雙入射型雙負(fù)雙負(fù)左手單元結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析

雙入射型雙負(fù)雙負(fù)左手單元結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析

1.雙入射左結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1968年，veselago提出了具有負(fù)介電常數(shù)和負(fù)磁導(dǎo)率的左手材料的概念。30年后，這種特殊材料可以通過人工材料的涂層進(jìn)行。最初的左材料結(jié)構(gòu)由開口振動(dòng)環(huán)和金屬桿的組合結(jié)構(gòu)組成。利用金屬桿的離子效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)負(fù)介電常數(shù)，并通過開口振動(dòng)環(huán)的磁分量來實(shí)現(xiàn)負(fù)磁導(dǎo)率。這種結(jié)構(gòu)奠定了左材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)，提升了對左材料的研究[5-10]。結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，帶寬大，損壞大，結(jié)構(gòu)尺寸有限。因此，我們不斷提出各種改進(jìn)的結(jié)構(gòu)。其中之一是，在保持對介質(zhì)材料的平行性時(shí)，我們可以通過在介質(zhì)上平行性的進(jìn)射，實(shí)現(xiàn)雙重特征。例如，在對稱環(huán)結(jié)構(gòu)、雙s結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)、h結(jié)構(gòu)等。首先，當(dāng)波束結(jié)構(gòu)垂直于介質(zhì)表面時(shí)，我們可以看到以金屬絲為對的結(jié)構(gòu)、雙柱結(jié)構(gòu)、漁網(wǎng)結(jié)構(gòu)等。然而，在上述兩種結(jié)構(gòu)中，很難同時(shí)實(shí)現(xiàn)左特征。在這項(xiàng)工作中，我們使用了兩個(gè)對稱的左厚帶，并將其配置為相對對稱的左厚帶，以形成新型的左厚帶結(jié)構(gòu)。在平行于介質(zhì)表面的磁體中入射時(shí)，單元結(jié)構(gòu)的響應(yīng)與雙向結(jié)構(gòu)相似。介質(zhì)板兩側(cè)的z形金屬條相互結(jié)合，形成磁鉻。結(jié)構(gòu)響應(yīng)的結(jié)構(gòu)與雙向結(jié)構(gòu)相似。中間板兩側(cè)的z形金屬條相交，形成磁鉻。結(jié)構(gòu)響應(yīng)的結(jié)構(gòu)與雙殼的結(jié)構(gòu)相似。由于z形金屬帶的電致動(dòng)器無限期，形成三角形環(huán)形電流路徑和磁態(tài)，因此形成z形金屬帶的電致動(dòng)器只能同時(shí)實(shí)現(xiàn)左特征。本文利用三維磁性仿真軟件cst微型wvestudio模擬和模擬該結(jié)構(gòu)，通過s參數(shù)研究了左撇子的雙重入射特性，并結(jié)合磁參數(shù)提取方法提取了等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率。在這兩種情況下，使用兩種中間結(jié)構(gòu)來執(zhí)行左撇子的雙重入射特性。2.磁諧振回路的特性若要實(shí)現(xiàn)左手特性,必須使得等效介電常數(shù),等效磁導(dǎo)率同時(shí)為負(fù).等效負(fù)介電常數(shù)較容易實(shí)現(xiàn),連續(xù)金屬條以及與金屬條類似的結(jié)構(gòu)都可以在它們各自的電等離子體頻率以下,實(shí)現(xiàn)負(fù)的介電常數(shù).而等效負(fù)磁導(dǎo)率的實(shí)現(xiàn),則要求結(jié)構(gòu)單元能夠形成磁諧振回路,并且磁諧振頻率要低于電等離子體頻率,才能夠?qū)崿F(xiàn)雙負(fù).雙Z型結(jié)構(gòu)單元如圖1(a)所示,利用單個(gè)Z形金屬條的電響應(yīng),來實(shí)現(xiàn)負(fù)的介電常數(shù),而利用介質(zhì)板前后兩個(gè)反向相對的Z形金屬條之間的耦合實(shí)現(xiàn)磁諧振(兩種入射情況下,磁諧振回路不同).單元結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)為,w=4mm,h=10mm,s=3mm,t=1mm,介質(zhì)板寬a=6mm,高h(yuǎn)=10mm,厚d=1mm,基板介電常數(shù)為9.8.無論對于垂直于介質(zhì)板入射的電磁波還是平行于介質(zhì)板入射的電磁波,電場極化方向均為y方向,因此在這兩種情況下,Z形金屬條的電響應(yīng)機(jī)理完全相同,與連續(xù)金屬條一致,均可以實(shí)現(xiàn)負(fù)的等效介電常數(shù),而磁諧振響應(yīng)卻完全不同,下面將分別進(jìn)行理論分析和驗(yàn)證.2.1.工字形結(jié)構(gòu)與雙z形結(jié)構(gòu)的比較在電磁波垂直于介質(zhì)板入射的情況下,當(dāng)應(yīng)用三維電磁仿真軟件CST對雙Z結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真時(shí),在結(jié)構(gòu)單元的x,y方向分別設(shè)為周期邊界條件,z方向設(shè)置入射端口.設(shè)入射平面電磁波的電場極化方向沿y向,通過仿真得到的S參數(shù)如圖2(a)所示,可以看出在8GHz附近出現(xiàn)通帶.應(yīng)用參數(shù)提取的方法提取其等效介電常數(shù)ε和等效磁導(dǎo)率μ,圖2(b)中給出了ε和μ的實(shí)部部分,可見在與圖2(a)相對應(yīng)的8.05—8.3GHz的頻帶內(nèi)出現(xiàn)雙負(fù).由于Z形結(jié)構(gòu)與工字形結(jié)構(gòu)非常相似,在相同單元尺寸的情況下,對兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行了比較.在電磁波垂直入射,仿真條件完全相同的情況下,得到兩種結(jié)構(gòu)的傳輸參數(shù)如圖3所示.由S參數(shù)可以看出,雙Z形結(jié)構(gòu)與雙工字形結(jié)構(gòu)具有幾乎完全一致的電磁響應(yīng),只是Z形結(jié)構(gòu)磁諧振頻率向低頻移動(dòng)約0.7GHz.這是因?yàn)樵趚方向磁場的作用下,二者具有相同的磁場作用機(jī)理,即等效磁諧振回路相同,由圖4(a)中電磁波垂直入射時(shí),雙Z結(jié)構(gòu)在諧振點(diǎn)8.2GHz前后兩金屬條上的電流分布來看,與文獻(xiàn)中工字形結(jié)構(gòu)基本一致,不同之處只在于,Z形結(jié)構(gòu)較寬部分除了存在與斜向部分方向相反的縱向電流外,還存在與斜向部分方向相同的橫向電流,因此根據(jù)文獻(xiàn)中的分析理論,得到等效電路圖如圖4(b)所示,其中C1為介質(zhì)板前后兩個(gè)Z形金屬條之間的耦合電容,L11為中間斜向部分的等效電感,L12為Z形較寬部分橫向電流所對應(yīng)的等效電感,L13為較寬部分縱向電流對應(yīng)的等效電感,L11與L12串聯(lián),再與L13形成并聯(lián)電路.與工字形結(jié)構(gòu)相比,由于Z形金屬條中間部分的改變,增大了磁諧振回路的面積,增加了電感L12,根據(jù)磁諧振頻率的表達(dá)式可以看出電感L12引入,使得fm向低頻移動(dòng).因此雙Z結(jié)構(gòu)相對雙工字結(jié)構(gòu),在實(shí)現(xiàn)相同頻率的諧振時(shí)就相對具有了更小的單元尺寸.2.2.平行入射的仿真結(jié)果在電磁波平行入射的情況下,單元結(jié)構(gòu)的y,z方向分別設(shè)為周期邊界條件,x方向設(shè)置入射端口.設(shè)平面電磁波沿x軸方向入射,電場極化方向仍為y方向.通過CST仿真得到的S參數(shù)如圖5(a)所示,提取的等效電磁參數(shù)如圖5(b)所示.可以看出,在頻段8.85—9.45GHz出現(xiàn)了雙負(fù)特性.在電磁波平行入射的情況下,負(fù)介電常數(shù)仍然由Z形金屬條產(chǎn)生,而負(fù)磁導(dǎo)率的產(chǎn)生機(jī)理與垂直入射時(shí)完全不同.從結(jié)構(gòu)的z方向看去,雙Z結(jié)構(gòu)組成了兩個(gè)相對的三角形,在z向磁場的作用下,在磁諧振點(diǎn)形成兩個(gè)方向相同的電流環(huán)(圖6(a)),此響應(yīng)又與雙S結(jié)構(gòu)響應(yīng)機(jī)理完全一樣,其等效電路如圖6(b)所示,L2為Z形金屬條的等效電感,C2為Z形結(jié)構(gòu)上(下)半較寬部分之間的的耦合電容,C3為Z形結(jié)構(gòu)中間斜向交叉部分的耦合電容.由于電磁波在不同的入射方向時(shí),產(chǎn)生的磁諧振不同,從而產(chǎn)生不同的感生電流,以至于影響了電響應(yīng),因此圖5(b)中提取的介電常數(shù)與圖2(b)提取的介電常數(shù)雖然均為負(fù)值,但數(shù)值大小不同.在電磁波平行入射情況下,將雙Z結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果與雙工結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較,如圖7所示.可以發(fā)現(xiàn),由于工字結(jié)構(gòu)因?yàn)槠鋯蝹€(gè)結(jié)構(gòu)左右完全對稱,不能形成磁諧振回路,因此并不存在左手通帶;而雙Z結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了左手通帶.雖然雙Z結(jié)構(gòu)單元與雙工結(jié)構(gòu)單元在結(jié)構(gòu)上相近,但是雙Z結(jié)構(gòu)單元卻具備了雙入射二維左手特性.3.雙入射型二維左道內(nèi)插裝材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)基于左手材料單元設(shè)計(jì)原理,設(shè)計(jì)了雙入射型二維左手材料——反向?qū)ΨQ雙Z形結(jié)構(gòu)單元.通過對雙入射型結(jié)構(gòu)單元左手特性的理論分析,仿真及等效電磁參數(shù)提取,驗(yàn)證了在電磁波垂直入射和電磁波平行入射時(shí),分別在頻段8.05—8.3GHz,8.85—9.45GHz均出現(xiàn)了左手通帶.通過對雙Z結(jié)構(gòu)單元與已有的雙工形結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)在電磁波垂直入射時(shí),兩種結(jié)