CN107834207B - 一种汞基温度可调谐电磁超材料及制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种汞基温度可调谐电磁超材料，包括双环形玻璃管，双环形玻璃管内封装有汞柱和两个汞球，汞球和汞柱封装在双环形玻璃管内，双环形玻璃管包括第一环形玻璃管和第二环形玻璃管，第一环形玻璃管和第二环形玻璃管的结构相同，第一环形玻璃管和第二环形玻璃管连通；两个汞球的位置关于双环形玻璃管的圆心对称布置，汞球的直径为0.8毫米到1.5毫米之间。汞柱为圆弧结构，汞柱的直径为0.05毫米到0.15毫米之间，汞柱的初始弧长为20毫米到22毫米之间。

Description

一种汞基温度可调谐电磁超材料及制造方法
技术领域
本发明属于人工电磁结构技术领域，具体涉及一种汞基温度可调谐电磁超材料及制造方法。
背景技术
电磁超材料是一种由亚波长尺寸金属单元人工合成的电磁结构，具有诸多自然界材料不具有的奇异电磁特性。随着对电磁超材料的不断深入研究，其工作频段不可调谐成为发展电磁超材料的主要技术瓶颈。多种技术被提出以解决电磁超材料工作频段不可调谐的问题，如在常规电磁超材料中加载二极管、液晶、铁氧体、石墨烯、微电机械结构(MEMS)、超导结构等。同时，实现电磁超材料工作频段的调谐还可通过非线性特性等方式实现。近年来，温度可调谐电磁超材料成为新的可调谐电磁超材料的研究方向，已引起了研究者的广泛关注。温度可调谐电磁超材料可通过加载温度敏感介电材料，当环境温度产生变化时，温敏介电材料的介电常数、磁导率，或者材料形状发生改变，使得制备在其上面的金属谐振结构电磁超材料单元的电磁相应产生变化。因此，至温度可调谐电磁超材料被提出之后，研究者就提出基于温度可调谐电磁超材料的高精度温度探测及传感应用。但是，已公开的温度可调谐电磁超材料均是基于温度敏感介电材料实现的，其温度调节范围小、温度变化灵敏度低，因此在应用上受到一定的限制。
发明内容
本发明的目的是解决上述问题，提供一种可在宽频带范围内实现电磁超材料谐振频率的控制调节，温度调节范围大和温度变化灵敏度高的汞基温度可调谐电磁超材料及制造方法。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种汞基温度可调谐电磁超材料，其特征在于，包括双环形玻璃管，双环形玻璃管内封装有汞柱和两个汞球，汞球和汞柱封装在双环形玻璃管内，双环形玻璃管包括第一环形玻璃管和第二环形玻璃管，第一环形玻璃管和第二环形玻璃管的结构相同，第一环形玻璃管和第二环形玻璃管连通。
优选地，所述两个汞球的位置关于双环形玻璃管的圆心对称。
优选地，所述汞球的直径为0.8毫米到1.5毫米之间。
优选地，所述汞柱为圆弧结构，汞柱的直径为0.05毫米到0.15毫米之间，汞柱的初始弧长为20毫米到22毫米之间。
优选地，所述第一环形玻璃管为环状结构，第一环形玻璃管的外径为0.2毫米到0.3毫米之间，第一环形玻璃管的内径与汞柱的直径相同，第一环形玻璃管的半径为3毫米到5毫米之间。
优选地，所述第一环形玻璃管和第二环形玻璃管背靠背紧密连接，第一环形玻璃管和第二环形玻璃管为同轴结构。
本发明还公开了一种汞基温度可调谐电磁超材料制造方法，包括以下步骤：
S1、制备至少两个存储汞球的玻璃管；
S2、将步骤S1的玻璃管弯曲成环形结构；
S3、将步骤S2的到的两个玻璃管背靠背紧密粘贴；
S4、将步骤S3粘贴后的玻璃管作为超导材料单元结构，按周期排列。
本发明的有益效果是：本发明所提供的
1、本发明的电磁谐振与温度感知结构融为一体。
2、本发明结构简单，温度控制方便。
3、本发明温度调节范围大、温度变化灵敏度低等特点，在高精度温度探测及传感技术领域具有重要应用前景。
4、本发明所用到的各项技术均为现存的成熟技术，为其批量加工提供了技术支持。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的正视图；
图3是本发明图2在A-A方向上的剖视图；
图4是本发明图2在B-B方向上的剖视图；
图5是本发明的仿真示意图；
图6是本发明的S-参数曲线图；
图7是本发明提取出的等效介电常数曲线图；
图8是本发明提取出的等效磁导率曲线图；
图9是本发明传输系数在不同温度条件下的变化特性图；
图10是本发明提取出的等效磁导率曲线在不同温度条件下的变化特性图；
图11是本发明谐振频率随汞柱长度增加的频移特性图；
图12是本发明随温度增加的频移特性图。
附图标记说明：1、双环形玻璃管；2、汞柱；3、汞球；11、第一环形玻璃管；12、第二环形玻璃管。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明：
如图1到图12所示，本发明提供的一种汞基温度可调谐电磁超材料，包括双环形玻璃管1，双环形玻璃管1内封装有汞柱2和两个汞球3，汞球3和汞柱2封装在双环形玻璃管内1，双环形玻璃管1包括第一环形玻璃管11和第二环形玻璃管12，第一环形玻璃管11和第二环形玻璃管12的结构相同，第一环形玻璃管11和第二环形玻璃管12连通。
两个汞球3的位置关于双环形玻璃管1的圆心对称布置，汞球3的直径为0.8毫米到1.5毫米之间。汞柱2为圆弧结构，汞柱2的直径为0.05毫米到0.15毫米之间，汞柱2的初始弧长为20毫米到22毫米之间。
第一环形玻璃管11为环状结构，第一环形玻璃管11的外径为0.2毫米到0.3毫米之间，第一环形玻璃管11的内径与汞柱2的直径相同，第一环形玻璃管11的半径为3毫米到5毫米之间。第一环形玻璃管11和第二环形玻璃管12背靠背紧密连接，第一环形玻璃管11和第二环形玻璃管12为同轴结构。
如图5和图6所示，在图6中横坐标为频率值，纵坐标为S参数值。本发明工作频段位于S波段，S波段的频率范围为2GHz到4GHz，由汞的受热膨胀因子可知：
γ＝(1/V0)(ΔV/ΔT)＝0.18×10-3/℃ (公式一)
其中，γ为膨胀因子，V0是汞柱2和汞球3在初始温度条件下的总体积，△V是总体积受温度变化△T时的体积改变量，△T为温度改变量。为了获得汞柱2受温度变化的高灵敏度特性，以及谐振环受温度变化时总长度的快速高效变化特性，需尽量增大汞球3的尺寸以及细化汞柱2的直径。基于公式一，求解出汞谐振环的总长度l与温度变化△T之间的关系为：
Figure BDA0001484719310000031
其中d1为汞柱2的直径，d3为汞球3的直径，l为汞谐振环的总长度，△T为温度变化，最终汞谐振环的谐振频率ωΔT为：
Figure BDA0001484719310000032
其中，公式三中的L△T为汞谐振环在不同温度条件下的等效电感，C为汞谐振环的等效电容。考虑到低成本的加工限制，本实施例采用如前所述的汞谐振环尺寸。
在本实施例中，为了验证本发明专利的有效性，采用高频电磁结构仿真软件，如HFSS软件对本发明的结构进行分析。图5为本实施例的仿真求解模型设计，本发明位于波导的中心位置，波导上下壁为理想电边界，前后壁为理想磁边界，左右壁为输入输出波端口，图5中所示的箭头为仿真求解时去除波导引入的相位信息。
图6所述为本发明实施例求解获得的电磁波传输(S21)和反射(S11)系数，由图6可知，汞谐振环在3.34GHz附件具有一个谐振频率。图7和图8所示为根据电磁波散射参数计算获得的汞谐振环周期阵列构成的电磁超材料的等效介电常数和磁导率曲线，其中图7的横坐标为频率值，纵坐标为介电常数值；图8的横坐标为频率值，纵坐标为磁导率值。由图7和图8可知，本实施例的电磁超材料在3.34GHz到3.5GHz频段范围内出现了负的磁导率值，证明本实施例设计的汞谐振环具有负磁导率特性。
图9和图10所示为本实施例在不同温度条件下所对应的汞谐振环总长度特性，以及在对应长度条件下仿真获得的谐振频率偏移特性和负磁导率频段偏移特性，其中图9的横坐标为频率值，纵坐标为电磁波传输(S21)值，图10的横坐标为频率值，纵坐标为磁导率值。由图9可知，当环境温度改变量从0℃增加到49.2℃，根据公式(2)计算获得的汞谐振环总长度从21.42mm增加到24.97mm，其以及其对于的汞谐振环谐振频率从3.34GHz降低到2.8GHz，且谐振强度未有太多变化。由图10可知，汞基温度可调谐电磁超材料的负磁导率频段范围也跟着做了相应的频移，且负磁导率频段宽度未有太多变化。
如图11和图12所示为所述汞基温度可调谐电磁超材料的谐振频率与汞谐振环总长度的依赖关系，以及与环境变化之间的依赖关系，其中图11的横坐标为汞柱2长度值，纵坐标为谐振频率；图12的横坐标为温度变化值，纵坐标为谐振频率值。由图11和图12可知，本发明实施例显示的汞基电磁超材料谐振频率受温度变化具有较高的灵敏度特性，其线性灵敏度约为77MHz/℃，等效于每Hz的频率变化能检测出的温度变化约为13×10-9℃。
本发明还提供了一种汞基温度可调谐电磁超材料制造方法，包括以下步骤：
S1、制备至少两个存储汞球的玻璃管；
S2、将步骤S1的玻璃管弯曲成环形结构；
S3、将步骤S2的到的两个玻璃管背靠背紧密粘贴；
S4、将步骤S3粘贴后的玻璃管作为超导材料单元结构，按周期排列。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种汞基温度可调谐电磁超材料，其特征在于，包括双环形玻璃管(1)，双环形玻璃管(1)内封装有汞柱(2)和两个汞球(3)，汞球(3)和汞柱(2)封装在双环形玻璃管内(1)，双环形玻璃管(1)包括第一环形玻璃管(11)和第二环形玻璃管(12)，第一环形玻璃管(11)和第二环形玻璃管(12)的结构相同，第一环形玻璃管(11)和第二环形玻璃管(12)连通；
所述两个汞球(3)的位置关于双环形玻璃管(1)的圆心对称；
所述汞球(3)的直径为0.8毫米到1.5毫米之间；
所述汞柱(2)为圆弧结构，汞柱(2)的直径为0.05毫米到0.15毫米之间，汞柱(2)的初始弧长为20毫米到22毫米之间；
所述第一环形玻璃管(11)为环状结构，第一环形玻璃管(11)的外径为0.2毫米到0.3毫米之间，第一环形玻璃管(11)的内径与汞柱(2)的直径相同，第一环形玻璃管(11)的半径为3毫米到5毫米之间；
所述第一环形玻璃管(11)和第二环形玻璃管(12)背靠背紧密连接，第一环形玻璃管(11)和第二环形玻璃管(12)为同轴结构。
2.根据权利要求1所述的一种汞基温度可调谐电磁超材料，其特征在于：所述材料的制造方法，包括以下步骤：
S1、制备至少两个存储汞球的玻璃管；
S2、将步骤S1的玻璃管弯曲成环形结构；
S3、将步骤S2的到的两个玻璃管背靠背紧密粘贴；
S4、将步骤S3粘贴后的玻璃管作为超材料单元结构，按周期排列。
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