專(zhuān)利名稱(chēng)：基于磁性材料的磁場(chǎng)負(fù)磁導(dǎo)率材料電磁響應(yīng)行為調(diào)控方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種負(fù)磁導(dǎo)率材料電磁響應(yīng)行為調(diào)控方法，特別涉及一種基 于磁性材料的磁場(chǎng)負(fù)磁導(dǎo)率材料微波電磁響應(yīng)行為調(diào)控方法。
技術(shù)背景左手材料(left-handed metamaterials)是近年來(lái)受到廣泛關(guān)注的一種新型 電磁媒質(zhì)，由于在其中傳播電磁波的電場(chǎng)、磁場(chǎng)及傳播方向構(gòu)成左手系而得 名。左手材料具有以負(fù)折射為代表的一系列奇特的物理、光學(xué)特性，并在實(shí) 現(xiàn)突破衍射極限成像、制造完美透鏡等光學(xué)、信息科學(xué)技術(shù)方面具有廣闊的 應(yīng)用前景。左手材料一般由實(shí)現(xiàn)負(fù)磁導(dǎo)率的開(kāi)口諧振環(huán)陣列(負(fù)磁導(dǎo)率材料) 與實(shí)現(xiàn)負(fù)介電常數(shù)的金屬線陣列組合而成，并且僅在磁導(dǎo)率與介電常數(shù)同時(shí) 為負(fù)的頻段具有"左手"性質(zhì)。金屬線能在低于其等離子頻率很寬的頻段實(shí) 現(xiàn)負(fù)介電常數(shù)；而通過(guò)電路板刻蝕方法得到的負(fù)磁導(dǎo)率材料一經(jīng)設(shè)計(jì)、制備 完成，即僅能在其諧振頻率附近較窄頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)負(fù)磁導(dǎo)率。因此，現(xiàn)有左手 材料電磁響應(yīng)行為主要由負(fù)磁導(dǎo)率材料諧振特性決定，而其不可調(diào)諧的性質(zhì) 限制了左手材料的實(shí)際應(yīng)用。開(kāi)口諧振環(huán)可看作在電磁波激勵(lì)下諧振的LRC電路，其諧振特性由L(電 感)、R (電阻)和C (電容)三部分決定。其中，由電磁理論可知，其電感 部分與開(kāi)口諧振環(huán)所處環(huán)境的有效磁導(dǎo)率顯著地相關(guān)。本發(fā)明正是利用開(kāi)口 諧振環(huán)諧振特性與環(huán)境有效磁導(dǎo)率敏感的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)一種負(fù)磁導(dǎo)率材料電磁 響應(yīng)行為的調(diào)控方法。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種基于磁性材料的磁場(chǎng)負(fù)磁導(dǎo)率材料微波電磁響 應(yīng)行為調(diào)控方法。該方法通過(guò)將磁導(dǎo)率在開(kāi)口諧振環(huán)負(fù)磁導(dǎo)率材料電磁諧振 頻段、磁場(chǎng)可調(diào)的磁性材料引入負(fù)磁導(dǎo)率材料中，并施加一定強(qiáng)度的磁場(chǎng)而 實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明的方法，其特征在于，包括以下步驟1) 通過(guò)理論計(jì)算或者計(jì)算機(jī)軟件模擬，設(shè)計(jì)所需頻段的開(kāi)口諧振環(huán)；2) 制備上述開(kāi)口諧振環(huán)，并按照一定晶格排列成為電磁諧振頻率為/0的負(fù)磁導(dǎo)率材料；3) 將磁導(dǎo)率在/0±1/3/0頻率范圍內(nèi)、磁場(chǎng)可調(diào)的磁性材料加工成為片 狀或者棒狀；4) 將上述磁性材料引入到開(kāi)口諧振環(huán)陣列的間隙當(dāng)中或直接作為開(kāi) 口諧振環(huán)基板，制備得到引入磁性材料的開(kāi)口諧振環(huán)負(fù)磁導(dǎo)率材料；5) 通過(guò)磁鐵或電磁鐵向上述引入了磁性材料的負(fù)磁導(dǎo)率材料施加垂 直于開(kāi)口諧振環(huán)所在平面法線與電磁波傳播方向構(gòu)成平面的不同強(qiáng)度磁場(chǎng) H0，得到具有以下電磁響應(yīng)行為調(diào)控規(guī)律的磁場(chǎng)可調(diào)負(fù)磁導(dǎo)率材料；設(shè)引入的磁性材料為共振頻率為/ho的磁性材料；O磁場(chǎng)時(shí)，引入磁性材 料后的負(fù)磁導(dǎo)率諧振頻率為/i且其諧振峰寬度為A力；當(dāng)磁場(chǎng)由OOe增大至使 /ho 〈力一l/2A/i成立的磁場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，相對(duì)于0磁場(chǎng)情況，負(fù)磁導(dǎo)率材料諧振 頻率隨磁場(chǎng)增大而加速向高頻移動(dòng)且諧振強(qiáng)度變化較小；相應(yīng)負(fù)磁導(dǎo)率頻率 范圍由于諧振頻率向高頻連續(xù)變化而拓寬；當(dāng)磁場(chǎng)在滿足使(力一1/2ZV1)《/Ho《(/i+l/2A/i)成立的磁場(chǎng)強(qiáng)度范 圍內(nèi)時(shí)，通過(guò)控制環(huán)境有效磁導(dǎo)虛部實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)負(fù)磁導(dǎo)率開(kāi)關(guān)；當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度繼續(xù)增大時(shí)，相對(duì)于0磁場(chǎng)情況，負(fù)磁導(dǎo)率材料諧振頻率由低于/1的頻率減速向高頻移動(dòng)且最終趨于0磁場(chǎng)諧振頻率，諧振強(qiáng)度變化較小；其負(fù)磁導(dǎo)率頻率范圍由于諧振頻率連續(xù)變化而拓寬。本發(fā)明通過(guò)上述引入磁性材料并施加適當(dāng)強(qiáng)度的磁場(chǎng)，能夠在很大范圍 內(nèi)調(diào)控負(fù)磁導(dǎo)率材料的電磁響應(yīng)行為，并使其負(fù)磁導(dǎo)率頻段得到一定拓寬。


圖1 (a)在開(kāi)口諧振環(huán)對(duì)稱(chēng)位置引入釔鐵石榴石(YIG)棒，形成基 于磁性材料的磁場(chǎng)可調(diào)負(fù)磁導(dǎo)率材料示意圖。入射電磁波的磁場(chǎng)和波矢分別 平行于x、 y方向。(b)開(kāi)口諧振環(huán)單元YIG棒結(jié)構(gòu)、尺寸示意圖。其中山、 d2、 g和c分別為諧振環(huán)的內(nèi)環(huán)內(nèi)徑、外環(huán)內(nèi)徑、開(kāi)口大小和線寬；YIG棒橫 截面為邊長(zhǎng)為a的正方形，棒長(zhǎng)度為b。 (c)未引入YIG棒時(shí)，SRR陣列負(fù) 磁導(dǎo)率材料S21參數(shù)及等效磁導(dǎo)率實(shí)部色散曲線。圖2引入YIG棒后，當(dāng)施加0、 1400、 1800、 2000Oe磁場(chǎng)(較低強(qiáng)度 磁場(chǎng))時(shí)，(a)負(fù)磁導(dǎo)率材料S21參數(shù)；(b)對(duì)應(yīng)有效磁導(dǎo)率色散曲線。施加0 2000Oe磁場(chǎng)條件下，環(huán)境有效磁導(dǎo)率實(shí)部及虛部變化曲線如插圖所示。圖3 引入YIG棒后，當(dāng)施加0、 3200、 4000、 5000、 6000Oe磁場(chǎng)(高 強(qiáng)度磁場(chǎng))時(shí)，(a)負(fù)磁導(dǎo)率材料S21參數(shù)；(b)對(duì)應(yīng)有效磁導(dǎo)率色散曲 線。施加3000 6000Oe磁場(chǎng)條件下，環(huán)境有效磁導(dǎo)率實(shí)部及虛部變化曲線如 插圖所示。圖4引入YIG棒后，當(dāng)施加0、 26000e磁場(chǎng)(中等強(qiáng)度磁場(chǎng))時(shí)，負(fù) 磁導(dǎo)率材料S21參數(shù)。圖5相對(duì)施加磁場(chǎng)為0Oe的情形，負(fù)磁導(dǎo)率材料諧振頻率及諧振峰值 點(diǎn)透射率受施加磁場(chǎng)調(diào)控的曲線。其中，實(shí)心正方形與空心三角形連接的曲 線分別為負(fù)磁導(dǎo)率材料諧振頻率與透射率相對(duì)0磁場(chǎng)的變化。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明是按照如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明是一種基于磁性材料的磁場(chǎng)負(fù)磁導(dǎo)率材料電磁響應(yīng)行為調(diào)控方 法，其核心是通過(guò)磁場(chǎng)調(diào)控引入的磁性材料磁導(dǎo)率，改變開(kāi)口諧振環(huán)諧振環(huán) 境，進(jìn)而得到可調(diào)諧的負(fù)磁導(dǎo)率材料電磁響應(yīng)行為。根據(jù)現(xiàn)有開(kāi)口諧振環(huán)的有效磁導(dǎo)率理論，當(dāng)諧振環(huán)尺寸及晶格常數(shù)滿 足遠(yuǎn)小于電磁波長(zhǎng)的長(zhǎng)波長(zhǎng)條件時(shí)，其有效磁導(dǎo)率Mw)可表示為一 =1— "2(1)其中，f， q)o與r分別為開(kāi)口諧振環(huán)單元占空比、諧振頻率和諧振阻 尼系數(shù)。對(duì)于一定的參數(shù)，將會(huì)得到有效磁導(dǎo)率隨頻率的色散關(guān)系，且當(dāng) 諧振足夠強(qiáng)烈時(shí)將在諧振頻率附近得到負(fù)的有效磁導(dǎo)率。開(kāi)口諧振環(huán)可看作LRC諧振器，并且其諧振特性由其中的L (電感)、 R (有效電阻)和C (電容)三部分決定，且其諧振頻率可表示為^-l/VZ^， 有效電阻值R代表了諧振過(guò)程的阻尼，即諧振強(qiáng)度與R成反比。由電磁學(xué)知識(shí)可知，電感特性敏感的依賴(lài)于其周?chē)h(huán)境的有效磁導(dǎo)率，即丄0C//^(/^,//2)(使用上標(biāo)以區(qū)別于負(fù)磁導(dǎo)率材料的有效磁導(dǎo)率)，其中/z'^為環(huán)境有效磁導(dǎo) 率，和//'2分別為其實(shí)部和虛部?？梢宰C明，電感的實(shí)部和虛部分別與/A和 //2成正比關(guān)系。因此，通過(guò)改變環(huán)境的有效磁導(dǎo)率即能夠調(diào)控開(kāi)口諧振環(huán)的 諧振特性，進(jìn)而調(diào)控諧振環(huán)陣列構(gòu)成的負(fù)磁導(dǎo)率材料諧振特性。其中，改變有效磁導(dǎo)率實(shí)部/A將直接使負(fù)磁導(dǎo)率材料諧振頻率受到調(diào)控，即負(fù)磁導(dǎo)率材 料諧振頻率隨/z',增大而減小，反之亦然；而有效磁導(dǎo)率虛部//2的改變將會(huì)使電感的虛部隨之變化。電磁學(xué)理論表明，電感虛部的變化等價(jià)于LRC諧振器 有效電阻R的變化，從而將引起負(fù)磁導(dǎo)率材料諧振強(qiáng)度的改變。因此，當(dāng)//2 的值增大至一定數(shù)值后，在外電磁波激勵(lì)下開(kāi)口諧振環(huán)陣列磁諧振形成的有 效磁導(dǎo)率，將由于諧振阻尼過(guò)大而不再呈現(xiàn)負(fù)值?？梢哉J(rèn)為在這種情況下， 通過(guò)引入磁材料調(diào)控材料負(fù)參數(shù)的方法將失效；但從另一角度來(lái)看，可通過(guò)控制環(huán)境有效磁導(dǎo)虛部^2實(shí)現(xiàn)"磁場(chǎng)負(fù)磁導(dǎo)率開(kāi)關(guān)"。由于開(kāi)口諧振環(huán)組成的負(fù)磁導(dǎo)率材料工作在微波或以上頻率的電磁波 段，在這樣高頻率波段內(nèi)一般磁性材料的磁響應(yīng)將截止，即其對(duì)應(yīng)磁導(dǎo)率不 再隨外場(chǎng)變化。因此，要實(shí)現(xiàn)上述調(diào)控，首先需要選擇負(fù)磁導(dǎo)率材料諧振頻 段內(nèi)擁有隨外磁場(chǎng)變化的磁導(dǎo)率的磁性材料。根據(jù)負(fù)磁導(dǎo)率材料的工作頻段，可選擇將鐵磁共振材料(Y-Gd系石榴石型鐵氧體等)、反鐵共振材料(如 MO、 MnO等)等能夠在外磁場(chǎng)作用下有微波及以上電磁頻率磁導(dǎo)率響應(yīng)的 材料引入。因此，首先通過(guò)理論計(jì)算和計(jì)算機(jī)軟件模擬，設(shè)計(jì)所需頻段開(kāi)口諧振環(huán) 的結(jié)構(gòu)與幾何尺寸；其次，通過(guò)電路板刻蝕方法制備加工金屬(一般為金屬 銅)開(kāi)口諧振環(huán)，并按照一定晶格排列成為負(fù)磁導(dǎo)率材料；再次，將選擇好 的磁導(dǎo)率在開(kāi)口諧振環(huán)電磁諧振頻段、磁場(chǎng)可調(diào)的磁性材料加工成為一定形 狀(鑒于計(jì)算方便，本發(fā)明推薦片狀、棒狀)，并將其引入到開(kāi)口諧振環(huán)陣 列的間隙當(dāng)中，或直接使用磁性材料作為的基板材料制備開(kāi)口諧振環(huán)陣列得 到負(fù)磁導(dǎo)率材料；為獲得顯著的調(diào)控效果，本發(fā)明推薦將磁性材料引入到如 圖1 (a)所示的開(kāi)口諧振環(huán)對(duì)稱(chēng)位置。通過(guò)磁鐵(如釹鐵硼)或電磁鐵向上述引入了磁性材料的負(fù)磁導(dǎo)率材料 施加一定方向、大小為0 10000Oe的磁場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)可調(diào)的負(fù)磁導(dǎo)率材料。 為方便通過(guò)理論計(jì)算預(yù)測(cè)調(diào)控效果，本發(fā)明推薦施加直流或低頻(0 100Hz) 交流磁場(chǎng)，且磁場(chǎng)方向垂直開(kāi)口諧振環(huán)所在平面法線與電磁波傳播方向構(gòu)成 的平面。設(shè)引入的磁性材料為共振頻率為/ho (該頻率為磁場(chǎng)強(qiáng)度Ho的函數(shù))的鐵 磁共振材料。0磁場(chǎng)時(shí)，引入磁性材料后的負(fù)磁導(dǎo)率諧振頻率為/i且其諧振峰寬度為A/1。當(dāng)磁場(chǎng)由OOe增大至使/Ho < /i — l/2A/i成立的磁場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，相 對(duì)于o磁場(chǎng)情況，負(fù)磁導(dǎo)率材料諧振頻率隨磁場(chǎng)增大而加速向高頻移動(dòng)且諧 振強(qiáng)度變化較??；相應(yīng)負(fù)磁導(dǎo)率頻率范圍由于諧振頻率向高頻連續(xù)變化而拓寬。由該性質(zhì)，可根據(jù)不同需要，利用該范圍內(nèi)不同強(qiáng)度的磁場(chǎng)及其相應(yīng)變 化，獲得諧振頻率大于/i的負(fù)磁導(dǎo)率材料諧振行為調(diào)控。當(dāng)磁場(chǎng)在滿足使力一1/2A/1《/Ho《/i+l/2A/l成立的磁場(chǎng)強(qiáng)度范圍內(nèi) 時(shí)，通過(guò)控制環(huán)境有效磁導(dǎo)虛部實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)負(fù)磁導(dǎo)率開(kāi)關(guān)。當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度繼續(xù)增大時(shí)，相對(duì)于0磁場(chǎng)情況，負(fù)磁導(dǎo)率材料諧振頻率由 低于/1的頻率減速向高頻移動(dòng)且最終趨于0磁場(chǎng)諧振頻率，諧振強(qiáng)度變化較 小；其負(fù)磁導(dǎo)率頻率范圍由于諧振頻率連續(xù)變化而拓寬。由該性質(zhì)，可根據(jù) 不同需要而利用該范圍內(nèi)強(qiáng)度的磁場(chǎng)及相應(yīng)變化，獲得諧振頻率小于力的負(fù) 磁導(dǎo)率材料諧振行為調(diào)控。本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)過(guò)程和材料的性能由實(shí)施例和

實(shí)施例通過(guò)理論計(jì)算和計(jì)算機(jī)模擬，設(shè)計(jì)約在11.5GH諧振的開(kāi)口諧振環(huán)如圖1 (b)所示，其中d^ d2、 g和c分別為諧振環(huán)的內(nèi)環(huán)內(nèi)徑、外環(huán)內(nèi)徑、開(kāi)口 大小和線寬，且d產(chǎn)0.9mm， d2=1.8mm， g二0.4mm， c=0.2mm。通過(guò)電路板 刻蝕方法得到上述結(jié)構(gòu)的開(kāi)口諧振環(huán)，再將其按照5mm晶格排列成負(fù)磁導(dǎo)率 材料。選擇釔鐵石榴石(YIG)微波鐵氧體作為所需波段的磁場(chǎng)可調(diào)磁導(dǎo)率 材料，且其電磁參數(shù)分別為飽和磁化強(qiáng)度17000e、諧振線寬120e、非色散 介電常數(shù)14.7。如圖1 (b)所示，YIG加工成為aXaXb二0.8X0.8X10mm3 的長(zhǎng)方體棒，放置在距離開(kāi)口諧振環(huán)環(huán)面0.1mm的位置，形成如圖l (a)所 示基于磁性材料的可調(diào)負(fù)磁導(dǎo)率材料。考慮到實(shí)施例中YIG棒占空比很低，且周?chē)橘|(zhì)為磁導(dǎo)率不隨外加磁場(chǎng) 變化的空氣(/%，=1)，因此YIG棒與空氣復(fù)合而得到的開(kāi)口諧振環(huán)諧振環(huán)境的有效磁導(dǎo)率/z、a可利用磁有效介質(zhì)理論表示為^'有效一A空氣A'y/G一A空氣 (2)^'有效+2/"空氣 A'17G+2/"空氣這里p= 0,".8xl0， = o OH6 、 分別表示棒在空氣一YIG棒形 5x5xl0m附成的諧振環(huán)境中的占空比以及YIG棒的對(duì)應(yīng)有效磁導(dǎo)率?？梢钥闯?，由空氣一YIG棒形成諧振環(huán)境的有效磁導(dǎo)率將會(huì)以與YIG有效磁導(dǎo)率色散類(lèi)似方式 色散。將上述可調(diào)負(fù)磁導(dǎo)率材料樣品放置入WR90標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)中，且保證諧 振環(huán)所在平面垂直于電磁波磁場(chǎng)振動(dòng)方向；施加沿z軸方向的直流磁場(chǎng)Ho， 利用HP8720ES微波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，以空波導(dǎo)作為校準(zhǔn)基準(zhǔn)，測(cè)量不同磁 場(chǎng)時(shí)樣品8 13GHz頻率范圍的透射率參數(shù)(即S21參數(shù))。為與后續(xù)調(diào)控結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，首先利用上述裝置測(cè)量未引入YIG棒的負(fù) 磁導(dǎo)率樣品微波透射行為。如圖1 (c)上方曲線所示，負(fù)磁導(dǎo)率材料在11.22GHz 頻率處形成透射率極小值即磁諧振透射率峰(以下簡(jiǎn)稱(chēng)諧振峰)，表示該頻 率附近材料存在強(qiáng)的磁諧振；由公式(1)(選擇式中常數(shù)分別為030= 11.22GHz， F=0.05， r=101G/47r)，對(duì)應(yīng)的樣品有效磁導(dǎo)率色散曲線如圖1 (c) 中下方曲線所示，該曲線顯示在11.24-11.48 GHz范圍有效磁導(dǎo)率為負(fù)值。通過(guò)電磁鐵在z方向施加0Oe 6000Oe的直流磁場(chǎng)，測(cè)量引入YIG棒后 不同磁場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)負(fù)磁導(dǎo)率材料透射率曲線。對(duì)某電磁波頻率(本實(shí)施例考慮負(fù)磁導(dǎo)率材料諧振頻率)而言，對(duì)于一定范圍內(nèi)增大的外加磁場(chǎng)，YIG與空 氣形成的環(huán)境有效磁導(dǎo)率^^^將按照不同趨勢(shì)變化當(dāng)外加磁場(chǎng)強(qiáng)度Ho《 2000 0e時(shí)，//'舒^實(shí)部逐漸減小而虛部可認(rèn)為是常數(shù)0;當(dāng)外加磁場(chǎng)強(qiáng)度2000 Oe〈Ho〈3000 0e時(shí)，的實(shí)部振蕩變化且虛部很大；當(dāng)外加磁場(chǎng)強(qiáng)度H0 》3000 Oe時(shí)，A有效實(shí)部將由相對(duì)0磁場(chǎng)情形為大的值逐漸減小并趨于常數(shù)1，虛部可認(rèn)為是常數(shù)0。因此，為清楚及對(duì)比方便起見(jiàn)，將上述0Oe 6000Oe 的施加直流磁場(chǎng)過(guò)程按照A/'胃a的變化趨勢(shì)(即施加磁場(chǎng)的范圍)分成三個(gè)部分。各部分對(duì)應(yīng)得到的實(shí)驗(yàn)透射率曲線及有效磁導(dǎo)率色散的計(jì)算曲線分別如 圖2、圖3和圖4所示。圖2為磁場(chǎng)分別為0、 1000、 1400、 1800、 2000 Oe時(shí)，負(fù)磁導(dǎo)率材料磁 諧振受到調(diào)控的情況，其中(a)圖中不同顏色S21曲線標(biāo)示出諧振峰的變化， (b)圖為由公式(1)得到的對(duì)應(yīng)有效磁導(dǎo)率色散調(diào)控情況。由圖2 (a)可 以看出，引入YIG棒后，在0Oe磁場(chǎng)條件下，負(fù)磁導(dǎo)率材料在10.71GHz處 發(fā)生諧振且諧振峰寬度為A/l"2000MHz，相對(duì)未引入YIG棒的情形，由于 環(huán)境有效介電常數(shù)增大，其諧振頻率向低頻移動(dòng)約0.5GHz;在該磁場(chǎng)范圍內(nèi) 隨著磁場(chǎng)的增大，諧振峰向高頻移動(dòng)；比較1000 Oe與2000 Oe磁場(chǎng)條件下諧振峰向高頻的移動(dòng)量，可發(fā)現(xiàn)該過(guò)程中負(fù)磁導(dǎo)率材料諧振頻率加速向高頻 移動(dòng)；在該過(guò)程中諧振峰幅值幾乎不變。由前述討論知，本發(fā)明中負(fù)磁導(dǎo)率 材料諧振頻率受到引入磁材料后環(huán)境有效磁導(dǎo)率實(shí)部/A的調(diào)控，而諧振強(qiáng)度則反比于環(huán)境有效磁導(dǎo)率虛部/A。如圖2 (a)插圖所示，由公式(2)得到 對(duì)應(yīng)0 2000Oe磁場(chǎng)范圍環(huán)境有效磁導(dǎo)率/^a變化情況?？梢钥闯?，//,隨磁場(chǎng)增大而減小且曲線斜率逐漸增大，而//2近似為0而可以忽略?？梢?jiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果變化趨勢(shì)與理論預(yù)言完全一致。將上述實(shí)驗(yàn)所得磁諧振頻率代入公式(1)(取參數(shù)F二0.05， r=101Q/47i)，得到負(fù)磁導(dǎo)率材料磁導(dǎo)率色散曲線，如圖2(b)所示。可以看出，通過(guò)施加0 2000Oe范圍內(nèi)適當(dāng)?shù)拇艌?chǎng)，可實(shí)現(xiàn)10.73-11.33 GHz頻率范圍內(nèi)的可調(diào)負(fù)磁導(dǎo)率；相對(duì)于未引入YIG棒的負(fù)磁導(dǎo)率材料而言，其負(fù)磁導(dǎo)率頻率范圍拓寬360MHz。圖3為磁場(chǎng)分別為3200、 4000、 5000、 6000 Oe時(shí)，負(fù)磁導(dǎo)率材料磁諧振受到調(diào)控的情況，其中(a)圖中不同顏色S21曲線標(biāo)示諧振峰的變化，且作為對(duì)比，將0磁場(chǎng)的S21曲線同時(shí)給出(黑色實(shí)線)，(b)圖為由公式(l)得到的對(duì)應(yīng)有效磁導(dǎo)率色散調(diào)控。由圖3 (a)可以看出，3200 0e磁場(chǎng)條件下，由于環(huán)境有效磁導(dǎo)率相對(duì)0磁場(chǎng)情形有所增大，負(fù)磁導(dǎo)率材料在10.40 GHz處發(fā)生諧振，相對(duì)0磁場(chǎng)情形紅移約0.3 GHz;隨磁場(chǎng)的增大，負(fù)磁導(dǎo)率材料諧振峰逐漸向高頻移動(dòng)；該過(guò)程中其諧振頻率向高頻移動(dòng)速度逐漸減小；諧振峰幅值幾乎不變。如圖3 (a)插圖所示，由公式(2)得到對(duì)應(yīng)3000 6000 Oe磁場(chǎng)范圍環(huán)境有效磁導(dǎo)率A'胃a變化情況?？梢钥闯觯?A隨磁場(chǎng)增大而減小且曲線斜率逐漸減小，//2近似為0而可以忽略；與實(shí)驗(yàn)結(jié)果變化趨勢(shì)一致。將該磁場(chǎng)范圍內(nèi)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果代入公式(1)(取參數(shù)F二0.05， r=101Q/47c)，得到負(fù)磁導(dǎo)率材料磁導(dǎo)率色散曲線，如圖3 (b)所示?？梢钥闯觯ㄟ^(guò)施加3000 6000Oe范圍內(nèi)適當(dāng)?shù)拇艌?chǎng)，可實(shí)現(xiàn)10.42-10.86 GHz頻率范圍內(nèi)的可調(diào)負(fù)磁導(dǎo)率；相對(duì)于未引入YIG棒的負(fù)磁導(dǎo)率材料而言，其負(fù)磁導(dǎo)率頻率范圍拓寬200MHz。圖4為磁場(chǎng)強(qiáng)度為2600Oe時(shí)的負(fù)磁導(dǎo)率材料S21曲線，且作為對(duì)比， 將0磁場(chǎng)的S21曲線同時(shí)給出(黑色實(shí)線)?？梢钥闯?，此時(shí)負(fù)磁導(dǎo)率材料 磁諧振峰將嚴(yán)重變壞；且在相對(duì)O磁場(chǎng)情形，在高頻方向與低頻方向出現(xiàn)兩 個(gè)諧振峰(用豎向箭頭標(biāo)出)；在llGHz頻率附近出現(xiàn)鐵磁共振透射率峰(用橫向箭頭標(biāo)出)。如圖4插圖所示，當(dāng)磁場(chǎng)處于2000 3000Oe范圍時(shí)，//、和 //2都將發(fā)生劇烈的變化。盡管/A的大范圍變化能夠得到更大范圍的負(fù)磁導(dǎo)率 材料諧振頻率調(diào)控，但由于//2在該磁場(chǎng)范圍內(nèi)不能夠再被忽略。//'2的增大使 開(kāi)口諧振環(huán)等效LRC電路中的有效電阻增大，磁諧振阻尼將大大增加，以至 使材料不再有磁導(dǎo)率為負(fù)的頻段。分析認(rèn)為，出現(xiàn)負(fù)磁導(dǎo)率材的雙諧振峰是 由于YIG棒與空氣組成的磁諧振環(huán)境的邊界效應(yīng)所致位于負(fù)磁導(dǎo)率材料陣 列中心處的開(kāi)口諧振環(huán)與邊界處的諧振環(huán)有不同的磁導(dǎo)率環(huán)境。應(yīng)該指出， 該磁場(chǎng)范圍/A的大幅度變化使得上述邊界條件效應(yīng)變得明顯。將上述施加磁場(chǎng)所得諧振峰處的頻率與透射率測(cè)量結(jié)果與0磁場(chǎng)情形的 結(jié)果作以對(duì)比，得到施加磁場(chǎng)對(duì)負(fù)磁導(dǎo)率材料諧振頻率及諧振強(qiáng)度調(diào)控行為 的直觀顯示，如圖5所示。由圖5可見(jiàn)，當(dāng)磁場(chǎng)范圍在0 2000Oe時(shí)，相對(duì) 于0磁場(chǎng)情況，負(fù)磁導(dǎo)率材料諧振頻率加速向高頻移動(dòng)且諧振強(qiáng)度幾乎不變； 當(dāng)磁場(chǎng)在3000 6000 Oe時(shí)，負(fù)磁導(dǎo)率材料諧振頻率由較低頻率減速向高頻 移動(dòng)且諧振強(qiáng)度相對(duì)0磁場(chǎng)時(shí)略小。實(shí)施例表明，通過(guò)上述引入磁性材料并施加適當(dāng)強(qiáng)度的直流磁場(chǎng)，能夠 在很大范圍內(nèi)調(diào)控負(fù)磁導(dǎo)率材料的電磁響應(yīng)行為，并使其負(fù)磁導(dǎo)率頻段得到 一定拓寬。
權(quán)利要求
1、一種基于磁性材料的磁場(chǎng)負(fù)磁導(dǎo)率材料電磁響應(yīng)行為調(diào)控方法，其特征在于，包括以下步驟1)通過(guò)理論計(jì)算或者計(jì)算機(jī)軟件模擬，設(shè)計(jì)所需頻段的開(kāi)口諧振環(huán)；2)制備上述開(kāi)口諧振環(huán)，并按照一定晶格排列成為電磁諧振頻率為f0的負(fù)磁導(dǎo)率材料；3)將磁導(dǎo)率在f0±1/3f0頻率范圍內(nèi)、磁場(chǎng)可調(diào)的磁性材料加工成為片狀或者棒狀；4)將上述磁性材料引入到開(kāi)口諧振環(huán)陣列的間隙當(dāng)中或直接作為開(kāi)口諧振環(huán)基板，制備得到引入磁性材料的開(kāi)口諧振環(huán)負(fù)磁導(dǎo)率材料；5)通過(guò)磁鐵或電磁鐵向上述引入了磁性材料的負(fù)磁導(dǎo)率材料施加垂直于開(kāi)口諧振環(huán)所在平面法線與電磁波傳播方向構(gòu)成平面的不同強(qiáng)度磁場(chǎng)，得到具有以下電磁響應(yīng)行為調(diào)控規(guī)律的磁場(chǎng)可調(diào)負(fù)磁導(dǎo)率材料；設(shè)引入的磁性材料為共振頻率為fH0的磁性材料；0磁場(chǎng)時(shí)，引入磁性材料后的負(fù)磁導(dǎo)率諧振頻率為f1且其諧振峰寬度為Δf1；當(dāng)磁場(chǎng)由0Oe增大至使fH0＜f1-1/2Δf1成立的磁場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，相對(duì)于0磁場(chǎng)情況，負(fù)磁導(dǎo)率材料諧振頻率隨磁場(chǎng)增大而加速向高頻移動(dòng)且諧振強(qiáng)度變化較??；相應(yīng)負(fù)磁導(dǎo)率頻率范圍由于諧振頻率向高頻連續(xù)變化而拓寬；當(dāng)磁場(chǎng)在滿足使(f1-1/2Δf1)≤fH0≤(f1+1/2Δf1)成立的磁場(chǎng)強(qiáng)度范圍內(nèi)時(shí)，通過(guò)控制環(huán)境有效磁導(dǎo)虛部實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)負(fù)磁導(dǎo)率開(kāi)關(guān)；當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度繼續(xù)增大時(shí)，相對(duì)于0磁場(chǎng)情況，負(fù)磁導(dǎo)率材料諧振頻率由低于f1的頻率減速向高頻移動(dòng)且最終趨于0磁場(chǎng)諧振頻率，諧振強(qiáng)度變化較小；其負(fù)磁導(dǎo)率頻率范圍由于諧振頻率連續(xù)變化而拓寬。
全文摘要
基于磁性材料的磁場(chǎng)負(fù)磁導(dǎo)率材料電磁響應(yīng)行為調(diào)控方法屬人工周期性材料領(lǐng)域。本發(fā)明步驟通過(guò)理論計(jì)算或者計(jì)算機(jī)軟件模擬，設(shè)計(jì)所需頻段的開(kāi)口諧振環(huán)；制備開(kāi)口諧振環(huán)，并按照一定晶格排列成為負(fù)磁導(dǎo)率材料；將磁導(dǎo)率在負(fù)磁導(dǎo)率材料發(fā)生電磁諧振的頻段、磁場(chǎng)可調(diào)的磁性材料加工成片狀或棒狀；將磁性材料引入到開(kāi)口諧振環(huán)陣列的間隙當(dāng)中或作為開(kāi)口諧振環(huán)基板，制備得到引入磁性材料的開(kāi)口諧振環(huán)負(fù)磁導(dǎo)率材料；通過(guò)磁鐵或電磁鐵向上述引入了磁性材料的負(fù)磁導(dǎo)率材料施加垂直于開(kāi)口諧振環(huán)所在平面法線與電磁波傳播方向構(gòu)成平面的不同強(qiáng)度磁場(chǎng)，得到磁場(chǎng)可調(diào)負(fù)磁導(dǎo)率材料。本發(fā)明能大范圍內(nèi)調(diào)控負(fù)磁導(dǎo)率材料的電磁響應(yīng)行為，并使負(fù)磁導(dǎo)率頻段拓寬。
文檔編號(hào)H01P11/00GK101242021SQ20081005685
公開(kāi)日2008年8月13日 申請(qǐng)日期2008年1月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月25日
發(fā)明者濟(jì) 周, 雷 康, 乾 趙, 趙宏杰 申請(qǐng)人:清華大學(xué)