CN101673869A - 陶瓷小球和铜线构成的左手材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明为陶瓷小球和铜丝构成的左手材料的制备方法。本发明利用微波介质陶瓷加工成的小球实现磁谐振，产生负磁导率；利用铜线实现电谐振，产生负介电常数。将小球和铜线以周期方式进行排布以构成复合材料。在入射电磁波频率为5.64－6.34GHz时，所构成的材料经测试同时具有负介电常数和负磁导率，即具有左手材料性质。该材料在三个入射方向形貌相似，因而具有三维左手材料性质。

Description

陶瓷小球和铜线构成的左手材料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种微波频率段电磁波负折射率材料的制备，属于材料制备以及电磁微波实验技术领域。

背景技术

左手材料是一类具有负折射率的人工超材料，具有负的介电常数以及负的磁导率。左手材料所具有的不同寻常的电磁特性已经引起了世界各国科学家们广泛的关注和研究，如：逆斯涅尔折射(ReversedSnell Refraction)效应，逆多普勒效应(Reversed Doppler Effect)以及逆契仑可夫辐射(Reversed Cevenkov Radiation)。

自从第一块左手材料样品诞生以后，各种新型的左手材料模型有如雨后春笋般相继被提出。左手材料中负介电常数人们基本全都采用周期排列金属线的方式来达到，获得负磁导率的方式可谓是多种多样，新模型的设计灵感也主要集中在对SRR的改进或取代，同时它也是目前左手材料研究的热点与创新点所在。无论是SRR环，S形环，Ω形环还是铁氧体，以及最近兴起的高介电圆柱，高介电小球，它们的原理都是利用在某段频率上的谐振从而取得负磁导率。

目前左手材料多数为一维和二维的，即对某一方向或某一平面内入射的电磁波同时具有负介电常数和负磁导率，对任意方向入射的电磁波都具有左手性质的材料制备起来十分困难。如由印刷电路制成的SRR型及其衍生Ω型和S型谐振环只有当磁场沿其轴向极化时才能产生负的磁导率，这意味着要想构造一个各向同性的负磁导率超材料就需要将SRR进行三维正交排列，这样整个结构就会显得很复杂并且不易制备。对于铁氧体材料要产生负的介电常数必须要有外加的磁场，从很大程度上限制了铁氧体超材料的运用。

发明内容

为了克服印刷电路型、铁氧体型等左手材料存在的局限性，本发明提供一种陶瓷小球和铜丝构成左手材料的制备方法，能够在微波频率段实现三维各向同性的左手性质。

该一种陶瓷小球和铜丝构成左手材料的制备方法，包括以下步骤：

第一步：选择相对介电常数为ε_r＝88.3的微波介电陶瓷，经机械打磨成半径为r＝2.7±0.05mm的小球(1)；

第二步：选择相对介电常数为ε_r＝1.03的泡沫材料，机械切割成40.4mm×20.2mm×6.7mm矩形片(2)，按间距6.7mm×6.7mm在该矩形片上钻出半径为r＝2.7±0.05mm的圆形通孔(3)；

第三步：将第一步得到的陶瓷小球(1)放置于第二步制备的圆形通孔(3)中，制成以泡沫材料为基体、陶瓷小球夹杂的片状方块，将5-10块这种片状方块进行重叠形成块体；

第四步：将直径为1.0mm的铜丝(4)按点距6.7mm×6.7mm以三个正交方向插入第三步制得的块体中，每根铜丝位于四个相邻的陶瓷小球中心，即同时具有负介电常数和负磁导率的材料。

上述左手材料的负介电常数是利用在周期金属线的内部环境下，只允许电磁波以调落波的形式存在，电磁波的这种传播模式可以用负介电常数来等效。其变换过程如下式：

$k_{\mathrm{eff}}=\sqrt{k^2-k_0^2}=\sqrt{{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_0({\mathrm{\ω}}^2-{\mathrm{\ω}}_0^2)}=\mathrm{\ω}\sqrt{{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_0(1-{\mathrm{\ω}}_0^2/{\mathrm{\ω}}^2)}=\mathrm{\ω}\sqrt{{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{eff}}}$

其中 ${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{eff}}=1-{\mathrm{\ω}}_0^2/{\mathrm{\ω}}^2$ 为等效介电常数，ω是入射波频率，ω₀是金属截止频率，k、k0、k_eff分别是电磁波真空中波数、截止波数和等效波数，ε₀、μ₀分别是真空介电常数和磁导率。由 ${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{eff}}=1-{\mathrm{\ω}}_0^2/{\mathrm{\ω}}^2$ 可见，当入射波频率小于金属系截止频率时(ω＜ω₀)，等效介电常数ε_eff＜0。

负磁导率是利用微波介电陶瓷小球产生Mie氏谐振，从而改变空间磁场的分布，得到等效的磁导率并为负数。其等效参数由下式决定：

${\mathrm{\μ}}_{\mathrm{eff}}=\frac{{2\left(k_0{r}_0\right)}^3+6\mathrm{if}{b}_1}{2{\left(k_0{r}_0\right)}^3-3\mathrm{if}{b}_1}$

其中μ_eff为等效磁导率，b₁是陶瓷小球对磁场散射系数，f是陶瓷小球的体积分数，r₀是小球半径，i是虚数单位。由Mie氏理论计算给出，见文献(Metamaterial，2：220-226，2008)。可见，当2(k₀r₀)³＝3ifb₁时，上次分母为0，陶瓷小球将发生谐振，导致等效磁导率可能为负值。

本发明的有益效果：

本发明微波介电陶瓷小球与铜丝构造的左手材料，跟以往的印刷电路型、铁氧体型等左手材料相比，结构简单，取材便利，很容易实现三维各向同性。而且局部单元的尺寸与波长之比小于印刷电路型和铁氧体型左手材料局部单元尺寸与波长之比，表明材料内部更均匀。实验证明，在入射电磁波频率为5.64-6.34GHz时，所构造的材料同时具有负介电常数和负磁导率，即具有左手材料性质。该材料在三个入射方向(前后、上下、左右)形貌相似，因而显然具有三维各向同性性质。

附图说明

图1为本发明中1陶瓷小球和铜丝构成左手材料的结构图；

其中1-由微波介电陶瓷磨削形成的小球，2-介电常数与空气接近的泡沫材料片，3-泡沫材料上用于固定陶瓷小球的通孔，4-铜丝

具体实施方式

本发明采用高介电颗粒和金属丝来制备三维各向同性左手材料，利用微波介质陶瓷加工成的小球实现磁谐振，产生负磁导率；利用铜线实现电谐振，产生负介电常数；将小球和铜线以周期方式进行排布以构成复合材料；在入射电磁波频率为5.64-6.34GHz时，所构成的材料经测试同时具有负介电常数和负磁导率，即具有左手材料性质。

由于结构具有平面各向同性，可以利用矩形波导的TE₁₀模来测量结构的透射性质，经过设计采用国标BJ-58型(美标WR159)波导，工作频率在4.64GHz~7.05GHz，截面尺寸为40.4mm×20.2mm。将这些陶瓷小球周期地排布于矩形波导中，每片泡沫固定18个介电陶瓷小球，由于泡沫隔板的厚度为6.7mm，所以在电磁波传播的方向上具有同样的周期常数。实验中在传播方向上使用了5片嵌有电介质圆柱的泡沫，总共使用80个高介电陶瓷小球。

将装有80个高介电陶瓷小球的波导腔放入矢量网络分析仪(Agilient E8362B)两个接有相应工作频率段的波导同轴端口中间，在实现了材料的负磁导率之后，下一步就是要在同一波段实现材料的负介电常数。

周期排列的高介电陶瓷小球会出现两个不同的禁带。前者是复合材料的磁谐振频率段，而后者则是复合材料的电谐振频率段，虽然在电谐振频率段里材料的相对介电常数会出现负值，但是两个频率段并没有交集，所以周期地在BJ-58波导腔中放入金属线。在BJ-58型波导的宽边上以周期a＝6.7mm开出直径为1.0mm(±0.02mm)的过窄小孔，将直径1.0mm的金属线插入这些小孔阵中就可以实现周期金属线结构，金属线与波导壁必须紧密结合。然后再将高介电常数陶瓷小球周期地排布于矩形波导中，仍使用低介电常数的泡沫材料进行固定，这样就可以测出将周期金属线和高介电常数陶瓷小球颗粒组合时的电磁波透射性质，根据透射性质可以证实该材料将具有左手材料性质。在5.64GHz-6.34GHz频段材料出现电磁波通带，而在加入金属线前为禁带，由此可见，模型已经由负磁导率材料变成了左手材料。在5.64GHz-6.34GHz频段，实验和数值结果吻合良好，由于实验装置和仪器的精度影响，实验精度范围大于-80dB，因此可以不考虑低于5.6GHz频段两条曲线的误差。

Claims (1)

1、一种陶瓷小球和铜丝构成左手材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

第一步：选择相对介电常数为ε_r＝88.3的微波介电陶瓷，经机械打磨成半径为r＝2.7±0.05mm的小球(1)；

第二步：选择相对介电常数为ε_r＝1.03的泡沫材料，机械切割成40.4mm×20.2mm×6.7mm矩形片(2)，按间距6.7mm×6.7mm在该矩形片上钻出半径为r＝2.7±0.05mm的圆形通孔(3)；

第三步：将第一步得到的陶瓷小球(1)放置于第二步制备的圆形通孔(3)中，制成以泡沫材料为基体、陶瓷小球夹杂的片状方块，将5-10块这种片状方块进行重叠形成块体；

第四步：将直径为1.0mm的铜丝(4)按点距6.7mm×6.7mm以三个正交方向插入第三步制得的块体中，每根铜丝位于四个相邻的陶瓷小球中心，即同时具有负介电常数和负磁导率的材料。