CN108232461A - 一种基于低损耗磁流变液的可控非线性超材料及制备方法 - Google Patents

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吴之淏
文光俊
谢甫珍
李建
吕文然
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    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
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    • H01Q15/0006—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices
    • H01Q15/0086—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices said selective devices having materials with a synthesized negative refractive index, e.g. metamaterials or left-handed materials

Abstract

本发明公开了一种基于低损耗磁流变液的可控非线性超材料及制备方法，包括箱体和双开口谐振环，箱体内设有磁流变液，双开口谐振环放置在磁流变液内，双开口谐振环在外加偏置磁场和入射电磁波的作用下产生电磁谐振，构成典型的电磁超材料单元结构；当入射电磁波强度发射变化时，双开口谐振环由于感应的安培力相互吸引导致结构的变化，从而实现谐振频率的偏移，形成非线性电磁超材料；当外加偏置磁场强度发生变化时，磁流变液稠度改变，使得阻力改变，从而双开口谐振环间的距离变化量产生变化，使得在相同的入射电磁波条件下双开口谐振环的谐振频率频移量产生改变，形成一种可控的非线性电磁超材料。

Description

一种基于低损耗磁流变液的可控非线性超材料及制备方法
技术领域
本发明属于人工电磁结构技术领域，具体涉及一种基于低损耗磁流变液的可控非线性超材料及制备方法。
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，其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，工作频段的不可调谐性限制了超材料行业的发展。而要想实现电磁超材料材料特性的可控性就必须对电磁超材料的非线性特性进行系统研究。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液晶、铁氧体、石墨烯、微电机械结构(MEMS)、超导结构等。同时，研究证明通过电磁超材料的非线性特性也可以有效地调谐其工作频段。近年来，以超材料的非线性特性为原理来调谐超材料的工作频段的方法，已引起了研究者的广泛关注。可控非线性电磁超材料可通过改变入射电磁波的强度引起单元结构的上的安培力发生变化，来改变超材料单元的结构，最终引起谐振频率的偏移。目前已经有通过在常规电磁超材料的最大电流点上加入变容二极管来控制超材料的非线性的例子，低功率时超材料有二阶和三阶响应，高功率时非线性响应变成多个值或者双稳态，但这个方法需要为每个结构单元施加变容二极管，存在着加工困难的缺点。
发明内容
本发明的目的是解决上述问题，提供一种可在C波段内实现电磁超材料谐振频率偏移量的控制调节，能解决目前其他非线性电磁超材料成本高，加工困难等问题的基于低损耗磁流变液的可控非线性电磁超材料及制备方法，。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种基于低损耗磁流变液的可控非线性超材料，包括箱体和双开口谐振环，箱体内设有磁流变液，双开口谐振环放置在磁流变液内，双开口谐振环在外加偏置磁场和入射电磁波的作用下产生电磁谐振，构成典型的电磁超材料单元结构；当入射电磁波强度发射变化时，双开口谐振环由于感应的安培力相互吸引导致结构的变化，从而实现谐振频率的偏移，形成非线性电磁超材料；当外加偏置磁场强度发生变化时，磁流变液稠度改变，使得阻力改变，从而双开口谐振环间的距离变化量产生变化，使得在相同的入射电磁波条件下双开口谐振环的谐振频率频移量产生改变，形成一种可控的非线性电磁超材料。
优选地，所述开口谐振环(2)由两根相同的长度为10mm到20mm的，线径为0.1mm搭配0.5mm的漆包线、铜线或者金属导线制备成缺口长度为0.5mm到3mm的圆环。
优选地，所述磁流变液包括磁性颗粒、基液和活性剂，磁性颗粒的重量百分比为15％到25％，稳定悬浮液的重量百分比为70％到80％，活性剂的重量百分比为5％到10％。
优选地，所述磁性颗粒由粒径为1微米到100微米之间的铁粉、氧化铁粉、铁镍合金颗粒或者含钴和镍的磁性体颗粒组成。
优选地，所述基液包括矿物油类、合成油类和基础油类。
优选地，所述活性剂由硬脂酸、油酸、吐温和膨润土构成，硬脂酸的含量为1％到2％，油酸的含量为1％到2％，吐温的含量为1％到2％，膨润土的含量为1％到4％。
本发明还公开了一种基于低损耗磁流变液的可控非线性电磁超材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、按合适有效配比将基液、磁性颗粒和添加成分充分混合搅拌，使其成分均匀分布；
S2、将开口谐振环(2)放置于磁流变液中，并使其开口方向一致，以0.1mm到3mm的距离平行放置；
S3、将步骤S2中制成的结构作为超材料单元结构，按照周期排列方式，制备出最终的可控非线性电磁超材料。
本发明的有益效果是：
1、本发明提供的的一种基于低损耗磁流变液的可控非线性电磁超材料，其电磁谐振由其非线性特性及磁流变液的流变性能控制。
2、本发明具有结构简单，调谐方便的特性。
3、本发明具有工作频段调节范围大，敏感性高等特点，在测量材料电磁性能领域具有重要应用前景。
4、本发明其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是本发明一种基于低损耗磁流变液的可控非线性电磁超材料单元结构三维结构示意图；
图2为本发明在电磁仿真软件中的仿真设计示意图；
图3为本发明在数值仿真时的多个不同环间距离的传输系数曲线图；
图4为本发明在实际测试中两种不同的外加磁场偏置条件下的谐振频率偏移量与入射电磁波强度的关系图。
附图标记说明：1、箱体；2、开口谐振环。
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4所示，本发明提供的一种基于低损耗磁流变液的可控非线性超材料，包括箱体1和双开口谐振环2，箱体1内设有磁流变液，双开口谐振环2放置在磁流变液内，双开口谐振环2在外加偏置磁场和入射电磁波的作用下产生电磁谐振，构成典型的电磁超材料单元结构；当入射电磁波强度发射变化时，双开口谐振环2由于感应的安培力相互吸引导致结构的变化，从而实现谐振频率的偏移，形成非线性电磁超材料；当外加偏置磁场强度发生变化时，磁流变液稠度改变，使得阻力改变，从而双开口谐振环2间的距离变化量产生变化，使得在相同的入射电磁波条件下双开口谐振环2的谐振频率频移量产生改变，形成一种可控的非线性电磁超材料。开口谐振环2由两根相同的长度为10mm到20mm的，线径为0.1mm搭配0.5mm的漆包线、铜线或者金属导线制备成缺口长度为0.5mm到3mm的圆环。
磁流变液包括磁性颗粒、基液和活性剂，磁性颗粒的重量百分比为15％到25％，稳定悬浮液的重量百分比为70％到80％，活性剂的重量百分比为5％到10％。磁性颗粒由粒径为1微米到100微米之间的铁粉、氧化铁粉、铁镍合金颗粒或者含钴和镍的磁性体颗粒组成。
在本实施例中磁流变液由二甲基硅油，铁粉和添加剂按照一定配比搅拌均匀混合在一起。
基液包括矿物油类、合成油类和基础油类。活性剂由硬脂酸、油酸、吐温和膨润土构成，硬脂酸的含量为1％到2％，油酸的含量为1％到2％，吐温的含量为1％到2％，膨润土的含量为1％到4％。
在本实施例中开口谐振环2由两根线径为0.19mm，长度为15mm的漆包线制成开口大约2mm的线圈，并将两个线圈平行地放置于所配置的磁流变液中，并使它们的距离为2mm。
由开口谐振环的谐振频率计算公式可以得到
其中w0为谐振频率，r0为半径，Cpul为单位长度电容，可以知道谐振环的谐振频率主要由环半径，单位长度电容和电感影响，而单位长度电容为
式中d为环间距离，可以推导出随着环间距离的减少，该结构单元的谐振频率往低频偏移，而作用在整个环上由电流产生的安培力使得环之间互相吸引，因此减少了环间的距离，但这一过程又因为偏置磁场的作用使得磁流变液的稠度增大即运动阻力增大，最终使得结构单元稳定在一个平衡状态下，最终导致了谐振频率的降低。考虑到低成本的加工限制，本实施例采用如前所述的双开口谐振环尺寸。
为了验证本发明专利的有效性，采用多物理场仿真软件(COMSOL)对所述可控非线性电磁超材料进行分析。图2为本实施例的仿真求解模型设计，谐振环位于单元结构的中心位置，上下前后壁为周期相同的Floquet周期边界条件，左右壁为输入输出波端口，同时在环所在的最小长方体范围内设置二甲基硅油的电磁性能参数。
图3为使用COMSOL仿真得到的在二甲基硅油中，谐振环的谐振频率随着环间距离的减小的偏移情况，可以看到当环间距离d为1.2mm的时候，超材料的谐振频率大约在6.5GHz左右，随着双环之间的距离逐渐减小，谐振频率逐渐降低，这证明了通过控制该单元结构中环间距离的大小可以有效控制超材料的谐振特性。
图4所示基于实验测量的所述基于低浓度低损耗磁流变液的可控非线性电磁超材料的结构单元谐振频率偏移量在两种外加偏置磁场强度的变化情况。由图可知，本发明实施例确实会引起单元结构间的安培力和磁流变液产生的运动阻力变化从而使得结构本身发生变化，反映于结构单元上就表现为谐振偏移量、偏移速度以及最小令结构单元偏移的入射电磁波强度的不同。
本发明还公开了一种基于低损耗磁流变液的可控非线性电磁超材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、按合适有效配比将基液、磁性颗粒和添加成分充分混合搅拌，使其成分均匀分布；
S2、将开口谐振环2放置于磁流变液中，并使其开口方向一致，以0.1mm到3mm的距离平行放置；
S3、将步骤S2中制成的结构作为超材料单元结构，按照周期排列方式，制备出最终的可控非线性电磁超材料。
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 (7)

1.一种基于低损耗磁流变液的可控非线性超材料，其特征在于：包括箱体(1)和双开口谐振环(2)，箱体(1)内设有磁流变液，双开口谐振环(2)放置在磁流变液内，双开口谐振环(2)在外加偏置磁场和入射电磁波的作用下产生电磁谐振，构成典型的电磁超材料单元结构；当入射电磁波强度发射变化时，双开口谐振环(2)由于感应的安培力相互吸引导致结构的变化，从而实现谐振频率的偏移，形成非线性电磁超材料；当外加偏置磁场强度发生变化时，磁流变液稠度改变，使得阻力改变，从而双开口谐振环(2)间的距离变化量产生变化，使得在相同的入射电磁波条件下双开口谐振环(2)的谐振频率频移量产生改变，形成一种可控的非线性电磁超材料。
2.根据权利要求1所述的一种基于低损耗磁流变液的可控非线性超材料，其特征在于，所述开口谐振环(2)由两根相同的长度为10mm到20mm的，线径为0.1mm搭配0.5mm的漆包线、铜线或者金属导线制备成缺口长度为0.5mm到3mm的圆环。
3.根据权利要求1所述的一种基于低损耗磁流变液的可控非线性超材料，其特征在于，所述磁流变液包括磁性颗粒、基液和活性剂，磁性颗粒的重量百分比为15％到25％，稳定悬浮液的重量百分比为70％到80％，活性剂的重量百分比为5％到10％。
4.根据权利要求3所述的一种基于低损耗磁流变液的可控非线性超材料，其特征在于，所述磁性颗粒由粒径为1微米到100微米之间的铁粉、氧化铁粉、铁镍合金颗粒或者含钴和镍的磁性体颗粒组成。
5.根据权利要求1所述的一种基于低损耗磁流变液的可控非线性超材料，其特征在于，所述基液包括矿物油类、合成油类和基础油类。
6.根据权利要求1所述的一种基于低损耗磁流变液的可控非线性超材料，其特征在于，所述活性剂由硬脂酸、油酸、吐温和膨润土构成，硬脂酸的含量为1％到2％，油酸的含量为1％到2％，吐温的含量为1％到2％，膨润土的含量为1％到4％。
7.一种基于低损耗磁流变液的可控非线性电磁超材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、按合适有效配比将基液、磁性颗粒和添加成分充分混合搅拌，使其成分均匀分布；
S2、将开口谐振环(2)放置于磁流变液中，并使其开口方向一致，以0.1mm到3mm的距离平行放置；
S3、将步骤S2中制成的结构作为超材料单元结构，按照周期排列方式，制备出最终的可控非线性电磁超材料。
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