[發明專利]一種基于改進漁網型結構的寬帶近零折射率電磁超材料

有效

• 申請號: 201810326677.2
• 申請日: 2018-04-12
• 公開（公告）號: CN108666761B
• 公開（公告）日: 2021-01-12
• 發明（設計）人: 李偉明;任武;薛正輝;許芳杰;姜昊;曾慶運;房書韜;楊詩怡;賀天皓;孫勝凱;姚增利
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: H01Q15/00
• 分類號: H01Q15/00
• 代理公司: 北京理工大學專利中心 11120
• 代理人: 李愛英;仇蕾安

本發明公開一種基于改進漁網型結構的寬帶近零折射率電磁超材料，由多個長方體結構的單元組成，每個單元自上到下依次為改進型漁網結構金屬層、介質層和改進型漁網結構金屬層；改進型漁網結構金屬層為邊緣加工有周期性交錯槽線的漁網結構的金屬板；本發明在保證良好的空間匹配度的同時實現相對寬帶范圍內的近零折射率特性。

技術領域

本發明涉及電磁超材料的應用領域，具體涉及一種改進的漁網型近零折射 率的超材料單元設計。

背景技術

低折射率或者零折射率超材料憑借其獨特的電磁特性在各領域引起了極大 的關注。依據其類似靜態場分布和無限相速的特性，諸如高定向性輻射、波前 整形、方向圖的賦形等實際應用得到實現。但因其結構特性，固有的色散特性 導致了其窄的工作帶寬，嚴重阻礙了該類超材料的實際應用范圍。因此，如何 有效地設計出寬帶超材料單元成為突破應用壁壘的關鍵。

電磁周期結構即廣義上的超材料，是一類具有自然界中所不具備的超常物 理性質的等效均勻人工復合結構或復合材料。超材料由人工構造的周期性微結 構組成，以等效介電常數ε_eff、等效磁導率μ_eff描述其整體電磁特征。通過設計 不同的微結構，可使超材料的相對等效介電常數ε_re-eff、相對等效磁導率μ_re-eff為小于1的正實數、負實數或復數，從而使電磁波傳播方式從根本上發生變化。 而折射率近零超材料就是相對等效介電常數ε_re-eff和相對等效磁導率μ_re-eff的 乘積近零的超材料。

如圖1所示，傳統的漁網型結構單元由三層對稱結構組成，即在一定厚度 的介質基板的兩側表面覆上結構尺寸相同的具有一定寬度的微帶線相互正交構 成的十字型金屬結構。傳統的漁網型結構就是由該單元在二維方向上進行周期 延拓。

傳統的漁網型結構能夠實現電磁諧振，其電諧振的實現是依據Drude模型， 將一定寬度的金屬線進行二維的周期性排布，進而實現在特定頻率范圍內的等 效介電常數ε_re-eff近零。傳統的漁網型結構實現零相對等效介電常數的頻點依 賴于金屬線寬和周期排布的尺寸，除此之外，等效介電常數ε_re-eff近零的頻率 范圍內的大小還依賴于基板的相對介電常數的大小。

其磁諧振的實現是兩層金屬之間的介質基板中產生了位移電流，結合金屬 線上的感應電流，金屬線、介質基板和金屬線三層結構之間構成了閉合環路的 誘導電流。當外界磁場垂直穿過該閉合環路時就產生了磁諧振。傳統的漁網型 結構實現磁諧振的頻點主要依賴于金屬線的長度，也即周期排布的晶格常數。

通過提取的傳統漁網型結構單元的電磁參數結果來看，相對等效介電常數 ε_re-eff近零的宏觀特性只能在相對小的頻帶范圍內實現，這也是Drude模型結 構固有的特點；而對于結構實現的提取的電磁參數結果顯示：在一階磁諧振和 二階磁諧振的相當寬的頻率范圍內，相對等效磁導率μ_re-eff均接近零。

由于電諧振和磁諧振之間的相互影響，傳統的漁網型結構很難將零相對等 效介電常數的頻點調節到一階磁諧振和二階磁諧振的相當寬的頻率范圍內的合 適的位置。因此，在指定頻段內相對等效介電常數ε_re-eff和相對等效磁導率 μ_re-eff相差較大，因此雖能夠在非常窄實現近零折射率的特性，但空間匹配度 較差，導致較低的傳輸系數。傳統漁網型結構具有結構簡單、低剖面、易裝配 等特點，通過改進該結構能夠實現高傳輸系數、寬帶、近零折射的超材料單元。

發明內容

有鑒于此，本發明提供了一種基于改進漁網型結構的寬帶近零折射率的超 材料單元。在保證良好的空間匹配度的同時實現相對寬帶范圍內的近零折射率 特性。

實現本發明的技術方案如下：