[发明专利]带有双棒状调谐结构的E形相互嵌套结构组成的左手材料

说明书

技术领域

本发明涉及一种左手材料，尤其是涉及一种刻蚀于微波介质基板上带有双棒状调谐结构的相互嵌套E形金属线单元组成的左手材料。

背景技术

左手材料（left-handed metamaterials）是一种至今尚未在在自然界发现的人工复合材料，是由前苏联物理学家Mandelshtam于1940年最初提出的材料，是在传统的微波电路介质基板上刻蚀出一定尺寸不同形状的金属线图形构成单元结构,将这种单元结构在X、Y和Z方向上分布至少三个组成周期阵列结构。这种阵列结构会引起电场和磁场在一定频率范围内谐振，致使等效介电常数和磁导率同时为负值，而传统介质的介电常数和磁导率都是正的。介质中传播的电磁波特征是由介电常数和磁导率共同决定的，于是电磁波穿过这种阵列结构的介质时，就会表现出与传统介质完全不同的性质；电磁波相速度和群速度方向相反，能量传播方向和相速度方向相反，E、H和k之间满足左手螺旋关系而非右手螺旋关系，因为在于是与常规介质不同，在左手材料中传播的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，因为在工程上和实验室都没有发现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，波长和电场极化方向满足一定条件时，该金属丝阵列就可以等效为等离子体，获得负介电常数。三年之后，他又利用开口金属谐振环（SRR,Split ring resonator），在一定入射波的条件下又获得了负的磁导率。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（[5].Jason Valentine1,Shuang Zhang1,Thomas Zentgraf,Three-dimensional optical metamaterial with anegative refractive index,Nature,Vol.455,18Sep.376-379p2008）、电磁学（[6].Alejandro L.Borja,Angel Belenguer,Joaquin Cascon,A Reconfigurable Passive UHF Reader Loop Antenna for Near-Field and Far-Field RFID ApplicationsIEEE Antan ne and Wireless Propagation letters,VOL.11,580-583p,2012）、声学（[7].Huanyang Chen and C.T.Chan,Acoustic cloaking in three dimensions using acoustic metamaterials Phys Rev Lett.91,183518,2007；[8].Wenlin Hu,Yuxian Fan,Peifeng Ji,and Jun Yang,An experimental acoustic cloak for generating virtual images,J.Appl.Phys.113,024911,(2013)）、电磁隐身（[9].D.Schurig et al.Metamaterial Electromagnetic Cloak at Microwave Frequencies Science314,977,(2006)）、通信（[10].C.Enkrich,M.Wegener,S.Linden,S.Burger,Magnetic Metamaterials at Telecom and Visible Frequencies,Physical Review Letters.95,203901(2005)）、医学诊断成像（[11].A.N.Lagarkov and V.N.Kissel,Near-Perfect Imaging in a Focusing System Based on a Left-Handed-Material PlatePhys Rev Lett.92.077401,2004）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（[12].Pendry J.B.A Chiral Route to Negative Refraction,Science.1104467,1353-1355p(2004)）、树枝状结构（[13].Bao Shi,Luo ChunRong,Zhang YanPing,Zhao XiaoPeng,Broadband metamaterial absorber based on dendritic structure,Acta Phys.Sin.Vol.59,No.5,May,2010）、蘑菇型结构、双S型结构、Z型结构等。但是以上结构的左手材料电磁参数的可调控性都比较差，这为其实际应用带来了很大的局限性。