一种基于介质谐振器的超材料谐振子及其应用的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于介质谐振器的超材料谐振子及其应用。该超材料谐振子为由陶瓷颗粒构成。所述超材料谐振子的形状为立方体或球体。所述陶瓷颗粒为钛酸钙颗粒或钛酸锶颗粒。所述陶瓷颗粒的粒径为1μm-2μm，介电常数为1-10000，介电损耗角正切低于0.1。本发明通过超材料谐振子的引入，实现了各种微波器件(如滤波器、耦合器、多工器等)的小型化和集成化，同时也提高了微波器件的传输效率。
【专利说明】一种基于介质谐振器的超材料谐振子及其应用
【技术领域】
[0001]本发明属于材料领域，涉及一种基于介质谐振器的超材料谐振子及其应用。
【背景技术】
[0002]微波器件的小型化和集成化是电子信息产业始终不断要追求的目标。诸如滤波器、耦合器和多工器等众多微波器件都具有电磁信号选择性传输并且要抑制带外信号通过等功能，这些微波器件都要用到的一个核心元件就是谐振器。目前使用的大多数谐振器都是由矩形或其他形状的金属空腔以及体积较大的圆柱形介质做成的，它们一般都占有较大的体积，在低频时更是如此。为了要实现很好的频率选择特性，抑制杂波信号的通过，一般要把若干个这样的谐振子组合起来使用。因此，由若干个这样的谐振器构成的各种微波器件必然要占据更大的体积，这就给微波器件的小型化、集成化带来很大的问题。
[0003]近十年以来，超材料的出现使各种微波器件的小型化和集成化显示出无限的美景。超材料是由人工电磁谐振单元结构周期性排列而成的，每个谐振单元对外界电磁场的响应可以表现为电谐振、磁谐振或电磁谐振，分别用以实现宏观的等效负介电常数和负磁导率。具有负介电常数和负磁导率的谐振子的周期性排列就可实现电磁波的左手传输特性，从而实现自然界的材料无法具有的许多奇异功能。由于超材料使用了较大的谐振单元(与原子分子相比)取代了晶体中的原子或分子，从而使工作频率从X射线一紫外一红外频段降到光波一微波频段。
[0004]但是，目前关于超材料的研宄大多集中在大量的人工电磁谐振子周期性排列的宏观效果上，对几个甚至是一个这样的超材料谐振子的研宄与应用还非常少。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种基于介质谐振器的超材料谐振子及其应用。
[0006]本发明提供的超材料谐振子，为由陶瓷颗粒构成的立方体。
[0007]上述超材料谐振子中，所述陶瓷颗粒为钛酸钙颗粒或钛酸锶颗粒。
[0008]所述陶瓷颗粒的粒径为I μπι-2μπι ;介电常数为1_10000，具体可为100或1600 ；介电损耗角正切低于0.1，具体为0.002或0.003。
[0009]所述立方体具体可为正方体或球体。所述正方体的边长具体可为0.5mm-10mm，更具体可为2_ ;所述球体的直径具体可为0.5mm-10mm，更具体可为2_。
[0010]本发明提供的制备所述超材料谐振子的方法，包括如下步骤:将所述陶瓷颗粒烧结后冷却至室温，得到所述超材料谐振子。
[0011]上述方法的烧结步骤中，温度为1400°C -1450°c。
[0012]对于超材料谐振子而言，谐振频率是一个非常重要的参数。由高介电常数低损耗的介质陶瓷构成的超材料谐振子，其谐振频率是由该材料的介电常数和谐振子的尺寸共同决定的。材料的介电常数越高，对应的谐振频率越低；超材料谐振子的尺寸越大，其对应的谐振频率也越低。所以，通过提高超材料谐振子所用材料的介电常数，就可大大缩小它本身的体积，这对于实现亚波长谐振和微波器件的小型化具有极大的优势。另一方面，为了使电磁能量更好地集中于谐振器内部而不被耗散掉，低损耗角正切的材料是十分必要的，这样就可实现超材料谐振子的高品质因数。
[0013]对于单个超材料谐振子而言，当外界电磁波的频率与该谐振子的谐振频率相等时，电磁波的能量主要集中在超材料谐振子内振荡而无法继续向前传播，由此便形成了一个“陷波点”。之后的电磁能量几乎全部被反射回去而不能透射。但是，如果在此传播方向上有若干个超材料谐振子，情况就大不一样。例如，当两个超材料谐振子依次放在波的传播方向时，两谐振子会根据它们之间距离的不同而分为过耦合、临界耦合和欠耦合三种情况。在临界耦合的情况下，电磁波完全能够被耦合到出射端，传输效率也非常高，在不计损耗的情况下可视为全透射。在欠耦合的情况下，谐振频率处依然有较高的传输效率，但与临界耦合相比时传输效率下降不少。在过耦合的情况下，最大传输效率的频率点要偏离谐振频率点。本发明的多个超材料谐振子之间的耦合可采用任意一种情况。
[0014]所述超材料谐振子的工作状态为电谐振、磁谐振或电磁谐振。
[0015]该超材料谐振子的工作状态有电谐振、磁谐振和电磁谐振三种状态，不同的谐振状态对应不同的谐振频率。在具体的实施过程中，可以选择超材料谐振子的任何一种谐振状态。介质谐振器的磁谐振对应的谐振频率最低，一般选取它为超材料谐振子的耦合谐振状态。
[0016]本发明提供的超材料电磁谐振子是一个很好的电磁谐振器；且与传统材料和传统方法构成的谐振子相比，这些人工设计的超材料谐振子具有品质因数高、亚波长谐振的特点，它们能把入射电磁波局限在一个非常小的范围内长时间高效地周期性振荡，因而在各种微波器件的小型化、集成化和传输效率等问题上可带来突破性的进展。
[0017]另外，含有上述超材料谐振子的微波器件及该超材料谐振子在制作微波器件中的应用，也属于本发明的保护范围。其中，所述微波器件中，超材料谐振子的个数至少为一个，具体可为两个；所述微波器件为滤波器、耦合器或多工器，更具体为微波带通滤波器或微波耦合器。其中，所述微波带通滤波器为由两个所述超材料谐振子通过磁谐振的工作状态以过耦合的方式耦合形成；所述微波耦合器为由两个所述超材料谐振子通过磁谐振的工作状态以临界耦合的方式耦合形成。
[0018]本发明采用高介电低损耗的介质陶瓷颗粒构成介质谐振器，从而实现超材料谐振子。本发明解决了用传统材料、传统方法制造的谐振器在各种微波器件中使用时尺寸大、集成度低等问题。这些超材料谐振子具有品质因数高、亚波长谐振的特点，它们能把入射电磁波局限在一个非常小的范围内长时间高效地周期性振荡，因而在各种微波器件的小型化、集成化和传输效率等问题上具有巨大的优势。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1为实施例1所得超材料谐振子通过磁谐振以过耦合方式形成的微波带通滤波器的示意图。
[0020]图2为实施例1中微波带通滤波器的仿真结果图。
[0021]图3为实施例2所得超材料谐振子通过磁谐振以临界耦合方式形成的微波耦合器的示意图。
[0022]图4为实施例2中微波耦合器的仿真结果图。
【具体实施方式】
[0023]下面结合具体实施例对本发明作进一步阐述，但本发明并不限于以下实施例。所述方法如无特别说明均为常规方法。所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径获得。
[0024]实施例1
[0025]将粒径为I μ---2 μπκ介电常数为110、介质损耗角正切为0.002的钛酸钙颗粒在1400°C烧结后，冷却至室温，切成长宽高均为2_的正方体，得到本发明提供的超材料谐振子。
[0026]对于此单个超材料谐振子而言，其磁谐振频率为11.7GHz。这意味着在此谐振频率及其附近，电磁波不能通过。
[0027]但若用该实施例所得两个完全相同的超材料谐振子以过耦合的方式耦合，且两谐振子之间的距离为0.5mm时，所形成的微波带通滤波器的示意图如图1所示。
[0028]从图2的仿真结果可以看出，在11.7GHz时出现一个明显的通带，传输系数达到_2dB。可见，与该微波带通滤波器的工作波长相比，该实施例所得超材料谐振子的尺寸满足亚波长的要求，即由高介电、低损耗的介质陶瓷颗粒构成的超材料谐振子通过耦合能够得到小型化微波带通滤波器。
[0029]实施例2
[0030]将粒径为I μ---2 μπκ介电常数为1600、介质损耗角正切为0.003的钛酸锶颗粒在1450°C烧结后，冷却至室温，切成长宽高均为Imm的正方体，得到本发明提供的超材料谐振子。
[0031]该超材料谐振子的示意图如图3所示。
[0032]图3为该实施例所得超材料谐振子通过磁谐振以临界耦合方式形成的微波耦合器的示意图。
[0033]图3中金属板的厚度为0.1mm,中心有一半径为0.6mm的圆孔，以使电磁波能够親合到金属板的另一侧。如果只有圆孔参与耦合，能够耦合到对面的电磁信号非常微弱。但是，若在金属板圆孔的两侧各放一个该实施例所得完全相同的超材料谐振子，即能够大大地增强电磁波的透过率。
[0034]如图3所示，当两个超材料谐振子之间的距离为1.4mm,电磁波的横向尺寸为4_且入射条件满足平面电磁波时，其耦合程度如图4所示。
[0035]由图4可知，在6.35-6.40GHz的频段内，电磁波都能够耦合到圆孔对面的比例为0.85，远远地高于其他频点的值。另外，与该微波耦合器的工作波长相比，该实施例所用超材料谐振子的尺寸远远小于它的工作波长，即满足亚波长尺度的要求，所以成功地实现了基于介质的超材料谐振子间的耦合而成的小型化微波耦合器。
【权利要求】
1.一种超材料谐振子，为由陶瓷颗粒构成。
2.根据权利要求1所述的超材料谐振子，其特征在于:所述陶瓷颗粒为钛酸钙颗粒或钛酸锶颗粒。
3.根据权利要求1或2所述的超材料谐振子，其特征在于:所述陶瓷颗粒的粒径为I μm-2 μm，介电常数为1-10000，介电损耗角正切低于0.1。
4.根据权利要求1-3中任一所述的超材料谐振子，其特征在于:所述超材料谐振子的形状为立方体或球体。
5.一种制备权利要求1-4中任一所述超材料谐振子的方法，包括如下步骤:将所述陶瓷颗粒烧结后，冷却至室温，得到所述超材料谐振子。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于:所述烧结步骤中，温度为1400 0C -1450。。。
7.含有权利要求1-4任一所述超材料谐振子的微波器件。
8.根据权利要求7所述的微波器件，其特征在于:所述微波器件中，超材料谐振子的个数至少为一个； 所述微波器件为滤波器、耦合器或多工器。
9.权利要求1-4中任一所述超材料谐振子在制作微波器件中的应用。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于:所述微波器件中，超材料谐振子的个数至少为一个； 所述微波器件为滤波器、耦合器或多工器。
【文档编号】H01P7/10GK104485502SQ201410850817
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年12月31日 优先权日:2014年12月31日
【发明者】周济, 郭云胜 申请人:清华大学