專利名稱：一種負(fù)折射率微波媒質(zhì)材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種負(fù)折射率微波媒質(zhì)材料及其制備方法，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(shí)部在整個(gè)電磁波譜內(nèi)都是非同時(shí)為負(fù)的，其折射率的實(shí)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(shí)為負(fù)值的天然材料。
1964年，前蘇聯(lián)科學(xué)家V.G.Veselago在“The electrodynamics of substances withsimultaneously negative values ofεandμ”(Soviet Physics Uspekhi，Vol.10，No.4，pp509-514，Apr 1968)一文中理論分析了電磁波在假想的介電常數(shù)與磁導(dǎo)率同時(shí)為負(fù)數(shù)的各向同性均勻媒質(zhì)中的電動(dòng)力學(xué)行為，預(yù)見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(1)假想材料中電磁波電場(chǎng)、磁場(chǎng)和傳播波矢三者之間成左手關(guān)系，電磁波相速方向與能速方向相反(如圖1所示)；(2)電磁波通過假想材料與正折射率材料的分界面時(shí)發(fā)生逆折射效應(yīng)(Reversed Snell Refraction)，在界面上產(chǎn)生負(fù)電磁波壓力；(3)逆向多普勒效應(yīng)(Reversed Doppler Effect)；(4)逆切倫柯夫輻射(Reversed CerenkovRadiation)；(5)一塊假想材料平板具有理想電磁成像能力。Veselago稱這種假想材料為“左手材料”(Left-Handed Material)，現(xiàn)學(xué)術(shù)界亦有定義其為雙負(fù)材料(Double NegativeMaterials-DNM)、負(fù)折射率媒質(zhì)(Negative Index of Refraction Materials-NIRM)、返波材料(Backward Wave Materials-BWM)、異向媒質(zhì)(Metamaterial)等，本發(fā)明采用負(fù)折射率媒質(zhì)(NIRM)定義，以強(qiáng)調(diào)材料的折射率特征。
1998年，J.Pendry等人在“Low frequency plasmons in thin-wire structures”(J.Phys.Condens.Matter.，Vol.10，pp4785-4809，1998.)一文中提出對(duì)于以金屬導(dǎo)體線為單元所構(gòu)成的晶格型宏觀陣列(如圖2所示)來(lái)說(shuō)，在小于金屬導(dǎo)體線等離子體頻率fp的電磁波譜內(nèi)，其等效介電常數(shù)εeff(f)為負(fù)。
物理結(jié)構(gòu)如圖3所示，它由3毫米厚的聚苯乙烯薄板交錯(cuò)組成，薄板上置有相距5毫米的平行金屬線陣列，金屬線為直徑20微米的鍍金鎢線。這些薄板交錯(cuò)疊加從而形成5mm×5mm×6mm的單元格，器件整個(gè)尺寸為200mm×200mm×120mm(如圖4)。各層旋轉(zhuǎn)90度疊加，從而構(gòu)建成了一個(gè)三維結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)可以通過各層之間添加空白層而改變金屬線密度，從而改變其等離子體頻率。
1999年，J.Pendry等人在“Magnetism from conductors and enhanced nonlinearphenomena”(IEEE Trans.Microwave Theory Tech.，Vol.47，No.11，pp2075-2084，Nov1999.)一文中又提出對(duì)于以雙金屬諧振環(huán)(如圖5所示)為單元所構(gòu)成的晶格型宏觀陣列(如圖6所示)來(lái)說(shuō)，在大于金屬環(huán)諧振頻率的電磁波譜內(nèi)，其等效磁導(dǎo)率μeff(f)為負(fù)。
2000年，D.R.Smith等人基于J.B.Pendry提出的構(gòu)造單負(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(shí)為負(fù)的負(fù)折射率微波媒質(zhì)(如圖7所示)，并于次年在實(shí)驗(yàn)中觀察到X波段的電磁波通過這種人工合成媒質(zhì)與空氣的交界面時(shí)確實(shí)發(fā)生了負(fù)折射現(xiàn)象(實(shí)驗(yàn)裝置如圖8所示)。隨后，加拿大多倫多大學(xué)G.V.Eleftheriades和美國(guó)西雅圖Boeing Phantom Works的C.G.Parazzoli所領(lǐng)導(dǎo)的兩組研究人員分別發(fā)表了在微波波段負(fù)折射率材料(如圖9所示)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，他們?cè)趯?shí)驗(yàn)中直接觀測(cè)到了負(fù)折射率材料的逆切倫柯夫輻射和負(fù)折射現(xiàn)象，進(jìn)一步證實(shí)了負(fù)折射率媒質(zhì)的存在，亦表明人工能夠合成出負(fù)折射率微波媒質(zhì)。
目前，NIRM的研究已成為國(guó)際物理學(xué)和電磁學(xué)界一個(gè)十分引人注目的前沿領(lǐng)域，眾多學(xué)者對(duì)NIRM制造方法，電磁波在NIRM中的傳播特性、散射特性等進(jìn)行了較深入的研究，產(chǎn)生了許多新的成果。電磁波在NIRM中具有獨(dú)特的電磁特性，決定了其在軍事和民用兩方面有著廣泛的應(yīng)用前景。NIRM可用于制造高定向度天線，實(shí)現(xiàn)完美透鏡，聚焦電磁波波束，制造大容量光盤等新穎光學(xué)元器件。NIRM研究領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)主要有(1)理論上繼續(xù)完善，力爭(zhēng)完美解釋NIRM領(lǐng)域中存在的各種電磁特性和現(xiàn)象；(2)探索合成穩(wěn)定的、寬頻帶、低損耗、可調(diào)諧NIRM的新方法，以便于在實(shí)際中得到更大范圍的應(yīng)用；(3)利用納米技術(shù)和集成電路實(shí)現(xiàn)NIRM小型化，以推動(dòng)其工作波長(zhǎng)向毫米波，光波波段發(fā)展。
迄今為止，人工合成NIRM的方法主要有三種(1)由金屬導(dǎo)體線和金屬諧振環(huán)相重疊的微結(jié)構(gòu)為基本單元構(gòu)成的晶格型宏觀陣列結(jié)構(gòu)，其基本思想是將等效介電常數(shù)為負(fù)的單金屬導(dǎo)體線陣列宏結(jié)構(gòu)與等效磁導(dǎo)率為負(fù)的單金屬諧振環(huán)陣列宏結(jié)構(gòu)二者在空間上相互疊加，構(gòu)成的復(fù)合結(jié)構(gòu)的等效折射率在等效介電常數(shù)為負(fù)的電磁波頻段與等效磁導(dǎo)率為負(fù)的電磁波頻段相重疊的譜域內(nèi)為負(fù)；(2)由串聯(lián)電容和并聯(lián)電感高通傳輸線基本單元構(gòu)成的一維、二維或三維陣列結(jié)構(gòu)，其基本思想是將常規(guī)低通傳輸線基本單元——串聯(lián)電感和并聯(lián)電容的連接方式對(duì)偶交換，產(chǎn)生的串聯(lián)電容和并聯(lián)電感為基本單元的高通傳輸線的等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率同時(shí)為負(fù)；(3)光子晶體，由兩種或兩種以上的電介質(zhì)材料周期性排列而成的人造材料，排列周期為波長(zhǎng)量級(jí)，具有光導(dǎo)帶隙，從而控制電磁波在其中的傳播，在一定條件下，光子晶體表現(xiàn)出負(fù)折射率特性。上述第一種方法存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難于加工，工作頻帶較窄，不宜推廣到光波段等缺點(diǎn)。第二種方法需要加載集總元件，不適合毫米波、太赫茲、紅外波段等高頻應(yīng)用。第三種方法要求滿足Bragg散射條件，使其加工及實(shí)際應(yīng)用困難，如各向異性、模式耦合失配及高階衍射都是較難解決的問題；由于其工作波長(zhǎng)與排列周期在同一個(gè)常量級(jí)，其在器件小型化方面的應(yīng)用也有很大的局限性。因此，探索和發(fā)展人工合成NIRM的新方法具有重要的科學(xué)意義和實(shí)用價(jià)值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種負(fù)折射率微波媒質(zhì)材料及其制備方法，所述負(fù)折射率微波媒質(zhì)材料的工作頻率更寬、性能穩(wěn)定；所述制備方法簡(jiǎn)單易行。
本發(fā)明的基本思想如下自然界中一些天然物質(zhì)，如金屬和等離子體，對(duì)于頻率低于其等離子體頻率的電磁波而言，其介電常數(shù)表現(xiàn)為負(fù)值；鐵磁材料和亞鐵磁材料，在外靜態(tài)磁場(chǎng)作用下，對(duì)于頻率在鐵磁材料的鐵磁諧振頻率至抗鐵磁諧振頻率之間的電磁波而言，其磁導(dǎo)率為負(fù)值。若在單負(fù)介電常數(shù)的基體材料中嵌入類金屬諧振環(huán)陣列，或在單負(fù)磁導(dǎo)率的基體材料中嵌入類金屬導(dǎo)體線陣列，構(gòu)成的復(fù)合媒質(zhì)有可能在寬電磁波頻段內(nèi)其等效介電常數(shù)、等效磁導(dǎo)率同時(shí)為負(fù)，從而能人工合成出寬帶微波NIRM。
本發(fā)明詳細(xì)技術(shù)方案為一種負(fù)折射率微波媒質(zhì)材料，由單負(fù)磁導(dǎo)率的絕緣型鐵磁材料或絕緣型亞鐵磁材料和金屬導(dǎo)線組成，其特征是，所述金屬導(dǎo)線均勻嵌入單負(fù)磁導(dǎo)率的絕緣型鐵磁材料或絕緣型亞鐵磁材料中。
所述均勻嵌入單負(fù)磁導(dǎo)率的絕緣型鐵磁材料或絕緣型亞鐵磁材料中的金屬導(dǎo)線構(gòu)成線狀陣列(如圖10所示)。
所述均勻嵌入單負(fù)磁導(dǎo)率的絕緣型鐵磁材料或絕緣型亞鐵磁材料中的金屬導(dǎo)線構(gòu)成面狀陣列(如圖11所示)。
所述均勻嵌入單負(fù)磁導(dǎo)率的絕緣型鐵磁材料或絕緣型亞鐵磁材料中的金屬導(dǎo)線構(gòu)成立體網(wǎng)格狀陣列(如圖12所示)。
所述均勻嵌入單負(fù)磁導(dǎo)率的絕緣型鐵磁材料或絕緣型亞鐵磁材料中的金屬導(dǎo)線可以是圓柱形金屬導(dǎo)線、也可以是微帶狀金屬導(dǎo)線。
所述均勻嵌入單負(fù)磁導(dǎo)率的絕緣型鐵磁材料或絕緣型亞鐵磁材料中的金屬導(dǎo)線的截面尺寸在亞毫米量級(jí)；陣列間隔尺寸在毫米量級(jí)。
一種負(fù)折射率微波媒質(zhì)材料的制備方法，其特征在于，它包括以下步驟步驟1 制備適當(dāng)厚度的YIG類絕緣型鐵磁材料基片。
步驟2 在步驟1所得的YIG類絕緣型鐵磁材料基片的表面沉積出一維晶格型金屬微帶線線陣。
步驟3 將步驟2所得的沉積了一維晶格型金屬微帶線線陣的YIG類絕緣型鐵磁材料基片重疊堆積多層，即可獲得本發(fā)明所述的線陣(一維晶格型)金屬導(dǎo)線負(fù)折射率微波媒質(zhì)材料(如圖10所示)。
一種負(fù)折射率微波媒質(zhì)材料的制備方法，其特征在于，它包括以下步驟步驟1 制備適當(dāng)厚度的YIG類絕緣型鐵磁材料基片。
步驟2 在步驟1所得的YIG類絕緣型鐵磁材料基片的表面沉積出二維晶格型金屬微帶線面陣。
步驟3 將步驟2所得的沉積了二維晶格型金屬微帶線面陣的YIG類絕緣型鐵磁材料基片重疊堆積多層，即可獲得本發(fā)明所述的面陣(二維晶格型)金屬導(dǎo)線負(fù)折射率微波媒質(zhì)材料(如圖11所示)。
一種負(fù)折射率微波媒質(zhì)材料的制備方法，其特征在于，它包括以下步驟步驟1 制備適當(dāng)厚度的YIG類絕緣型鐵磁材料基片。
步驟2 在步驟1所得的YIG類絕緣型鐵磁材料基片的表面沉積出二維晶格型金屬微帶線面陣；并在基片上所有二維晶格點(diǎn)的地方打一個(gè)通孔，通孔的大小以略小于金屬微帶線的尺寸為宜。
步驟3 在將步驟2所得的沉積了二維晶格型金屬微帶線面陣的YIG類絕緣型鐵磁材料基片重疊堆積多層，堆積的過程中，在所有通孔處沉積與金屬微帶線相同的金屬材料，即可獲得本發(fā)明所述的立體網(wǎng)格陣(三維晶格型)金屬導(dǎo)線負(fù)折射率微波媒質(zhì)材料(如圖12所示)。
本發(fā)明的實(shí)質(zhì)在于將微觀上是寬帶單負(fù)磁導(dǎo)率的絕緣型鐵磁材料或絕緣型亞鐵磁材料和宏觀上是寬帶單負(fù)介電常數(shù)的金屬導(dǎo)線陣列結(jié)構(gòu)，二者在空間上相互重疊，構(gòu)成復(fù)合媒質(zhì)。其等效折射率將在等效介電常數(shù)為負(fù)的電磁波頻段與等效磁導(dǎo)率為負(fù)的電磁波頻段相重疊的譜域內(nèi)同時(shí)為負(fù)，從而人工合成出NIRM。
通過調(diào)控外加磁場(chǎng)的大小，可調(diào)控該復(fù)合材料的等效介電常數(shù)與等效磁導(dǎo)率，從而使材料的折射率隨外加調(diào)控磁場(chǎng)的變化而變化，同時(shí)，材料的傳輸/折射/散射/多普勒效應(yīng)等電磁特性亦隨之變化。當(dāng)金屬物體表面裹附有此種NIRM后，通過調(diào)控外加磁場(chǎng)，則可隨之調(diào)控物體的雷達(dá)散射截面(RCS)和多普勒頻移，從而開辟出一條智能控制目標(biāo)物體的RCS和多普勒頻移的新途徑，其在雷達(dá)對(duì)抗、后向散射型RFID等軍事民用領(lǐng)域?qū)⒂兄浅V泛的應(yīng)用前景，具有重要的科學(xué)意義與實(shí)用價(jià)值。
本發(fā)明的有益效果是1、本發(fā)明所述的負(fù)折射率媒質(zhì)材料，其工作頻率比現(xiàn)有的折射率媒質(zhì)材料更寬；2、本發(fā)明所述的負(fù)折射率媒質(zhì)材料，其折射率可隨外加調(diào)控磁場(chǎng)的大小而改變；3、本發(fā)明所述的負(fù)折射率媒質(zhì)材料，具有更廣的應(yīng)用前景；4、本發(fā)明所述的負(fù)折射率媒質(zhì)材料的制備方法簡(jiǎn)單，所用到的各項(xiàng)技術(shù)均為現(xiàn)存的成熟技術(shù)。


圖1為電磁波電場(chǎng)、磁場(chǎng)和傳播波矢三者之間的左手關(guān)系示意圖，其中，S為代表能量方向的坡印亭矢量，k為代表相速方向的波矢量，二者方向相反。
圖2為金屬導(dǎo)體線陣列結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為負(fù)介電常數(shù)材料的物理結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為圖3所示負(fù)介電常數(shù)材料物理結(jié)構(gòu)的實(shí)物照片。
圖5為單個(gè)金屬諧振環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6為具有金屬諧振環(huán)的負(fù)折射率材料結(jié)構(gòu)示意圖。
圖7為具有金屬諧振環(huán)的負(fù)折射率材料的實(shí)物照片一。
圖8為負(fù)折射率實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置。被測(cè)樣品(棱鏡)置于兩塊吸波材料之間；粗黑箭頭表示來(lái)波方向和折射(按n＞0)方向；檢測(cè)器是用X頻段波導(dǎo)連接的微波功率測(cè)量裝置，實(shí)際上是用波導(dǎo)—同軸轉(zhuǎn)換器及HP8756A型標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀。
圖9為具有金屬諧振環(huán)的負(fù)折射率材料的實(shí)物照片二。
圖10為本發(fā)明所述的具有一維晶格型金屬導(dǎo)帶陣列結(jié)構(gòu)的負(fù)折射率材料結(jié)構(gòu)示意圖。
圖11為本發(fā)明所述的具有二維晶格型金屬導(dǎo)帶陣列結(jié)構(gòu)的負(fù)折射率材料結(jié)構(gòu)示意圖。
圖12為本發(fā)明所述的具有三維晶格型金屬導(dǎo)帶陣列結(jié)構(gòu)的負(fù)折射率材料結(jié)構(gòu)示意圖。
圖13、14為電磁波沿垂直于磁化方向傳播時(shí)本發(fā)明所述負(fù)折射率媒質(zhì)材料的等效電磁特性，其中，圖13為等效介電常數(shù)頻率響應(yīng)特性，圖14為等效磁導(dǎo)率頻率響應(yīng)特性。
圖15為單獨(dú)亞鐵磁材料-YIG的電磁仿真模型示意圖。
圖16為電磁波沿垂直于磁化方向在YIG中傳播時(shí)電磁波傳輸系數(shù)仿真結(jié)果示意圖。
圖17為電磁波在均勻媒質(zhì)(相對(duì)介電常數(shù)為12.7)內(nèi)嵌金屬導(dǎo)體帶陣列結(jié)構(gòu)中的傳播特性仿真結(jié)果示意圖。
圖18為電磁波在亞鐵磁材料-YIG中內(nèi)嵌了金屬導(dǎo)體帶陣列結(jié)構(gòu)的復(fù)合媒質(zhì)中的傳播特性示意圖(電磁波傳播方向垂直于磁化方向)。
圖19為電磁波在亞鐵磁材料-YIG中內(nèi)嵌了金屬導(dǎo)體帶陣列結(jié)構(gòu)的復(fù)合媒質(zhì)與正折射率媒質(zhì)交界面的折射特性的仿真模型示意圖。
圖20為電磁波在圖19所示兩種媒質(zhì)交界區(qū)域內(nèi)折射特性的仿真結(jié)果示意圖(圖中箭頭方向代表能量方向)。
具體實(shí)施例方式
以三維細(xì)金屬導(dǎo)體線陣列結(jié)構(gòu)嵌入到基體YIG中的情形為例，具體說(shuō)明本發(fā)明的相關(guān)內(nèi)容。
為了驗(yàn)證基于亞鐵磁材料的負(fù)折射微波媒質(zhì)合成方法的可行性，可依據(jù)YIG在微觀上實(shí)現(xiàn)負(fù)值磁導(dǎo)率，三維金屬導(dǎo)體線陣列結(jié)構(gòu)在宏觀上實(shí)現(xiàn)負(fù)介電常數(shù)的原理，利用有效媒質(zhì)理論數(shù)值計(jì)算出復(fù)合媒質(zhì)的等效介電常數(shù)與等效磁導(dǎo)率的頻率響應(yīng)特性。
由于導(dǎo)體線陣列結(jié)構(gòu)的體積遠(yuǎn)小于YIG的體積，可采用Maxwell-Garnett有效媒質(zhì)理論模型ϵ-ϵbϵ+2ϵb=faϵa-ϵbϵa+2ϵb]]>μ-μbμ+2μb=faμa-μbμa+2μb---(1)]]>其中，fa、εa、μa分別為媒質(zhì)A的體積分?jǐn)?shù)、介電常數(shù)和磁導(dǎo)率，fa＜＜1；εb、μb分別為媒質(zhì)B的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率；ε、μ分別為復(fù)合媒質(zhì)的等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率。
Maxwell-Garnett模型適合于球形微粒的合成，但金屬的Drude模型與實(shí)驗(yàn)證明，利用該模型定性分析YIG中內(nèi)嵌了三維金屬導(dǎo)體線陣列結(jié)構(gòu)的復(fù)合媒質(zhì)的電磁特性在理論上是適合的。
假定媒質(zhì)A為三維金屬導(dǎo)體線陣列結(jié)構(gòu)，物理參數(shù)設(shè)置為a＝3.5mm、r＝0.25mm。媒質(zhì)B為YIG，物理參數(shù)如前所述。那么，我們得到如下解析式ϵa=1-ωp2ω2]]>μa＝1fa≈3πr2a-2πr2a3]]>εb＝εr＝12.7電磁波沿垂直于磁化方向傳播時(shí)，由式(2)得到Y(jié)IG中本征波I對(duì)應(yīng)的等效磁導(dǎo)率為μb=μ·12-μ·22/μ0μ·1---(2)]]>根據(jù)前述參數(shù)設(shè)置，將εa、μa、fa、εb和εr以及(2)代入式(1)的數(shù)值計(jì)算結(jié)果如圖13、14所示。對(duì)照?qǐng)D13與圖14可知，存在C波段電磁波頻率的重疊區(qū)域，使得復(fù)合媒質(zhì)的等效磁導(dǎo)率與等效介電常數(shù)同時(shí)為負(fù)。電磁波沿平行于磁化方向傳播時(shí)，同樣存在C波段電磁波頻率的重疊區(qū)域，使得復(fù)合媒質(zhì)的等效磁導(dǎo)率與等效介電常數(shù)同時(shí)為負(fù)。
因此，在亞鐵磁材料-YIG中內(nèi)嵌金屬導(dǎo)體線陣列結(jié)構(gòu)合成NIRM的方法在理論上是可行的，這種復(fù)合媒質(zhì)真實(shí)的電磁特性還需要通過實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證，但初步的數(shù)值分析結(jié)果為人工合成及設(shè)計(jì)NIRM提供了有益的指導(dǎo)作用。
為了得到嚴(yán)格的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與盡量準(zhǔn)確的電磁仿真結(jié)果，從而進(jìn)一步驗(yàn)證基于亞鐵磁性材料的負(fù)折射微波媒質(zhì)材料的特性，本發(fā)明利用時(shí)域有限積分法三維電磁仿真程序(三維電磁場(chǎng)仿真商業(yè)軟件CST Microwave Studio)模擬了以YIG為基體，在其中嵌入等效介電常數(shù)為負(fù)的金屬導(dǎo)體線陣列所構(gòu)成的復(fù)合媒質(zhì)中電磁波傳輸特性，電磁波在復(fù)合媒質(zhì)與正折射率媒質(zhì)交界面處的折射特性。
1電磁波傳播特性仿真為了便于比較，我們分別對(duì)單獨(dú)的亞鐵磁材料-YIG、單獨(dú)的金屬導(dǎo)體帶陣列結(jié)構(gòu)及YIG內(nèi)嵌了金屬導(dǎo)體線陣列的復(fù)合結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真。這里僅考慮電磁波沿垂直于磁化方向傳播時(shí)的情況。
1.1單獨(dú)亞鐵磁性材料-YIG的電磁特性仿真仿真模型如圖15所示，YIG三維尺寸X、Y、Z分別為24mm、4mm和40mm，設(shè)置YIG在外加磁場(chǎng)H0＝1200奧斯特作用下，其飽和磁化強(qiáng)度M0＝1750高斯，相對(duì)介電常數(shù)εr＝12.7，鐵磁諧振線寬ΔH＝300高斯，外加磁場(chǎng)H0沿Z軸方向。YIG兩端均勻介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)為12.7，相對(duì)磁導(dǎo)率為1。X、Y方向邊界條件均設(shè)置為電壁(切向電場(chǎng)為零)，Z方向邊界條件為開放波導(dǎo)。在Z方向上的起點(diǎn)Zmin處與終點(diǎn)Zmax處分別設(shè)置為激勵(lì)端口1和端口2。
仿真結(jié)果如圖16所示。從圖16中可見電磁波在3.89-8.33GHz頻率范圍的傳輸系數(shù)均低于-40dB，表明該頻率范圍的入射電磁波在YIG中受到嚴(yán)重衰減而不能通過，該頻段為電磁波在YIG中的傳播禁帶，也即是YIG等效磁導(dǎo)率為負(fù)的頻帶。
1.2單獨(dú)金屬導(dǎo)體帶陣列宏結(jié)構(gòu)的電磁特性仿真金屬導(dǎo)體線陣列宏結(jié)構(gòu)如圖7所示，為了便于加工，金屬導(dǎo)體線采用方形帶狀結(jié)構(gòu)，單個(gè)導(dǎo)體帶的橫截面尺寸為0.30mm×0.30mm，長(zhǎng)度為4.0mm，陣列周期a＝4.0mm。仿真模型參數(shù)、邊界條件及電磁波激勵(lì)設(shè)置與圖15的模型相同，只是將其中的YIG替換為金屬導(dǎo)體線陣列結(jié)構(gòu)。為了避免空間色散，入射的平面波電場(chǎng)方向平行于導(dǎo)體帶方向。設(shè)置導(dǎo)體線周圍媒質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)為12.7，相對(duì)磁導(dǎo)率為1。仿真結(jié)果如圖17所示。從圖17可見電磁波在7.02-9.80GHz頻率范圍的傳輸系數(shù)均低于-30dB，表明該頻率范圍的入射電磁波在金屬導(dǎo)體帶陣列結(jié)構(gòu)中受到衰減而不能通過，該頻段為電磁波在其中的傳播禁帶。根據(jù)前面的理論分析，該金屬導(dǎo)體帶陣列結(jié)構(gòu)的等效介電常數(shù)在頻率7.02-9.80GHz范圍內(nèi)為負(fù)值。
1.3YIG中內(nèi)嵌了金屬導(dǎo)體帶陣列結(jié)構(gòu)的復(fù)合媒質(zhì)的電磁特性仿真人工合成的復(fù)合媒質(zhì)的結(jié)構(gòu)模型如圖10所示。為了便于復(fù)合媒質(zhì)的加工，金屬導(dǎo)體線采用方形帶狀結(jié)構(gòu)，其三維尺寸X、Y和Z分別為0.3mm、4.0mm和0.3mm。限于計(jì)算機(jī)內(nèi)存和軟件允許的網(wǎng)格數(shù)，在保證仿真精度的前提下，僅模擬了YIG中內(nèi)嵌一維導(dǎo)體線陣列的情況。
仿真模型參數(shù)、邊界條件及電磁波激勵(lì)設(shè)置與圖15所述模型相同，只是將其中的YIG替換為如圖10所示的復(fù)合媒質(zhì)。YIG及金屬線物理參數(shù)如前所述。在仿真中，復(fù)合媒質(zhì)未與Y方向電壁相互接觸，相距為1mm，中間是介電常數(shù)為12.7，磁導(dǎo)率為1的均勻介質(zhì)。
YIG中內(nèi)嵌金屬導(dǎo)體帶陣列結(jié)構(gòu)的復(fù)合媒質(zhì)中電磁波傳輸特性的仿真結(jié)果如圖18所示，由圖可見傳輸系數(shù)峰值為-20.15dB，位于頻率8.13GHz處，3dB帶寬為7.51-8.65GHz。此頻段內(nèi)復(fù)合媒質(zhì)的傳輸系數(shù)與同頻段單YIG的傳輸系數(shù)相比較提高了40dB以上，與單金屬導(dǎo)體帶陣列結(jié)構(gòu)的傳輸系數(shù)相比較提高了20dB以上，因此可以認(rèn)為頻帶7.51-8.65GHz為該復(fù)合媒質(zhì)的一個(gè)電磁波傳播通帶。通帶位于圖16和圖17所示禁帶的重疊區(qū)域，按照前述理論分析，該復(fù)合媒質(zhì)等效折射率在此通帶內(nèi)應(yīng)為負(fù)值。
2電磁波在兩種媒質(zhì)交界面的折射特性仿真為驗(yàn)證在上述通帶內(nèi)復(fù)合媒質(zhì)的等效折射率是否為負(fù)，本發(fā)明仿真了入射電磁波在復(fù)合媒質(zhì)與正折射率媒質(zhì)交界面處的折射特性。
楔形復(fù)合媒質(zhì)物理模型如圖19所示，YIG中內(nèi)嵌了方形金屬導(dǎo)體帶，YIG與導(dǎo)體帶物理參數(shù)與前述(如圖15所示)模型相同。X、Y方向?yàn)殚_放邊界條件，Z方向?yàn)殡姳冢?lì)為沿Y軸正方向傳播的平面波。
工作頻率為8.13GHz的電磁波在復(fù)合媒質(zhì)與正折射率媒質(zhì)交界區(qū)域的功率流方向圖如圖20所示。從圖20可見在兩種媒質(zhì)的交界面，透射波能量向入射波法線的同一側(cè)偏轉(zhuǎn)(如圖中箭頭所示)，表明發(fā)生了負(fù)折射現(xiàn)象。進(jìn)一步仿真模擬表明，在7.51-8.13GHz的通帶內(nèi)，電磁波在兩種媒質(zhì)的交界面處依然會(huì)發(fā)生負(fù)折射現(xiàn)象，但是在大于8.13GHz的通帶內(nèi)則逐漸會(huì)發(fā)生常規(guī)的正折射現(xiàn)象。從而確證了在7.51-8.13GHz的通帶內(nèi)，復(fù)合媒質(zhì)的等效折射率為負(fù)，此頻段位于周期導(dǎo)體線陣列宏結(jié)構(gòu)的等效介電常數(shù)為負(fù)的7.02-9.80GHz頻帶與基體YIG等效磁導(dǎo)率為負(fù)的5.22-8.14GHz頻帶相重疊的頻譜內(nèi)，表明本發(fā)明提出的負(fù)折射率媒質(zhì)材料及其制備方法是有效可行的。
權(quán)利要求
1.一種負(fù)折射率微波媒質(zhì)材料，由單負(fù)磁導(dǎo)率的絕緣型鐵磁材料或絕緣型亞鐵磁材料和金屬導(dǎo)線組成，其特征是，所述金屬導(dǎo)線均勻嵌入單負(fù)磁導(dǎo)率的絕緣型鐵磁材料或絕緣型亞鐵磁材料中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種負(fù)折射率微波媒質(zhì)材料，其特征是，所述均勻嵌入單負(fù)磁導(dǎo)率的絕緣型鐵磁材料或絕緣型亞鐵磁材料中的金屬導(dǎo)線構(gòu)成線狀陣列。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種負(fù)折射率微波媒質(zhì)材料，其特征是，所述均勻嵌入單負(fù)磁導(dǎo)率的絕緣型鐵磁材料或絕緣型亞鐵磁材料中的金屬導(dǎo)線構(gòu)成面狀陣列。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種負(fù)折射率微波媒質(zhì)材料，其特征是，所述均勻嵌入單負(fù)磁導(dǎo)率的絕緣型鐵磁材料或絕緣型亞鐵磁材料中的金屬導(dǎo)線構(gòu)成立體網(wǎng)格狀陣列。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或4所述的一種負(fù)折射率微波媒質(zhì)材料，其特征是，所述均勻嵌入單負(fù)磁導(dǎo)率的絕緣型鐵磁材料或絕緣型亞鐵磁材料中的金屬導(dǎo)線可以是圓柱形金屬導(dǎo)線、也可以是微帶狀金屬導(dǎo)線。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或4所述的一種負(fù)折射率微波媒質(zhì)材料，其特征是，所述均勻嵌入單負(fù)磁導(dǎo)率的絕緣型鐵磁材料或絕緣型亞鐵磁材料中的金屬導(dǎo)線的截面尺寸在亞毫米量級(jí)；陣列間隔尺寸在毫米量級(jí)。
7.一種負(fù)折射率微波媒質(zhì)材料的制備方法，其特征在于，它包括以下步驟步驟1 制備適當(dāng)厚度的YIG類絕緣型鐵磁材料基片；步驟2 在步驟1所得的YIG類絕緣型鐵磁材料基片的表面沉積出一維晶格型金屬微帶線線陣；步驟3 將步驟2所得的沉積了一維晶格型金屬微帶線線陣的YIG類絕緣型鐵磁材料基片重疊堆積多層，即可獲得本發(fā)明所述的線陣(一維晶格型)金屬導(dǎo)線負(fù)折射率微波媒質(zhì)材料。
8.一種負(fù)折射率微波媒質(zhì)材料的制備方法，其特征在于，它包括以下步驟步驟1 制備適當(dāng)厚度的YIG類絕緣型鐵磁材料基片；步驟2 在步驟1所得的YIG類絕緣型鐵磁材料基片的表面沉積出二維晶格型金屬微帶線面陣；步驟3 將步驟2所得的沉積了二維晶格型金屬微帶線面陣的YIG類絕緣型鐵磁材料基片重疊堆積多層，即可獲得本發(fā)明所述的面陣(二維晶格型)金屬導(dǎo)線負(fù)折射率微波媒質(zhì)材料。
9.一種負(fù)折射率微波媒質(zhì)材料的制備方法，其特征在于，它包括以下步驟步驟1 制備適當(dāng)厚度的YIG類絕緣型鐵磁材料基片；步驟2 在步驟1所得的YIG類絕緣型鐵磁材料基片的表面沉積出二維晶格型金屬微帶線面陣；并在基片上所有二維晶格點(diǎn)的地方打一個(gè)通孔，通孔的大小以略小于金屬微帶線的尺寸為宜；步驟3 在將步驟2所得的沉積了二維晶格型金屬微帶線面陣的YIG類絕緣型鐵磁材料基片重疊堆積多層，堆積的過程中，在所有通孔處沉積與金屬微帶線相同的金屬材料，即可獲得本發(fā)明所述的立體網(wǎng)格陣(三維晶格型)金屬導(dǎo)線負(fù)折射率微波媒質(zhì)材料。
全文摘要
一種負(fù)折射率微波媒質(zhì)材料及其制備方法，屬于微波材料技術(shù)領(lǐng)域。材料由單負(fù)磁導(dǎo)率的絕緣型鐵磁材料或絕緣型亞鐵磁材料和金屬導(dǎo)線組成，所述金屬導(dǎo)線均勻嵌入單負(fù)磁導(dǎo)率的絕緣型鐵磁材料或絕緣型亞鐵磁材料中。針對(duì)金屬導(dǎo)線陣列而言，本發(fā)明提供了三種負(fù)折射率材料一維晶格型、二維晶格型和三維晶格型。制備方法是將寬帶單負(fù)磁導(dǎo)率的絕緣型鐵磁材料或絕緣型亞鐵磁材料和寬帶單負(fù)介電常數(shù)的金屬導(dǎo)線陣列結(jié)構(gòu)，二者相互重疊，構(gòu)成所述負(fù)折射率媒質(zhì)。本發(fā)明的負(fù)折射率媒質(zhì)材料，其工作頻率更寬；其折射率可隨外加調(diào)控磁場(chǎng)的大小而改變；本發(fā)明所述的負(fù)折射率媒質(zhì)材料的制備方法簡(jiǎn)單，所用到的各項(xiàng)技術(shù)均為現(xiàn)存的成熟技術(shù)。
文檔編號(hào)H01P1/23GK1835277SQ200610020630
公開日2006年9月20日 申請(qǐng)日期2006年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月31日
發(fā)明者文光俊, 曹云建, 吳凱敏 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)