一種實(shí)現(xiàn)磁場調(diào)節(jié)介電常數(shù)的超材料結(jié)構(gòu)體及其結(jié)構(gòu)體設(shè)計方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于超材料領(lǐng)域，更具體的，是指一種實(shí)現(xiàn)磁場調(diào)節(jié)介電常數(shù)的超材料結(jié) 構(gòu)體及其結(jié)構(gòu)體設(shè)計方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 超材料是指具有天然材料不具備的超常物理性質(zhì)的人工復(fù)合結(jié)構(gòu)或材料，超材料 所表現(xiàn)出的宏觀物理特性并不是其組成材料的本征特性，而是亞波長晶胞結(jié)構(gòu)的表征特 性。超材料的超常電磁特性來自人造結(jié)構(gòu)而非直接來自材料，就為自由設(shè)計材料提供了思 路。
[0003] 基于Mie (米氏）諧振的超材料已經(jīng)經(jīng)過理論和實(shí)驗(yàn)的研究。電磁波與介電常數(shù) 較高的介電顆粒相互作用，表現(xiàn)出強(qiáng)磁諧振或強(qiáng)電諧振。從產(chǎn)生電偶極子或磁偶極子的振 蕩可知，負(fù)磁導(dǎo)率或負(fù)介電常數(shù)可W實(shí)現(xiàn)。同SRR(開口諧振環(huán)）及其他結(jié)構(gòu)相比，基于Mie 諧振的超材料不含有金屬，因此有望實(shí)現(xiàn)低損耗和各向同性的性能。
[0004] 制造高性能的微波設(shè)備需要高性能的介電材料。但是，不論是人造金屬結(jié)構(gòu)超材 料還是基于Mie諧振的超材料，其結(jié)構(gòu)和大小一旦固定，性質(zhì)及其頻率關(guān)系就已經(jīng)確定，很 難通過外場來調(diào)制，限制了它們在器件中的應(yīng)用。目前可調(diào)的微波設(shè)備，例如；可調(diào)混頻器， 延遲線，濾波器，電容器，振蕩器，諧振器和移位器等采用的大多數(shù)介電材料的可調(diào)性都較 低。而提高可調(diào)性的最簡單的方法之一是找到具有磁場可調(diào)介電性能的材料。但是，該些 材料大多在較低的頻率下表現(xiàn)出高介電常數(shù)，獲得能夠在微波波段或更高波段應(yīng)用的可調(diào) 性材料仍然很難實(shí)現(xiàn)。隨著微波通信技術(shù)發(fā)展趨向更高頻率，需要在更高頻率獲得高性能 的介電材料。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005] 針對上述技術(shù)不足，本發(fā)明提供了一種實(shí)現(xiàn)磁場調(diào)節(jié)介電常數(shù)的超材料結(jié)構(gòu)體， W及該結(jié)構(gòu)體的設(shè)計方法，在較高電磁波頻率處（lOGHz W上）實(shí)現(xiàn)了可調(diào)性。
[0006] 本發(fā)明設(shè)計的一種實(shí)現(xiàn)磁場調(diào)節(jié)介電常數(shù)的超材料結(jié)構(gòu)體，其超材料結(jié)構(gòu)體包括 有一基板（3)和多個結(jié)構(gòu)單元（4);所述多個結(jié)構(gòu)單元（4)按照一定間距d周期性排列粘 接在基板（3)上；在所述的基板（3)的C面板（31)上按照一定間距d周期性設(shè)置有凹腔 (32)，該凹腔（32)內(nèi)用于放置結(jié)構(gòu)單元（4);
[0007] 所述的一個結(jié)構(gòu)單元（4)由一個介電長方體（1)和一個鐵氧長方體（2)組成，且 介電長方體（1)的一個面板與鐵氧長方體（2)的一個面板粘接貼合。
[000引本發(fā)明設(shè)計的結(jié)構(gòu)單元（4)的坐標(biāo)系記為0-XYZ，在外加偏置磁場和電磁波的作 用下，對應(yīng)各坐標(biāo)關(guān)系為：
[0009] 電磁波沿坐標(biāo)系0 - XYZ的Y軸正向入射，電磁波的電場沿坐標(biāo)系0 - XYZ的Z 軸加載；
[0010] 磁場沿坐標(biāo)系0 - XYZ的X軸加載；
[001U 外加偏置磁場沿坐標(biāo)系0 - XYZ的Z軸方向加載。
[0012] 本發(fā)明的有益效果在于：
[0013] ①本發(fā)明超材料結(jié)構(gòu)體是根據(jù)介電長方體的Mie諧振和鐵氧長方體的鐵磁進(jìn)動 的相互作用的原理，設(shè)計的可通過外加偏置磁場調(diào)控介電常數(shù)的超材料，其結(jié)構(gòu)單元由一 個介電長方體和一個鐵氧長方體緊貼在一起組成，制作方法簡單。
[0014] ②本發(fā)明超材料結(jié)構(gòu)體的介電顆粒提供了 Mie諧振電響應(yīng)，無可調(diào)性能。鐵氧 體的有效磁導(dǎo)率與外加磁場有關(guān)，因?yàn)殍F氧體是所述超材料的重要組成部分，因此超材料 的有效介電常數(shù)可W通過外加偏置磁場來調(diào)節(jié)，該樣就實(shí)現(xiàn)了對超材料有效介電常數(shù)的控 審IJ。同時，在較高頻率內(nèi)實(shí)現(xiàn)了可調(diào)性能。
[0015] ⑨本發(fā)明超材料結(jié)構(gòu)體由于鐵氧體的存在，表現(xiàn)了磁介電效應(yīng)，且在一定頻率范 圍內(nèi)出現(xiàn)了雙負(fù)介電常數(shù)，可W用來實(shí)現(xiàn)雙負(fù)折射率。
【附圖說明】
[0016] 圖1是本發(fā)明實(shí)現(xiàn)磁場調(diào)節(jié)介電常數(shù)的超材料結(jié)構(gòu)體的一種結(jié)構(gòu)圖。
[0017] 圖1A是本發(fā)明設(shè)計的介電長方體的S維結(jié)構(gòu)圖。
[0018] 圖1B是本發(fā)明設(shè)計的鐵氧長方體的S維結(jié)構(gòu)圖。
[0019] 圖1C是本發(fā)明設(shè)計的基板的S維結(jié)構(gòu)圖。
[0020] 圖2是本發(fā)明實(shí)現(xiàn)磁場調(diào)節(jié)介電常數(shù)的超材料結(jié)構(gòu)體的第二種結(jié)構(gòu)圖。
[0021] 圖3是本發(fā)明實(shí)現(xiàn)磁場調(diào)節(jié)介電常數(shù)的超材料結(jié)構(gòu)體的第=種結(jié)構(gòu)圖。
[0022] 圖4是本發(fā)明第一種超材料結(jié)構(gòu)體在不同外加磁場下散射參數(shù)S21的幅值曲線。
[0023] 圖5是本發(fā)明第一種超材料結(jié)構(gòu)體從散射參數(shù)中檢索出的在不同外加磁場下的 有效介電常數(shù)的實(shí)部。
[0024]
【主權(quán)項】
1. 一種實(shí)現(xiàn)磁場調(diào)節(jié)介電常數(shù)的超材料結(jié)構(gòu)體，其特征在于：超材料結(jié)構(gòu)體包括有一 基板（3)和多個結(jié)構(gòu)單元（4);所述多個結(jié)構(gòu)單元（4)按照一定間距d周期性排列粘接在 基板做上；在所述的基板做的C面板（31)上按照一定間距d周期性設(shè)置有凹腔魄）， 該凹腔（32)內(nèi)用于放置結(jié)構(gòu)單元（4); 所述的一個結(jié)構(gòu)單元（4)由一個介電長方體（1)和一個鐵氧長方體（2)組成，且介電 長方體（1)的一個面板與鐵氧長方體（2)的一個面板粘接貼合。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的實(shí)現(xiàn)磁場調(diào)節(jié)介電常數(shù)的超材料結(jié)構(gòu)體，其特征在于：結(jié)構(gòu) 單元（4)的坐標(biāo)系記為0 - XYZ，在外加偏置磁場和電磁波的作用下，對應(yīng)各坐標(biāo)關(guān)系為： 電磁波沿坐標(biāo)系0 - XYZ的Y軸正向入射，電磁波的電場沿坐標(biāo)系0 - XYZ的Z軸加 載； 磁場沿坐標(biāo)系0 - XYZ的X軸加載； 外加偏置磁場沿坐標(biāo)系0 - XYZ的Z軸方向加載。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的實(shí)現(xiàn)磁場調(diào)節(jié)介電常數(shù)的超材料結(jié)構(gòu)體，其特征在于：結(jié)構(gòu) 單元（4)之間的間距記為d ;基板（3)的長記為a、寬記為長記為K厚記為b ;介電長方體 (1)的長記為3i、寬記為長記為hi、厚記為bi;鐵氧長方體（2)的長記為a 2、寬記為長記為h2、 厚記為ba;則有 a 1= 2a2，hi = h2，bi= b]，d = 1. 5 (ai+a2)~3 (ai+a2)，a = h = n (ai+a2+d)~ 4+n(ai+a2+d)，b = 0.1 d~0. 5d，n為排列的結(jié)構(gòu)單元的個數(shù)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的實(shí)現(xiàn)磁場調(diào)節(jié)介電常數(shù)的超材料結(jié)構(gòu)體，其特征在于：基 板材質(zhì)的選擇取決于超材料結(jié)構(gòu)體應(yīng)用對象，一般選用介電常數(shù)為2~3,是聚四氣己締 (PT陽）、PT陽玻璃編織網(wǎng)增強(qiáng)、PT陽玻璃亂纖維增強(qiáng)、PT陽石英增強(qiáng)。 介電長方體的材質(zhì)可W選用介電常數(shù)為100~200,是鐵酸鎖領(lǐng)陶瓷、或者鐵酸錯陶 瓷。 鐵氧長方體的材質(zhì)可W選用錠鐵石惱石、或者鋪鋒鐵氧體。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的實(shí)現(xiàn)磁場調(diào)節(jié)介電常數(shù)的超材料結(jié)構(gòu)體，其特征在于：超材 料結(jié)構(gòu)體在電磁波頻率10~12GHz范圍內(nèi)出現(xiàn)了兩個介電常數(shù)為負(fù)的區(qū)域，能夠用作雙負(fù) 折射率材料。
6. 制作權(quán)利要求1所述的一種實(shí)現(xiàn)磁場調(diào)節(jié)介電常數(shù)的超材料結(jié)構(gòu)體的方法，其特征 在于有下列步驟： 步驟A，將介電材料切割成長方體，得到介電長方體； 步驟B，將鐵氧體材料切割成長方體，得到鐵氧長方體； 步驟C，將所述的介電長方體中的一面板與所述的鐵氧長方體中的一面板粘接貼合，構(gòu) 成結(jié)構(gòu)單元； 步驟D，將所述的結(jié)構(gòu)單元按間隔d周期性排列粘接在基板上，得到實(shí)現(xiàn)磁場調(diào)節(jié)介電 常數(shù)的超材料結(jié)構(gòu)體。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備實(shí)現(xiàn)磁場調(diào)節(jié)介電常數(shù)的超材料結(jié)構(gòu)體的方法，其特征 在于： 基板材質(zhì)的選擇取決于超材料結(jié)構(gòu)體應(yīng)用對象，一種選用介電常數(shù)為2~3,是聚四氣 己締（PT陽）、PT陽玻璃編織網(wǎng)增強(qiáng)、PT陽玻璃亂纖維增強(qiáng)、PT陽石英增強(qiáng)。 介電長方體的材質(zhì)可W選用介電常數(shù)為100~200,是鐵酸鎖領(lǐng)陶瓷、或者鐵酸錯陶 瓷。 鐵氧長方體的材質(zhì)可臥選用錠鐵石楷石、或者儘轉(zhuǎn)鐵氧體。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種實(shí)現(xiàn)磁場調(diào)節(jié)介電常數(shù)的超材料結(jié)構(gòu)體及其結(jié)構(gòu)體設(shè)計方法，該超材料結(jié)構(gòu)體是由一基板(3)以及設(shè)置在基板(3)上且按照一定間距周期性排列的結(jié)構(gòu)單元(4)構(gòu)成。結(jié)構(gòu)單元(4)由介電長方體(1)的一個面板與鐵氧長方體(2)的一個面板粘接貼合組成。在外加偏置磁場和電磁波的作用下，鐵氧體發(fā)生鐵磁進(jìn)動，通過介電長方體的Mie諧振與鐵氧長方體的鐵磁進(jìn)動的相互作用，實(shí)現(xiàn)了對本發(fā)明超材料結(jié)構(gòu)體有效介電常數(shù)的控制。通過改變外加磁場，在較高的頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)了更好的磁介電效應(yīng)。本發(fā)明提出了制造可磁場調(diào)節(jié)介電常數(shù)材料和負(fù)折射率材料的一項新的方法，在微波設(shè)備方面有很廣闊的應(yīng)用前景。
【IPC分類】H01Q15-02, H01Q15-00
【公開號】CN104638376
【申請?zhí)枴緾N201510057298
【發(fā)明人】畢科, 王青敏
【申請人】北京郵電大學(xué)
【公開日】2015年5月20日
【申請日】2015年2月3日