 样品透射模拟及实验曲线

图2是平行板透射实验曲线与数值模拟曲线图。数值计算表明，在 3 GHz～5 GHz和 10 GHz～12 GHz应分别各存在一个通带。经平行板透射实验验证发现，这两个通带的范围分别为3 GHz～6.3 GHz和11 GHz～12.3 GHz。

图3表示了棱镜样品的Snell折射实验测试结果。结果表明，在3 GHz～9 GHz范围内，有明显得负折射现象，最大负折射通带3 GHz～6.3 GHz，折射中心角度约为750，折射率为5.06；在11.5 GHz～13 GHz范围内，存在明显的正折射现象，折射中心角度约为110，折射率为1.0。

图3 Snell折射实验

通过上述的平行板透射实验和Snell棱镜实验，证实了本文所设计、制备的人工复合材料试样表现出了明显的左右手特性，其左手通带表现出了极大的带宽和较小的损耗特性。

3 实验结果分析

为了进一步了解有效介电常数、有效磁导率与结构的关系，采用文献[9]的公式进行定性分析。

文献中的同心圆柱公式磁谐振频率和磁等离子频率为：

图5和图6是通过S参数反演计算得到了有效介电常数、有效磁导率和有效折射率实部与频率的关系。从图中可以看出在3 GHz～5 GHz的范围内，有效介电常数、有效磁导率和有效折射率实部均为负值；而在10 GHz～12 GHz的范围内，它们均为正值，计算得到的有效折射率实部数值与实验测量值基本一致，进一步证实了实验结果的可靠性。

图5 有效介电常数、磁导率、折射率实部曲线

图6 有效介电常数、磁导率、折射率实部曲线放大图

4 结论

文中采用多层电路板一次成型工艺技术，制备了具有5个周期，板厚为4mm的谐振型左手复合材料。通过透射实验和Snell折射实验共同证明了在3.0GHz到9GHz范围内存在负折射，其中最大的负折射带宽可达3.3GHz。通过S参数反演计算，证实了在3.0GHz到6.3GHz范围内，有效磁导率、有效介电常数和有效折射率的实部同为负值。进一步优化谐振环结构与基板厚度，可望促进该谐振型左手材料在微波器件上的应用。

［1］陈锦昌等.基于构型设计的工程图学教学体系的探讨［J］.工程图学学报，2006，（5）：130-132.

［2］陈炽坤.现代工程图学中的十大问题［M］.图学教育研究［C］.机械工业出版社，2004，19-23.

［3］毛昕，黄英.关于我国图学教育发展的若干思考［J］.工程图学学报，2004，25（3）：96-100.

［4］田凌，童秉枢，冯娟.机类机械制图新课程体系的研究及实践［J］.工程图学学报，2005，26（5）：120-125.

［5］黄向裕.构形设计的研究与实践［J］.机械工程与自动化，2005，（8）：121-122.

O487

A

1673-2014（2010）05-0030-03

2010-09-11

韩俊霞（1982— ），女，山西屯留人，助教，主要从事金属材料研究。

（责任编辑 王璟琳）