CN105490029B - 一种谐波选择性产生的超材料结构 - Google Patents

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Abstract

一种谐波选择性产生的超材料结构，属于电磁通信领域。包括至少一个呈矩阵排列的超材料结构单元，每个超材料结构单元包括基板、位于基板之上的人工微结构、及加载于人工微结构上的可变电容二极管；所述人工微结构包括双开口谐振环和四条金属臂，双开口谐振环包括两个相对设置且不接触的金属半环、有2个对称的开口，每个开口的两端分别向环外方向加载平行于开口方向的金属臂，每条金属臂与开口间的距离相等，每个开口处的两条平行金属臂间加载一可变电容二极管。本发明超材料结构能在满足可变电容二极管适用尺寸的结构中放大动态电压；且可通过调整可变电容二极管的连接方式，实现二次谐波和三次谐波的选择性生成。

Description

一种谐波选择性产生的超材料结构
技术领域
本发明属于电磁通信领域，具体涉及一种谐波选择性产生的超材料结构。
背景技术
人工电磁超材料是一种人造介质，在自然界并不存在，它利用亚波长的微结构当做类似材料组成单元的原子和分子，因其所具有的独特的电磁特性，如负折射率效应、负磁导率效应、强圆二向色性、电磁隐身、逆多普勒效应、逆契仑可夫辐射等而受到广泛的关注。近年来已有许多关于线性电磁超材料特性的研究，特别是微波波段的非线性特性。微波非线性应用中急需具有明显非线性效应的材料，自然界中的普通材料无法满足场增强，从而无法满足非线性的增强，因此，利用非线性超材料实现微波波段的非线性效应成了必然选择。
目前研究中所提及的超材料，虽然具有场增强效应，但是要实现巨场增强必然要牺牲局域场增强的空间性，所以在利用二极管实现非线性的过程中场增强幅度和可利用空间形成矛盾。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，提供一种能实现二次谐波和三次谐波选择性生成的超材料结构。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：
一种谐波选择性产生的超材料结构，包括至少一个呈矩阵排列的超材料结构单元，每个超材料结构单元包括基板、位于基板之上的人工微结构、及加载于人工微结构上的可变电容二极管；所述人工微结构包括双开口谐振环和四条金属臂，所述双开口谐振环包括两个相对设置且不接触的金属半环、有2个对称的开口，每个开口的两端分别向环外方向加载平行于开口方向的金属臂，用于放大开口处的承载空间，每条金属臂与开口间的距离相等，每个开口处的两条平行金属臂间加载一可变电容二极管。
进一步地，所述2个对称的开口通过微加工技术制备。
进一步地，所述人工微结构由银线、铜线等金属线制成，所述基板为微波段低损耗介质基板，具体为FR4介质基板、特氟龙介质基板等。
进一步地，所述两个开口处的两个可变电容二极管导通方向相同时，所述超材料结构产生二次谐波；所述两个开口处的两个可变电容二极管导通方向相反时，所述超材料结构产生三次谐波，从而可通过调整可变电容二极管的加载方向实现二次谐波和三次谐波的选择性产生。
进一步地，所述双开口谐振环的外半径r为3～8mm，所述金属半环的宽度d为0.45～0.75mm，所述开口的宽度g为0.2～0.5mm，所述每条金属臂的臂长c相等且均为1mm，所述金属臂与相邻开口间的距离a为0.25～0.4mm。
本发明的有益效果为：本发明超材料结构能在满足可变电容二极管适用尺寸的结构中放大动态电压；且可通过调整可变电容二极管的连接方式，实现二次谐波和三次谐波的选择性生成，对微波波段的非线性器件的研究具有重要作用。
附图说明
图1为本发明超材料结构单元的示意图；其中，(a)为超材料结构单元的整体结构示意图，(b)为超材料结构单元的俯视图及人工微结构的几何参数；
图2为本发明超材料结构单元开口处的动态电压幅度；
图3为本发明超材料结构单元产生二次谐波时的频谱图；
图4为本发明超材料结构单元产生三次谐波时的频谱图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，详述本发明的技术方案。
本发明提供了一种谐波选择性产生的超材料结构，利用人工微结构加载可变电容二极管，实现谐波的产生；并且通过调整可变电容二极管的连接方式，实现二次谐波和三次谐波的选择性产生。
如图1所示，为本发明提供的一种谐波选择性产生的超材料结构，所述超材料结构包括至少一个呈矩阵排列的超材料结构单元，所述超材料结构单元包括基板、位于基板之上的人工微结构、以及加载于人工微结构上的可变电容二极管；所述人工微结构包括双开口谐振环和四条金属臂，所述双开口谐振环包括两个相对设置且不接触的金属半环，所述双开口谐振环有2个对称设置的开口，每个开口两端的金属半环向环外方向加载平行于开口方向的金属臂，用于放大开口处的承载空间，每条金属臂与开口间的距离相等，每个开口处两条平行的金属臂间加载一可变电容二极管。
进一步地，所述超材料结构单元包括一个能对电磁波产生强烈谐振的双开口谐振环，所述双开口谐振环包括两个相对设置且不接触的金属半环，双开口谐振环具有两个对称的开口，每个开口处可向外辐射出两根平行于开口方向的金属臂。
进一步地，所述双开口谐振环的两个开口可通过微加工技术使其处于微米尺寸，相比毫米尺寸的开口，微米尺寸的开口能使开口处的响应电压提高。图2为本发明超材料结构单元开口处的电压随频率的变化曲线，反应出开口处的电压放大效应。
进一步地，所述双开口谐振环开口处向外辐射的金属臂跟金属半环端口相连，和端口处于同一电位，因此放大了高电压端口的尺寸，使得毫米尺寸的贴片可变电容二极管能应用于该超材料结构单元。
本发明在开口处两条平行的金属臂间加载可变电容二极管，即在超材料结构单元中引入了非线性元素，使超材料结构单元具有电磁波的非线性响应；同时，由于开口处具有电压放大效应，因此该超材料结构能产生明显的谐波信号。
本发明可通过调整可变电容二极管的加载方向，实现二次谐波和三次谐波的选择性产生。当两个开口处的两个可变电容二极管导通方向相同时，所述超材料结构产生二次谐波；当两个开口处的两个可变电容二极管导通方向相反时，所述超材料结构产生三次谐波。图3为本发明超材料结构单元产生二次谐波时的频谱图，显示了二次谐波的产生；图4为本发明超材料结构单元产生三次谐波时的频谱图，显示了三次谐波的产生。其中，FF表示基波信号，SH表示二次谐波信号，TH表示三次谐波信号。
实施例
一种谐波选择性产生的超材料结构，包括至少一个呈矩阵排列的超材料结构单元，每个超材料结构单元包括基板、位于基板之上的人工微结构、及加载于人工微结构上的可变电容二极管；所述人工微结构为将金属铜涂覆于特氟龙板材表面，然后通过微细加工技术制作得到的；如图1(b)所示，超材料结构单元的具体尺寸为：介质基板厚度t＝1mm，介质基板的长度和宽度L相等且均为7mm，双开口谐振环的外环的半径为r＝5mm，环的宽度为d＝0.45mm，开口的宽度为g＝0.2mm，每条金属臂与开口间的距离为a＝0.4mm，金属臂的宽度与环的宽度相等，为0.45mm，四条金属臂的臂长c相等且c＝1mm；每个开口处两条平行的金属臂间加载型号为SMS1231的可变电容二极管，即可得到本发明所述超材料结构单元。通过改变两个可变电容二极管的加载方向，即可实现二次谐波和三次谐波的选择产生。

Claims (8)

1.一种谐波选择性产生的超材料结构，包括多个呈矩阵排列的超材料结构单元，每个超材料结构单元包括基板、位于基板之上的人工微结构、加载于人工微结构上的可变电容二极管；所述人工微结构包括双开口谐振环和四条金属臂，所述双开口谐振环包括两个相对设置且不接触的金属半环、2个对称的开口，每个开口的两端分别向环外方向加载平行于开口方向的金属臂，用于放大开口处的承载空间，每条金属臂与开口间的距离相等，每个开口处的两条平行金属臂间加载一可变电容二极管。
2.根据权利要求1所述的谐波选择性产生的超材料结构，其特征在于，所述两个可变电容二极管的正极和负极连接时，超材料结构产生二次谐波；所述两个可变电容二极管的正极和正极连接时，超材料结构产生三次谐波。
3.根据权利要求1所述的谐波选择性产生的超材料结构，其特征在于，所述人工微结构由银线或者铜线制成，所述基板为微波段低损耗介质基板。
4.根据权利要求1所述的谐波选择性产生的超材料结构，其特征在于，所述双开口谐振环的外半径r为3～8mm。
5.根据权利要求1所述的谐波选择性产生的超材料结构，其特征在于，所述金属半环的宽度d为0.45～0.75mm。
6.根据权利要求1所述的谐波选择性产生的超材料结构，其特征在于，所述开口的宽度g为0.2～0.5mm。
7.根据权利要求1所述的谐波选择性产生的超材料结构，其特征在于，所述金属臂的臂长为1mm。
8.根据权利要求1所述的谐波选择性产生的超材料结构，其特征在于，所述金属臂与开口间的距离a为0.25～0.4mm。
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