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一种可调谐微波负折射率材料 Download PDF

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Abstract

一种可调谐负折射率材料，属于微波材料技术领域。由等效负磁导率的片状绝缘型亚铁磁材料和片状等效负介电常数的材料周期性层叠而成；所述片状绝缘型亚铁磁材料为釔铁石榴石类亚铁磁材料，其介电常数为13.8，饱和磁化强度为1830Gs，损耗角正切为0.0004，厚度为1mm～2mm；所述片状等效负介电常数的材料为沉积在厚度为0.254mm～0.508mm的聚四氟乙烯玻璃纤维电路基板上的相互平行的金属线构成的金属线阵列，每条金属线的厚度为0.018mm～0.035mm，宽度为0.2mm，金属线间的间隔为1.508mm～2mm。本发明所构造的负折射率材料，其工作频率宽；实现负折射率的频带可随外加磁场大小的改变而改变。该种材料在隐身材料、天线工程、微波、毫米波器件等领域将有着广阔的应用前景。

Description

一种可调谐微波负折射率材料
技术领域
一种可调谐微波负折射率材料，属于微波材料技术领域。
背景技术
自然界中天然物质的介电常数与磁导率的实部在整个电磁波谱内部都是非同时为负的，其折射率的实部是正数。迄今为止，自然界中尚未发现介电常数和磁导率同时为负的天然材料。1967年前苏联科学家Veselago理论分析了电磁波在假想的介电常数与磁导率同时为负的各向同性均匀媒质中的电动理论学行为，预见了电磁波与这种假想材料的互作用将产生非常特殊的传输/折射/反射特性。在这种假想的材料中，电磁波的相速与群速方向相反，从而呈现出与多新颖的光学特性，如反常Dopper效应、反常Cherenkov效应、完美透镜效应、负折射效应等。Veselago称这种假想材料为左手材料，现学术界亦有定义其为双负材料、负折射率媒质、返波材料，异向媒质等，本发明采用负折射率媒质的定义，以强调材料的负折射率特征。
2000年，D.R.Smith等人基于J.B.Pendry提出的构造单元负介电常数媒质、单负磁导率媒质的思想，首次人工合成出在X波段等效介电常数和等效磁导率同时为负的负折射率微波媒质。目前，负折射率媒质的研究已成为国际物理学和电磁学界的一个十分引人注目的前沿领域，众多学者对负折射率媒质的制造方法，奇异特性及其应用等进行了较为深入的研究，产生了许多新的成果，特别是最近发表在nature和science的两篇关于三维光学频段的负折射率媒质的论文，在制造工艺上取得了非常大的进步。但是要实现负折射率媒质的频率可调性还存在很大的困难。因此探索出一种具有频率可调性的负折射率微波媒质，以应用于各种不同的邻域具有重要的科学意义和实用价值。
发明内容
本发明提供一种可调谐微波负折射率材料，所述微波负折射率材料的工作频率可调、范围宽、性能稳定。
本发明技术方案如下：
一种可调谐微波负折射率材料，如图1所示，由等效负磁导率的片状绝缘型亚铁磁材料和片状等效负介电常数的材料周期性层叠而成。所述片状绝缘型亚铁磁材料为釔铁石榴石(YIG)类亚铁磁材料，其介电常数为13.8，饱和磁化强度为1830Gs(Gs为CGS单位制，1Gs＝10-4Wb/m2)，损耗角正切为0.0004，厚度为1mm～2mm。所述片状等效负介电常数的材料为沉积在厚度为0.254mm～0.508mm的聚四氟乙烯玻璃纤维电路基板上的相互平行的金属线构成的金属线阵列，每条金属线的厚度为0.018mm～0.035mm，宽度为0.2mm，金属线间的间隔为1.508mm～2mm。
本发明所述的可调谐微波负折射率材料通过聚四氟乙烯玻璃纤维电路基板能够减小等效负介电常数金属线阵列和等效负磁导率YIG类亚铁磁材料的相互耦合影响，以实现负折射率微波媒质；通过改变外加磁场的大小和金属线阵列结构的尺寸，使得实现等效负介电常数和等效负磁导率的频带相重合；并通过改变外加磁场大小来调节实现负折射率的工作频率。
附图说明
图1本发明提供的可调谐微波负折射率材料的结构示意图。
图2本发明提供的可调谐微波负折射率材料通过数值仿真得出的传输参数特性。
图3本发明提供的可调谐微波负折射率材料通过数值计算得出的等效电磁参数和等效折射率。
图4本发明提供的可调谐微波负折射率材料通过数值仿真得出的复合媒质折射率特性。
图5测试传输参数的实验装置示意图。
图6本发明提供的可调谐微波负折射率材料通过实验测试得出的电磁参数传输特性。
图7折射试验装置图。
图8本发明提供的可调谐微波负折射率材料通过实验测得的折射率特性。
具体实施方式
1.绝缘型铁磁材料或绝缘型亚铁磁材料基片的制备：本发明采用YIG类亚铁磁材料，其介电常数为13.8，饱和磁化强度为1830Gs(Gs为CGS单位制，1Gs＝10-4Wb/m2)，损耗角正切为0.0004。YIG亚铁磁材料基片的厚度为1mm，为了能够在X波频段测量加工出来的样品的电磁特型，YIG亚铁磁材料基片的长为22.86mm，宽为10.16mm。基片数量为10片。
2.印刷电路板的制备：本发明的电路板基板材料选用介电常数和损耗最小的罗杰斯5880系列的射频基板材料。基板材料的厚度是0.254mm～0.508mm，长和宽的尺寸分别为22.86mm和10.16mm。然后在电路板基板上采用传统沉积技术沉积出金属线阵列，金属线的厚度为0.018mm～0.035mm，宽度为0.2mm，金属线间的间隔为1.508mm～2mm。电路板基板主要作用是减小金属线和YIG类亚铁磁材料的相互耦合影响。
3.可调谐型负折射率微波媒质的制备：将YIG类亚铁磁材料基片和同样尺寸的印刷电路板材料相互重叠构成负折射率微波媒质，通过改变外加磁场的大小来调节实现负折射率的工作频率。
4.折射实验装置的制备：本发明所采用的折射实验装置主要由同轴波导转换器、两块固定样品的金属铜板和测试功率的实验装置构成。
本发明的实施过程和材料的特性由数值仿真结果、实验测试结果和附图说明：
1.数值仿真结果
为了得到严格的数值计算结果与尽量准确的电磁仿真结果，从而进一步验证基于亚铁磁材料的负折射率微波媒质材料的特性，本发明利用基于有限元法的电磁仿真软件HFSS10模拟了如图1所示结构的电磁传输特性，进一步数值计算了等效磁导率、等效介电常数和等效折射率。最后数值仿真了电磁波在复合媒质与空气交界面处的折射特性。
1.1负折射率微波合成媒质的电磁传输特性
仿真模型如图1所示，YIG亚铁磁材料基片的材料参数为：饱和磁化强度位1830Gs，铁磁谐振线宽位22Oe(Oe为CGS单位制，4×10-3Oe＝1A/m)。尺寸为：长22.86mm，宽10.16mm，厚度1mm。PCB板采用罗杰斯5880系列电路板基板，单片厚度为0.254mm，长和宽与YIG尺寸一样。沉积金属线阵列的厚度为0.018mm，宽度为0.2mm，线间距为1.508mm。外加磁场强度为4500Oe～5500Oe。通过电磁仿真软件HFSS10仿真得出该负折射率微波合成媒质的传输特性如图2所示。由图2可知，当外加磁场为4500Oe时，该合成媒质材料在10-12.4GHz形成了一个传输通带，且该传输通带随着外加磁场的增加而增加，达到了可调谐的目的。
1.2等效电磁参数和等效折射率的数值计算结果
由1.1所述数值仿真得出的电磁传输参数数据，通过编程提取电磁参数得到等效磁导率、等效介电常数和等效折射率如图3所示，其中外加磁场强度为4500Oe。由图3可知，当外加磁场为4500Oe时，在传输通带范围内，实现了负的等效电磁参数。证明了该种合成媒质材料的负折射率特性。
1.3复合媒质的负折射特性仿真
折射实验仿真的模型如图4所示，中间楔形部分为复合媒质，上面和下面部分是由两块金属板构成的平板波导。电磁波从下面的端口垂直入射到楔形模块的下表面，再从上表面折射出去。楔形模块的角度为18.43°，在外加磁场为4500Oe的情况下，该复合媒质在11GHz时的折射特性如图4所示。由图4可知，电磁波通过由负折射率媒质材料构成的楔形模块的上表面时，从法线的左边射出，即产生了负的折射角。该结果进一步证实了该种合成材料的负折射率特性。
2.实验测试结果
为了进一步证实本发明所提出的负折射率微波合成媒质材料的有效性。我们实际加工出该合成媒质样品。其中YIG亚铁磁材料的饱和磁化强度为1830Gs，介电常数为13.8，铁磁谐振线宽位22Oe，尺寸为：长18mm，宽10.16mm，厚度1mm。PCB板采用罗杰斯5880系列电路板基板，单片厚度为0.254mm，长和宽与YIG尺寸一样。沉积金属线阵列的厚度为0.018mm，宽度为0.2mm，线间距为1.508mm。将其放入实验测试装置中，实验测试装置示意图如图5所示。当外加磁场为2500-3000Oe时实验测得该复合媒质的电磁传输特如图6所示。由图6可知，在外加磁场为2500Oe时，传输系数在7.4-8.4GHz范围内形成了一个传输通带，基本上符合理论和仿真结果。并且随着外加磁场的增加，传输通带也在增加，即达到了可调谐的目的。
最后通过实验测试由本发明所加工的楔形合成媒质样品在折射试验装置中的折射特性，以进一步证实本发明所提出的合成媒质构造方法的可行性。楔形合成媒质样品的尺寸和前面测试传输参数时的尺寸相同，楔形角度为18.43°，实验装置示意图如图7所示。将实验样品放入折射实验装置，实验装置的右边连接信号发生器以产生信号，左边连接测试功率的功率计，在外加磁场为3000Oe时的折射特性如图8所示。其中实线即为本发明所加工的合成媒质在8.2GHz时的折射特性，虚线为常规材料石蜡的折射特性。由图8可知，当外加磁场为3000Oe时，该合成媒质材料在8.2GHz的折射角为-30°左右，实验证明了本发明所提出的合成媒质构造方法的有效性。

Claims (1)

1.一种可调谐微波负折射率材料，由等效负磁导率的片状绝缘型亚铁磁材料和片状等效负介电常数的材料相互重叠的方式层叠而成；所述片状绝缘型亚铁磁材料为釔铁石榴石类亚铁磁材料，其介电常数为13.8，饱和磁化强度为1830Gs，损耗角正切为0.0004，厚度为1mm～2mm；所述片状等效负介电常数的材料为沉积在厚度为0.254mm～0.508mm的聚四氟乙烯玻璃纤维电路基板上的相互平行的金属线构成的金属线阵列，每条金属线的厚度为0.018mm～0.035mm，宽度为0.2mm，金属线间的间隔为1.508mm～2mm。 
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