用于可調(diào)帶阻濾波器的鐵氧體基超材料及其應(yīng)用的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種用于可調(diào)帶阻濾波器的鐵氧體基超材料及其應(yīng)用。該鐵氧體基超材料，由單根鐵氧體棒構(gòu)成的結(jié)構(gòu)單元周期性排列而成；且相鄰兩個(gè)結(jié)構(gòu)單元之間的間距相同，且均小于電磁波的波長(zhǎng)；單根鐵氧體棒的磁化方向?yàn)槠叫杏诎舻拈L(zhǎng)度方向；鐵氧體棒的長(zhǎng)度方向垂直于電磁波的傳播方向且平行于電磁波的電場(chǎng)分量；所述周期性排列具體為矩陣式排列。通過(guò)改變外加偏置磁場(chǎng)、鐵氧體的磁晶各向異性場(chǎng)、形狀退磁場(chǎng)和飽和磁化強(qiáng)度等參數(shù)可以調(diào)節(jié)鐵氧體基超材料的負(fù)有效磁導(dǎo)率頻域，進(jìn)而控制禁帶出現(xiàn)的頻域，可應(yīng)用在可調(diào)帶阻濾波器等方面。
【專(zhuān)利說(shuō)明】用于可調(diào)帶阻濾波器的鐵氧體基超材料及其應(yīng)用

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光通訊、光電子【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種用于可調(diào)帶阻濾波器的鐵氧體基超材料及其應(yīng)用。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著現(xiàn)代信息科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展，微波通信系統(tǒng)及器件得到迅速發(fā)展。作為一種頻率選擇功能的微波器件，微波濾波器在各種通信系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。隨著微波技術(shù)應(yīng)用的逐步深入，各種頻段的微波器件相繼出現(xiàn)，頻帶分布日益密集。微波頻譜作為一種“不可再生”的資源，被各種通信系統(tǒng)占用，各個(gè)通信系統(tǒng)所用的頻帶之間的間隔越來(lái)越小。因此，為了確保各個(gè)通信系統(tǒng)之間信號(hào)頻帶不重疊、不干擾，系統(tǒng)設(shè)計(jì)者一方面尋求拓寬頻率，另一方面對(duì)頻率選擇器一一微波濾波器的性能提出了更高的要求，即除了滿(mǎn)足良好的頻率選擇特性外，還要求濾波器具有其他優(yōu)良特性，如低插損、體積小、低成本、工作穩(wěn)定、外場(chǎng)可調(diào)等特性。各種微波濾波器按不同的標(biāo)準(zhǔn)可分為多個(gè)類(lèi)型，其中之一就是帶阻濾波器。與其他種類(lèi)的濾波器一樣，帶阻濾波器同樣在各種微波通信系統(tǒng)中發(fā)揮著非常重要的作用，其濾波表現(xiàn)直接影響到系統(tǒng)的性能。
[0003]隨著信息化進(jìn)程的推進(jìn)，電磁環(huán)境愈來(lái)愈復(fù)雜，微波系統(tǒng)受到外來(lái)信號(hào)干擾己不鮮見(jiàn)。在信號(hào)的某個(gè)或某幾個(gè)頻點(diǎn)處有較強(qiáng)的干擾時(shí)，研究者將采用某種手段對(duì)這些干擾進(jìn)行抑制。這種情況下，用具有較寬阻帶的帶通濾波器來(lái)對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行抑制，在濾除干擾的同時(shí)，也可能會(huì)把一定頻率范圍內(nèi)的有用信號(hào)抑制掉，因此，如果采用一個(gè)或多個(gè)帶阻濾波器，使其阻帶恰好位于干擾信號(hào)頻率處，以這種方式來(lái)抑制干擾信號(hào)會(huì)更加靈活有效。因此，對(duì)帶阻濾波器結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)方法進(jìn)行深入研究很有必要，且意義重大。傳統(tǒng)方法是在接收通道前端加固定帶阻濾波器，但隨著電磁環(huán)境的日益惡劣和復(fù)雜，如來(lái)自不同目標(biāo)的不同干擾信號(hào)隨時(shí)可能出現(xiàn)，它包括不同頻率點(diǎn)、不同帶寬的干擾信號(hào)，這時(shí)采用固定濾波器就顯得力不從心了。隨著潛在的干擾頻率點(diǎn)的增多，所需要的固定帶阻濾波器也就更多，從而導(dǎo)致器件的體積增大和損耗增加，而且它還要求干擾信號(hào)必須是系統(tǒng)出廠(chǎng)時(shí)已知確切參數(shù)的信號(hào)，而在實(shí)際戰(zhàn)斗中，干擾信號(hào)是在滿(mǎn)頻帶范圍內(nèi)隨機(jī)出現(xiàn)，這都將導(dǎo)致系統(tǒng)可能無(wú)法正常工作。濾波器性能的優(yōu)劣很大程度上是由介質(zhì)諧振子的諧振性能所決定的。因此，設(shè)計(jì)并制備出一種用于可調(diào)帶阻濾波器的諧振材料，對(duì)于現(xiàn)代微波通信領(lǐng)域中消除隨機(jī)干擾信號(hào)具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種用于可調(diào)帶阻濾波器的鐵氧體基超材料及其應(yīng)用。
[0005]本發(fā)明提供的鐵氧體基超材料，由單根鐵氧體棒構(gòu)成的結(jié)構(gòu)單元周期性排列而成；且相鄰兩個(gè)結(jié)構(gòu)單元之間的間距相同，且均小于電磁波的波長(zhǎng)。
[0006]上述鐵氧體基超材料中，構(gòu)成所述鐵氧體棒的材料為軟磁鐵氧體，具體選自釔鐵石榴石(HG)鐵氧體、錳鋅(MnZn)鐵氧體和鎳鋅(NiZn)鐵氧體中的至少一種。
[0007]所述相鄰兩個(gè)結(jié)構(gòu)單元之間的間距為電磁波波長(zhǎng)的1/2以下；
[0008]所述周期性排列為矩陣式排列；
[0009]所述鐵氧體基超材料還包括若干個(gè)用于支撐所述單根鐵氧體棒的支撐板，且每個(gè)支撐板上放置若干個(gè)單根鐵氧體棒；相鄰支撐板之間的間距相同，且與相鄰兩個(gè)結(jié)構(gòu)單元的間距相同；
[0010]由于所述鐵氧體基超材料的兩個(gè)相鄰結(jié)構(gòu)單元的間距遠(yuǎn)小于電磁波的波長(zhǎng)，根據(jù)有效介質(zhì)理論可看作有效的“均勻”介質(zhì)。
[0011 ] 構(gòu)成所述支撐板的材料為聚四氟乙烯。
[0012]上述鐵氧體基超材料可按照包括如下步驟的方法制得:
[0013]I)將鐵氧體塊體切割成棒狀樣品；
[0014]2)將聚四氟乙烯塊體切割成平板狀；
[0015]3)將鐵氧體棒按一定距離均勻黏附在聚四氟乙烯板上；聚四氟乙烯板上相鄰鐵氧體棒之間的距離遠(yuǎn)小于電磁波的波長(zhǎng)，再將一定數(shù)量的黏附有鐵氧體棒的聚四氟乙烯板排列起來(lái)，相鄰板之間的距離與相鄰鐵氧體棒之間的距離相等，得到上述鐵氧體基超材料。
[0016]其中，聚四氟乙烯板的個(gè)數(shù)可根據(jù)微波調(diào)制器件如濾波器的尺寸要求而定。
[0017]另外，含有上述鐵氧體基超材料的微波調(diào)制器件，也屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍，其中，所述微波調(diào)制器件為帶阻濾波器，具體為可調(diào)帶阻濾波器。
[0018]上述本發(fā)明提供的鐵氧體基超材料或微波調(diào)制器件在微波調(diào)制中的應(yīng)用，也屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0019]其中，所述微波調(diào)制包括如下步驟:將所述鐵氧體基超材料或所述微波調(diào)制器件置于磁場(chǎng)和電磁波中，并使所述鐵氧體棒的長(zhǎng)度方向垂直于電磁波的傳播方向且平行于電磁波的電場(chǎng)分量；
[0020]所述鐵氧體棒的磁化方向?yàn)槠叫杏谒鲨F氧體棒的長(zhǎng)度方向。
[0021]本發(fā)明的用于可調(diào)帶阻濾波器的鐵氧體基超材料是由鐵氧體棒周期性排列而成的。在外加偏置磁場(chǎng)和電磁波的作用下，鐵氧體能夠發(fā)生鐵磁共振現(xiàn)象。在高于鐵磁共振頻率的一定頻率范圍內(nèi)，鐵氧體基超材料的有效磁導(dǎo)率為負(fù)值。由于鐵氧體基超材料的有效介電常數(shù)為正值，此時(shí)，電磁波無(wú)法在鐵氧體基超材料中傳播，出現(xiàn)禁帶。此外，鐵氧體的鐵磁共振頻率和外加偏置磁場(chǎng)、鐵氧體的磁晶各向異性場(chǎng)、形狀退磁場(chǎng)和飽和磁化強(qiáng)度有關(guān)。通過(guò)改變這些參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵磁共振的控制，從而調(diào)節(jié)鐵氧體基超材料的負(fù)有效磁導(dǎo)率頻域，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)禁帶出現(xiàn)的頻域。本發(fā)明提供了多場(chǎng)可調(diào)的鐵氧體基超材料，可應(yīng)用在可調(diào)帶阻濾波器等方面。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0022]圖1為本發(fā)明用于可調(diào)帶阻濾波器的鐵氧體基超材料的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖2為本發(fā)明實(shí)施例1中不同外磁場(chǎng)大小的飽和磁化強(qiáng)度為18000e的鐵氧體基超材料的散射參數(shù)S21幅值曲線(xiàn)；
[0024]圖3為本發(fā)明實(shí)施例2中不同外磁場(chǎng)大小的飽和磁化強(qiáng)度為20000e的鐵氧體基超材料的散射參數(shù)S21幅值曲線(xiàn)；

【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步闡述，但本發(fā)明并不限于以下實(shí)施例。所述方法如無(wú)特別說(shuō)明均為常規(guī)方法。所述原材料如無(wú)特別說(shuō)明均能從公開(kāi)商業(yè)途徑獲得。
[0026]實(shí)施例1
[0027]首先，將尺寸為IX IX 10mm3、飽和磁化強(qiáng)度為18000e由自釔鐵石榴石鐵氧體構(gòu)成的鐵氧體棒黏附在聚四氟乙烯板的一面，棒間距為5mm，然后，將黏附有鐵氧體棒的聚四氟乙烯板以5mm為間距間隔排列，得到鐵氧體基超材料，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。
[0028]將鐵氧體基超材料置于WR90型矩形波導(dǎo)中，鐵氧體棒的長(zhǎng)度方向垂直于電磁波的傳播方向且平行于電磁波的電場(chǎng)分量，鐵氧體棒的磁化方向?yàn)槠叫杏阼F氧體棒的長(zhǎng)度方向，利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)其進(jìn)行電磁散射參數(shù)測(cè)試。
[0029]圖2所示為不同外磁場(chǎng)大小的飽和磁化強(qiáng)度為18000e的鐵氧體基超材料的散射參數(shù)S21幅值曲線(xiàn)。在無(wú)外加磁場(chǎng)的情況下，鐵氧體基超材料的散射參數(shù)S21幅值曲線(xiàn)上沒(méi)有出現(xiàn)禁帶，這是因?yàn)闊o(wú)外磁場(chǎng)時(shí)，鐵氧體沒(méi)有發(fā)生鐵磁共振，鐵氧體基超材料的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率都為正值，電磁波可以通過(guò)。當(dāng)有外加偏置磁場(chǎng)時(shí)，鐵氧體基超材料的散射參數(shù)S21幅值曲線(xiàn)上出現(xiàn)一個(gè)明顯的禁帶，這是因?yàn)殍F氧體發(fā)生了鐵磁共振，鐵氧體基超材料的介電常數(shù)為正值而磁導(dǎo)率為負(fù)值，電磁波無(wú)法通過(guò)。此外，從圖中可以看出，隨著外加偏置磁場(chǎng)的增大，禁帶頻域逐漸向高頻移動(dòng)，表現(xiàn)出了很好的磁場(chǎng)可調(diào)性能，證明該鐵氧體基超材料可用于可調(diào)帶阻濾波器。
[0030]實(shí)施例2
[0031]首先，將尺寸為IX IX 10mm3、飽和磁化強(qiáng)度為20000e由自釔鐵石榴石鐵氧體構(gòu)成的鐵氧體棒以黏附在聚四氟乙烯板的一面，棒間距為5mm，然后，將黏附有鐵氧體棒的聚四氟乙烯板以5mm為間距間隔排列，得到鐵氧體基超材料，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。
[0032]將鐵氧體基超材料置于WR90型矩形波導(dǎo)中，鐵氧體棒的長(zhǎng)度方向垂直于電磁波的傳播方向且平行于電磁波的電場(chǎng)分量，鐵氧體棒的磁化方向?yàn)槠叫杏阼F氧體棒的長(zhǎng)度方向，利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)其進(jìn)行電磁散射參數(shù)測(cè)試。
[0033]圖3所示為不同外磁場(chǎng)大小的飽和磁化強(qiáng)度為20000e的鐵氧體基超材料的散射參數(shù)S21幅值曲線(xiàn)。在無(wú)外加磁場(chǎng)的情況下，鐵氧體基超材料的散射參數(shù)S21幅值曲線(xiàn)上沒(méi)有出現(xiàn)禁帶，這是因?yàn)闊o(wú)外磁場(chǎng)時(shí)，鐵氧體沒(méi)有發(fā)生鐵磁共振，鐵氧體基超材料的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率都為正值，電磁波可以通過(guò)。當(dāng)有外加偏置磁場(chǎng)時(shí)，鐵氧體基超材料的散射參數(shù)S21幅值曲線(xiàn)上出現(xiàn)一個(gè)明顯的禁帶，這是因?yàn)殍F氧體發(fā)生了鐵磁共振，鐵氧體基超材料的介電常數(shù)為正值而磁導(dǎo)率為負(fù)值，電磁波無(wú)法通過(guò)。此外，從圖中可以看出，隨著外加偏置磁場(chǎng)的增大，禁帶頻域逐漸向高頻移動(dòng)，表現(xiàn)出了很好的磁場(chǎng)可調(diào)性能，證明該鐵氧體基超材料可用于可調(diào)帶阻濾波器。
【權(quán)利要求】
1.一種鐵氧體基超材料，由單根鐵氧體棒構(gòu)成的結(jié)構(gòu)單元周期性排列而成；且相鄰兩個(gè)結(jié)構(gòu)單元之間的間距相同，且均小于電磁波的波長(zhǎng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鐵氧體基超材料，其特征在于:構(gòu)成所述鐵氧體棒的材料為軟磁鐵氧體，具體選自釔鐵石榴石鐵氧體、錳鋅鐵氧體和鎳鋅鐵氧體中的至少一種； 所述相鄰兩個(gè)結(jié)構(gòu)單元之間的間距為電磁波波長(zhǎng)的1/2以下； 所述周期性排列為矩陣式排列。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的鐵氧體基超材料，其特征在于:所述鐵氧體基超材料還包括若干個(gè)用于支撐所述單根鐵氧體棒的支撐板；相鄰支撐板之間的間距相同，且與相鄰兩個(gè)結(jié)構(gòu)單元的間距相同； 構(gòu)成所述支撐板的材料為聚四氟乙烯。
4.含有權(quán)利要求1-3任一所述鐵氧體基超材料的微波調(diào)制器件。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的微波調(diào)制器件，其特征在于:所述微波調(diào)制器件為帶阻濾波器，具體為可調(diào)帶阻濾波器。
6.權(quán)利要求1-3任一所述鐵氧體基超材料或權(quán)利要求4或5所述微波調(diào)制器件在微波調(diào)制中的應(yīng)用。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的應(yīng)用，其特征在于:所述微波調(diào)制包括如下步驟:將權(quán)利要求1-3任一所述鐵氧體基超材料或權(quán)利要求4或5所述微波調(diào)制器件置于磁場(chǎng)和電磁波中，并使所述鐵氧體棒的長(zhǎng)度方向垂直于電磁波的傳播方向且平行于電磁波的電場(chǎng)分量； 所述鐵氧體棒的磁化方向?yàn)槠叫杏谒鲨F氧體棒的長(zhǎng)度方向。
【文檔編號(hào)】H01P1/215GK104409818SQ201410718264
【公開(kāi)日】2015年3月11日 申請(qǐng)日期:2014年12月1日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月1日
【發(fā)明者】周濟(jì), 畢科 申請(qǐng)人:清華大學(xué)