專利名稱：可調諧全介質多頻段各向同性零折射平板透鏡及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種全介質零折射平板透鏡，特別涉及一種溫度可調諧全介質多頻段各向同 性零折射平板透鏡。
背景技術：
超材料(Metamaterials)是一種人工電磁材料，具有自然界現(xiàn)存材料所不具備的奇異電 磁特性，是當前物理學、材料學與電磁學等研究領域中的前沿與熱點問題，有著廣泛的應用 甜景。其中有效介電常數(shù)和磁導率同時小于零的超材料稱為負折射材料或左手材料 (Left-handed metamaterials, LHMs)。通常，LHMs是由具有電磁響應的金屬結構單元組成， 如典型的金屬開口諧振環(huán)(Split ring resonators, SRRs)和金屬桿結構單元分別實現(xiàn)負磁導率 和負介電常數(shù)、Q結構單元、漁網(wǎng)結構以及分形樹枝結構等。
另一種折射率為零的超材料稱為零折射材料，具有獨特的電磁特性。利用零折射超材料 制成的平板透鏡能使在其中傳播的電磁波在透鏡的界面處發(fā)生零折射效應，而使出射電磁波 沿平板的法線方向傳播，變成了近似的平行光，改善了光源的方向性。因而零折射平板透鏡 能夠廣泛應用于改善天線和波源的方向性、相移器等電磁波通訊領域。目前，零折射材料通 常由具有電磁響應的金屬結構單元組成，兩種結構單元分別實現(xiàn)介電常數(shù)為零或磁導率為零， 很難利用同一種金屬結構單元同時實現(xiàn)不同頻段的零折射效應。同時，基于金屬結構單元的 零折射材料的電磁響應特性是各向異性的，即僅在某方向上具有零折射效應，使得某些方向 傳播的電磁波不能平行出射，大大限制了其應用范圍。另外，由于超材料發(fā)生電磁諧振的頻 段都較窄且樣品一經(jīng)設計并加工，其電磁響應頻率和實現(xiàn)零折射的頻段就不可改變，限制了 其實際應用。因而，設計一種動態(tài)可調諧零折射材料就顯得尤為重要。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是利用一種非金屬、非磁性的介質顆粒的Mie各級諧振實現(xiàn)零介電常數(shù)和 零磁導率，從而實現(xiàn)多頻段各向同性零折射效應；并利用介電顆粒的介電常數(shù)對溫度的敏感 響應特性，提供一種可調諧全介質多頻段各向同性零折射平板透鏡及其制備方法。
本發(fā)明的技術方案如下
所述透鏡由全介質復合材料平板以及溫控裝置組成，所述全介質復合材料平板是由一種 非金屬、非磁性的介質顆粒周期性排列或隨機排列成陣列并固化在另一種環(huán)氧樹脂基體中而 形成的，所述環(huán)氧樹脂的介電常數(shù)小于所述非金屬、非磁性的介質顆粒的介電常數(shù)；所述各 向同性零折射平板透鏡利用介電顆粒的電諧振和磁諧振分別實現(xiàn)零介電常數(shù)和零磁導率，從 而實現(xiàn)零折射；并利用介質顆粒介電常數(shù)對溫度的敏感響應特性來實現(xiàn)溫度可調控零折射效
3應。
本發(fā)明所述透鏡的介質顆粒為介電顆粒且在室溫25'C時的微波介電常數(shù)為195 750;所 述介質顆粒呈簡立方晶格排列或隨機均勻分布且顆粒的體積分數(shù)為5% 30%;所述的介質 顆粒為邊長0.5 3.0mm的立方塊或直徑為0.5 3.0mm的球。
本發(fā)明還提供了一種可調諧全介質多頻段各向同性零折射平板透鏡的制備方法，該方法 包括如下步驟
1) 利用等靜壓成型技術，將介質粉體壓制成柱狀毛胚體；
2) 將柱狀胚體在電爐中300 600。C進行排膠，然后再在1300 150(TC溫度條件下 進行3 6個小時的燒結得到致密的柱狀陶瓷介質塊；
3) 利用激光陶瓷微加工技術將陶瓷柱切割成邊長為0.5 3.0 ram的介質立方塊或者 將立方塊磨制7t直徑為0.5 3.0 mm的介質球；
4) 將介質顆粒呈簡立方晶格排列或隨機均勻分布排列并利用環(huán)氧樹脂進行固化得到 介質顆粒分散在環(huán)氧樹脂中的復合體材料，然后切割成不同尺寸的復合介質平板；
5) 將上述復合介質平板放置到控溫裝置之中，通過調節(jié)溫度變化來調節(jié)介質顆粒的 介電常數(shù)，得到可調諧全介質多頻段各向同性零折射平板透鏡。
本發(fā)明具有以下優(yōu)點及突出性效果本發(fā)明利用介質顆粒的Mie各級諧振實現(xiàn)零介電常
和零磁導率，從而實現(xiàn)多頻段的零折射效應；并利用介電顆粒的介電常數(shù)對溫度的敏感響應 特性實現(xiàn)一種可調諧全介質多頻段各向同性零折射平板透鏡。該項發(fā)明具有重要的學術意義 和應用價值，為超材料賦予了智能特性，并將應用于改善天線和波源的方向性、相移器等電 磁波通訊領域。
圖1可調諧全介質多頻段各向同性零折射平板透鏡示意圖。
圖2由介質顆粒(介電常數(shù)為195，邊長為1.75mm，晶格常數(shù)為3.0mm)呈簡立方晶
格排列而成的零折射平板透鏡隨溫度可調諧的折射率色散曲線。
圖3當折射率為1時(頻率為11.85 GHz)平板透鏡中極子天線的輻射方向圖。
圖4當折射率為0時(有效磁導率為零，頻率為10.82 GHz)平板透鏡中極子天線的輻
射方向圖。
圖5當折射率為0時(有效介電常數(shù)為零，頻率為14.34 GHz，介電常數(shù)為零)平板透 鏡中極子天線的輻射方向圖。
圖中l(wèi)一介質顆粒；2 —環(huán)氧樹脂基體；3 —放置天線的孔；4 —溫控裝置；5 —極子天線；
6 —出射平面電磁波。
具體實施例方式
圖1為木發(fā)明提供的可調諧全介質多頻段各向同性零折射平板透鏡的結構示意圖，所述
4透鏡由全介質復合材料平板以及溫控裝置組成，所述全介質復合材料平板是由一種非金屬、 非磁性的介質顆粒1周期性排列或隨機排列成陣列并固化在另一種環(huán)氧樹脂基體2中而形成 的，所述環(huán)氧樹脂2的介電常數(shù)遠小于所述非金屬、非磁性的介質顆粒的介電常數(shù)；所述各 向同性零折射平板透鏡利用介電顆粒的電諧振和磁諧振分別實現(xiàn)零介電常數(shù)和零磁導率，從 而實現(xiàn)零折射；并利用介質顆粒介電常數(shù)對溫度的敏感響應特性來實現(xiàn)溫度可調控零折射效 應。介電顆粒1可以由室溫25'C時微波介電常數(shù)在195 750范圍內的鐵電材料組成，如 BaxSri.xTi03、 BaTi03、 Pb^r^TiC^等。本發(fā)明所述透鏡的介質顆粒為介電顆粒且在室溫25°C 時的微波介電常數(shù)為195 750。所述介質顆粒呈簡立方晶格排列或隨機均勻分布且顆粒的體 積分數(shù)為5 % 30 %;所述的介質顆粒為邊長0.5 3.0mm的立方塊或直徑為0.5 3.0mm的 球。
本發(fā)明的工作機理如下-
本發(fā)明是一種可調諧全介質多頻段各向同性零折射平板透鏡，其核心首先是利用介質顆 粒的不同級次的電磁諧振來實現(xiàn)不同頻段的各向同性零介電常數(shù)和零磁導率，其次是利用介 質顆粒介電常數(shù)隨溫度的變化特性實現(xiàn)零折射頻段的溫度可調控性。
眾所周知，折射率n是介電常數(shù)S和磁導率n的函數(shù)，即"(")=^^( ) 當介電常 數(shù)和磁導率至少有一個為零時，就會出現(xiàn)折射率等于零。這里，利用高介電常數(shù)介質顆粒的 電磁散射特性以及有效媒質理論，通過選擇適當?shù)慕橘|顆粒材料(顆粒的大小、介電常數(shù)等) 就能夠使得平板透鏡的有效磁導率或有效介電常數(shù)在某一頻段為零，從而實現(xiàn)了一種僅由非 金屬、非磁性的全介質顆粒單元組成的零折射率平板透鏡。
介質顆粒的介電常數(shù)隨外加電場、溫度、應力等的變化而變化，從而可通過改變溫度來 調節(jié)其介電特性，進而實現(xiàn)其有效磁導率或有效介電常數(shù)的溫度可調控特性。
首先制備介質顆粒。將介質粉體(Bao.5Sro.5Ti03粉體與MgO粉體的混合物)與一定量的 酒精混合并放入球磨罐中進行球磨24小時，然后在烘箱里60°C烘干酒精得到混合均勻的介 質粉體；將介質粉體與一定量的聚乙烯醇樹脂均勻混合造粒并利用等靜壓成型技術壓制成柱 狀毛胚體；將毛胚體在電爐中300 60(TC進行排膠，然后再在1300 150(TC溫度條件下進 行3 6小時的燒結得到致密的柱狀陶瓷塊；利用激光陶瓷微加工技術將陶瓷柱切割成邊長為 0.5 3.0 mm的介質立方塊1或將立方塊磨制成直徑為0.5 3.0mm的介質球1。
然后將介質顆粒呈簡立方晶格排列或隨機均勻分布排列并利用環(huán)氧樹脂2進行固化得到 介質顆粒分散在環(huán)氧樹脂中的復合體材料，然后切割成不同尺寸的復合介質平板；最后，將 上述介質平板放置到控溫裝置4之中，通過調節(jié)溫度變化來調節(jié)介質顆粒的介電常數(shù)，得到 可調諧全介質多頻段各向同性零折射平板透鏡。通過調節(jié)控溫裝置實現(xiàn)溫度變化從而調節(jié)介 質顆粒的介電常數(shù)，實現(xiàn)溫度可調諧全介質多頻段各向同性零折射平板透鏡。極子天線5所 發(fā)電磁波經(jīng)零折射平板透鏡后得到了出射平面電磁波6。本發(fā)明的實現(xiàn)過程和材料的性能由實施例和
實施例l:
將質量比為20:3的Bao.5Sra5Ti03與MgO粉體與一定量的酒精混合并放入球磨罐中進 行球磨24小時，然后在烘箱里60°C烘干酒精得到混合均勻的介質粉體；將介質粉體與5wt% 的聚乙烯醇樹脂均勻混合造粒并利用等靜壓成型技術壓制成柱狀毛胚體；將毛胚體在電爐中 300 60(TC進行排膠，然后再在140(TC溫度條件下燒結3小時得到致密的柱狀陶瓷塊利用 激光陶瓷微加工技術將陶瓷柱切割成邊長為1.75 mm的介質立方塊1，其室溫25。C時的微波 介電常數(shù)為195。
將介質立方塊排列成晶格常數(shù)為3.0 mm的簡立方晶格，體積分數(shù)為30%，并利用環(huán)氧 樹脂2對周期性晶格結構進行固化得到介質顆粒分散在環(huán)氧樹脂中的復合體材料(介質立方 塊的體積分數(shù)為20%)，然后將復合材料切割成邊長為40mmX20mmX10mm的平板透鏡； 利用臺鉆在平板透鏡的中心打一個直徑為3.0mm的通孔3，并在孔內置入一個單極子天線5; 最后，將上述介質平板放置到控溫裝置4之中，得到可調諧全介質多頻段各向同性零折射平 板透鏡。
由圖2為平板透鏡的折射率色散曲線隨溫度的可調諧特性。由圖可見，該平板透鏡能夠 具有兩個零折射頻帶，并且零折射頻帶能夠隨溫度的升高向高頻移動。這是由于介電顆粒的 電磁諧振頻率隨介電常數(shù)的增加而減小，同時介電顆粒的介電常數(shù)隨溫度增加而減小，因而 零折射頻率隨溫度的升高而向高頻移動。
為了驗證該平板透鏡的零折射效應，在平板透鏡中置入了單極子天線5，單極子天線所 發(fā)射電磁波6的方向圖如圖3、 4、 5所示。由圖3可見，在f二11.85GHz時，其折射率為1， 出射電磁波的方向性很差，沒有實現(xiàn)對極子天線方向性的改善。由圖4可見，在f:10.82GHz 時，磁導率為零，折射率近似為零，出射電磁波的方向性很好，實現(xiàn)極子天線近似平面波的 出射，很好的改善了天線的方向性。由圖5可見，在f^l4，34GHz時，介電常數(shù)為零，折射 率近似為零，出射電磁波的方向性很好，實現(xiàn)極子天線近似平面波的出射，很好的改善了天 線的方向性。當溫度變化時，相應的零折射頻段也會變化。因而，實現(xiàn)了頻率可調諧全介質 多頻段各向同性零折射平板透鏡。 實施例2:
同實施例一，將質量比為9:1的800.531().51103與MgO粉體球磨并利用等靜壓成型技術壓 制成柱狀毛胚體；將毛胚體在電爐中排膠并140(TC燒結到致密的柱狀陶瓷塊；利用激光陶瓷 微加工技術將陶瓷柱切割成邊長為0.5 mm的介質立方塊1，其室溫25'C時的微波介電常數(shù)為 350。
將介質立方塊排列成晶格常數(shù)為l.Omm的簡立方晶格，體積分數(shù)為12.5%，并利用環(huán)氧 樹脂2對周期性晶格結構進行固化得到介質顆粒分散在環(huán)氧樹脂中的復合體材料，然后將復
6合材料切割成平板形狀；利用臺鉆在平板透鏡的中心打一個直徑為3.0mm的通孔3，并在孔 內處置入一個單極子天線5;最后，將上述介質平板放置到控溫裝置4之中，得到可調諧全 介質多頻段各向同性零折射平板透鏡。 實施例3:
同實施例一，將PbxSn-JK)3粉體球磨并利用等靜壓成型技術壓制成柱狀毛胚體；將毛胚 體在電爐中排膠并130(TC燒結到致密的柱狀陶瓷塊；利用激光陶瓷微加工技術將陶瓷柱切割 成邊長為3.0mm的介質立方塊l，其室溫25'C時的微波介電常數(shù)為450。
將介質立方塊排列成晶格常數(shù)為8.0mm的簡立方晶格，體積分數(shù)為5%，并利用環(huán)氧樹 脂2對周期性晶格結構進行固化得到介質顆粒分散在環(huán)氧樹脂中的復合體材料，然后將復合 材料切割成平板形狀；利用臺鉆在平板透鏡的中心打一個直徑為3.0mm的通孔3，并在孔內 處置入一個單極子天線5;最后，將上述介質平板放置到控溫裝置4之中，得到可調諧全介 質多頻段各向同性零折射平板透鏡。 實施例4:
同實施例一，將質量比為100:3的Bao.5Sro.5Ti03與MgO粉體球磨并利用等靜壓成型技術 壓制成柱狀毛胚體；將毛胚體在電爐中排膠并150(TC燒結到致密的柱狀陶瓷塊；利用激光陶 瓷微加工技術將陶瓷柱切割成邊長為3.0 mm的介質立方塊，然后將其球磨成直徑為1.0 mm 的介質球l，其室溫25'C時的微波介電常數(shù)為750。
將介質球1以5%的體積分數(shù)隨機均勻分散到環(huán)氧樹脂2中并固化得到介質顆粒分散在 環(huán)氧樹脂中的復合體材料，然后將復合材料切割成平板形狀；最后，將上述介質平板放置到 控溫裝置4之中，得到可調諧全介質多頻段各向同性零折射平板透鏡。 實施例5:
同實施例一，利用等靜壓成型技術將BaTi03粉體壓制成柱狀毛胚體；將毛胚體在電爐中 排膠并130(TC燒結到致密的柱狀陶瓷塊;利用激光陶瓷微加工技術將陶瓷柱切割成邊長為2.0 mm的介質立方塊，然后將其球磨成直徑為0.5mm的介質球l，其室溫25°C時的微波介電常 數(shù)為200。
將介質球1以30%的體積分數(shù)隨機均勻分散到環(huán)氧樹脂2中并固化得到介質顆粒分散在 環(huán)氧樹脂中的復合體材料，然后將復合材料切割成平板形狀；最后，將上述介質平板放置到 控溫裝置4之中，得到可調諧全介質多頻段各向同性零折射平板透鏡。
權利要求
1. 一種可調諧全介質多頻段各向同性零折射平板透鏡，其特征在于所述透鏡由全介質復合材料平板以及溫控裝置組成，所述全介質復合材料平板是由一種非金屬、非磁性的介質顆粒周期性排列或隨機排列成陣列并固化在另一種環(huán)氧樹脂基體中而形成的，所述環(huán)氧樹脂的介電常數(shù)小于所述非金屬、非磁性的介質顆粒的介電常數(shù)；所述各向同性零折射平板透鏡利用介電顆粒的電諧振和磁諧振分別實現(xiàn)零介電常數(shù)和零磁導率，從而實現(xiàn)零折射；并利用介質顆粒介電常數(shù)對溫度的敏感響應特性來實現(xiàn)溫度可調控零折射效應。
2. 按照權利要求l所述的可調諧全介質多頻段各向同性零折射平板透鏡，其特征在于 介質顆粒為介電顆粒且在室溫25'C時的微波介電常數(shù)為195 750。
3. 按照權利要求l所述的可調諧全介質多頻段各向同性零折射平板透鏡，其特征在于 所述介質顆粒呈簡立方晶格排列或隨機均勻分布且顆粒的體積分數(shù)為5 % 30 %。
4. 按照權利要求l所述的可調諧全介質多頻段各向同性零折射平板透鏡，其特征在于 所述的介質顆粒為邊長0.5 3.0mm的立方塊或直徑為0.5 3.0mm的球。
5. —種可調諧全介質多頻段各向同性零折射平板透鏡的制備方法，其特征在于該方法包 括如下步驟.-1) 利用等靜壓成型技術，將介質粉體壓制成柱狀毛胚體；2) 將柱狀胚體在電爐中300'C 60(TC進行排膠，然后再在1300'C 150(TC溫度條 件下進行3小時 6小時的燒結得到致密的柱狀陶瓷塊；3) 利用激光陶瓷微加工技術將柱狀陶瓷塊切割成邊長為0.5mm 3.0mm的介質立方 塊，或者將介質立方塊磨制成直徑為0.5mm 3.0mm的介質球；4) 將介質顆粒呈簡立方晶格排列或隨機均勻分布排列并利用環(huán)氧樹脂進行固化得到 介質顆粒分散在環(huán)氧樹脂中的復合體材料，然后切割成不同尺寸的復合介質平板；5) 將上述復合介質平板放置到控溫裝置之中，通過調節(jié)溫度變化來調節(jié)介質顆粒的 介電常數(shù)，得到可調諧全介質多頻段各向同性零折射平板透鏡。
全文摘要
可調諧全介質多頻段各向同性零折射平板透鏡及其制備方法，該透鏡由一種非金屬、非磁性的介質顆粒周期性排列或隨機排列成陣列并固化在另一種遠小于其介電常數(shù)的環(huán)氧樹脂基體中而形成的全介質復合材料平板以及溫控裝置組成。該透鏡能同時實現(xiàn)在某頻段有效介電常數(shù)為零，而在某頻段有效磁導率為零，從而實現(xiàn)了零折射效應，并且具有各向同性的電磁響應特性。利用顆粒介電常數(shù)對溫度的敏感響應特性來實現(xiàn)溫度可調控零折射效應。該透鏡能使位于其中的電磁波源在界面處發(fā)生零折射，從而使得出射電磁波變?yōu)槠叫泄?，改善了光源的方向性，能夠廣泛的應用于電磁波通訊領域。
文檔編號H01P3/00GK101459270SQ20081023981
公開日2009年6月17日 申請日期2008年12月12日 優(yōu)先權日2008年12月12日
發(fā)明者孟永鋼, 乾 趙 申請人:清華大學