一种基于隧道二极管的增益负折射率材料的制作方法

本发明属于微波增益媒质研究领域，具体涉及一种基于隧道二极管的增益负折射率材料。

背景技术：

人工电磁媒质由于其超自然的电磁特性，如亚波长成像和隐身斗篷，引起了人们的极大兴趣。尽管人工电磁媒质在原理上可以用于负折射、完美成像、电磁隐身等新奇应用，但其内禀的色散损耗以及其固有的共振特性，使得上述应用不能得到有效的工程实现。

为了克服这个障碍，研究者对增益补偿人工媒质进行了广泛的研究。其中，m.i.stockma等人基于因果律，理论分析了采用有源方法实现增益人工媒质的可能性，并对能否实现完全的损耗补偿和过补偿表示悲观。随后，有研究者指出，传统的kramers-kronig关系对于有源媒质并不能直接适用，有源媒质色散在理论上可以符合因果律。其后的理论及实验研究证实了增益人工媒质的可实现性。

近年来，损耗补偿人工电磁媒质的理论理解和物理实现的进展有望克服这一障碍，从微波到光学范围。在光学中，基本方法是将增益介质纳入纳米等离子体结构，以实现无损耗或增益增强的光学超材料，主要基于掺杂晶体、半导体、染料和气体。

在光学领域，s.xiao等人在光学fish-net单元中引入了光学增益媒质(gainmedium)，在单一频点上实现了无损耗的负折射率媒质。同样有仿真结果表明，利用外加增益媒质的方法，也可以实现带有增益的光学负折射率媒质。在微波领域，y.yuan等人通过在人工谐振单元中引入放大器，实现了等效磁导率的实部和虚部均为负值的人工媒质。2011年，t.jiang等人在微带传输线结构中引入隧道二极管(tunneldiode)，实现了带有增益和负相位传输的复合左右手传输线。但迄今为止，尚未有综合了光学增益媒质和负折射率人工媒质特征的微波频段有源媒质的报道。

技术实现要素：

为了解决背景技术中存在的问题，本发明提供了一种基于隧道二极管的增益负折射率材料，设计、制作和实验测量了内嵌td261隧道二极管、同时呈现负折射率和增益特性的人工微波媒质样品。本发明从电磁波能量守恒的内在因果性出发，系统研究了在传统人工媒质单元中引入微波负阻器件，得到可以同时调控其等效本构参数实部和虚部的人工微波增益媒质的方法，实验得到了同时具有增益和负折射率的人工微波媒质。

本发明采用的技术方案如下：

本发明所述增益负折射率材料的基本单元包括金属结构、隧道二极管和电介质基板，电介质基板为长方体结构，金属结构包括电谐振单元和磁谐振单元，电谐振单元为亚波长金属铜柱，铺设于电介质基板背面中间位置，电谐振单元的上下端口与电介质基板上下边界平齐；磁谐振单元为方形开口谐振环srr，平铺于电介质基板正面，开口谐振环为同心内外双环结构，内环下边界、外环上边界的中间位置均设有开口；内环上边界中间位置即内环开口方向相对位置处开有缝隙，缝隙之间焊接有隧道二极管。

所述电介质基板为rogers介质基板。

所述隧道二极管为td261系列隧道二极管。

所述基本单元在电磁波入射时被电场和磁场激发产生电谐振和磁谐振。

所述谐振频率通过改变开口谐振环内环、外环宽度以及内环与外环之间的间隙宽度调节。

所述电谐振单元的方向与工作时入射电磁波的电场极化方向相同。

所述磁谐振单元的方向与工作时入射电磁波的磁场极化方向相互垂直。

所述基本单元在三维空间中沿竖直方向或水平方向紧密排列成不同形状的结构。

本发明的有益效果是：

1)本发明为结合了亚波长电谐振和磁谐振结构的单层人工媒质单元；加工方便，通过设计单层结构，每个单元仅需要焊接一个隧道二极管，并易于加载直流电压偏置。

2)本发明经过实例仿真验证，在工作频率上很好的实现了增益负折射率的效果。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图，1(a)为实施例正面结构示意图，1(b)为实施例背面结构示意图。

图2是本发明实施例使用的td261隧道二极管i-v曲线图。

图3是本发明实施例仿真反算得到的等效介电常数和磁导率图。

图4是本发明实施例仿真反算得到的等效折射率图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步阐述。

如图1所示，本发明提供了一种基于隧道二极管的增益负折射率材料，设计、制作和实验测量了内嵌td261隧道二极管、同时呈现负折射率和增益特性的人工微波媒质样品。样品结合了亚波长电谐振和磁谐振偶极子结构的单层人工媒质单元。通过设计单层结构，每个基本单元仅需要焊接一个隧道二极管，并易于加载直流电压偏置。基本单元结构由嵌入了隧道二极管的亚波长金属柱电谐振单元和谐振环单元铺在一定厚度的介质基板上构成。

本发明的原理如下：

人工媒质的等效本构参数中εeff和μeff必须满足：

才能够实现增益，其中εeff和μeff分别为媒质的复介电常数和复磁导率，εeff＝εeff′+iεeff″,μeff＝μeff′+iμeff″。当人工媒质中存在受控电流源时，若受控源提供的能量可以完全抵消传导热能损耗、甚至提供额外增益时，人工媒质将过步长入射电磁波的所有损耗。在过补偿的条件下，人工媒质成为增益媒质。同样原理，受外磁场控制的受控磁流源也可以用于补偿和过补偿人工媒质的损耗。

根据以上讨论，为了实现符合因果律的增益人工媒质，需要在无源人工媒质的亚波长谐振单元中引入等效负电导(或负电阻)器件，并使得该器件的频率色散满足因果性，比如在全频率范围内满足线性时不变条件。本发明在传统人工媒质构成单元中引入具有微分负阻特性的微波隧道二极管(tunneldiode)，用以实现微波频段的增益人工媒质。

隧道二极管是工作于量子隧道效应的半导体微波器件。本发明选用具有电压控制型i-v特性的generalelectric公司的td261型隧道二极管作为嵌入人工媒质单元的负阻抗器件，用以控制人工媒质本构参数虚部的色散。td261隧道二极管的i-v曲线及等效电路如图2所示，它的电压-电流特性曲线中有一个电流随正向电压增加而减小的区域，具有负的曲线斜率，称为二极管可以提供增益的ndr区域。在该区域中，隧道二极管可以使用图2中所示的等效电路来描述。td261系列隧道二极管工作频率最高可达20ghz，可以满足微波频段有源人工媒质的设计需要。

本发明是在srr谐振环中嵌入隧道二极管来得到等效磁导率的有效均匀空间分布，从而实现增益。我们推导了嵌入隧道二极管的srr谐振环的等效磁导率，得到如下公式：

μeff＝1+μc+μs，

上式中，μc对应无源谐振结构产生的磁极化响应，其实部呈现传统lorentz色散，虚部的符号由无源电阻r1决定，因此恒为正值；μs对应等效负阻主导产生的磁极化响应，是虚部恒为负值的纯虚数。根据上式，通过改变-rd的大小，即可以部分、全部或过补偿由于无源电阻r1引起的传导损耗。rd越大，对虚部的补偿越大，直至发生过补偿，产生增益。所以通过控制td261的偏置电压，既可以获得具有增益的等效负折射率人工媒质；ω为谐振频率，f表示占空比，即开口谐振环的实际面积和开口谐振环单元总面积的比值(开口谐振环单元总面积为外环所包含的面积，开口谐振环的实际面积为黑色填充区域)。

本发明的实施例如下：

如图1所示，基本单元由亚波长电谐振单元、传统的srr谐振环单元、介质基板和嵌在srr谐振环内环缝隙的隧道二极管组成，电谐振单元和磁谐振单元分别铺在介质基板的两面。其中，如图1(a)所示，亚波长电谐振单元为厚度0.035mm、线宽a＝2mm的铜箔，铺设于介质基板背面。如图1(b)所示，传统的srr谐振环单元铺设于介质基板正面，传统的srr谐振环单元为厚度0.035mm、边长b＝16mm、线宽c＝1.32mm、环与环之间缝隙均为1.32mm的铜箔，内环上边界缝隙处焊接有td261隧道二极管，内环与外环的开口距离为c＝1.32mm。介质基板为长d＝20mm、宽e＝20mm、高f＝1.27mm、相对介电常数为6.15、损耗角正切为0.0027的rogers基板。仿真中，td261的寄生参数r1＝7ω，-rd＝-250ω，l＝1.5nh，c＝0.65pf。尽管td261可以工作在20ghz以上的高频，本发明选择2ghz频段附近，以降低td261的寄生参数的影响。在此频段，人工谐振单元的尺度小于工作波长的1/5，符合等效媒质理论的要求。将上述单元在三维空间沿x、y和z方向周期性紧密排列，即可以得到需要的人工媒质样品。当电场沿z方向极化、磁场沿y方向极化的平面波由x方向入射时，单元中将同时感应产生电谐振和磁谐振，其谐振频率可以通过改变srr谐振环单元的缝隙宽度和环的宽度调节。

本发明实施例中开口谐振环的内环与外环之间的间隙距离均相同，内环与外环的开口距离与内环与外环之间的间隙距离相等，根据所需频率可对开口谐振环的内环与外环之间的间隙距离、内环与外环的开口距离以及内环、外环的宽度进行调节。

图3给出了从仿真所得s参数反演得到的加载td261后人工媒质的等效介电常数和磁导率。从图中可以看出有效介电常数和磁导率的实部在2.02和2.13ghz之间都是负值。同时，磁导率的虚部总是负的，而介电常数的虚部总是正的。μeff″/μeff的绝对值大于εeff″/εeff，表示隧道二极管提供的功率足够大，足以过度补偿材料损耗所消耗的功率，整个结构呈现净增益。

图4显示了从仿真所得s参数反演得到的加载td261后人工媒质的等效折射率，从图中可以看到，在2.0ghz附近，等效折射率系数的实部满足是负数，且此时等效折射率系数的虚部也是个很小的负数，此时该介质不仅对应有负折射现象，且电磁波在里面传输时不仅不会损耗能量，而且经过这个介质后能量越来越强。

本实例的工作频段为2ghz附近的一个窄频带，如果要工作在其他频率，只需要调整开口谐振环的宽度或者谐振环本身缝隙以及环与环之间的缝隙大小即可。(本实例各个缝的大小均为c，实际不需要完全保持相同大小，根据所需可任意调整)。

需要注意的是本实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明后，相关领域的技术人员对本发明所做的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求限定的范围。