一種超材料諧振頻率測(cè)試裝置及測(cè)試方法【技術(shù)領(lǐng)域】本發(fā)明涉及超材料領(lǐng)域，具體地涉及超材料諧振頻率的測(cè)試技術(shù)。

背景技術(shù)：
超材料是指一些具有天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的人工復(fù)合結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料。通過(guò)在材料的關(guān)鍵物理尺度上的結(jié)構(gòu)有序設(shè)計(jì)，可以突破某些表觀自然規(guī)律的限制，從而獲得超出自然界固有的普通性質(zhì)的超常材料功能。超材料的性質(zhì)和功能主要來(lái)自于其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)而非構(gòu)成它們的材料，因此，為設(shè)計(jì)和合成超材料，人們進(jìn)行了很多研究工作。2000年，加州大學(xué)的Smith等人指出周期性排列的金屬線和開(kāi)環(huán)共振器(SRR)的復(fù)合結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)介電常數(shù)ε和磁導(dǎo)率μ同時(shí)為負(fù)的雙負(fù)材料，也稱(chēng)左手材料。之后他們又通過(guò)在印刷電路板(PCB)上制作金屬線和SRR復(fù)合結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了二維的雙負(fù)材料。對(duì)于磁場(chǎng)具有響應(yīng)的金屬線和開(kāi)環(huán)共振器結(jié)構(gòu)，通常稱(chēng)之為磁性微結(jié)構(gòu)。對(duì)于具有負(fù)磁導(dǎo)率的超材料，由于其具有極化作用，可以對(duì)入射波產(chǎn)生極化影響，因此具有廣泛的應(yīng)用，如在醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域中的磁共振成像，可以增強(qiáng)倏逝波以達(dá)到加強(qiáng)成像效果的目的，例如在共振式的無(wú)線能量傳輸中，在共振場(chǎng)中加入超材料能夠加強(qiáng)無(wú)線能量傳輸效率，但應(yīng)用需要滿足的條件是：超材料的諧振頻率需要在工作頻率下才能起到有益效果。然而，對(duì)于已經(jīng)制作好的超材料而言，一方面其本身的諧振頻率是固定的，另一方面工藝制造的原因使得超材料的諧振頻率呈現(xiàn)出較大的差異性，如無(wú)法準(zhǔn)確地知道超材料的諧振頻率將給應(yīng)用帶來(lái)困難，超材料的增強(qiáng)效果就會(huì)大大減弱，甚至不起作用。因此，對(duì)超材料諧振頻率的測(cè)試成為亟待解決的技術(shù)問(wèn)題。現(xiàn)有技術(shù)中，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真的方法能實(shí)現(xiàn)對(duì)超材料諧振頻率的仿真計(jì)算，但是，存在的問(wèn)題是，對(duì)于具有復(fù)雜微結(jié)構(gòu)陣列的超材料而言，即使采用高性能計(jì)算機(jī)也需要很長(zhǎng)的時(shí)間進(jìn)行仿真計(jì)算，同時(shí)，由于制造工藝的差別性，仿真結(jié)果與實(shí)際的超材料諧振頻率存在較大誤差，這給超材料的實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)極大困難。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種超材料諧振頻率測(cè)試裝置及測(cè)試方法。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)發(fā)明目的采用的技術(shù)方案是，一種超材料諧振頻率測(cè)試裝置，用以測(cè)試超材料的諧振頻率，所述諧振頻率測(cè)試裝置包括：矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，產(chǎn)生頻率可調(diào)的交流電信號(hào)；信號(hào)發(fā)射線圈，電連接所述矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的信號(hào)輸出端，用以產(chǎn)生交變磁場(chǎng)；信號(hào)接收線圈，用以接收所述信號(hào)發(fā)射線圈產(chǎn)生的交變電磁場(chǎng)信號(hào)，所述信號(hào)接收線圈電連接所述矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的信號(hào)輸入端；所述超材料放置于所述信號(hào)發(fā)射線圈與所述信號(hào)接收線圈之間。優(yōu)選地，所述信號(hào)發(fā)射線圈與所述信號(hào)接收線圈的固有頻率相同。優(yōu)選地，所述信號(hào)發(fā)射線圈與所述信號(hào)接收線圈為單匝的圓環(huán)形漆包線線圈。優(yōu)選地，所述信號(hào)發(fā)射線圈與所述信號(hào)接收線圈的直徑相等。優(yōu)選地，所述信號(hào)發(fā)射線圈與所述信號(hào)接收線圈的直徑小于所述超材料的尺寸。優(yōu)選地，所述信號(hào)發(fā)射線圈與所述信號(hào)接收線圈分別固定在基板上，所述基板為塑料或泡沫材料。本發(fā)明還提供一種超材料諧振頻率測(cè)試方法，采用上述超材料諧振頻率測(cè)試裝置，包括以下步驟：a.在未放入超材料時(shí)，通過(guò)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試信號(hào)發(fā)射線圈與信號(hào)接收線圈之間的傳輸系數(shù)S21，得到第一S21曲線；b.放入超材料，通過(guò)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試信號(hào)發(fā)射線圈與信號(hào)接收線圈之間的傳輸系數(shù)S21′，得到第二S21曲線；c.將所述第二S21曲線與所述第一S21曲線進(jìn)行比對(duì)，找出所述第二S21曲線的增益加強(qiáng)峰，所述增益加強(qiáng)峰峰值對(duì)應(yīng)的頻率即為所述超材料的諧振頻率。優(yōu)選地，所述步驟a之前還包括：通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真的方法得到所述超材料的諧振頻率范圍，然后在步驟a、b中，控制所述矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的信號(hào)掃描范圍在所述諧振頻率范圍內(nèi)進(jìn)行。具體地，所述計(jì)算機(jī)仿真的方法為通過(guò)CST軟件進(jìn)行諧振頻率的仿真計(jì)算。通過(guò)使用根據(jù)本發(fā)明的超材料諧振頻率測(cè)試裝置和測(cè)試方法，可以準(zhǔn)確地測(cè)得超材料的諧振頻率，實(shí)現(xiàn)對(duì)超材料產(chǎn)品參數(shù)性質(zhì)的檢測(cè)，還能為超材料的應(yīng)用提供測(cè)試手段，進(jìn)而提高超材料的研發(fā)設(shè)計(jì)效率?！靖綀D說(shuō)明】圖1，本發(fā)明超材料諧振頻率測(cè)試裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2，本發(fā)明超材料諧振頻率測(cè)試裝置的測(cè)試方法流程圖圖3，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試得到的第二S21曲線和第一S21曲線的對(duì)比圖?！揪唧w實(shí)施方式】下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。本發(fā)明超材料諧振頻率測(cè)試裝置的結(jié)構(gòu)示意圖參看附圖1，包括以下組成部分：矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀1，產(chǎn)生頻率可調(diào)的交流電信號(hào)；信號(hào)發(fā)射線圈2，電連接矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀1的信號(hào)輸出端，用以產(chǎn)生交變磁場(chǎng)；信號(hào)接收線圈3，用以接收信號(hào)發(fā)射線圈2產(chǎn)生的交變電磁場(chǎng)信號(hào)，信號(hào)接收線圈3電連接矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀1的信號(hào)輸入端；超材料4放置于信號(hào)發(fā)射線圈1與信號(hào)接收線圈2之間。應(yīng)當(dāng)理解的是，上述信號(hào)發(fā)射線圈2、信號(hào)接收線圈3和超材料4在組成測(cè)試裝置時(shí)，需要通過(guò)測(cè)試夾具進(jìn)行固定，本示意圖未進(jìn)行詳細(xì)表示。此處的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀1可在儀表的工作頻段內(nèi)完成對(duì)被測(cè)件的傳輸發(fā)射參數(shù)的測(cè)試，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀1對(duì)某個(gè)器件或系統(tǒng)測(cè)試得到完整的參數(shù)包括：發(fā)射與透射特性、幅度信息、相位信息等，對(duì)這些參數(shù)可采用S參數(shù)(或稱(chēng)散射參數(shù))進(jìn)行描述，S參數(shù)的定義是基于信號(hào)電壓比值的參數(shù)，所以S參數(shù)為矢量，對(duì)于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀1而言，本發(fā)明超材料諧振頻率測(cè)試裝置中的信號(hào)發(fā)射線圈2為被測(cè)系統(tǒng)的輸入端口，信號(hào)接收線圈3為被測(cè)系統(tǒng)的輸出端口，被測(cè)系統(tǒng)輸入端口的反射系數(shù)表示為S11，被測(cè)系統(tǒng)輸入端口至輸出端口的傳輸系數(shù)表示為S21，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀1可測(cè)試并得到工作頻段內(nèi)的S11或S21曲線圖。本發(fā)明的信號(hào)發(fā)射線圈2與信號(hào)接收線圈3可采用單匝的圓環(huán)形漆包線線圈，為獲得好的對(duì)比性，信號(hào)發(fā)射線圈2與信號(hào)接收線圈3設(shè)計(jì)為相等的直徑以獲得相同的固有頻率，同時(shí)，信號(hào)發(fā)射線圈2與信號(hào)接收線圈3的直徑小于超材料的尺寸大小。為方便固定測(cè)試裝置的各個(gè)部件，信號(hào)發(fā)射線圈2與信號(hào)接收線圈3分別固定在基板上，基板采用磁損耗較小的材料，如塑料或泡沫材料。下面對(duì)本發(fā)明超材料諧振頻率測(cè)試裝置的測(cè)試原理和測(cè)試方法進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。本發(fā)明超材料諧振頻率測(cè)試裝置的測(cè)試方法流程圖參看附圖2，包括：a.在未放入超材料時(shí)，通過(guò)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試信號(hào)發(fā)射線圈與信號(hào)接收線圈之間的傳輸系數(shù)S21，得到第一S21曲線；b.放入超材料，通過(guò)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試信號(hào)發(fā)射線圈與信號(hào)接收線圈之間的傳輸系數(shù)S21′，得到第二S21曲線；c.將第二S21曲線與所述第一S21曲線進(jìn)行比對(duì)，找出第二S21曲線的增益加強(qiáng)峰，增益加強(qiáng)峰峰值對(duì)應(yīng)的頻率即為超材料的諧振頻率。這里，首先對(duì)超材料進(jìn)行必要的說(shuō)明，超材料屬于一種人工合成的復(fù)合材料，一般包括介質(zhì)基板以及陣列在介質(zhì)基板上的多個(gè)人造微結(jié)構(gòu)，介質(zhì)基板為介電材料，人造微結(jié)構(gòu)為導(dǎo)電材料，例如，通過(guò)將人造微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為磁性微結(jié)構(gòu)，即每個(gè)人造微結(jié)構(gòu)(一般稱(chēng)為cell)均為開(kāi)口環(huán)結(jié)構(gòu)或開(kāi)口環(huán)的衍生結(jié)構(gòu)，可以使超材料在某些頻率具有負(fù)磁導(dǎo)率的特性，由于該類(lèi)開(kāi)口環(huán)結(jié)構(gòu)或開(kāi)口環(huán)的衍生結(jié)構(gòu)可等效為L(zhǎng)C諧振電路，所以通過(guò)多個(gè)磁性微結(jié)構(gòu)的陣列可實(shí)現(xiàn)對(duì)磁場(chǎng)的增強(qiáng)。對(duì)于超材料的制造，現(xiàn)有技術(shù)一般采用PCB加工工藝，在環(huán)氧樹(shù)脂基板上印制出多個(gè)結(jié)構(gòu)相同的金屬銅磁性微結(jié)構(gòu)組成的陣列，以形成超材料，通過(guò)對(duì)金屬銅微結(jié)構(gòu)的單元大小、微結(jié)構(gòu)本身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等可以改變超材料的諧振頻率，得到具有不同諧振頻率的超材料。對(duì)于已經(jīng)制造出來(lái)的超材料而言，其諧振頻率受到各種因素的影響，如制造工藝、微結(jié)構(gòu)的制造精度、介質(zhì)基板材料特性以及介質(zhì)基板材料均勻性等，因此對(duì)超材料的實(shí)際諧振頻率進(jìn)行測(cè)試對(duì)于超材料技術(shù)的應(yīng)用相當(dāng)關(guān)鍵。本發(fā)明的測(cè)試原理是：當(dāng)測(cè)試裝置中沒(méi)有放入超材料時(shí)，信號(hào)發(fā)射線圈與信號(hào)接收線圈之間經(jīng)過(guò)空氣進(jìn)行電磁波信號(hào)的傳輸，通過(guò)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀可測(cè)試得到在工作頻段內(nèi)的第一S21曲線；當(dāng)測(cè)試裝置中放入超材料后，通過(guò)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試信號(hào)發(fā)射線圈與信號(hào)接收線圈之間的傳輸系數(shù)S21′，得到第二S21曲線，超材料能加強(qiáng)磁場(chǎng)消逝波的傳輸，提高系統(tǒng)的傳輸效率，并且當(dāng)超材料的諧振頻率與信號(hào)發(fā)射線圈發(fā)射的信號(hào)頻率相等時(shí)，傳輸效率達(dá)到最高，因此通過(guò)對(duì)第二S21曲線與所述第一S21曲線進(jìn)行比對(duì)，找出第二S21曲線的增益加強(qiáng)峰，增益加強(qiáng)峰峰值對(duì)應(yīng)的頻率即為超材料的諧振頻率，附圖3為通過(guò)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試得到的第二S21曲線和第一S21曲線的對(duì)比圖，圖中，標(biāo)號(hào)1對(duì)應(yīng)的曲線即為第二S21曲線，沒(méi)有標(biāo)記的曲線即為第一S21曲線，第二S21曲線相對(duì)于第一S21曲線具有一個(gè)明顯的加強(qiáng)峰，加強(qiáng)峰峰值點(diǎn)的坐標(biāo)為：(52MHz，-53.61dB)，即超材料諧振頻率為52MHz。為測(cè)試的方便和快速，在步驟a之前還進(jìn)行如下步驟：通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真的方法得到超材料的諧振頻率范圍，如采用CST軟件進(jìn)行諧振頻率的仿真計(jì)算，得到超材料諧振頻率的大致范圍，然后在上述步驟a、b中，控制矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的信號(hào)掃描范圍在該諧振頻率范圍內(nèi)進(jìn)行。在上述實(shí)施例中，僅對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了示范性描述，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員在閱讀本專(zhuān)利申請(qǐng)后可以在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種修改。