CN102769205A - 一种基于亚铁磁体的可调谐双频负折射率媒质及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于亚铁磁体的可调谐双频负折射率媒质及制备方法，属于微波电磁材料技术领域。所述媒质可分别由刻蚀有SRR和金属线结构、Ω状结构、截断金属短线和金属线的介质板与亚铁磁体层叠构成。本发明所构造的双频负折射率媒质具有智能可调谐特性，可用于可调谐双频带通/带阻滤波器、可调谐双频电磁隐形材料和吸波材料等领域。

Description

一种基于亚铁磁体的可调谐双频负折射率媒质及制备方法

技术领域

本发明涉及微波电磁材料领域，具体地，本发明涉及一种基于亚铁磁体的可调谐双频负折射率媒质及制备方法。

背景技术

2000年，D.R.Smith等人基于J.B.Pendry提出的构造单负介电常数材料、单负磁导率材料的思想，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，实现了1976年前苏联科学家V.G.Veselago所预言的理想负折射率媒质。负折射率媒质已成为当今物理学、材料学、电磁学、光学等领域交叉学科的重点研究对象，具有广泛的应用前景和重要的科学意义。

通常实现负折射率媒质的方法均是由单负介电常数材料和单负磁导率材料分别合成。由周期排列的金属线阵列很容易实现宽频带单负介电常数，而要实现宽频的单负磁导率材料成为制约负折射率媒质的关键性技术问题。目前实现宽频负磁导率材料的方法主要有双频、三频、多频等技术，以及基于铁电、铁磁、液晶等材料，通过外加电场、磁场、温度控制等技术以实现可调谐的方法。

CN 1835277A公开了一种负折射率微波媒质材料及其制备方法，属于微波材料技术领域。材料由单负磁导率的绝缘型铁磁材料或绝缘型亚铁磁材料和金属导线组成，所述金属导线均匀嵌入单负磁导率的绝缘型铁磁材料或绝缘型亚铁磁材料中。针对金属导线阵列而言，该发明提供了三种负折射率材料：一维晶格型、二维晶格型和三维晶格型。制备方法是将宽带单负磁导率的绝缘型铁磁材料或绝缘型亚铁磁材料和宽带单负介电常数的金属导线阵列结构，二者相互重叠，构成所述负折射率媒质。但该负折射率微波媒质材料只能实现单频段的负折射率。

然而，要进一步地实现宽频智能控制，以应用于各种不同的应用场合，急需设计出一种宽频或多频的具有可调谐性能的负折射率媒质，而其中最为关键的技术即为实现宽频或多频的具有智能可调谐的单负磁导率超材料。

本发明基于亚铁磁体在外加直流磁场条件下表现出的负磁导率特性和智能可调谐特性，以及可实现负磁导率特性的谐振单元阵列（SRR结构、Ω状结构、截断金属短线结构），提出一种智能可调谐的双频负折射率媒质及其制备方法。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种基于亚铁磁体的可调谐双频负折射率媒质。所述基于亚铁磁体的可调谐双频负折射率媒质由刻蚀有谐振单元阵列的介质板与亚铁磁体层叠构成。

优选地，所述谐振单元阵列为SRR和金属线结构、Ω状结构、截断金属短线和金属线结构中的任一种。

优选地，所述介质板的介电损耗角正切值小于0.02。

具体实现方法是由刻蚀在介质板上的SRR、Ω状结构或截断金属短线结构实现一个频段的单负磁导率；由亚铁磁体在外加直流磁场控制下实现另一个频段负磁导率；由刻蚀在介质板上的金属线实现宽频的单负介电常数，其工作频段覆盖两个负磁导率频段，从而实现双频的负折射率特性；通过改变外加直流磁场强度，同时智能控制两个负折射率频段。

本发明所提出的具有三种谐振单元阵列的基于亚铁磁体的可调谐双频负折射率媒质的示意图如图2、图6、图10所示。

（1）基于亚铁磁体的SRR和金属线结构可调谐双频负折射率媒质

其中，构成SRR结构的金属厚度0.017mm～0.035mm，线宽0.1mm～0.2mm；SRR结构外环尺寸1.6mm～2mm，内环尺寸0.8mm～1.2mm；金属线厚度0.017mm～0.035mm，线宽0.2mm～0.5mm；SRR结构与金属线间距0.2mm～0.4mm；介质板厚度0.5mm～1mm，亚铁磁体厚度0.5mm～1mm，周期尺寸2mm～3mm。

（2）基于亚铁磁体的Ω状结构可调谐双频负折射率媒质

其中，两个Ω状结构旋转对称，构成Ω状结构的金属厚度0.017mm～0.035mm，线宽0.3mm～0.5mm；两个旋转对称Ω状结构间距0.2mm～0.4mm；介质板厚度0.5mm～1mm，亚铁磁体厚度0.5mm～1mm，周期尺寸2mm～3mm。

（3）基于亚铁磁体的截断金属短线和金属线结构可调谐双频负折射率媒质

其中，截断金属短线和金属线厚度0.017mm～0.035mm，线宽0.1mm～0.2mm；截断金属短线长度3mm～3.8mm，截断金属短线与金属线间隔0.3mm～0.5mm，介质板厚度0.25mm～0.5mm，亚铁磁体厚度0.3mm～0.6mm，周期尺寸2mm～5mm。

优选地，所述亚铁磁体基片厚度为0.3mm～1mm。

本发明的目的之一还在于提供所述的可调谐双频负折射率媒质的用途。所述的可调谐双频负折射率媒质具有智能可调谐特性，可用于可调谐双频带通/带阻滤波器、可调谐双频电磁隐形材料和吸波材料领域。

本发明的目的之一还在于提供所述基于亚铁磁体的可调谐双频负折射率媒质的制备方法，所述方法包括以下步骤：

（1）制备亚铁磁体基片；

（2）采用电路板刻蚀技术，在介质板上刻蚀出谐振单元阵列；

（3）由步骤（1）获得的亚铁磁体基片与步骤（2）获得的刻蚀有相应谐振单元阵列的印制电路板层叠放置并粘在一起，得到基于亚铁磁体的可调谐双频负折射率媒质。

优选地，所述亚铁磁体基片厚度为0.3mm～1mm。

优选地，所述介质板的介电损耗角正切值小于0.02。

采用磁场强度可调的磁场发生器以产生2kOe～3kOe的直流磁场，作用于本发明所述的基于亚铁磁体的可调谐双频负折射率媒质，可智能控制两个负折射率工作频段。

附图说明

图1是不同外加磁场下亚铁磁体等效磁导率随频率的变化曲线图，其中内插图为外加直流磁场作用于亚铁磁体的方向示意图；

图2是基于亚铁磁体的SRR和金属线结构双频负折射率媒质单元图；

图3是基于亚铁磁体的SRR和金属线结构双频负折射率媒质的S-参数随频率变化曲线图；

图4中：（a）基于亚铁磁体的SRR和金属线结构双频负折射率媒质等效阻抗；（b）基于亚铁磁体的SRR和金属线结构双频负折射率媒质等效折射率特性；

图5是基于亚铁磁体的SRR和金属线结构双频负折射率媒质的传输系数随外加直流磁场变化的频移特性；

图6是基于亚铁磁体的Ω状结构双频负折射率媒质单元图；

图7是基于亚铁磁体的Ω状结构双频负折射率媒质S-参数随频率变化曲线图；

图8中：（a）基于亚铁磁体的Ω状结构双频负折射率媒质等效阻抗；（b）基于亚铁磁体的Ω状结构双频负折射率媒质等效折射率特性；

图9是基于亚铁磁体的Ω状结构双频负折射率媒质的传输系数随外加直流磁场变化的频移特性；

图10是基于亚铁磁体的截断金属短线和金属线结构可调谐双频负折射率媒质单元图；

图11是基于亚铁磁体的截断金属短线和金属线结构可调谐双频负折射率媒质S-参数随频率变化曲线图；

图12中：（a）基于亚铁磁体的截断金属短线和金属线结构可调谐双频负折射率媒质等效阻抗；（b）基于亚铁磁体的截断金属短线和金属线结构可调谐双频负折射率媒质等效折射率特性；

图13是基于亚铁磁体的截断金属短线和金属线结构可调谐双频负折射率媒质传输系数随外加直流磁场变化的频移特性。

附图标记：1—铁氧体；2—介质。

具体实施方式

首先，采用电路板刻蚀技术，在介电损耗较小的介质板上分别刻蚀出SRR和金属线、Ω状结构、截断金属短线和金属线三种结构；其次，选用Trans-Tech有限公司的商用微波石榴石铁氧体类亚铁磁体基片TT1-3000系列，其具体参数为：饱和磁化强度4πMs=3000Gs，介电常数ε_r=12.9，损耗正切角tanδ=0.0005，铁磁共振线宽ΔH=228Oe，亚铁磁体厚度为0.3mm～1mm；最后，将刻蚀有三种谐振单元阵列的印制电路板分别与微波石榴石铁氧体类亚铁磁体基片层叠放置并粘在一起以构成可调谐双频负折射率媒质。采用磁场强度可调的磁场发生器以产生2kOe～3kOe的直流磁场，外加直流磁场沿如图1所示的方向作用于该亚铁磁体。通过改变外加直流磁场强度，智能控制两个负折射率工作频段。

本发明工作机理如下：

如图1所示，当入射电磁波沿y方向入射时，极化方向沿z方向，外加直流磁场沿z方向作用于亚铁磁体，其等效磁导率为

${\mathrm{\μ}}_{\mathrm{eff}}=1-\frac{{\mathrm{\ω}}_m}{\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{{\mathrm{\ω}}_0+{\mathrm{\ω}}_m}-{\mathrm{\ω}}_0-\mathrm{j\α\ω}\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{{({\mathrm{\ω}}_0+{\mathrm{\ω}}_m)}^2+1}},$

其中ω₀=γH₀为铁磁共振频率、γ是旋磁比、ω_m=4πγMs是亚铁磁体的特征频率、H₀为外加直流磁场偏置，α为铁磁旋紧衰减，通常忽略α的高阶无穷小量。

利用上述公式以及TT1-3000系列参数计算得出其等效磁导率随频率变化特性如图1所示。由图可知，亚铁磁体在不同外加磁场下显示出不同频段的谐振特性以及不同频段的负磁导率特性。在外加直流磁场H₀=2.2kOe时，其等效磁导率在9.5-14GHz的范围内呈现负值，然后在15GHz以后变为正值。因此，利用亚铁磁体与常规单频负折射率煤质相组合的方式（常规负折射率煤质的谐振频率与亚铁磁体的负等效磁导率不同），可以等到两个负折射率工作频段。本发明利用SRR和金属线结构、Ω状结构以及截断金属短线和金属线结构负折射率煤质加载亚铁磁体以实现双频负折射率煤质特性。

此外，如图1所示，当外加磁场在2.2kOe到3kOe变化时，亚铁磁体的谐振频率在9.5GHz到12GHz变化。当外加直流磁场增加时，亚铁磁体的谐振频率增加，从而SRR结构、Ω状结构以及截断金属短线的谐振频率增加，因此另外一个负频带也可以通过改变外加磁场来改变。因此，基于亚铁磁体的双频负折射率频带可以简单的通过改变外加磁场来调节。

为便于理解本发明，本发明列举实施例如下。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。

实施例一

图2为基于亚铁磁体的SRR和金属线谐振结构的双频负折射率媒质示意图，其尺寸设置为：SRR结构和金属线的厚度0.017mm，亚铁磁体厚度a＝0.7mm，介质板厚度0.6mm，SRR与金属线间隔c=0.25mm，金属线长度f＝2mm，宽度w₁=0.4mm，SRR结构线宽w₂=0.1mm，缝隙w₃=0.3mm，SRR外环尺寸d₁=1.6mm，内环尺寸d₂=1.2mm，周期尺寸e=2mm。介质板采用罗杰斯公司RT/duriod 5880系列板材，介电常数ε_r=2.2，介电损耗角正切tanδ=0.0009。图3所示为该双频负折射率媒质在外加直流磁场为2kOe时的双频传输特性，由图可知，该双频负折射率媒质分别在8.4GHz和15.3GHz处出现了两个3dB带宽分别为2.8GHz和4.6GHz的工作带宽。图4为反演算法提取出的等效阻抗和等效折射率特性，由图可知，在两个传输通带内的阻抗匹配特性较好，并均为负折射率特性，证明了本发明的有效性。图5为在不同外加直流磁场强度下的双频负折射率媒质的传输曲线频移特性，由图可知，随着外加直流磁场的变化，该双频负折射率媒质可智能调谐。

实施例二

图6为基于亚铁磁体的Ω状结构双频负折射率媒质示意图，其尺寸设置为：Ω状结构金属线的厚度0.017mm，亚铁磁体厚度a=0.7mm，介质板厚度0.6mm，两旋转对称Ω状结构间隔c=0.25mm，Ω状结构线宽w₁=0.4mm，开口缝隙w₂=0.2mm，外半径r＝1.6mm，z方向周期间隔f＝3mm，x方向周期间隔e=3mm，y方向周期间隔e=2mm。介质板采用罗杰斯公司RT/duriod 6010系列板材，介电常数ε_r=10.2，介电损耗角正切tanδ=0.0023。图7所示为该双频负折射率媒质在外加直流磁场为2kOe时的双频传输特性，由图可知，该双频负折射率媒质分别在7GHz和13.9GHz处出现了两个3dB带宽分别为2.4GHz和2.2GHz的工作带宽。图8为反演算法提取出的等效阻抗和等效折射率特性，由图可知，在两个传输通带内的阻抗匹配特性较好，并均为负折射率特性，证明了本发明的有效性。图9为在不同外加直流磁场强度下的双频负折射率媒质的传输曲线频移特性，由图可知，随着外加直流磁场的变化，该双频负折射率媒质可智能调谐。

实施例三

图10为基于亚铁磁体的截断金属短线和金属线结构的双频负折射率媒质示意图，其尺寸设置为：截断金属短线和金属线厚度0.017mm，线宽w₁=0.2mm，截断金属短线长度d=3.4mm，截断金属短线与金属线间间隔w₂=0.4mm，沿x方向放置的两块亚铁磁体厚度w₃=0.6mm，长度a=2.4mm，沿y方向放置的两块亚铁磁厚度0.3mm，长度c=2mm，空气隔层为0.275mm，介质板厚度0.25mm，z方向周期间隔e=4mm，x方向周期间隔b=3mm，y方向周期间隔c=2mm。介质板采用罗杰斯公司RT/duriod 6010系列板材，介电常数ε_r=10.2，损耗角正切tanδ=0.0023。图11所示为该双频负折射率媒质在外加直流磁场为2kOe时的双频传输特性，由图可知，该双频负折射率媒质分别在7.9GHz和16.5GHz处出现了两个3dB带宽分别为1.6GHz和2.4GHz的工作带宽。图12为反演算法提取出的等效阻抗和等效折射率特性，由图可知，在两个传输通带内的阻抗匹配特性较好，并均为负折射率特性，证明了本发明的有效性。图13为在不同外加直流磁场强度下的双频负折射率媒质的传输曲线频移特性，由图可知，随着外加直流磁场的变化，该双频负折射率媒质可智能调谐。

由三个实施例可知，本发明所提出的三种基于亚铁磁体的双频可调谐负折射率媒质具有智能可调谐的双频负折射率传输特性，基于亚铁磁体的双频负折射率媒质具有普适性，可用于设计其他结构的双频、三频以及多频负折射率媒质。

申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种可调谐双频负折射率媒质，其特征在于，所述媒质由刻蚀有谐振单元阵列的介质板与亚铁磁体层叠构成。

2.如权利要求1所述的可调谐双频负折射率媒质，其特征在于，所述谐振单元阵列为SRR和金属线结构、Ω状结构、截断金属短线和金属线结构中的任一种；

优选地，所述介质板的介电损耗角正切值小于0.02

3.如权利要求1或2所述的可调谐双频负折射率媒质，其特征在于，由刻蚀在介质板上的SRR结构、Ω状结构或截断金属短线结构实现一个频段的单负磁导率；由亚铁磁体在外加直流磁场控制下实现另一个频段负磁导率；由刻蚀在介质板上的金属线实现宽频的单负介电常数，其工作频段覆盖两个负磁导率频段，从而实现双频的负折射率特性；通过改变外加直流磁场强度，同时智能控制两个负折射率频段。

4.如权利要求1-3任一项所述的可调谐双频负折射率媒质，其特征在于，在基于亚铁磁体的SRR和金属线结构可调谐双频负折射率媒质中，构成SRR结构的金属厚度0.017mm～0.035mm，线宽0.1mm～0.2mm；SRR结构外环尺寸1.6mm～2mm，内环尺寸0.8mm～1.2mm；金属线厚度0.017mm～0.035mm，线宽0.2mm～0.5mm；SRR结构与金属线间距0.2mm～0.4mm；介质板厚度0.5mm～1mm，亚铁磁体厚度0.5mm～1mm，周期尺寸2mm～3mm。

5.如权利要求1-4任一项所述的可调谐双频负折射率媒质，其特征在于，在基于亚铁磁体的Ω状结构可调谐双频负折射率媒质中，两个Ω状结构旋转对称，构成Ω状结构的金属厚度0.017mm～0.035mm，线宽0.3mm～0.5mm；两个旋转对称Ω状结构间距0.2mm～0.4mm；介质板厚度0.5mm～1mm，亚铁磁体厚度0.5mm～1mm，周期尺寸2mm～3mm。

6.如权利要求1-5任一项所述的可调谐双频负折射率媒质，其特征在于，在基于亚铁磁体的截断金属短线和金属线结构可调谐双频负折射率媒质中，截断金属短线和金属线厚度0.017mm～0.035mm，线宽0.1mm～0.2mm；截断金属短线长度3mm～3.8mm，截断金属短线与金属线间隔0.3mm～0.5mm，介质板厚度0.25mm～0.5mm，亚铁磁体厚度0.3mm～0.6mm，周期尺寸2mm～5mm。

7.如权利要求1-6任一项所述的可调谐双频负折射率媒质，其特征在于，所述亚铁磁体基片厚度为0.3mm～1mm。

8.如权利要求1-7任一项所述的可调谐双频负折射率媒质的用途，其特征在于，所述的可调谐双频负折射率媒质具有智能可调谐特性，可用于可调谐双频带通/带阻滤波器、可调谐双频电磁隐形材料和吸波材料领域。

9.如权利要求1-7任一项所述的可调谐双频负折射率媒质的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

（1）制备亚铁磁体基片；

（2）采用电路板刻蚀技术，在介质板上刻蚀出谐振单元阵列；

（3）由步骤（1）获得的亚铁磁体基片与步骤（2）获得的刻蚀有相应谐振单元阵列的印制电路板层叠放置并粘在一起，得到基于亚铁磁体的可调谐双频负折射率媒质。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述亚铁磁体基片厚度为0.3mm～1mm；

优选地，所述介质板的介电损耗角正切值小于0.02。

Images