一种微波频段宽带可调的负指数超材料结构的制作方法

本发明涉及微波波段电磁超材料等领域，具体的说，是一种微波频段宽带可调的负指数超材料结构。

背景技术：

微波波段负指数超材料(nim)通常利用亚波长微结构构造出人造介质，形成独特的单一材料不具备的微波电磁特性-负指数,即介电常数和磁导率同时为负。近年来微波负指数超材料多应用于新型微波器件和设备的研发设计中。

研究表明铁磁性和亚铁磁性的铁氧体可以在其铁磁共振点附近形成一个负磁导率频域，周期性金属线微结构可以在离子共振频点以下形成等效负介电常数。通过结合这两种材料或微结构特性，并辅以外部直流偏置磁场调节，可以在周期性金属线产生的等效负介电常数频域内，由铁氧体形成等效负磁导率，从而形成一种微波频段内宽带且中心频率可调节的负指数超材料结构。

技术实现要素：

本发明的目的在于一种微波频段宽带可调的负指数超材料结构，该负指数超材料(tnim)结构利用铁氧体的铁磁共振和金属线结构(周期性金属线)的离子共振效应，在同一频段同时形成负介电常数和负磁导率，从而形成负折射系数(通常称为负指数)。

本发明通过下述技术方案实现：一种微波频段宽带可调的负指数超材料结构，包括呈叠层结设置的至少一个超材料结构单元，所述超材料结构单元包括铁氧体晶片层、介电薄膜层及金属线结构；所述介电薄膜层设置在铁氧体晶片层上，金属线结构设置在介电薄膜层上。

进一步的为更好地实现本发明，能够根据实际需要，将多个超材料结构单元进行叠层，且在叠层时避免金属线结构与铁氧体晶片层直接接触，起到有效隔离的作用，特别采用下述设置方式：所述超材料结构单元叠层设置时，其中一个超材料结构单元的金属线结构通过低介电材料层设置在另一个超材料结构单元的铁氧体晶片层上。

进一步的为更好地实现本发明，能够使得两层超材料结构单元之间的隔离效果更佳，特别采用下述设置方式：所述低介电材料层采用聚酰亚胺薄片或聚酯薄膜。

进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置结构：所述金属线结构包括一维周期性布置(呈平行等距布置)并附着于介电薄膜层上的金属线，该金属线结构的等效介电常数为负的频段，主要由平行等距金属线的中心距决定；所述金属线为周期性金属线，在x波段(7-12.6ghz)的负指数超材料结构，金属线(周期性金属线)采用的几何参数为中心距1mm,宽度0.2mm,厚度0.025mm，材料可采用铜、铝、金、银等高导电率的金属材料。

进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述铁氧体晶片层采用单晶或多晶铁氧体晶片。

进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述铁氧体晶片层采用单晶或多晶的钇铁石榴石(yig)材料、钡铁石榴石(bam)材料或其他低损耗高品质因子(高饱和磁化率、低磁共振线宽)的铁氧体材料，bam的饱和磁化率约为3300g，线宽可到200oe以下；高品质yig晶体的饱和磁化率约为1700g，线宽可到5oe以下。铁磁共振点附近产生的负磁导率频率带宽近似为γ·2πms；其中γ＝2π×2.8ghz/koe，为旋磁率；ms为铁氧体的饱和磁化强度。

铁磁共振频率点近似为其中h为外部偏置磁场；采用铁氧体的饱和磁化强度ms越大，在有限的偏置磁场强度下负磁导率频率就越高，从而可生成的负指数频率点就越高。

进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述介电薄膜层采用低介电常数的薄膜材料，优选的采用聚酯薄膜或聚酰亚胺薄膜。

进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述介电薄膜层通过绝缘介质粘贴在铁氧体晶片层上，在使用时，可以在铁氧体晶片层和附着金属线结构的介电薄膜层之间可用普通快干胶水粘合，优选的粘合面需要为介电薄膜层无金属线结构附着的那一面，以避免铁氧体晶片层和金属线结构直接接触。

进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：当施加平行于铁氧体晶片层并垂直于微波传导方向的偏置磁场后，在铁磁共振点附近实现负导磁系数，与金属线结构产生的负介电常数相结合，实现一个导通的负指数频带，并且该负指数频带能够被偏置磁场调节在一个几倍于静态带宽的频率范围内平移；外界施加的偏置磁场平行于铁氧体晶片层且垂直于微波tie向，即与金属线结构方向一致。

进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述微波传导方向与铁氧体晶片层平行，且微波的电场与金属线结构走向一致，微波磁场垂直于金属线所在平面。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

(1)本发明该负指数超材料(tnim)结构利用铁氧体的铁磁共振和金属线结构(周期性金属线)的离子共振效应，在同一频段同时形成负介电常数和负磁导率，从而形成负折射系数(通常称为负指数)。

(2)本发明通过外部直流偏置磁场的调节,该负指数工作频段可在一个数倍于其带宽的频率范围内移动。

(3)本发明利用铁氧体铁磁共振和周期性金属线的频率特性，通过铁氧体材料特性参数，周期性金属线的几何参数的配合，以及外部偏置磁场的调节，构造出一种宽带且中心频点动态可调的负指数超材料结构。

(4)本发明提供了一种新的负指数超材料的构造方案，解决了现在主流的基于金属共振环微结构的负指数超材料带宽狭窄且中心频点固定不可调节的局限；该微波频段宽带可调的负指数超材料结构可在铁磁共振点附近实现微波通带，使能了一个之前铁氧体从未利用的特性频率范围，这对于新型微波器件，包括传输线结构、滤波器、移向器、天线、开关等的研究和开发具有重要作用。

附图说明

图1为本发明所述负指数超材料结构的正视图。

图2为本发明所述的金属线结构设置图。

图3为本发明施加偏置磁场结构示意图。

其中，1-铁氧体晶片层，2-介电薄膜层，3-金属线结构，4-低介电材料层，微波传导方向。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

本发明提出了一种微波频段宽带可调的负指数超材料结构，该负指数超材料结构利用铁氧体的铁磁共振和金属线结构(周期性金属线)的离子共振效应，在同一频段同时形成负介电常数和负磁导率，从而形成负折射系数(通常称为负指数)，如图1、图2、图3所示，特别采用下述设置方式：包括呈叠层设置的至少一个超材料结构单元，所述超材料结构单元包括铁氧体晶片层1、介电薄膜层2及金属线结构3；所述介电薄膜层2设置在铁氧体晶片层1上，金属线结构3设置在介电薄膜层2上。

实施例2：

本实施例是在上述实施例的基础上进一步优化，进一步的为更好地实现本发明，能够根据实际需要，将多个超材料结构单元进行叠层，且在叠层时避免金属线与铁氧体晶片层直接接触，起到有效隔离的作用，如图1、图2、图3所示，特别采用下述设置方式：所述超材料结构单元叠层设置时，其中一个超材料结构单元的金属线结构3通过低介电材料4设置在另一个超材料结构单元的铁氧体晶片层1上。

实施例3：

本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，进一步的为更好地实现本发明，能够使得两层超材料结构单元之间的隔离效果更佳，如图1、图2、图3所示，特别采用下述设置方式：所述低介电材料层4采用聚酰亚胺薄片或聚酯薄膜。

实施例4：

本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，进一步的为更好地实现本发明，如图1、图2、图3所示，特别采用下述设置结构：所述金属线结构3包括一维周期性布置(呈平行等距布置)并附着于介电薄膜层2上的金属线，即一个超材料结构单元设置一排呈平行等距布置的金属线；该金属线结构3的等效介电常数为负的频段，主要由平行等距金属线的中心距决定；所述金属线为周期性金属线，在x波段(7-12.6ghz)的负指数超材料结构，金属线(周期性金属线)采用的几何参数为中心距1mm,宽度0.2mm,厚度0.025mm，金属线的材料可采用铜、铝、金、银等高导电率的金属材料。

实施例5：

本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，进一步的为更好地实现本发明，如图1、图2、图3所示，特别采用下述设置方式：所述铁氧体晶片层1采用单晶或多晶铁氧体晶片。

实施例6：

本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，进一步的为更好地实现本发明，如图1、图2、图3所示，特别采用下述设置方式：所述铁氧体晶片层1采用单晶或多晶的钇铁石榴石(yig)材料、钡铁石榴石(bam)材料或其他低损耗高品质因子(高饱和磁化率、低磁共振线宽)的铁氧体材料，bam的饱和磁化率约为3300g，线宽可到200oe以下；高品质yig晶体的饱和磁化率约为1700g，线宽可到5oe以下。铁磁共振点附近产生的负磁导率频率带宽近似为γ·2πms；其中γ＝2π×2.8ghz/koe，为旋磁率；ms为铁氧体的饱和磁化强度。

铁磁共振频率点近似为其中h为外部偏置磁场；采用铁氧体的饱和磁化强度ms越大，在一定的偏置磁场强度下铁氧体的铁磁共振频率就越高，从而可生成的负指数频率点就越高。

实施例7：

本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，进一步的为更好地实现本发明，如图1、图2、图3所示，特别采用下述设置方式：所述介电薄膜层2采用低介电常数的薄膜材料，优选采用聚酯薄膜或聚酰亚胺薄膜。

实施例8：

本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，进一步的为更好地实现本发明，如图1、图2、图3所示，特别采用下述设置方式：所述介电薄膜层2通过绝缘介质粘贴在铁氧体晶片层1上，在使用时，可以在铁氧体晶片层和附着金属线结构的介电薄膜层之间可用普通快干胶水粘合，优选的粘合面需要为介电薄膜层无金属线结构附着的那一面，以避免铁氧体晶片层和金属线结构直接接触。

实施例9：

本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，进一步的为更好地实现本发明，如图1、图2、图3所示，特别采用下述设置方式：当施加平行于铁氧体晶片层1并垂直于微波传导方向的偏置磁场后，在铁磁共振点附近实现负导磁系数，与金属线结构3产生的负介电常数相结合，实现一个导通的负指数频带，并且该负指数频带能够被偏置磁场调节在一个几倍于静态带宽的频率范围内平移；外界施加的偏置磁场平行于铁氧体晶片层1且垂直于微波tie向，即与金属线结构3方向一致。

实施例10：

本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，进一步的为更好地实现本发明，如图1、图2、图3所示，特别采用下述设置方式：所述微波传导方向与铁氧体晶片层1平行，且微波的电场与金属线结构3走向一致，微波磁场垂直于铁氧体晶片层1和金属线3所在平面。

实施例11：

本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，如图1、图2、图3所示，采用铁氧体和周期性金属线，构造出一种宽带且中心频率动态可调的负指数超材料(即一种微波频段宽带可调的负指数超材料结构)。首先，选用一种可在目标工作频段实现铁磁共振的高品质铁氧体材料构建铁氧体晶片层1，由于受外部偏置磁场的最大强度限制，需要选用的铁氧体的饱和磁化率足够大，比如目标为x波段，可以采用单晶或多晶的yig晶片，为减小插入损耗，优选的选用铁磁共振品质因子高，也就是铁磁共振线宽小的yig晶片。yig作为一种深入研究和广泛使用的亚铁磁材料，也比较易于获得。进一步的，在具体的实施上，也可采用多晶yig晶片，可用金刚石锯从块材上锯下来，再打磨到设计的厚度，比如铁氧体晶片层1采用0.7mm的，其饱和磁化率约为1750g,铁磁共振线宽约为25oe。

在进行金属线结构3处理时，金属线结构(周期性金属线结构)3可先用铜箔胶带贴于聚酰亚胺基片(介电薄膜层2)之上,然后进行化学光刻形成。光刻用的掩膜可先使用精准画图软件设计图像，再用打印机直接打印在透光度高的玻璃纸上。优选的光刻出的金属线规格为0.3mm宽，0.025mm厚，中心距为1.0mm的铜线。

yig晶片与附着金属铜线的聚酰亚胺基片之间可用普通快干胶水粘合，需要注意的是，聚酯基片与yig晶片的粘合面需要为无铜线的那一面。当进行超材料结构单元叠层时，两个超材料结构单元之间，需要用厚度为0.25mm的聚酯基片(低介电材料层4)隔离，再用快干胶进行粘合，构成一个超材料的基本单元；在具体设计使用时，超材料结构单元的高度由传输线如波导或微带线的结构决定。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。