专利名称：基于亚铁磁体的可调谐三频负磁导率超材料及制备方法
技术领域：
本发明涉及一种基于亚铁磁体的可调谐三频负磁导率超材料及制备方法，属于微波电磁材料领域。
背景技术：
2000年，D. R. Smith等人基于J. B. Pendry提出的构造负介电常数材料、单负磁导率材料的思想，首次人工合成出在X波段等效介电常数和等效磁导率同时为负的负折射率微波材料，实现了 1976年前苏联科学家V. G. Veselago所预言的理想负折射率材料。负折射率材料已成为当今物理学、材料学、电磁学、光学等领域及交叉学科的重点研究对象，具有广泛的应用前景和重要的科学意义。通常实现负折射率材料的方法均是由单负介电常数材料和单负磁导率材料合成。由周期排列的金属线阵列很容易实现宽频带单负介电常数，而实现宽频的单负磁导率材料成为制约负折射率材料的关键性技术问题。·负磁导率材料是一种自然界中不存在的人工复合结构材料，通过调节其结构单元的几何形状和空间图案分布，即可得到磁导率小于零的材料。负磁导率材料同负介电常数材料复合在一起即可制得一种新颖的材料一左手材料。在该材料中，电磁波的相速度和群速度方向相反，从而呈现出许多新颖的光学特性，如反常Doppler效应、反常Cherenkov效应、完美透镜效应、负折射效应等。因而在无线电通信、超敏感传感器、医学诊断成像等领域有重要的应用价值。目前实现宽频负磁导率材料的方法主要有双频、三频、多频等技术；以及基于铁电、铁磁、液晶等材料，通过外加电场、磁场、温度控制等技术以实现可调谐的方法。然而，要进一步地实现宽频智能控制，以应用于各种不同的应用场合，急需设计出一种宽频或多频的具有可调谐性能的负折射率材料，其中最为关键的技术即为实现宽频或多频的具有智能可调谐的单负磁导率超材料。CN 1670602A涉及一种层状微波负磁导率材料，特别涉及一种透射强度可调谐的层状微波负磁导率材料。与以往材料相比，本发明负磁导率材料的结构单元为金属六边形开口谐振环；由内外环几何尺寸可以调控结构单元的谐振频率和谐振强度；通过调节组成结构单元的几何尺寸及晶格常数，即引入缺陷谐振环和不同的电磁相互耦合作用可以制得可调谐层状微波负磁导率材料。所制备材料的微波透射测试表明，其谐振频率在820(T8400MHz频段内可调控，谐振强度可在-31 _7dB范围内变化。本发明基于亚铁磁体的智能可调谐特性，以及可简单实现双频负磁导率的单环结构，提出一种三频智能可调谐的单负磁导率超材料及其制备方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于亚铁磁体的可调谐三频负磁导率超材料及制备方法，所述负磁导率超材料的工作频率宽、性能稳定；所述制备方法简单易行。本发明所述的基于亚铁磁体的可调谐三频负磁导率超材料，由亚铁磁体与印制有一种单环双磁谐振结构的印制电路板层叠而成。具体实现方法是由印制有单环双磁谐振结构单元阵列的印制电路板实现两个负磁导率频段，由亚铁磁体在外加直流磁场控制下实现另一负磁导率频段；通过改变外加直流磁场强度，同时智能控制三个负磁导率频段。为达此目的，本发明采用以下技术方案一种基于亚铁磁体的可调谐三频负磁导率超材料，该材料由金属单环双磁谐振环结构、陶瓷基碳氢化合物合成基板以及亚铁磁体层叠构成。所述的金属单环双磁谐振环结构刻蚀于陶瓷基碳氢化合物合成基板上。在所述陶瓷基碳氢化合物合成基板上刻蚀的金属单环双磁谐振环结构具有两个负磁导率频段，所述亚铁磁体在外加直流磁场条件下具有另一负磁导率频段，所述陶瓷基碳氢化合物合成基板减小金属谐振环与亚铁磁体之间的相互耦合关系，所述负磁导率超材料在外加磁场变化下三个频段均可智能控制调谐。
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本发明所述陶瓷基碳氢化合物合成基板材料选用介电损耗角正切值小于0. 02的陶瓷基碳氢化合物合成基板。进一步地，所述基板厚度为0. 250. 762mm。在所述金属单环双磁谐振环结构的金属线厚度为0. 018 0. 035mm,宽度为0. 1^0. 3mm ;进一步地，金属线间的间距为0. ro. 3mm，缝隙宽度为0. I 0. 3mm ；更进一步地，所述金属单环双磁谐振环结构单元尺寸为3. 4飞mm，周期间隔为4 6mmo所述亚铁磁体选用损耗角正切值小于0. 005的微波石榴石铁氧体，优选其厚度为
0.5 2mm。本发明还提供了一种基于亚铁磁体的可调谐三频负磁导率超材料的制备方法，包括以下步骤I)在陶瓷基碳氢化合物合成基板上刻蚀出单环双磁谐振环结构阵列，制成印刷电路板；2)制备微波石榴石铁氧体类亚铁磁体基片；3)由步骤I)所述的印制电路板、步骤2)所述的亚铁磁体基片层叠放置并粘在一起，得到一种基于亚铁磁体的可调谐二频负磁导率超材料。一种基于亚铁磁体的可调谐三频负磁导率超材料的制备方法，具体包括以下步骤I)采用电路板刻蚀技术，在陶瓷基碳氢化合物合成基板(2)上刻蚀出单元尺寸为3. 4 5mm,周期间隔为4 6mm的单环双磁谐振环结构阵列，制成印刷电路板；2)制备厚度为0. 5^2mm的微波石榴石铁氧体类亚铁磁体基片；3)由步骤I)所述的刻蚀有谐振环阵列的印制电路板、步骤2)所述的亚铁磁体基片层叠放置并粘在一起，得到一种基于亚铁磁体的可调谐三频负磁导率超材料。采用磁场强度可调的磁场发生器以产生HkOe的直流磁场，作用于本发明基于亚铁磁体的可调谐三频负磁导率超材料，智能控制三个负磁导率工作频段。与已有技术方案相比，本发明具有以下有益效果本发明通过对单环双磁谐振环加载亚铁磁体，可简单实现三频负磁导率电磁超材料，并且该三个负磁导率工作频段能随外加直流磁场改变而产生频移，拓宽了三频负磁导率的工作频带。本发明所构造的三频负磁导率超材料具有智能特性，能用于可调谐三频负折射率超材料、可调谐三频带通/带阻滤波器、可调谐三频电磁隐形材料和吸波材料等领域。
图I :基于亚铁磁体的单环双磁谐振结构可调谐三频负磁导率超材料单元示意图，图中1为金属单环双磁谐振结构，2为陶瓷基碳氢化合物合成基板，3为亚铁磁体。图2 :本发明实施例亚铁磁体在不同外加磁场大小下的等效磁导率随频率变化的曲线图。图3 : (a)本发明实施例金属单环双磁谐振结构的S-参数随频率变化曲线图；(b)本发明实施例超材料的S-参数随频率变化曲线图。
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图4 :(a)本发明实施例基于亚铁磁体的三频负磁导率超材料的等效介电常数；(b)本发明实施例超材料的等效磁导率。图5 :本发明实施例超材料在不同外加直流磁场强度下的S-参数随频率变化曲线图。图6 :本发明实施例超材料的等效磁导率在不同外加直流磁场强度下的变化特性。下面对本发明进一步详细说明。但下述的实例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的权利范围以权利要求书为准。
具体实施例方式为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，本发明的典型但非限制性的实施例如下首先，采用电路板刻蚀技术，在介电损耗较小的陶瓷基碳氢化合物合成基板上刻蚀出金属单环双磁谐振结构，金属线厚度为0. 018 0. 035mm,宽度为0. I 0. 3mm,金属线间的间距为0. ro. 3mm,缝隙宽度为0. 1 0. 3mm,整个磁谐振单元结构3. 4 5mm，周期间隔4^6mm ;其次，制备出厚度为0. 5^2mm的微波石榴石铁氧体类亚铁磁体基片；最后，将刻蚀有谐振环阵列的印制电路板以及微波石榴石铁氧体类亚铁磁体基片层叠放置并粘在一起，以构造出三频负磁导率电磁超材料，采用磁场强度可调的磁场发生器以产生HkOe的直流磁场，智能控制三个负磁导率工作频段。本发明的实施过程和材料的特性由实施例和附图进行说明选用Trans-Tech有限公司的商用微波石榴石铁氧体类G-4256系列亚铁磁体基片，其具体参数为饱和磁化强度4jiMS=1600Gs，铁磁共振线宽AH=840e，介电常数e r=15. 1，以及损耗角正切tan 6 =0. 0002。亚铁磁体厚度为0. 5mm，外加直流磁场沿如图I
所示z方向作用于该亚铁磁体，当入射电磁波沿y方向入射时(如图I所示)，亚铁磁体的等效磁导率理论表达式为U eff= (u 2-k 2)/u , u =1+OmO0/( O02-o2), K = omo / ( o 02- o2) (I)其中Oci=YHci为铁磁共振频率，Y是旋磁比，《m=4Ji YMs是亚铁磁体的特征频率，H0为外加直流磁场偏置。应用G-4256系列亚铁磁体的参数以及公式(I)，计算得出其等效磁导率随频率变化的曲线图如图2所示。图2为亚铁磁体在外加直流磁场强度为
I.2kOe到I. 6kOe范围内的等效磁导率随频率变化的曲线图，由此图可知，当外加直流磁场增加时，亚铁磁体的铁磁共振频率随之增加，因此负磁导率频段也随之增加，具有可调谐的特性。将如图I所示的三频负磁导率超材料单元结构置于波导中，波导沿z方向设置为电壁，沿X方向设置为磁壁，沿y方向为入射电磁波的传播方向。金属单环双磁谐振结构的尺寸设置为金属线厚度0. 018mm,线宽c=0. 1mm,线间距离b=0. 1mm,缝隙e=0. 3mm,单元尺寸a=3. 4mm,周期间隔d = 4mm,合成基板厚度tfO. 5mm。合成基板采用罗杰斯公司TMM4系列板材，介电常数e r=4. 5,介电损耗角正切tan S =0. 002。采用Ansoft公司电磁仿真器HFSS13. 0仿真得出本发明的三频负磁导率传输特性如图3所示。图3(a)所示为将亚铁磁体材料更换为一种介电常数为15. I的假象介质，以得出单独金属单环双磁谐振结构的两个共振频率；图3(b)为整个三频负磁导率结构在外加直流磁场为I. 4k0e时的传输特性。由图3(a)可知，单环双磁谐振结构具有三个共振点7. 5GHz,8. 7GHz，10. 2GHz ;前两个点为磁谐振点，后一个点为电谐振点；前两个点共振强度明显强于后一个点的共振强度。由图·3(b)可知，当增加亚铁磁体并外加1.4k0e的直流磁场时，整个三频负磁导率超材料增加了一个共振点5. 7GHz,由此可推断该共振点即为亚铁磁体的铁磁共振频率点。图4为由反演算法提取出的三频负磁导率超材料的等效介电常数和等效磁导率随频率变化的曲线图。由图4可知，其等效磁导率显示出了三个典型的磁共振频点，分别位于5. 7GHz，7. 5GHz和8. 5GHz。因此三个负磁导率频段分别位于5. 7-5. 9GHz，7. 5-7. 7GHz和8. 5-9. OGHz0图4中位于10. 2GHz处出现了一个电共振频点，但未能实现负介电常数频段。图5为该三频负磁导率电磁超材料在不同外加直流磁场强度下的传输特性。由图可知，当外加直流磁场强度由I. 2k0e增加到I. 6k0e时，第一个传输禁带快速地由5. 2GHz增加到6. 3GHz，而后面两个传输频带增加较小。当进一步增加外加磁场强度时，后两个传输禁带将作较大频移。图6为反演算法提取出的等效磁导率在不同外加直流磁场强度下的变化特性。由图可知，当外加磁场增加时，三个负磁导率频段均发生了平移。上述实施例表明，通过对单环双磁谐振环加载亚铁磁体，可简单实现三频负磁导率电磁超材料，并且该三个负磁导率工作频段能随外加直流磁场改变而产生频移，拓宽了三频负磁导率的工作频带。申请人:声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细结构特征以及制备方法，但本发明并不局限于上述详细结构特征以及制备方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细结构特征以及制备方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用部件的等效替换以及辅助部件的增加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
权利要求
1.一种基于亚铁磁体的可调谐三频负磁导率超材料，其特征在于，该材料由金属单环双磁谐振环结构(I)、陶瓷基碳氢化合物合成基板(2)以及亚铁磁体(3)层叠构成。
2.如权利要求I所述的超材料，其特征在于，所述的金属单环双磁谐振环结构(I)刻蚀于陶瓷基碳氢化合物合成基板(2)上。
3.如权利要求I或2所述的超材料，其特征在于，在所述陶瓷基碳氢化合物合成基板(2)上刻蚀的金属单环双磁谐振环结构(I)具有两个负磁导率频段，所述亚铁磁体(3)在外加直流磁场条件下具有另一负磁导率频段，所述陶瓷基碳氢化合物合成基板(2)减小金属谐振环与亚铁磁体之间的相互耦合关系，所述负磁导率超材料在外加磁场变化下三个频段均可智能控制调谐。
4.如权利要求1-3之一所述的超材料，其特征在于，陶瓷基碳氢化合物合成基板(2)材料选用介电损耗角正切值小于O. 02的陶瓷基碳氢化合物合成基板； 优选地，所述基板厚度为O. 25Γ0. 762mm。
5.如权利要求4所述的超材料，其特征在于，在所述金属单环双磁谐振环结构(I)的金属线厚度为O. 018 O. 035mm,宽度为O. I O. 3mm ； 优选地，金属线间的间距为O. Γ0. 3_，缝隙宽度为O. Γ0. 3mm ； 优选地，所述金属单环双磁谐振环结构(I)单元尺寸为3. Γ5πιπι，周期间隔为Γ6πιπι。
6.如权利要求1-5之一所述的超材料，其特征在于，所述亚铁磁体(3)选用损耗角正切值小于O. 005的微波石榴石铁氧体；优选其厚度为O. 5 2_。
7.—种如权利要求1-6之一所述的基于亚铁磁体的可调谐三频负磁导率超材料的制备方法，包括以下步骤 1)在陶瓷基碳氢化合物合成基板(2)上刻蚀出单环双磁谐振环结构阵列，制成印刷电路板； 2)制备微波石榴石铁氧体类亚铁磁体基片； 3)由步骤I)所述的印制电路板、步骤2)所述的亚铁磁体基片层叠放置并粘在一起，得到一种基于亚铁磁体的可调谐三频负磁导率超材料。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，包括以下步骤 1)采用电路板刻蚀技术，在陶瓷基碳氢化合物合成基板(2)上刻蚀出单元尺寸为3.4 5mm,周期间隔为4飞mm的单环双磁谐振环结构阵列,制成印刷电路板； 2)制备厚度为O.5^2mm的微波石榴石铁氧体类亚铁磁体基片； 3)由步骤I)所述的刻蚀有谐振环阵列的印制电路板、步骤2)所述的亚铁磁体基片层叠放置并粘在一起，得到一种基于亚铁磁体的可调谐三频负磁导率超材料。
9.一种权利要求1-6之一所述的基于亚铁磁体的可调谐三频负磁导率超材料的用途，其特征在于，所述超材料可用于可调谐三频负折射率超材料、可调谐三频带通/带阻滤波器、可调谐三频电磁隐形材料和吸波材料等领域。
全文摘要
本发明涉及一种基于亚铁磁体的可调谐三频负磁导率超材料及制备方法，属于微波材料技术领域。所述材料由亚铁磁体与印制有一种金属单环双磁谐振结构的印制电路板层叠而成。具体实现方法是由印制有单环双磁谐振结构阵列的印制电路板实现两个负磁导率频段，由亚铁磁体在外加直流磁场控制下实现另一负磁导率频段；通过改变外加直流磁场强度，同时智能控制三个负磁导率频段。本发明所构造的三频负磁导率超材料具有智能特性，能用于可调谐三频负折射率超材料、可调谐三频带通/带阻滤波器、可调谐三频电磁隐形材料和吸波材料等领域。
文档编号H01Q15/00GK102790283SQ20121025885
公开日2012年11月21日 申请日期2012年7月24日 优先权日2012年7月24日
发明者文光俊, 钟靖平, 黄勇军 申请人:无锡成电科大科技发展有限公司, 电子科技大学