專利名稱：一種可調(diào)諧微波負(fù)折射率材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種可調(diào)諧微波負(fù)折射率材料，屬于微波材料技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
自然界中天然物質(zhì)的介電常數(shù)與磁導(dǎo)率的實部在整個電磁波譜內(nèi)部都是非同時為負(fù)的， 其折射率的實部是正數(shù)。迄今為止，自然界中尚未發(fā)現(xiàn)介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時為負(fù)的天然材 料。1967年前蘇聯(lián)科學(xué)家Veselago理論分析了電磁波在假想的介電常數(shù)與磁導(dǎo)率同時為負(fù)的 各向同性均勻媒質(zhì)中的電動理論學(xué)行為，預(yù)見了電磁波與這種假想材料的互作用將產(chǎn)生非常 特殊的傳輸/折射/反射特性。在這種假想的材料中，電磁波的相速與群速方向相反，從而呈現(xiàn) 出與多新穎的光學(xué)特性，如反常Dopper效應(yīng)、反常Cherenkov效應(yīng)、完美透鏡效應(yīng)、負(fù)折射 效應(yīng)等。Veselago稱這種假想材料為左手材料，現(xiàn)學(xué)術(shù)界亦有定義其為雙負(fù)材料、負(fù)折射率 媒質(zhì)、返波材料，異向媒質(zhì)等，本發(fā)明采用負(fù)折射率媒質(zhì)的定義，以強調(diào)材料的負(fù)折射率特 征。
2000年，D.R.Smith等人基于J.B.Pendry提出的構(gòu)造單元負(fù)介電常數(shù)媒質(zhì)、單負(fù)磁導(dǎo)率媒 質(zhì)的思想，首次人工合成出在X波段等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率同時為負(fù)的負(fù)折射率微波媒 質(zhì)。目前，負(fù)折射率媒質(zhì)的研究已成為國際物理學(xué)和電磁學(xué)界的一個十分引人注目的前沿領(lǐng) 域，眾多學(xué)者對負(fù)折射率媒質(zhì)的制造方法，奇異特性及其應(yīng)用等進行了較為深入的研究，產(chǎn) 生了許多新的成果，特別是最近發(fā)表在nature和science的兩篇關(guān)于三維光學(xué)頻段的負(fù)折射率 媒質(zhì)的論文，在制造工藝上取得了非常大的進步。但是要實現(xiàn)負(fù)折射率媒質(zhì)的頻率可調(diào)性還 存在很大的困難。因此探索出一種具有頻率可調(diào)性的負(fù)折射率微波媒質(zhì)，以應(yīng)用于各種不同 的鄰域具有重要的科學(xué)意義和實用價值。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種可調(diào)諧微波負(fù)折射率材料，所述微波負(fù)折射率材料的工作頻率可調(diào)、范 圍寬、性能穩(wěn)定。
本發(fā)明技術(shù)方案如下
一種可調(diào)諧微波負(fù)折射率材料，如圖1所示，由等效負(fù)磁導(dǎo)率的片狀絕緣型亞鐵磁材料 和片狀等效負(fù)介電常數(shù)的材料周期性層疊而成。所述片狀絕緣型亞鐵磁材料為釔鐵石榴石(YIG)類亞鐵磁材料，其介電常數(shù)為13.8，飽和磁化強度為1830Gs (Gs為CGS單位制， lGs=10-4Wb/m2)，損耗角正切為0.0004，厚度為lmm 2mm。所述片狀等效負(fù)介電常數(shù)的材 料為沉積在厚度為0.254mm 0.508mm的聚四氟乙烯玻璃纖維電路基板上的相互平行的金屬 線構(gòu)成的金屬線陣列，每條金屬線的厚度為0.018mm 0.035mm，寬度為0.2mm，金屬線間 的間隔為1.508mm 2mm。
本發(fā)明所述的可調(diào)諧微波負(fù)折射率材料通過聚四氟乙烯玻璃纖維電路基板能夠減小等效 負(fù)介電常數(shù)金屬線陣列和等效負(fù)磁導(dǎo)率YIG類亞鐵磁材料的相互耦合影響，以實現(xiàn)負(fù)折射率 微波媒質(zhì)；通過改變外加磁場的大小和金屬線陣列結(jié)構(gòu)的尺寸，使得實現(xiàn)等效負(fù)介電常數(shù)和 等效負(fù)磁導(dǎo)率的頻帶相重合；并通過改變外加磁場大小來調(diào)節(jié)實現(xiàn)負(fù)折射率的工作頻率。
圖1本發(fā)明提供的可調(diào)諧微波負(fù)折射率材料的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2本發(fā)明提供的可調(diào)諧微波負(fù)折射率材料通過數(shù)值仿真得出的傳輸參數(shù)特性。
圖3本發(fā)明提供的可調(diào)諧微波負(fù)折射率材料通過數(shù)值計算得出的等效電磁參數(shù)和等效折 射率。
圖4本發(fā)明提供的可調(diào)諧微波負(fù)折射率材料通過數(shù)值仿真得出的復(fù)合媒質(zhì)折射率特性。 圖5測試傳輸參數(shù)的實驗裝置示意圖。
圖6本發(fā)明提供的可調(diào)諧微波負(fù)折射率材料通過實驗測試得出的電磁參數(shù)傳輸特性。 圖7折射試驗裝置圖。
圖8本發(fā)明提供的可調(diào)諧微波負(fù)折射率材料通過實驗測得的折射率特性。
具體實施例方式
1. 絕緣型鐵磁材料或絕緣型亞鐵磁材料基片的制備本發(fā)明采用YIG類亞鐵磁材料，
其介電常數(shù)為13.8,飽和磁化強度為1830Gs (Gs為CGS單位制，lGs=104Wb/m2)， 損耗角正切為0.0004。 YIG亞鐵磁材料基片的厚度為lmm,為了能夠在X波頻段測量 加工出來的樣品的電磁特型，YIG亞鐵磁材料基片的長為22.86mm,寬為10.16mm。
基片數(shù)量為10片。
2. 印刷電路板的制備:本發(fā)明的電路板基板材料選用介電常數(shù)和損耗最小的羅杰斯5880 系列的射頻基板材料?；宀牧系暮穸仁?.254mm 0.508mm，長和寬的尺寸分別為22.86mm和10.16mm。然后在電路板基板上采用傳統(tǒng)沉積技術(shù)沉積出金屬線陣列， 金屬線的厚度為0.018mm 0.035mm，寬度為0.2mm，金屬線間的間隔為1.508mm 2mm。電路板基板主要作用是減小金屬線和YIG類亞鐵磁材料的相互耦合影響。
3. 可調(diào)諧型負(fù)折射率微波媒質(zhì)的制備將YIG類亞鐵磁材料基片和同樣尺寸的印刷電
路板材料相互重疊構(gòu)成負(fù)折射率微波媒質(zhì)，通過改變外加磁場的大小來調(diào)節(jié)實現(xiàn)負(fù)折 射率的工作頻率。
4. 折射實驗裝置的制備本發(fā)明所采用的折射實驗裝置主要由同軸波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器、兩塊固 定樣品的金屬銅板和測試功率的實驗裝置構(gòu)成。
本發(fā)明的實施過程和材料的特性由數(shù)值仿真結(jié)果、實驗測試結(jié)果和
1.數(shù)值仿真結(jié)果
為了得到嚴(yán)格的數(shù)值計算結(jié)果與盡量準(zhǔn)確的電磁仿真結(jié)果，從而進一步驗證基于亞鐵磁
材料的負(fù)折射率微波媒質(zhì)材料的特性，本發(fā)明利用基于有限元法的電磁仿真軟件HFSS10模 擬了如圖1所示結(jié)構(gòu)的電磁傳輸特性，進一步數(shù)值計算了等效磁導(dǎo)率、等效介電常數(shù)和等效 折射率。最后數(shù)值仿真了電磁波在復(fù)合媒質(zhì)與空氣交界面處的折射特性。
1.1負(fù)折射率微波合成媒質(zhì)的電磁傳輸特性
仿真模型如圖l所示，YIG亞鐵磁材料基片的材料參數(shù)為飽和磁化強度位1830Gs，鐵 磁諧振線寬位220e(Oe為CGS單位制，4xl()-30e=lA/m)。尺寸為長22.86mm,寬10.16mm， 厚度lmm。 PCB板采用羅杰斯5880系列電路板基板，單片厚度為0.254mm，長和寬與YIG 尺寸一樣。沉積金屬線陣列的厚度為0.018mm，寬度為0.2mm，線間距為1.508mm。外加磁 場強度為4500Oe 5500Oe。通過電磁仿真軟件HFSS10仿真得出該負(fù)折射率微波合成媒質(zhì)的 傳輸特性如圖2所示。由圖2可知,當(dāng)外加磁場為4500Oe時，該合成媒質(zhì)材料在10-12.4GHz 形成了一個傳輸通帶，且該傳輸通帶隨著外加磁場的增加而增加，達到了可調(diào)諧的目的。 1.2等效電磁參數(shù)和等效折射率的數(shù)值計算結(jié)果
由l.l所述數(shù)值仿真得出的電磁傳輸參數(shù)數(shù)據(jù)，通過編程提取電磁參數(shù)得到等效磁導(dǎo)率、 等效介電常數(shù)和等效折射率如圖3所示，其中外加磁場強度為4500Oe。由圖3可知，當(dāng)外加 磁場為4500Oe時，在傳輸通帶范圍內(nèi)，實現(xiàn)了負(fù)的等效電磁參數(shù)。證明了該種合成媒質(zhì)材 料的負(fù)折射率特性。 1.3復(fù)合媒質(zhì)的負(fù)折射特性仿真
折射實驗仿真的模型如圖4所示，中間楔形部分為復(fù)合媒質(zhì)，上面和下面部分是由兩塊 金屬板構(gòu)成的平板波導(dǎo)。電磁波從下面的端口垂直入射到楔形模塊的下表面，再從上表面折
5射出去。楔形模塊的角度為18.43°,在外加磁場為4500Oe的情況下，該復(fù)合媒質(zhì)在11GHz 時的折射特性如圖4所示。由圖4可知，電磁波通過由負(fù)折射率媒質(zhì)材料構(gòu)成的楔形模塊的 上表面時，從法線的左邊射出，即產(chǎn)生了負(fù)的折射角。該結(jié)果進一步證實了該種合成材料的 負(fù)折射率特性。
2.實驗測試結(jié)果
為了進一步證實本發(fā)明所提出的負(fù)折射率微波合成媒質(zhì)材料的有效性。我們實際加工出 該合成媒質(zhì)樣品。其中YIG亞鐵磁材料的飽和磁化強度為1830Gs，介電常數(shù)為13.8，鐵磁諧 振線寬位220e，尺寸為長18mm，寬10.16mm，厚度lmm。 PCB板采用羅杰斯5880系列 電路板基板，單片厚度為0.254mm，長和寬與YIG尺寸一樣。沉積金屬線陣列的厚度為 0.018mm，寬度為0.2mm，線間距為1.508mm。將其放入實驗測試裝置中，實驗測試裝置示 意圖如圖5所示。當(dāng)外加磁場為2500-3000Oe時實驗測得該復(fù)合媒質(zhì)的電磁傳輸特如圖6所 示。由圖6可知，在外加磁場為2500Oe時，傳輸系數(shù)在7.4-8.4GHz范圍內(nèi)形成了一個傳輸 通帶，基本上符合理論和仿真結(jié)果。并且隨著外加磁場的增加，傳輸通帶也在增加，即達到 了可調(diào)諧的目的。
最后通過實驗測試由本發(fā)明所加工的楔形合成媒質(zhì)樣品在折射試驗裝置中的折射特性， 以進一步證實本發(fā)明所提出的合成媒質(zhì)構(gòu)造方法的可行性。楔形合成媒質(zhì)樣品的尺寸和前面 測試傳輸參數(shù)時的尺寸相同，楔形角度為18.43°，實驗裝置示意圖如圖7所示。將實驗樣品 放入折射實驗裝置，實驗裝置的右邊連接信號發(fā)生器以產(chǎn)生信號，左邊連接測試功率的功率 計，在外加磁場為30000e時的折射特性如圖8所示。其中實線即為本發(fā)明所加工的合成媒 質(zhì)在8.2GHz時的折射特性，虛線為常規(guī)材料石蠟的折射特性。由圖8可知，當(dāng)外加磁場為 30000e時，該合成媒質(zhì)材料在8.2GHz的折射角為-30。左右，實驗證明了本發(fā)明所提出的合 成媒質(zhì)構(gòu)造方法的有效性。
權(quán)利要求
1、一種可調(diào)諧微波負(fù)折射率材料，由等效負(fù)磁導(dǎo)率的片狀絕緣型亞鐵磁材料和片狀等效負(fù)介電常數(shù)的材料周期性層疊而成；所述片狀絕緣型亞鐵磁材料為釔鐵石榴石類亞鐵磁材料，其介電常數(shù)為13.8，飽和磁化強度為1830Gs，損耗角正切為0.0004，厚度為1mm～2mm；所述片狀等效負(fù)介電常數(shù)的材料為沉積在厚度為0.254mm～0.508mm的聚四氟乙烯玻璃纖維電路基板上的相互平行的金屬線構(gòu)成的金屬線陣列，每條金屬線的厚度為0.018mm～0.035mm，寬度為0.2mm，金屬線間的間隔為1.508mm～2mm。
全文摘要
一種可調(diào)諧負(fù)折射率材料，屬于微波材料技術(shù)領(lǐng)域。由等效負(fù)磁導(dǎo)率的片狀絕緣型亞鐵磁材料和片狀等效負(fù)介電常數(shù)的材料周期性層疊而成；所述片狀絕緣型亞鐵磁材料為釔鐵石榴石類亞鐵磁材料，其介電常數(shù)為13.8，飽和磁化強度為1830Gs，損耗角正切為0.0004，厚度為1mm～2mm；所述片狀等效負(fù)介電常數(shù)的材料為沉積在厚度為0.254mm～0.508mm的聚四氟乙烯玻璃纖維電路基板上的相互平行的金屬線構(gòu)成的金屬線陣列，每條金屬線的厚度為0.018mm～0.035mm，寬度為0.2mm，金屬線間的間隔為1.508mm～2mm。本發(fā)明所構(gòu)造的負(fù)折射率材料，其工作頻率寬；實現(xiàn)負(fù)折射率的頻帶可隨外加磁場大小的改變而改變。該種材料在隱身材料、天線工程、微波、毫米波器件等領(lǐng)域?qū)⒂兄鴱V闊的應(yīng)用前景。
文檔編號H01P1/215GK101494310SQ20081014769
公開日2009年7月29日 申請日期2008年11月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月27日
發(fā)明者文光俊, 李天倩, 黃勇軍 申請人:電子科技大學(xué)