基于三层基板的小型化人工电磁材料及制备方法

摘要

本发明公开了一种基于三层基板的小型化人工电磁材料及制备方法，主要解决目前HF、VHF和UHF频段的人工电磁材料结构单元尺寸过大、频率过高、无法投入实际应用的问题。其实现步骤是：首先，在两个双面PCB覆铜板上均蚀刻矩形折线或平面螺旋线，这两个基板之间夹有两面为光面的介质基板，将这三个基板粘接成一个整体基板，整体基板的两端涂金属层，将基板上的折线分别与两端所涂金属层连接，得到一个结构单元；然后，将相同的结构单元以单元整体基板的长度为周期进行平行等距排列粘接，得到人工电磁材料块材。本发明可在HF、VHF和UHF频段中实现负折射率特性，具有高度亚波长、小型化、频率低的优点，可用于改善该频段的各类通讯电子系统的性能。

权利要求

1.一种基于三层基板的小型化人工电磁材料，包括N个结构单元，N≥2，每个结构单元设有三个介质基板层，其特征在于，第一介质基板层（1）的两面均蚀刻矩形折线，第二介质基板层（2）的两面均蚀刻平面螺旋线，平面螺旋线中心连有圆形金属贴片（5），第一介质基板层（1）与第二介质基板层（2）之间夹有两面为光面的第三介质基板层（3），三者粘结为一体，形成一个折线—折线—光面—螺旋线—螺旋线结构的整体基板；该整体基板的两端涂有金属层（4），分别与第一介质基板层（1）两面的矩形折线连接，即整体基板的一端金属层与第一介质基板层一面的矩形折线连接，另一端金属层与第一介质基板层另一面的矩形折线连接。

2.根据权利要求1所述的基于三层基板的小型化人工电磁材料，其特征在于第二介质基板层两面的平面螺旋线对称放置。

3.一种基于三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εr＝2.6±0.05，损耗角正切tanδ＝0.015的聚四氟乙烯双面PCB覆铜板，在其两面覆铜箔表面均蚀刻矩形折线，制得两面均为折线面的第一介质基板层； （2）选用厚度为0.1mm～1mm，介电常数εr＝2.6±0.05，损耗角正切tanδ＝0.015的聚四氟乙烯双面PCB覆铜板，在其两个覆铜箔表面均蚀刻平面螺旋线，两面的螺旋线对称放置，螺旋中心蚀刻圆形金属贴片，制得两面均为螺旋面的第二介质基板层； （3）选用厚度为0.1mm～1mm，介电常数εr＝2.6±0.05，损耗角正切tanδ＝0.015的聚四氟乙烯PCB基板，作为第三介质基板层； （4）将第三介质基板层夹在第一介质基板层与第二介质基板层之间，三者通过绝缘粘结材料热压处理粘接为一体，形成折线—折线—光面—螺旋线—螺旋线结构的整体基板； （5）在整体基板的两端涂10μm～1mm厚的金属层，再将整体基板的一端金属层与第一介质基板层一面的矩形折线连接，另一端金属层与第一介质基板层另一面的矩 形折线连接，制得人工电磁材料结构单元； （6）重复步骤（1）～（5），得到N个结构单元，N≥2；

（7）将所有的结构单元以单元的整体基板的长度为周期进行平行等距排列，通过绝缘粘结材料热压处理粘接，制得人工电磁材料块材。

4.根据权利要求3所述的基于三层基板的小型化人工电磁材料制备方法，其特征在于所述步骤（1）中的矩形折线，该矩形折线所形成的矩形的长度Lm=0.99L，宽度Hm=0.99H；

-2 -3

矩形折线的横线线宽Lwm=1.15×10 L，矩形折线的竖线线宽Lwm=7.7×10 L，线间距-3Swm=7.7×10 L，其中L、H分别为覆铜板的长和宽。

5.根据权利要求3所述的基于三层基板的小型化人工电磁材料制备方法，其特征在于所述步骤（2）中的平面螺旋线为矩形平面螺旋线，该矩形平面螺旋线所形成的螺旋形状的-3 -2长度Lp=0.92L，宽度Hp=0.92H，匝数n=12，线宽Lwp=8.1×10 L，线间距Swp=1.23×10 L，其中L、H分别为覆铜板的长和宽。

6.根据权利要求3所述的基于三层基板的小型化人工电磁材料制备方法，其特征在于所述步骤（2）中的圆形金属贴片，其半径r为0.5mm～5mm。

说明书

基于三层基板的小型化人工电磁材料及制备方法

技术领域

[0001] 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

[0002] 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。

[0003] 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。

[0004] 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、逆切仑科夫辐射的特性，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，后向波天线的功能。

[0005] 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

[0006] 本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提供一种基于三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。

[0007] 为实现上述目的，本发明基于三层基板的小型化人工电磁材料，包括N个结构单元，N≥2，每个结构单元设有三个介质基板层，其特征在于，第一介质基板层的两面均蚀刻矩形折线，第二介质基板层的两面均蚀刻平面螺旋线，平面螺旋线中心连有圆形金属贴片，第一介质基板层与第二介质基板层之间夹有两面为光面的第三介质基板层，三者粘结为一体，形成一个折线—折线—光面—螺旋线—螺旋线结构的整体基板；该整体基板的两端涂有金属层，分别与第一介质基板层两面的矩形折线连接。

[0008] 为实现上述目的，本发明基于三层基板的小型化人工电磁材料的制备方法，包括如下步骤：

[0009] （1）选用厚度为0.1mm～1mm，介电常数εr＝2.6±0.05，损耗角正切tanδ＝0.015的聚四氟乙烯双面PCB覆铜板，在其两面覆铜箔表面均蚀刻矩形折线，制得两面均为折线面的第一介质基板层；

[0010] （2）选用厚度为0.1mm～1mm，介电常数εr＝2.6±0.05，损耗角正切tanδ＝0.015的聚四氟乙烯双面PCB覆铜板，在其两个覆铜箔表面均蚀刻平面螺旋线，两面的螺旋线对称放置，螺旋中心蚀刻圆形金属贴片，制得两面均为螺旋面的第二介质基板层；

[0011] （3）选用厚度为0.1mm～1mm，介电常数εr＝2.6±0.05，损耗角正切tanδ＝0.015的聚四氟乙烯PCB基板，作为第三介质基板层；

[0012] （4）将第第三介质基板层夹在第一介质基板层与第二介质基板层之间，三者通过绝缘粘结材料热压处理粘接为一体，形成折线—折线—光面—螺旋线—螺旋线结构的整体基板；

[0013] （5）在整体基板的两端涂10μm~1mm厚的金属层，再将两端的金属层分别与该整体基板上的折线连接，制得人工电磁材料结构单元；

[0014] （6）重复步骤（1）～（5），得到N个结构单元，N≥2；

[0015] （7）将所有的结构单元以单元的整体基板的长度为周期进行平行等距排列，通过绝缘粘结材料热压处理粘接，制得人工电磁材料块材。

[0016] 所述步骤（1）中的矩形折线，其长度Lm=0.99L，宽度Hm=0.99H，矩形折线的横线线-2 -3 -3宽Lwm=1.15×10 L，矩形折线的竖线线宽Lwm=7.7×10 L，线间距Swm=7.7×10 L，其中L、H分别为覆铜板的长和宽。

[0017] 所述步骤（2）中的平面螺旋线，其长度Lp=0.92L，宽度Hp=0.92H，匝数n=12，线宽-3 -2Lwp=8.1×10 L，线间距Swp=1.23×10 L，其中L、H分别为覆铜板的长和宽。

[0018] 所述步骤（2）中的圆形金属贴片，其半径r为0.5mm～5mm。

[0019] 本发明具有如下优点：

[0020] 本发明由于使用在三层基板的四个不同覆铜箔表面分别蚀刻矩形折线或平面螺旋线，可形成折线—折线—光面—螺旋线—螺旋线结构的整体基板结构；同时由于在整体基板的两端涂金属层，并与整体基板中的折线连接，构成单元结构，实现了在HF、VHF和UHF频段中特定频段的负折射率特性；此外由于将两端的金属层分别与整体基板的折线连接，使得结构单元结构尺寸减小到λ/100以下，克服了传统人工电磁材料在HF、VHF和UHF频段单元尺寸过大，无法投入实际应用的限制，其中λ为工作波长。附图说明：

[0021] 图1为本发明的单元结构示意图；

[0022] 图2为本发明的制作流程图；

[0023] 图3为本发明制作流程中蚀刻的矩形折线示意图；

[0024] 图4为本发明制作流程中蚀刻的平面螺旋线示意图；

[0025] 图5为本发明第一实施例的等效介电常数特性图；

[0026] 图6为本发明第一实施例的等效磁导率特性图；

[0027] 图7为本发明第一实施例的等效媒质折射率特性图。具体实现方式

[0028] 本发明基于三层基板的小型化人工电磁材料是由N个结构单元平行等距排列粘接组成，N≥2，每个结构单元的结构如图1所示。

[0029] 参照图1，本发明的结构单元包括三个介质基板层，其中第一介质基板层1的两面均蚀刻矩形折线；第二介质基板层2的两面均蚀刻平面螺旋线，螺旋线中心连有圆形金属贴片5，两面的平面螺旋线对称放置；第一介质基板层1与第二介质基板层2之间夹有两面为光面的第三介质基板层3；三者粘结为一体，形成一个折线—折线—光面—螺旋线—螺旋线结构的整体基板；该整体基板的两端涂有金属层4，其中一端金属层4与第一介质基板层1一面蚀刻的矩形折线的底端连接，另一端金属层4与第一介质基板层1另一面蚀刻的矩形折线的顶端连接；将N个单元，N≥2，以单元整体基板的长度为周期进行平行等距排列粘接，得到人工电磁材料块材。

[0030] 参照图2，本发明制作图1结构材料的方法，给出如下三种实施例：

[0031] 实施例1

[0032] 步骤1，选用厚度为0.2mm，介电常数εr＝2.6±0.05，损耗角正切tanδ＝0.015的聚四氟乙烯双面PCB覆铜板，在其两个覆铜箔表面均蚀刻如图3所示的矩形折线，制得两面均为折线面第一介质基板层；图3中的矩形折线长Lm=0.99L，宽Hm=0.99H，矩形折线的横-2 -3 -3线线宽Lwm=1.15×10 L，矩形折线的竖线线宽Lwm=7.7×10 L，线间距Swm=7.7×10 L，其中L、H分别为覆铜板的长和宽，具体数值根据实际需要选取，本实例取L=H=26mm。

[0033] 步骤2，选用厚度为0.2mm，介电常数εr＝2.6±0.05，损耗角正切tanδ＝0.015的聚四氟乙烯双面PCB覆铜板，在其两个覆铜箔表面均蚀刻如图4所示的平面螺旋线，两面的螺旋线对称放置，制得两面均为螺旋面的第二介质基板层；图4中平面螺旋线-3
的外轮廓长度Lp=0.92L，外轮廓宽度Hp=0.92H，匝数n=12，线宽Lwp=8.1×10 L，线间距为-2
Swp=1.23×10 L，螺旋中心所连的圆形金属贴片的半径r=1mm，其中L、H分别为覆铜板的长和宽，本实例取L=H=26mm。

[0034] 步骤3，选用厚度为0.1mm，介电常数εr＝2.6±0.05，损耗角正切tanδ＝0.015，大小与第一介质基板层相同的聚四氟乙烯PCB基板，作为第三介质基板层。

[0035] 步骤4，将第三介质基板层夹在第一介质基板层与第二介质基板层之间，三者通过绝缘粘结材料热压处理，使其粘接为一体，形成折线—折线—光面—螺旋线—螺旋线结构的整体基板。

[0036] 步骤5，在整体基板的两端涂10μm厚的金属层，并将整体基板一端所涂的金属层与第一介质基板一面的矩形折线的底端连接，将整体基板另一端所涂的金属层与第一介质基板另一面的矩形折线的顶端连接，制得人工电磁材料结构单元。

[0037] 步骤6，重复步骤1～步骤5，得到N个结构单元，N≥2。

[0038] 步骤7，将所有的结构单元以单元整体基板的长度为周期进行平行等距排列，并通过绝缘粘结材料热压，将这些结构单元进行粘接，制得人工电磁材料块材。

[0039] 实施例2

[0040] 步骤一，选用厚度为0.1mm，介电常数εr＝2.6±0.05，损耗角正切tanδ＝0.015的聚四氟乙烯双面PCB覆铜板，在其两个覆铜箔表面均蚀刻如图3所示的矩形折线，制得两面均为折线面第一介质基板层；图3中的矩形折线的长Lm=0.99L，宽Hm=0.99H，矩形折线的-2 -3 -3横线线宽Lwm=1.15×10 L，矩形折线的竖线线宽Lwm=7.7×10 L，线间距Swm=7.7×10 L，其中L、H分别为覆铜板的长和宽，具体数值根据实际需要选取，本实例取L=H=40mm。

[0041] 步骤二，选用厚度为0.1mm，介电常数εr＝2.6±0.05，损耗角正切tanδ＝0.015的聚四氟乙烯双面PCB覆铜板，在其两个覆铜箔表面均蚀刻如图4所示的平面螺旋线，两面的螺旋线对称放置，制得两面均为螺旋面的第二介质基板层；图4中平面螺旋线-3
的外轮廓长度Lp=0.92L，外轮廓宽度Hp=0.92H，匝数n=12，线宽Lwp=8.1×10 L，线间距为-2
Swp=1.23×10 L，螺旋中心所连的圆形金属贴片的半径r=0.5mm，其中L、H分别为覆铜板的长和宽，本实例取L=H=40mm。

[0042] 步骤三，选用厚度为0.2mm，介电常数εr＝2.6±0.05，损耗角正切tanδ＝0.015，大小与第一介质基板层相同的聚四氟乙烯PCB基板，作为第三介质基板层。

[0043] 步骤四，与实施例1的步骤4相同。

[0044] 步骤五，在整体基板的两端涂17μm厚的金属层，并将整体基板一端所涂的金属层与第一介质基板一面的矩形折线的底端连接，将整体基板另一端所涂的金属层与第一介质基板另一面的矩形折线的顶端连接，制得人工电磁材料结构单元。

[0045] 步骤六，与实施例1的步骤6相同。

[0046] 步骤七，与实施例1的步骤7相同。

[0047] 实施例3

[0048] 步骤A，选用厚度为1mm，介电常数εr＝2.6±0.05，损耗角正切tanδ＝0.015的聚四氟乙烯双面PCB覆铜板，在其两个覆铜箔表面均蚀刻如图3所示的矩形折线，制得两面均为折线面第一介质基板层；图3中的矩形折线的长Lm=0.99L，宽Hm=0.99H，矩形折线的-2 -3 -3横线线宽Lwm=1.15×10 L，矩形折线的竖线线宽Lwm=7.7×10 L，线间距Swm=7.7×10 L，其中L、H分别为覆铜板的长和宽，具体数值根据实际需要选取，本实例取L=H=20mm。

[0049] 步骤B，选用厚度为1mm，介电常数εr＝2.6±0.05，损耗角正切tanδ＝0.015的聚四氟乙烯双面PCB覆铜板，在其两个覆铜箔表面均蚀刻如图4所示的平面螺旋线，两面的螺旋线对称放置，制得两面均为螺旋面的第二介质基板层；图4中平面螺旋线的长-3 -2度Lp=0.92L，宽度Hp=0.92H，匝数n=12，线宽Lwp=8.1×10 L，线间距为Swp=1.23×10 L，螺旋中心所连的圆形金属贴片的半径r=5mm，其中L、H分别为覆铜板的长和宽，本实例取L=H=20mm。

[0050] 步骤C，选用厚度为1mm，介电常数εr＝2.6±0.05，损耗角正切tanδ＝0.015，大小与第一介质基板层相同的聚四氟乙烯PCB基板，作为第三介质基板层。

[0051] 步骤D，与实施例1的步骤4相同。

[0052] 步骤E，在整体基板的两端涂1mm厚的金属层，并将整体基板一端所涂的金属层与第一介质基板一面的矩形折线的底端连接，将整体基板另一端所涂的金属层与第一介质基板另一面的矩形折线的顶端连接，制得人工电磁材料结构单元。

[0053] 步骤F，与实施例1的步骤6相同。

[0054] 步骤G，与实施例1的步骤7相同。

[0055] 本发明的实施效果可通过计算机数值仿真计算进一步说明：

[0056] 为了得到严格正确的数值计算结果和尽量准确的电磁仿真结果，从而进一步证明高度亚波长人工电磁媒质构造的可行性，本发明使用了基于有限元方法的电磁场仿真商业软件HFSS对所要构造的材料进行数值全波仿真，研究得出其中部分实例的等效介电常数、磁导率和折射率的特性。

[0057] 针对实施例1的结构材料进行具体的计算机仿真，图5给出其等效介电常数的频率特性，图6给出其等效磁导率的频率特性，图7给出其等效媒质折射率的特性。

[0058] 从图5可看出，在36.55MHz到该材料的等离子频率范围内，本发明可实现等效介电常数为负特性。

[0059] 从图6可看出，在17.85MHz到21.35MHz频率范围内，本发明可实现等效磁导率为负特性。

[0060] 从图7可看出，在61.8MHz到67.75MHz频率范围内，本发明可实现等效媒质折射率为负特性。