CN111509400B - 一种磁可调谐完美磁导体及天线 - Google Patents

一种磁可调谐完美磁导体及天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种磁可调谐完美磁导体(PMC)及天线，利用单纯铁氧体材料设计了一种可工作于超宽角度电磁波入射的PMC，其形式可以是整块铁氧体或由若干铁氧体磁柱紧密排列的铁氧体阵列；通过调节外加偏置磁场的大小使得铁氧体块或铁氧体阵列工作在自旋共振频率下。本发明的磁可调谐PMC只要满足铁氧体饱和磁化且边界连续无断点，其取样广泛，具有体积小，结构形式多样化，制备工艺简单，频率动态可调，角度不敏感等优点。在无损情况下，自旋共振的铁氧体具有无限大的等效模式磁导率，对应于无限大的波阻抗；引入材料固有损耗后这种由铁氧体实现的PMC在微波1.5GHz以下的低频段仍具有良好的性能，且形式灵活。

Description

一种磁可调谐完美磁导体及天线
技术领域
本发明属于电磁场与微波技术领域，涉及一种特殊对称性下铁氧体块或光子晶体周期性阵列结构，更具体地，涉及一种磁可调谐完美磁导体及天线。
背景技术
电磁波反射的研究历史悠久，最早可以追溯到原始社会，我们的祖先在古代就把水当作镜子。在现代应用中，镜子有更广泛的定义，根据电磁波的电磁特性，可以分为电镜和磁镜。在微波场中，这些镜子被正式命名为完美电导体(PEC)和完美磁导体(PMC)，这些镜子的特性分别对应于无限大的电导性和磁导性。PMC在电磁隧穿、天线和吸收器等领域有广泛的应用，设计PMC意义重大。PMC是一种磁镜，它在反射电磁波时不改变电场的相位，而是使磁场的相位反向，这一特性与PEC完全相反，PEC则是在反射电磁波时不改变磁场的相位，而是使电场的相位反向。这样，在PMC表面附近形成的是总电场的波腹，而不是波节，这就使放置在其附近的水平极化电偶极子能被有效吸收和发射。
然而，至今在自然界中也没有找到可以实现大角度频率可调的PMC。从入射端来看，PMC相当于开路，因此可以采用二维单平面光子带隙结构等高阻抗表面来实现微波波段的PMC，如金属结构块中的“fish-scale”结构和全介质的高折射率超材料就被用于实现PMC，现在设计的PMC很多结构复杂，加工制造非常困难，设计出实用的PMC主要是使其结构简单，易于加工。目前提出的人造光子晶体主要依赖于其结构，这种结构对入射角和偏振非常敏感，一旦结构设计好，相应的工作频率通常是固定的，而铁氧体材料在自旋共振频率时内秉的各向同性为构造PMC提供了一种新思路。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种结构简单，易于加工应用，尺寸小巧，可以实现宽入射角度，根据入射波的频率可以通过外加磁场来实现特定频率的PMC及天线。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用以下方案：
一种磁可调谐完美磁导体，包括置于空气中的整块铁氧体或由若干铁氧体磁柱紧密排列的铁氧体阵列；所述铁氧体块或铁氧体阵列外加偏置磁场，通过调节加偏置磁场使得铁氧体块或铁氧体阵列工作在自旋共振频率下。
作为优选，所述完美磁导体针对不同入射频率的电磁波通过改变外加偏置磁场的大小来保证其特性。
作为优选，所述完美磁导体的工作波长在微波段。
作为优选，所述完美磁导体利用矩形铁氧体块或者正方点阵铁氧体阵列来实现。
作为优选，所述完美磁导体的边界与外加偏置磁场垂直。
作为优选，所述完美磁导体的入射电磁波方向与外加偏置磁场垂直，且入射波电场的极化方向与外加偏置磁场的方向一致。
作为优选，所述完美磁导体所用的铁氧体为锰镁铁氧体或者钇铁石榴石，正方点阵下铁氧体的晶格常数a为圆柱半径R的两倍，即a＝2R，R≤1/4λ，λ是入射波在真空中的波长。
作为优选，所述完美磁导体所用的铁氧体块宽度W≥1/8λ，长度L≥3λ，或者正方点阵横向至少1列纵向至少6排。
作为优选，所述完美磁导体电磁波的入射角度的范围是-45°至45°。
一种水平极化电偶极子天线，所述天线平放于所述的磁可调谐完美磁导体的上表面。
有益效果：本发明依附常规铁氧体材料即可实现超宽角度磁可调谐PMC，首次利用铁氧体材料在自旋共振频率时的电磁特性，不考虑材料损耗的情况下，PMC由于其在磁谐振处各向同性的电磁性质而对入射角不敏感，在较大的入射角的情况下依旧可以保持其优良的性能；考虑损耗后，PMC在低频段具有良好的性能。与现有技术相比，本发明的优势在于：
1、本发明提出的一种磁可调谐PMC结构简单、易于加工，只用铁氧体一种材料就实现。
2、本发明提出的一种磁可调谐PMC可以针对不同入射频率的电磁波通过改变外加磁场的大小来保证其PMC的特性，且对电磁波入射角度不敏感，入射角度范围很宽。
附图说明
图1为本发明的模型结构示意图，其中(a)中为整块铁氧体，(b)中为正方点阵铁氧体阵列。
图2为本发明的结构参数示意图。
图3为本发明的模式磁导率曲线图。
图4为本发明在电磁波在垂直入射时的电场分布图和电场传输曲线图。
图5为本发明在电磁波45°入射的电场分布图。
图6为本发明的用正方点阵晶格实现的PMC结构在电磁波垂直入射和45°入射的电场分布图。
图7为本发明的水平极化电偶极子天线辐射增强图。
具体实施方式
本发明提出了一种无共振结构的PMC模型，结果表明，在自旋共振频率下，完全饱和磁化的体铁氧体可以构建PMC。这种PMC与之前所提出的人工结构不同，它可以在很大入射角下工作，工作频率可通过偏置磁场(BMF)调节。即使考虑到阻尼损耗，铁氧体PMC在低频下仍表现出良好的性能。本发明进一步证明了这种大块铁氧体可以被铁氧体柱正方点阵代替，从而在性能不变的情况下降低退磁，作为应用，验证了铁氧体PMC可以使电偶极子天线的辐射增强。
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
如图1所示，这是本发明的模型结构示意图，图1中1为空气层；2为铁氧体块层；3为正方点阵铁氧体阵列层。图2为结构参数示意图，L≥3λ，W≥1/8λ，λ是入射波在真空中的波长。本发明正常工作时可以在铁氧体层沿Z方向(横向磁化的铁氧体柱偏置磁场的方向)外加磁场进行调控，入射电磁波方向与外加偏置磁场垂直，且入射波电场的极化方向与外加偏置磁场的方向一致。所用的铁氧体为锰镁铁氧体或者钇铁石榴石，正方点阵铁氧体的晶格常数a为圆柱半径R的两倍，即a＝2R，R≤1/4λ。所述构成PMC的铁氧体块只要求其的宽度W≥1/8λ，长度L≥3λ即可；或者正方点阵横向至少1列纵向至少6排即可,电磁波从空气层1入射，入射角度可以从-45°到45°，我们还应用该PMC结构到天线中，该天线实现辐射增强的性能。
下面以铁氧体块和半径为2mm的正方点阵的铁氧体阵列为例，详细说明一下本发明的具体结构和性能。模型结构图中如图1所示，尺寸示意图如图2所示，这里我们选择饱和磁化4πMs＝1884Oe以及介电常数εr＝15.26的铁氧体，铁氧体的宽W＝220mm，长度L＝100mm，左右边界选择的是散射边界条件，上下边界选择的是周期边界条件。图3是不加损耗的模式磁导率的曲线，图(a)是在800Oe的偏置磁场下不同频率下的模式磁导率μmod和铁氧体相应的磁参数μ和κ的值，图(b)是图(a)的局部放大，可以看到f＝4.103GHz是自旋频率，此时μ接近于零而κ是一个有限值，图(c)是模式磁导率μmod在不同偏置磁场下的随频率变化的曲线。
图4是在外加800Oe的偏置磁场电磁波垂直入射的电场分布图和电场传输曲线图，图(a)～(d)图是在仿真时设置为理想PEC和理想PMC的结果，由(b)可以看出PEC反射电磁波时会使电场的相位改变180°，由(d)图可以看出PMC不会改变电场的相位；(e)～(h)是用铁氧体实现PMC，电场保持同相而磁场反相，由图(e)和图(f)可以看出用铁氧体实现的PMC可以比拟理想的PMC。
图5是在外加偏置磁场为800Oe、频率为4.103GHz的电磁波以45°角入射的电场分布图，(a)图是电磁波以45°的大角度入射到理想PMC的仿真电场分布图，(b)图是电磁波以45°的大角度入射到用铁氧体块构建的PMC结构的电场分布图；可以看到在这样的大角度的情况下铁氧体块也很好的保持其PMC的性能。图6是用正方点阵晶格实现的PMC结构在电磁波垂直入射和45°入射的电场分布图，(a)图是电磁波垂直入射在4.103GHz频率下的电场分布图，(b)图为电磁波以45°角入射的电场分布图，(c)图为对应频率下的电场传输曲线，可以看出无论电磁波垂直入射还是以45°的大角度入射，正方点阵铁氧体阵列都能保持其PMC的优良性能。
图7是水平极化电偶极子天线辐射增强图，可以看到在天线的下方增加一块铁氧体材料后水平极化的电偶极子天线的辐射得到了显著的增强。

Claims (6)

1.一种磁可调谐完美磁导体，其特征在于，包括置于空气中的整块铁氧体或由若干铁氧体磁柱紧密排列的铁氧体阵列；所述铁氧体块或铁氧体阵列外加偏置磁场，通过调节加偏置磁场使得铁氧体块或铁氧体阵列工作在自旋共振频率下；所述完美磁导体的入射电磁波方向与外加偏置磁场垂直，且入射波电场的极化方向与外加偏置磁场的方向一致；所述完美磁导体的边界与外加偏置磁场垂直；所述完美磁导体利用矩形铁氧体块或者正方点阵铁氧体阵列来实现；正方点阵下铁氧体的晶格常数a为圆柱半径R的两倍， R ≤ 1/4 λ，λ是入射波在真空中的波长；铁氧体块宽度W ≥ 1/8λ，长度L ≥ 3λ，或者正方点阵横向至少1列，纵向至少6排。
2.根据权利要求1所述的磁可调谐完美磁导体，其特征在于，所述完美磁导体针对不同入射频率的电磁波通过改变外加偏置磁场的大小来保证其特性。
3.根据权利要求1所述的磁可调谐完美磁导体，其特征在于，所述完美磁导体的工作波长在微波段。
4.根据权利要求1所述的磁可调谐完美磁导体，其特征在于，所述完美磁导体所用的铁氧体为锰镁铁氧体或者钇铁石榴石。
5.根据权利要求1所述的磁可调谐完美磁导体，其特征在于，所述完美磁导体电磁波的入射角度的范围是-45°至45°。
6.一种水平极化电偶极子天线，其特征在于，所述天线平放于根据权利要求1-5任一项所述的磁可调谐完美磁导体的上表面。
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