專利名稱：一種可調(diào)諧微波負折射率材料的制作方法
技術領域：
一種可調(diào)諧微波負折射率材料，屬于微波材料技術領域。
背景技術：
自然界中天然物質(zhì)的介電常數(shù)與磁導率的實部在整個電磁波譜內(nèi)部都是非同時為負的， 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)和磁導率同時為負的天然材 料。1967年前蘇聯(lián)科學家Veselago理論分析了電磁波在假想的介電常數(shù)與磁導率同時為負的 各向同性均勻媒質(zhì)中的電動理論學行為，預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) 出與多新穎的光學特性，如反常Dopper效應、反常Cherenkov效應、完美透鏡效應、負折射 效應等。Veselago稱這種假想材料為左手材料，現(xiàn)學術界亦有定義其為雙負材料、負折射率 媒質(zhì)、返波材料，異向媒質(zhì)等，本發(fā)明采用負折射率媒質(zhì)的定義，以強調(diào)材料的負折射率特 征。
2000年，D.R.Smith等人基于J.B.Pendry提出的構(gòu)造單元負介電常數(shù)媒質(zhì)、單負磁導率媒 質(zhì)的思想，首次人工合成出在X波段等效介電常數(shù)和等效磁導率同時為負的負折射率微波媒 質(zhì)。目前，負折射率媒質(zhì)的研究已成為國際物理學和電磁學界的一個十分引人注目的前沿領 域，眾多學者對負折射率媒質(zhì)的制造方法，奇異特性及其應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的兩篇關于三維光學頻段的負折射率 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)性的負折射率微波媒質(zhì)，以應用于各種不同 的鄰域具有重要的科學意義和實用價值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種可調(diào)諧微波負折射率材料，所述微波負折射率材料的工作頻率可調(diào)、范 圍寬、性能穩(wěn)定。
本發(fā)明技術方案如下
一種可調(diào)諧微波負折射率材料，如圖1所示，由等效負磁導率的片狀絕緣型亞鐵磁材料 和片狀等效負介電常數(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 負介電常數(shù)金屬線陣列和等效負磁導率YIG類亞鐵磁材料的相互耦合影響，以實現(xiàn)負折射率 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)等效負介電常數(shù)和 等效負磁導率的頻帶相重合；并通過改變外加磁場大小來調(diào)節(jié)實現(xiàn)負折射率的工作頻率。


圖1本發(fā)明提供的可調(diào)諧微波負折射率材料的結(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)諧微波負折射率材料通過數(shù)值仿真得出的復合媒質(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
為了得到嚴格的數(shù)值計算結(jié)果與盡量準確的電磁仿真結(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合媒質(zhì)與空氣交界面處的折射特性。
1.1負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，當外加 磁場為4500Oe時，在傳輸通帶范圍內(nèi)，實現(xiàn)了負的等效電磁參數(shù)。證明了該種合成媒質(zhì)材 料的負折射率特性。 1.3復合媒質(zhì)的負折射特性仿真
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。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)生了負的折射角。該結(jié)果進一步證實了該種合成材料的 負折射率特性。
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。當外加磁場為2500-3000Oe時實驗測得該復合媒質(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)諧微波負折射率材料，由等效負磁導率的片狀絕緣型亞鐵磁材料和片狀等效負介電常數(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)諧負折射率材料，屬于微波材料技術領域。由等效負磁導率的片狀絕緣型亞鐵磁材料和片狀等效負介電常數(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)造的負折射率材料，其工作頻率寬；實現(xiàn)負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、毫米波器件等領域?qū)⒂兄鴱V闊的應用前景。
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