CN101262084A

CN101262084A - 一种含超高频软磁铁氧体的可调微波左手材料

Info

Publication number: CN101262084A
Application number: CNA2008101040231A
Authority: CN
Inventors: 白洋; 艾芬; 徐芳; 乔利杰
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2008-04-14
Filing date: 2008-04-14
Publication date: 2008-09-10

Abstract

本发明涉及一种以超高频软磁铁氧体作为介质基板、特征频率可调的左手材料。其特征在于：采用软磁铁氧体作为金属环线结构左手材料的介质基板，利用金属环线实现左手特性，利用铁氧体磁导率的外场调制特性实现左手特征频率的可调性。该可调左手材料直接利用基板特性实现可调左手特性，无需再引入其它外加元件，简化了可调左手材料的结构；采用固态的铁氧体基板，使结构易于实现且安全耐用；可以改变金属环线图案，使可调左手材料具有多样化的微波特性，适用于多种微波器件应用。

Description

一种含超高频软磁铁氧体的可调微波左手材料

技术领域

本发明属于左手材料领域，特别涉及一种以超高频软磁铁氧体作为介质基板、特征频率可调的左手材料。

背景技术

1968年，前苏联科学家Veselago从理论上提出同时具有负介电常数和负磁导率的材料，具有负折射系数、倏逝波放大、逆多普勒效应等迥异于传统电磁介质的物理特性，由于在该材料中电磁波的电场方向、磁场方向与波矢方向呈左手坐标系，故该材料被称作左手材料(Left-Handed Material，LHM)。2000年，美国的Smith等人用金属线与谐振环阵列制造出首个具有负折射特性的左手材料，引起了国际学术界的巨大震动。利用左手材料的奇异电磁特性可以突破传统介质的物理极限，实现诸多新颖功能，因此在左手材料的相关研究还很不完善时，国际大型材料厂商、无线设备厂商、电机厂商就已经开始加紧研究开发采用左手材料的新型微波器件，利用左手材料实现新型高指向性天线、可调天线罩、微波滤波器、陷波器、耦合器等微波器件。

为实现各种微波器件，具有频率可调特性的左手材料受到国内外研究人员的广泛关注。有人提出在金属环线结构中外加变容二极管来调节其频率特性；有人设想在谐振环阵列结构中引入电导率可调的半导体来实现可调左手材料；也有人将金属环线结构浸在液晶之中，通过外加电场调节液晶的介电常数实现结构的频率可调性。但是外加可调器件将会大大增加结构的复杂性，而液晶又具有流动性与腐蚀性，这均给可调左手材料的实际应用带来很大难度。如果可以直接调节基板材料磁导率控制左手材料的频率特性，将有效简化可调左手材料的实现难度，大大推进其实用化进程。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单、特征频率调节简便、微波性能优异的微波左手材料。

一种含超高频软磁铁氧体的可调微波左手材料，特征在于：采用超高频软磁铁氧体作为金属环线结构的介质基板，利用金属环线实现左手特性，利用铁氧体磁导率的外场调制特性，实现左手材料特征频率的可调性。其中，铁氧体材料需要满足在整个可调频段以内磁导率稳定、无色散的要求，优选铁氧体材料为Ba₂Co_2-x-yZn_xCu_yFe₁₂O₂₂铁氧体，其中x为0～0.6、y为0～1.2。该可调左手材料，可以在铁氧体素坯上印刷金属环线，采用叠层共烧陶瓷工艺制备而成；或者将烧结铁氧体直接夹于印有金属环线的印刷线路板之间复合而成。金属图案可以为单开口环形或双开口环形。

该发明的有益效果在于：直接利用基板材料的磁导率在外场作用下的可变性实现可调左手特性，无需在左手材料中再引入其它外加元件，简化了左手材料结构；采用固态的铁氧体基板作为可调左手材料的核心条件组件，使结构易于实现且安全耐用，可以设计不同的金属图案，使可调左手材料具有多样化的微波特性，适用于多种微波器件应用。

附图说明：

图1是以铁氧体为基板材料的可调微波左手材料的结构示意图

图2是单开口环单元结构示意图

图3是双开口环单元结构示意图

图4是以Co2Y铁氧体为基板材料的可调SRR结构左手材料的样品照片

图5是图4所示样品的微波透射谱

具体实施方式

实施例1：

采用固相反应法合成Ba₂Co_1.0Zn_0.2Cu_0.8Fe₁₂O₂₂铁氧体粉体，以分析纯BaCO₃、Co₃O₄、ZnO、CuO、Fe₂O₃为原料，按分子式中原子配比混合，经球磨、烘干、过筛后在1000℃煅烧3小时，再球磨、烘干后获得所需的铁氧体粉体。利用陶瓷浆料流延技术，将铁氧体粉末加1wt％Bi₂O₃后与流延用有机溶剂混合配成浆料进行流延，在衬底上将铁氧体浆料印刷成铁氧体膜，在其上采用掩模用银浆印刷单开口环，尺寸为r＝1.0mm、d＝1.0mm、缺口宽度g＝0.5mm，环间距4mm，如图2所示。尔后按此过程交替印刷铁氧体膜和单开口环图案，印刷20层，经烘干、切割、倒角等工序，再在870℃烧结，最后将烧结后的样品精密磨加工至所需尺寸，获得最终样品。

实施例2：

采用固相反应法制备Ba₂Co₂Fe₁₂O₂₂铁氧体粉体，以分析纯BaCO₃、Co₃O₄、ZnO、CuO、Fe₂O₃为原料，按分子式中原子配比混合，经球磨、烘干、过筛后在1100℃煅烧3小时，再球磨、烘干后获得所需的铁氧体粉体。将铁氧铁粉末加粘结剂聚乙烯醇造粒，干压成型，制得铁氧体块状生坯，在1150℃烧结，将烧结后的样品磨加工成尺寸为34mm×34mm×5mm的片状基板。采用电路板刻蚀技术在34m1×34mm×1mm的环氧玻璃纤维上印刷双开口环，尺寸为r＝0.8mm、d_c＝0.4mm、d＝0.8mm、缺口宽度g＝0.6mm，环间距2mm如图3所示。将铁氧体基板与印有双开口环的印刷线路板交替叠合，铁氧体与线路板上的双开口环金属图案紧密贴合，如图4所示。

实施例3：

采用波导法测试实施例2中样品的微波透射特性，如图5所示。随着外磁场增加，测试样品的特征频率逐渐向高频方向移动，当外加磁场由500Oe增至2300Oe时，微波禁带中心频率从2.83GHz升至3.15GHz，即该材料具有优异的可调特性，利用简单结构实现了可调微波左手材料。

Claims

1、一种含超高频软磁铁氧体的可调微波左手材料，其特征在于：采用超高频软磁铁氧体作为金属环线结构的介质基板，利用金属环线实现左手特性，利用铁氧体磁导率的外场调制特性实现左手材料特征频率的可调性。

2、如权利要求1所述的可调微波左手材料，其特征是频率位于1～4GHz，而且特征频率能由外磁场调控，磁场强度越高，特征频率越高，可调范围为零场频率f₀至2倍f₀。

3、如权利要求1所述的可调微波左手材料，其特征是铁氧体具有软磁特性，而且满足在整个可调频段以内磁导率稳定、无色散的要求，铁氧体材料选Ba₂Co_2-x-yZn_xCu_yFe₁₂O₂₂铁氧体，其中x为0～0.6、y为0～1.2。

4、如权利要求1所述的可调微波左手材料，其特征是金属环线结构为单开口环形或双开口环形，能在微波段实现左手特性：

(1)单开口谐振环半径r＝0.2～3mm、线宽度d＝0.2～2mm、缺口宽度g＝0.1～1mm，环间距0.1～10mm；

(2)双开口谐振环内环半径r＝0.2～2mm、内外环间隙d_c＝0.2～2mm、线宽度d＝0.2～2mm、缺口宽度g＝0.1～1mm，环间距0.1～10mm。

5、如权利要求1所述的可调微波左手材料，其特征是采用以下方式制备而成：利用陶瓷浆料流延技术，将权利要求3所述铁氧体粉末加0.2～5wt％Bi₂O₃后与流延用有机溶剂混合配成浆料进行流延，在衬底上将铁氧体浆料印刷成铁氧体膜，在铁氧体膜上采用掩模用银浆印刷如权利要求4所述的金属环线图案，尔后按此过程交替印刷铁氧体膜和金属环线图案，印刷层数为4～50层，经烘干、切割、倒角工序后烧结，最后将烧结后的样品精密磨加工至所需尺寸，获得最终样品。

6、如权利要求1所述的可调微波左手材料，其特征是采用以下方式制备而成：将权利要求3所述的铁氧体粉末加粘结剂造粒，采用干压成型工艺，制得铁氧体块状生坯，烧结，将烧结后的样品磨加工成所需尺寸的片状基板；采用电路板刻蚀技术在环氧玻璃纤维上印刷如权利要求4所述的金属环线图案；将铁氧体基板与印有金属环线图案的印刷线路板交替叠合，铁氧体与线路板上的双开口环金属图案紧密贴合形成最终样品。