CN103490122B - 一种基于热敏铁氧体的温控负折射开关及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光通讯、光电子技术领域，特别涉及一种基于热敏铁氧体的温控负折射开关及其制备方法。本发明是由热敏铁氧体棒和金属线组成的结构单元周期排列而成，结构周期远小于电磁波的波长，热敏铁氧体棒与金属线之间间隔一定距离；本发明采用标准的印刷电路板掩膜蚀刻技术制备所需的金属线板，将热敏铁氧体棒黏附在板的无金属线的一面，并与金属线一一对应，得到温控负折射开关；基于热敏铁氧体在其居里温度产生铁磁/顺磁转变，本发明实现了电磁波通过左手材料的负折射行为在居里温度以下为“开”和在居里温度以上为“关”的温度调控，有望推进左手材料温控传感器等器件的开发及应用。
Description
技术领域
本发明属于光通讯、光电子技术领域，特别涉及一种基于热敏铁氧体的温控负折射开关及其制备方法。
背景技术
近年来，以左手材料和超隐身系统为代表的具有负折射特性的新型电磁介质引起了人们的关注。这种材料的构想起源于1968年前苏联物理学家Veselago教授提出的关于左手性物质的理论推测。Veselago指出，当介电常数(ε)和磁导率(μ)同时为负值时，电场矢量、磁场矢量以及波矢之间不再遵循作为经典电磁学基础的右手定则，而呈现出左手关系。这时，电磁波的玻印亭矢量的方向与波矢方向相反，即相速度与群速度方向相反。20世纪90年代，英国科学家Pendry等人提出，当电磁波的频率小于等离子体频率时，周期性排列的金属线阵列的ε为负值。随后，Pendry等人又设计了一种开口金属环结构(splitringresonators,SRRs)，并且证明了周期性排列的开口谐振环阵列在谐振频率附近出现负磁导率。此后，美国加州大学Shelby等人利用Pendry提出的设计理念将金属线与SRRs阵列复合起来，制备出了ε和μ同时为负的左手材料，验证了负折射现象。Veselago的设想终于被实验所证实，并开始在超透镜、微波天线等领域获得应用。
自SRRs结构出现以来，大多数研究者根据这一思想来设计和制备左手材料。这种复杂人工结构的负折射特性主要来源于人工结构而非材料的本征性能。利用复杂人工结构的思想来实现负折射面临着越来越多的困难。例如，一般人工结构左手材料要求其结构单元尺度远小于与其作用的电磁波波长尺度，随着频率的增加，对加工技术的要求将越来越高；对于常规的基于金属结构的左手材料而言，结构一旦固定，其性质及其频率关系便已确定，很难通过外场实现调制，限制了其在器件中的应用等。众所周知，旋磁材料铁氧体在铁磁共振频率附近出现负磁导率，基于旋磁铁氧体铁磁共振的本征型左手材料有望解决上述问题。因此，研究者在理论上不断探索这种设计思路的可行性，在实验上也取得了一系列显著的进展。为了满足实际应用需求，功能材料主要参数随温度、磁场等变化的可调性研究已成为材料科学与工程领域的研究热点。目前，左手材料的可调性能研究也受到了研究者的越来越多的关注。但是，基于铁氧体的左手材料主要集中在磁场可调的研究上，其温控特性还没有报道。因此，设计并制备出一种温控负折射开关实现其负折射性能的温度可调，对于发展左手材料的温控传感器等器件的应用具有重大的现实意义。
发明内容
针对现有技术不足，本发明提供了一种基于热敏铁氧体的温控负折射开关及其制备方法。
一种基于热敏铁氧体的温控负折射开关，所述温控负折射开关由热敏铁氧体棒阵列和金属线阵列组成，其中单根热敏铁氧体棒与单根金属线构成一个结构单元；所述金属线设置在金属线板的一侧表面上，并在其上等间隔平行排列，而所述热敏铁氧体棒设置在与金属线相对的金属线板的另一侧表面上，并在其上等间隔平行排列，所述热敏铁氧体棒与金属线平行并一一对应；所述热敏铁氧体棒的磁化方向为平行于棒的长度方向；所述温控负折射开关的两个相邻结构单元的间距小于电磁波的波长，根据有效介质理论可看作有效的“均匀”介质。
两个以上厚度相同的两侧表面分别设置有热敏铁氧体棒与金属线的金属线板，以相同的板间距平行均匀排列，并且其上设置的热敏铁氧体棒与金属线分别构成热敏铁氧体棒阵列和金属线阵列。
所述同一金属线板上的相邻热敏铁氧体棒之间的间距与相邻金属线板的板间距相等。
所述热敏铁氧体棒的材质为MnZn铁氧体。
所述金属线的材质为Cu、Ag或Au。
所述金属线板的材质为PCB板。
一种基于热敏铁氧体的温控负折射开关的制备方法，其具体步骤如下：
(1)将热敏铁氧体块体切割成的棒状样品；
(2)采用掩膜蚀刻技术制备出具有所需金属线图形的金属线板；所述金属线图形为金属线间隔小于电磁波波长的金属线阵列；
(3)将热敏铁氧体棒黏附在金属线板上无金属线的一面，并与金属线一一对应，得到热敏铁氧体-金属线复合结构，即温控负折射开关。
将两个以上厚度相同的两侧表面分别设置有热敏铁氧体棒与金属线的金属线板，以相同的板间距平行均匀排列，使其上设置的热敏铁氧体棒与金属线分别构成热敏铁氧体棒阵列和金属线阵列，得到热敏铁氧体阵列-金属线阵列复合结构，即温控负折射开关。
所述同一金属线板上的相邻热敏铁氧体棒之间的间距与相邻金属线板的板间距相等。
利用切片机或划片机来切割热敏铁氧体块体。
所述热敏铁氧体棒的材质为MnZn铁氧体。
所述金属线的材质为Cu、Ag或Au。
所述金属线板的材质为PCB板。
本发明的有益效果为：
本发明的温控负折射开关是由热敏铁氧体棒阵列与金属线阵列复合而成。在一定的频率范围内，铁氧体阵列提供负磁导率而金属线阵列提供负介电常数，从而使得该复合结构可以表现出磁导率和介电常数同时为负的负折射行为。热敏铁氧体在其居里温度以下为亚铁磁性材料而在居里温度以上为顺磁性材料。环境温度在热敏铁氧体温度以下时，热敏铁氧体阵列可以产生铁磁共振提供负磁导率，电磁波通过该开关时产生负折射；随着环境温度上升到居里温度以上时，热敏铁氧体转变为顺磁性材料，无法提供负磁导率，负折射消失。本发明可实现左手材料负折射特性的温度调控，有望应用在温控传感器等方面。
附图说明
图1为本发明温控负折射开关的结构示意图；
图2为本发明实施例1中常温下居里温度为310K左右的热敏铁氧体阵列、金属线阵列以及两者复合而成的温控负折射开关结构的散射参数S21幅值曲线；
图3为本发明实施例1中热敏铁氧体居里温度为310K左右的温控负折射开关的散射参数S21幅值曲线在居里温度上下的变化情况；
图4为本发明实施例2中常温下居里温度为320K左右的热敏铁氧体阵列、金属线阵列以及两者复合而成的温控负折射开关结构的散射参数S21幅值曲线；
图5为本发明实施例2中热敏铁氧体居里温度为320K左右的温控负折射开关的散射参数S21幅值曲线在居里温度上下的变化情况。
具体实施方式
本发明提供了一种基于热敏铁氧体的温控负折射开关及其制备方法，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
实施例1
采用标准的印刷电路板(PrintedCircuitBoard,PCB)掩膜蚀刻技术制备出金属线PCB板，基板材料为市售玻璃纤维环氧树脂覆铜板(FR-4)，厚度约0.6mm，金属铜线的尺寸为0.03×0.5×10mm3，线间距5mm。将尺寸为1×1×10mm3、居里温度为310K左右的热敏铁氧体棒黏附在PCB板的无金属线的一面，并与金属线一一对应，得到热敏铁氧体-金属线复合结构，即温控负折射开关，其结构如图1所示。将温控负折射开关置于WR90型矩形波导中，利用矢量网络分析仪对其进行电磁散射参数测试。图2所示为居里温度为310K左右的热敏铁氧体阵列、金属线阵列以及两者复合而成的温控负折射开关结构的散射参数S21幅值曲线。在偏置磁场为2500Oe的情况下，热敏铁氧体阵列的散射参数S21幅值曲线中出现一个透射禁带峰，该禁带峰的出现是因为铁氧体发生铁磁共振而产生负磁导率。在8～12GHz的频段内，金属线阵列的散射参数S21幅值曲线都表现为透射禁带，这是因为其介电常数为负，电磁波无法传播。热敏铁氧体阵列与金属线阵列复合而成的温控负折射开关结构在8.5～9.5GHz范围内出现一个透射通带，在通带内介电常数和磁导率同时为负，为左手通带，因而该开关可以表现出负折射行为。图3为热敏铁氧体居里温度为310K左右的温控负折射开关的散射参数S21幅值曲线在居里温度上下的变化情况。在环境温度在310K以下时，温控负折射开关的散射参数S21幅值曲线与室温下的曲线相似；当环境温度在310K以上时，温控负折射开关的散射参数S21幅值曲线中的透射通带消失，电磁波不能透过该开关，无法实现负折射。
实施例2
采用标准的印刷电路板(PrintedCircuitBoard,PCB)掩膜蚀刻技术制备出金属线PCB板，基板材料为市售玻璃纤维环氧树脂覆铜板(FR-4)，厚度约0.6mm，金属铜线的尺寸为0.03×0.5×10mm3，线间距5mm。将尺寸为1×1×10mm3、居里温度为320K左右的热敏铁氧体棒黏附在PCB板的无金属线的一面，并与金属线一一对应，得到热敏铁氧体-金属线复合结构，即温控负折射开关，其结构如图1所示。将温控负折射开关置于WR90型矩形波导中，利用矢量网络分析仪对其进行电磁散射参数测试。图4所示为居里温度为320K左右的热敏铁氧体阵列、金属线阵列以及两者复合而成的温控负折射开关结构的散射参数S21幅值曲线。热敏铁氧体阵列与金属线阵列复合而成的温控负折射开关结构在8.8～9.8GHz范围内出现一个透射通带，在通带内介电常数和磁导率同时为负，为左手通带，该开关可以表现出负折射行为。图5为热敏铁氧体居里温度为320K左右的温控负折射开关的散射参数S21幅值曲线在居里温度上下的变化情况。在环境温度在320K以下时，温控负折射开关的散射参数S21幅值曲线与室温下的曲线相似，电磁波可以透过该开关产生负折射；当环境温度在320K以上时，温控负折射开关的散射参数S21幅值曲线中的透射通带消失，电磁波不能透过该开关，无法实现负折射。
Claims (12)
1.一种基于热敏铁氧体的温控负折射开关，其特征在于：所述温控负折射开关由热敏铁氧体棒阵列和金属线阵列组成，其中单根热敏铁氧体棒与单根金属线构成一个结构单元；所述金属线设置在金属线板的一侧表面上，并在其上等间隔平行排列，而所述热敏铁氧体棒设置在与金属线相对的金属线板的另一侧表面上，并在其上等间隔平行排列，所述热敏铁氧体棒与金属线平行并一一对应；所述热敏铁氧体棒的磁化方向为平行于棒的长度方向；所述温控负折射开关的两个相邻结构单元的间距小于电磁波的波长；
两个以上厚度相同的两侧表面分别设置有热敏铁氧体棒与金属线的金属线板，以相同的板间距平行均匀排列，并且其上设置的热敏铁氧体棒与金属线分别构成热敏铁氧体棒阵列和金属线阵列。
2.根据权利要求1所述的一种基于热敏铁氧体的温控负折射开关，其特征在于：所述同一金属线板上的相邻热敏铁氧体棒之间的间距与相邻金属线板的板间距相等。
3.根据权利要求1所述的一种基于热敏铁氧体的温控负折射开关，其特征在于：所述热敏铁氧体棒的材质为MnZn铁氧体。
4.根据权利要求1所述的一种基于热敏铁氧体的温控负折射开关，其特征在于：所述金属线的材质为Cu、Ag或Au。
5.根据权利要求1所述的一种基于热敏铁氧体的温控负折射开关，其特征在于：所述金属线板的材质为PCB板。
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种基于热敏铁氧体的温控负折射开关的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)将热敏铁氧体块体切割成棒状样品；
(2)采用掩膜蚀刻技术制备出具有所需金属线图形的金属线板；所述金属线图形为金属线间隔小于电磁波波长的金属线阵列；
(3)将热敏铁氧体棒黏附在金属线板上无金属线的一面，并与金属线一一对应，得到热敏铁氧体-金属线复合结构，即温控负折射开关。
7.根据权利要求6所述的一种基于热敏铁氧体的温控负折射开关的制备方法，其特征在于：将两个以上厚度相同的两侧表面分别设置有热敏铁氧体棒与金属线的金属线板，以相同的板间距平行均匀排列，使其上设置的热敏铁氧体棒与金属线分别构成热敏铁氧体棒阵列和金属线阵列，得到热敏铁氧体阵列-金属线阵列复合结构，即温控负折射开关。
8.根据权利要求7所述的一种基于热敏铁氧体的温控负折射开关的制备方法，其特征在于：所述同一金属线板上的相邻热敏铁氧体棒之间的间距与相邻金属线板的板间距相等。
9.根据权利要求6所述的一种基于热敏铁氧体的温控负折射开关的制备方法，其特征在于：利用切片机或划片机来切割热敏铁氧体块体。
10.根据权利要求6所述的一种基于热敏铁氧体的温控负折射开关的制备方法，其特征在于：所述热敏铁氧体棒的材质为MnZn铁氧体。
11.根据权利要求6所述的一种基于热敏铁氧体的温控负折射开关的制备方法，其特征在于：所述金属线的材质为Cu、Ag或Au。
12.根据权利要求6所述的一种基于热敏铁氧体的温控负折射开关的制备方法，其特征在于：所述金属线板的材质为PCB板。
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