[发明专利]基于两层基板的小型化人工电磁材料及制备方法

说明书

技术领域

本发明属于电磁材料技术领域，涉及一种电磁材料及其制备方法，特别涉及一种高频HF、甚高频VHF和特高频UHF频段的高度亚波长小型化人工电磁材料及其制备方法，可用于构造HF、VHF和UHF频段的具有负折射率特性的小型化人工电磁材料，改善HF、VHF和UHF频段的通讯系统或设备的性能。

背景技术

人工电磁材料（Metamaterials）是指在自然界中本身并不存在或者没有发现，而是人们根据电磁学理论的计算所构造出来的，具有非常规电磁属性的人造媒质或材料，其典型代表有单负材料、左手材料和零折射率材料。

单负材料是等效介电常数ε和等效磁导率μ只有一个为负的一种新型人工电磁材料，其中包括等效介电常数为负，等效磁导率为正的电单负材料和效介电常数为正，等效磁导率为负的磁单负材料两种。由于电磁波在单负材料中的波矢是虚数，因而单负材料中只存在凋落场，电磁波不能通过，但是电磁波能够在负等效介电常数材料和负等效磁导率材料组成的双层结构中发生完全隧穿效应，因此通过组合负等效介电常数材料和负等效磁导率材料可以构造出性能较好的左手材料。

左手材料是等效介电常数ε和等效磁导率μ同时为负的一种新型人工电磁材料，具有负折射率、倏逝波放大、逆多普勒效应、逆切仑科夫辐射等特性，这些独特的性质使其具有很大的应用潜力，可以实现平板聚焦，天线波束汇聚，完美透镜，超薄谐振腔，后向波天线等功能。

近年来，人工电磁材料的发展十分迅速，尤其是在微波段和光学波段应用广泛，但是目前人工电磁材料在HF、VHF和UHF频段的应用却遇到了巨大阻碍。如今HF、VHF和UHF频段的设备已经涉及人们生活的各个领域，如远距离卫星通信，磁共振成像MRI，磁谐振无线能量传输，短波与超短波通讯，以及收音机和电视机等常见的日常设备，理论上若能将人工电磁材料运用于这些设备，其性能将会得到大幅改善。以上提到的这些应用的工作频率在3MHz至1000MHz，目前人们提出的人工电磁材料的单元结构尺寸一般在λ/10，其中λ指其工作波长，上述3MHz至1000MHz的频率换算为波长为100m至0.3m，若按照常规设计的人工电磁材料单元，其单元结构尺寸约为10m至0.03m，尺寸太大，无法投入实际应用，所以设计HF、VHF和UHF频段且尺寸在λ/100以下高度亚波长小型化人工电磁材料具有较大的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提供一种基于两层基板的小型化人工电磁材料及制备方法，使单元结构尺寸减小到λ/100以下，以满足HF、VHF和UHF频段的高度亚波长实际应用要求。

为实现上述目的，本发明给出如下三种技术方案：

技术方案1

基于两层基板的小型化人工电磁材料，包括N个结构单元，N≥2，每个结构单元设有两个介质基板层，其特征在于，第一介质基板层的一面蚀刻矩形折线，另一面为光面，即绝缘板；第二介质基板层的一面蚀刻平面螺旋线，该螺旋中心连有圆形金属贴片，另一面蚀刻矩形折线；第一介质基板层的光面与第二介质基板层的螺旋面粘结为一体，形成一个折线—螺旋线—折线结构的整体基板，该整体基板的两端涂有金属层，金属层分别与第一介质基板层上的折线和第二介质基板层上的折线连接。

基于两层基板的小型化人工电磁材料制备方法，包括如下步骤：

（1）选用厚度为0.1mm～1mm，介电常数ε_r＝2.6±0.05，损耗角正切tanδ＝0.015的聚四氟乙烯单面PCB覆铜板，在其覆铜箔表面蚀刻矩形折线，得到一面为折线面另一面为光面的第一介质基板层；矩形折线的长L_m=0.99L，宽H_m=0.99H，矩形折线的横线线宽L_wm=1.15×10^-2L，矩形折线的竖线线宽L_wm=7.7×10^-3L，线间距S_wm=7.7×10^-3L，其中L和H分别为覆铜板的长和宽；