阅读说明：本技术 一种基于共面双向叉指贴片结构的人工电介质表面 (Artificial dielectric surface based on coplanar bidirectional interdigital patch structure ) 是由 杨歆汨 李烨 朱立宇 于 2019-10-21 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于共面双向叉指贴片结构的人工电介质表面,其包括本体,所述本体包括由上至下依次设置的金属覆层和介质基板,金属覆层由大小相等的正方形金属贴片周期阵列而成,正方形金属贴片的四个边的边缘均设有周期性凸起,相邻两凸起之间形成凹槽,相邻两正方形金属贴片上的凸起均互相插入彼此的凹槽中,且与凹槽的内壁设有间隙。本发明的基于共面双向叉指贴片结构的人工电介质表面的等效相对介电常数的调节范围较宽,上限值较高,可以满足现有高性能应用场合下对电磁波灵活调控的需要,可以满足在较高微波频率比如在20GHz以上实现较高相对介电常数的要求,其只有单面金属图案,加工成本显著降低。(The invention discloses an artificial dielectric medium surface based on a coplanar bidirectional interdigital patch structure, which comprises a body, wherein the body comprises a metal coating layer and a medium substrate which are sequentially arranged from top to bottom, the metal coating layer is formed by a square metal patch periodic array with the same size, periodic bulges are arranged on the edges of four sides of the square metal patch, a groove is formed between every two adjacent bulges, the bulges on the two adjacent square metal patches are mutually inserted into the grooves, and a gap is arranged between the bulges and the inner wall of the groove. The artificial dielectric medium surface based on the coplanar bidirectional interdigital patch structure has wider adjustment range of equivalent relative dielectric constant and higher upper limit value, can meet the requirement of flexibly adjusting and controlling electromagnetic waves in the existing high-performance application occasions, can meet the requirement of realizing higher relative dielectric constant at higher microwave frequency such as more than 20GHz, only has single-sided metal patterns, and obviously reduces the processing cost.)

一种基于共面双向叉指贴片结构的人工电介质表面

技术领域

本发明涉及人工电介质表面技术领域，特别涉及一种基于共面双向叉指贴片结构的人工电介质表面。

背景技术

人工电介质表面是用亚波长人工结构周期排列而成的具有等效介电特性的人工结构。近年来，人工电介质表面被大量应用于微波和天线工程中，如用于减小微波器件尺寸、增加天线的定向性、实现天线波束调控等。在透镜天线的应用中，人工电介质表面在折射率、阻抗、极化方面都有着明显的优势。例如在梯度指数(GRIN)超材料透镜天线中，方环形人工电介质表面用于增加带宽和实现双极化；在IML结构透镜天线中，H形人工电介质表面用于实现带宽增强，光束聚焦，增益增强和极化效率；在Luneburg透镜天线中，双圆环形人工电介质表面提供了增益和方向性的增强等等。

人工电介质表面根据其组成单元结构的不同可以划分成不同类型，典型的单元结构类型有工形结构、方环形结构等。而基于工形和方环形单元结构的人工电介质表面的相对介电常数可调范围较窄，不能满足现有高性能应用场合下对电磁波灵活调控的需要；谐振频率较低，难以满足在较高微波频率比如在20GHz以上实现较高相对介电常数的要求。

此外一些新型的人工电介质表面，比如以紧耦合双面贴片结构或者双面正交叉指条带结构作为基本周期单元的人工电介质表面，其工作原理和工形人工电介质、方环形人工电介质表面相仿，它们虽然能够在较高微波频段上实现较高相对介电常数且有较宽的相对介电常数调节范围，但每个单元需要通过PCB工艺刻蚀出双面金属图案，加工成本较高。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明目的在于提供一种结构合理，谐振频率较高，相对介电常数可调范围较宽，能满足在较高微波频段的应用场合下对电磁波灵活调控的人工电介质表面。其采用如下技术方案：

一种基于共面双向叉指贴片结构的人工电介质表面，其包括本体，所述本体包括由上至下依次设置的金属覆层和介质基板，所述金属覆层由大小相等的正方形金属贴片在XY平面周期阵列而成，所述正方形金属贴片的四个边的边缘均设有周期性凸起，相邻两凸起之间形成凹槽，相邻两正方形金属贴片上的凸起均互相***彼此的凹槽中，且与凹槽的内壁设有间隙。

作为本发明的进一步改进，所述凸起和凹槽均为矩形，所述凸起的两侧边与所述凹槽的两侧壁的间隙相等。

作为本发明的进一步改进，所述介质基板为聚酰亚胺挠性CCL板材，所述介质基板的厚度ts＝0.0254mm，相对介电常数为3.5，损耗角正切Df＝0.018，所述金属覆层材料为铜，所述金属覆层的厚度tf＝0.018mm，所述凸起的长度l＝0.3mm，所述凸起的宽度w＝0.15mm，所述凸起到相邻正方形金属贴片上凹槽的底部距离为s＝0.15mm，所述凸起的侧边与所述凹槽的侧壁的间隙g＝0.15mm。

作为本发明的进一步改进，所述正方形金属贴片的一个角设有转角连接部，相邻三个正方形金属贴片分别与所述转角连接部配合形成间隙。

作为本发明的进一步改进，包括多个所述本体，所述本体沿Z方向周期排列。

本发明的有益效果：

本发明的基于共面双向叉指贴片结构的人工电介质表面的等效相对介电常数的调节范围较宽，上限值较高，可以满足现有高性能应用场合下对电磁波灵活调控的需要。

本发明的基于共面双向叉指贴片结构的人工电介质表面的单元谐振频率较高，可以满足在较高微波频率比如在20GHz以上实现较高相对介电常数的要求。

本发明的基于共面双向叉指贴片结构的人工电介质表面可通过多片级联来完成对较厚真实电介质的模拟。

本发明的基于共面双向叉指贴片结构的人工电介质表面只有单面金属图案，加工成本显著降低。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1是本发明实施例一中基于共面双向叉指贴片结构的人工电介质表面的结构分解示意图；

图2是本发明实施例一中基于共面双向叉指贴片结构的人工电介质表面单元的结构分解示意图；

图3是本发明实施例一中基于共面双向叉指贴片结构的人工电介质表面单元的结构示意图；

图4是本发明实施例一中基于共面双向叉指贴片结构的人工电介质表面的相对介电常数在0到30GHz的频响图；

图5是本发明实施例二中基于共面双向叉指贴片结构的人工电介质表面周期单元的结构示意图；

图6是本发明实施例二中基于共面双向叉指贴片结构的人工电介质表面的相对介电常数在0到30GHz的频响图。

标记说明：10、正方形金属贴片；11、凸起；12、转角连接部；20、介质基板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

基于共面双向叉指贴片结构的人工电介质表面单元对外加电磁波会呈现出电感、电容效应。其中双向叉指金属贴片(由正方形金属贴片和边缘周期性凸起组成)本身可以等效为电感，而相邻双向叉指金属贴片之间的间隙可以等效为电容。若外加电场沿着双向叉指金属贴片的叉指指向(即x或y方向)，则双向叉指金属贴片可等效为电偶极子产生电偶极矩，使得共面叉指人工电介质表面沿x或y方向产生等效介电特性。共面叉指人工电介质表面的等效电偶极矩大小也就是等效介电特性可通过改变共面叉指人工电介质表面单元的等效电感和等效电容的大小也即调节双向叉指金属贴片的叉指的长宽和间隙、叉指数目以及相邻双向叉指金属贴片的间隙等来实现。

由于本发明“基于共面双向叉指贴片结构的人工电介质表面”单元的等效电容是同金属层内相邻双向叉指金属贴片的间隙所提供的，而叉指的存在增大了相邻双向叉指金属贴片的等效正对面积，使得该间隙电容值显著增大，因此在相同的单元排布周期下，本发明提出的共面叉指人工电介质表面的单元可实现的等效电容数值比传统工形和方环形人工电介质的等效电容数值明显增大，等效相对介电常数调节范围的上限值也得以显著增加，达到了相对介电常数可调范围扩大的效果；同时由于基于共面双向叉指贴片结构的人工电介质表面的单元等效电感因贴片之间间隙很小而很小，由谐振频点计算公式

可知，共面叉指人工电介质表面的单元谐振频率也相应较高，能够满足在较高微波频段范围比如20GHz以上模拟特定相对介电常数的需要。

此外，由于本发明提出的共面叉指人工电介质表面的双向叉指金属贴片沿x和y方向具有对称性，即在这两个正交的方向上具有完全相同的叉指结构，故共面叉指人工电介质表面对分别沿这两个方向的外加电场呈现同样的等效介电性质，具有面内近似二维各向同性的等效介电特性。

本发明的具体实施例如下：

实施例一

如图1-3所示，为本发明实施例一中基于共面双向叉指贴片结构的人工电介质表面，该基于共面双向叉指贴片结构的人工电介质表面包括本体，本体包括由上至下依次设置的金属覆层和介质基板20。整个人工电介质表面是一种二维周期表面。

具体的，金属覆层由大小相等的正方形金属贴片10周期阵列而成，如图2-3所示，为本发明实施例中基于共面双向叉指贴片结构的人工电介质表面单元，每个单元保护一个正方形金属贴片10，正方形金属贴片10的四个边的边缘均设有周期性凸起11，相邻两凸起11之间形成凹槽，相邻两正方形金属贴片10上的凸起11均互相***彼此的凹槽中，且与凹槽的内壁设有间隙。

在本实施例中，凸起11和凹槽均为矩形，凸起11的两侧边与凹槽的两侧壁的间隙相等。

为了保证整体结构的完整性和相邻两正方形金属贴片10之间间隙的连贯性，正方形金属贴片10的一个角设有转角连接部12，相邻三个正方形金属贴片10分别与转角连接部12配合形成间隙。

具体的，介质基板20为聚酰亚胺挠性CCL板材，介质基板20的厚度ts＝0.0254mm，相对介电常数为3.5，损耗角正切Df＝0.018，金属覆层10材料为铜，金属覆层的厚度tf＝0.018mm，所述凸起的长度l＝0.3mm，凸起11的宽度w＝0.15mm，凸起11到相邻正方形金属贴片10上凹槽的底部距离为s＝0.15mm，凸起11的侧边与凹槽的侧壁的间隙g＝0.15mm。转角连接部12长度和宽度均为c＝0.4mm，正方形金属贴片10每个边的凸起11的数量nd＝2，正方形金属贴片10的边长为d＝nd*2*(w+g)+c＝1.6mm，正方形金属贴片10的排布周期为ax＝ay＝d+s＝1.75mm。

如图4所示，为实施例一中在基于共面双向叉指贴片结构的人工电介质表面在正入射电磁波激励下、入射电场沿着x或y方向时，其等效相对介电常数随频率变化的曲线。可以看出，该双面贴片人工电介质表面实施例在24GHz时的相对介电常数达到4.949。另外该实施例的单元谐振频率高达63.77GHz左右。可用来模拟厚度为1.5mm、相对介电常数在24GHz时为4.9的电介质薄板。

实施例二

如图5所示，为本实施例中基于共面双向叉指贴片结构的人工电介质表面，其包括多个本体，多个本体沿Z方向周期排列。每个本体的具体结构如图1-3所示。

具体的，本实施例中的本体包括由上至下依次设置的金属覆层和介质基板20。

具体的，金属覆层由大小相等的正方形金属贴片10周期阵列而成，正方形金属贴片10的四个边的边缘均设有周期性凸起11，相邻两凸起11之间形成凹槽，相邻两正方形金属贴片10上的凸起11均互相***彼此的凹槽中，且与凹槽的内壁设有间隙。

在本实施例中，凸起11和凹槽均为矩形，凸起11的两侧边与凹槽的两侧壁的间隙相等。

为了保证整体结构的完整性和相邻两正方形金属贴片10之间间隙的连贯性，正方形金属贴片10的一个角设有转角连接部12，相邻三个正方形金属贴片10分别与转角连接部12配合形成间隙。

具体的，介质基板20为聚酰亚胺挠性CCL板材，介质基板20的厚度ts＝0.0254mm，相对介电常数为3.5，损耗角正切Df＝0.018，金属覆层10材料为铜，金属覆层的厚度tf＝0.018mm，所述凸起的长度l＝0.3mm，凸起11的宽度w＝0.15mm，凸起11到相邻正方形金属贴片10上凹槽的底部距离为s＝0.2mm，凸起11的侧边与凹槽的侧壁的间隙g＝0.15mm。转角连接部12长度和宽度均为c＝0.4mm，正方形金属贴片10每个边的凸起11的数量nd＝2，正方形金属贴片10的边长为d＝nd*2*(w+g)+c＝1.6mm，正方形金属贴片10的排布周期为ax＝ay＝d+s＝1.8mm。

如图6所示，为实施例二中在基于共面双向叉指贴片结构的人工电介质表面在正入射电磁波激励下、入射电场沿着x或y方向时，其等效相对介电常数随频率变化的曲线。可以看出，该双面贴片人工电介质表面实施例在24GHz时的相对介电常数达到4.189。另外该实施例的单元谐振频率高达59.91GHz左右。可用来模拟厚度为3mm、相对介电常数在24GHz时为4.2的较厚电介质薄板。

本发明基于共面双向叉指贴片结构的人工电介质表面的单元谐振频率很高，能满足在较高频率范围比如20GHz以上实现较高相对介电常数的要求；可实现的等效相对介电常数变化范围较宽，上限值较高，能满足在较高微波频段的应用场合下对电磁波灵活调控的需要；另外所提出的共面叉指人工电介质表面可通过多片级联来完成对较厚真实电介质的模拟。

以上实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。