一種微波頻段寬帶可調的負指數超材料結構的制作方法
本發明涉及微波波段電磁超材料等領域，具體的說，是一種微波頻段寬帶可調的負指數超材料結構。
背景技術：
微波波段負指數超材料(nim)通常利用亞波長微結構構造出人造介質，形成獨特的單一材料不具備的微波電磁特性-負指數,即介電常數和磁導率同時為負。近年來微波負指數超材料多應用于新型微波器件和設備的研發設計中。
研究表明鐵磁性和亞鐵磁性的鐵氧體可以在其鐵磁共振點附近形成一個負磁導率頻域，周期性金屬線微結構可以在離子共振頻點以下形成等效負介電常數。通過結合這兩種材料或微結構特性，并輔以外部直流偏置磁場調節，可以在周期性金屬線產生的等效負介電常數頻域內，由鐵氧體形成等效負磁導率，從而形成一種微波頻段內寬帶且中心頻率可調節的負指數超材料結構。
技術實現要素：
本發明的目的在于一種微波頻段寬帶可調的負指數超材料結構，該負指數超材料(tnim)結構利用鐵氧體的鐵磁共振和金屬線結構(周期性金屬線)的離子共振效應，在同一頻段同時形成負介電常數和負磁導率，從而形成負折射系數(通常稱為負指數)。
本發明通過下述技術方案實現：一種微波頻段寬帶可調的負指數超材料結構，包括呈疊層結設置的至少一個超材料結構單元，所述超材料結構單元包括鐵氧體晶片層、介電薄膜層及金屬線結構；所述介電薄膜層設置在鐵氧體晶片層上，金屬線結構設置在介電薄膜層上。
進一步的為更好地實現本發明，能夠根據實際需要，將多個超材料結構單元進行疊層，且在疊層時避免金屬線結構與鐵氧體晶片層直接接觸，起到有效隔離的作用，特別采用下述設置方式：所述超材料結構單元疊層設置時，其中一個超材料結構單元的金屬線結構通過低介電材料層設置在另一個超材料結構單元的鐵氧體晶片層上。
進一步的為更好地實現本發明，能夠使得兩層超材料結構單元之間的隔離效果更佳，特別采用下述設置方式：所述低介電材料層采用聚酰亞胺薄片或聚酯薄膜。
進一步的為更好地實現本發明，特別采用下述設置結構：所述金屬線結構包括一維周期性布置(呈平行等距布置)并附著于介電薄膜層上的金屬線，該金屬線結構的等效介電常數為負的頻段，主要由平行等距金屬線的中心距決定；所述金屬線為周期性金屬線，在x波段(7-12.6ghz)的負指數超材料結構，金屬線(周期性金屬線)采用的幾何參數為中心距1mm,寬度0.2mm,厚度0.025mm，材料可采用銅、鋁、金、銀等高導電率的金屬材料。
進一步的為更好地實現本發明，特別采用下述設置方式：所述鐵氧體晶片層采用單晶或多晶鐵氧體晶片。
進一步的為更好地實現本發明，特別采用下述設置方式：所述鐵氧體晶片層采用單晶或多晶的釔鐵石榴石(yig)材料、鋇鐵石榴石(bam)材料或其他低損耗高品質因子(高飽和磁化率、低磁共振線寬)的鐵氧體材料，bam的飽和磁化率約為3300g，線寬可到200oe以下；高品質yig晶體的飽和磁化率約為1700g，線寬可到5oe以下。鐵磁共振點附近產生的負磁導率頻率帶寬近似為γ·2πms；其中γ＝2π×2.8ghz/koe，為旋磁率；ms為鐵氧體的飽和磁化強度。
鐵磁共振頻率點近似為
進一步的為更好地實現本發明，特別采用下述設置方式：所述介電薄膜層采用低介電常數的薄膜材料，優選的采用聚酯薄膜或聚酰亞胺薄膜。
進一步的為更好地實現本發明，特別采用下述設置方式：所述介電薄膜層通過絕緣介質粘貼在鐵氧體晶片層上，在使用時，可以在鐵氧體晶片層和附著金屬線結構的介電薄膜層之間可用普通快干膠水粘合，優選的粘合面需要為介電薄膜層無金屬線結構附著的那一面，以避免鐵氧體晶片層和金屬線結構直接接觸。
進一步的為更好地實現本發明，特別采用下述設置方式：當施加平行于鐵氧體晶片層并垂直于微波傳導方向的偏置磁場后，在鐵磁共振點附近實現負導磁系數，與金屬線結構產生的負介電常數相結合，實現一個導通的負指數頻帶，并且該負指數頻帶能夠被偏置磁場調節在一個幾倍于靜態帶寬的頻率范圍內平移；外界施加的偏置磁場平行于鐵氧體晶片層且垂直于微波tie向，即與金屬線結構方向一致。
進一步的為更好地實現本發明，特別采用下述設置方式：所述微波傳導方向與鐵氧體晶片層平行，且微波的電場與金屬線結構走向一致，微波磁場垂直于金屬線所在平面。
本發明與現有技術相比，具有以下優點及有益效果：
(1)本發明該負指數超材料(tnim)結構利用鐵氧體的鐵磁共振和金屬線結構(周期性金屬線)的離子共振效應，在同一頻段同時形成負介電常數和負磁導率，從而形成負折射系數(通常稱為負指數)。
(2)本發明通過外部直流偏置磁場的調節,該負指數工作頻段可在一個數倍于其帶寬的頻率范圍內移動。
(3)本發明利用鐵氧體鐵磁共振和周期性金屬線的頻率特性，通過鐵氧體材料特性參數，周期性金屬線的幾何參數的配合，以及外部偏置磁場的調節，構造出一種寬帶且中心頻點動態可調的負指數超材料結構。
(4)本發明提供了一種新的負指數超材料的構造方案，解決了現在主流的基于金屬共振環微結構的負指數超材料帶寬狹窄且中心頻點固定不可調節的局限；該微波頻段寬帶可調的負指數超材料結構可在鐵磁共振點附近實現微波通帶，使能了一個之前鐵氧體從未利用的特性頻率范圍，這對于新型微波器件，包括傳輸線結構、濾波器、移向器、天線、開關等的研究和開發具有重要作用。
附圖說明
圖1為本發明所述負指數超材料結構的正視圖。
圖2為本發明所述的金屬線結構設置圖。
圖3為本發明施加偏置磁場結構示意圖。
其中，1-鐵氧體晶片層，2-介電薄膜層，3-金屬線結構，4-低介電材料層，
具體實施方式
下面結合實施例對本發明作進一步地詳細說明，但本發明的實施方式不限于此。
實施例1：
本發明提出了一種微波頻段寬帶可調的負指數超材料結構，該負指數超材料結構利用鐵氧體的鐵磁共振和金屬線結構(周期性金屬線)的離子共振效應，在同一頻段同時形成負介電常數和負磁導率，從而形成負折射系數(通常稱為負指數)，如圖1、圖2、圖3所示，特別采用下述設置方式：包括呈疊層設置的至少一個超材料結構單元，所述超材料結構單元包括鐵氧體晶片層1、介電薄膜層2及金屬線結構3；所述介電薄膜層2設置在鐵氧體晶片層1上，金屬線結構3設置在介電薄膜層2上。
實施例2：
本實施例是在上述實施例的基礎上進一步優化，進一步的為更好地實現本發明，能夠根據實際需要，將多個超材料結構單元進行疊層，且在疊層時避免金屬線與鐵氧體晶片層直接接觸，起到有效隔離的作用，如圖1、圖2、圖3所示，特別采用下述設置方式：所述超材料結構單元疊層設置時，其中一個超材料結構單元的金屬線結構3通過低介電材料4設置在另一個超材料結構單元的鐵氧體晶片層1上。
實施例3：
本實施例是在上述任一實施例的基礎上進一步優化，進一步的為更好地實現本發明，能夠使得兩層超材料結構單元之間的隔離效果更佳，如圖1、圖2、圖3所示，特別采用下述設置方式：所述低介電材料層4采用聚酰亞胺薄片或聚酯薄膜。
實施例4：
本實施例是在上述任一實施例的基礎上進一步優化，進一步的為更好地實現本發明，如圖1、圖2、圖3所示，特別采用下述設置結構：所述金屬線結構3包括一維周期性布置(呈平行等距布置)并附著于介電薄膜層2上的金屬線，即一個超材料結構單元設置一排呈平行等距布置的金屬線；該金屬線結構3的等效介電常數為負的頻段，主要由平行等距金屬線的中心距決定；所述金屬線為周期性金屬線，在x波段(7-12.6ghz)的負指數超材料結構，金屬線(周期性金屬線)采用的幾何參數為中心距1mm,寬度0.2mm,厚度0.025mm，金屬線的材料可采用銅、鋁、金、銀等高導電率的金屬材料。
實施例5：
本實施例是在上述任一實施例的基礎上進一步優化，進一步的為更好地實現本發明，如圖1、圖2、圖3所示，特別采用下述設置方式：所述鐵氧體晶片層1采用單晶或多晶鐵氧體晶片。
實施例6：
本實施例是在上述任一實施例的基礎上進一步優化，進一步的為更好地實現本發明，如圖1、圖2、圖3所示，特別采用下述設置方式：所述鐵氧體晶片層1采用單晶或多晶的釔鐵石榴石(yig)材料、鋇鐵石榴石(bam)材料或其他低損耗高品質因子(高飽和磁化率、低磁共振線寬)的鐵氧體材料，bam的飽和磁化率約為3300g，線寬可到200oe以下；高品質yig晶體的飽和磁化率約為1700g，線寬可到5oe以下。鐵磁共振點附近產生的負磁導率頻率帶寬近似為γ·2πms；其中γ＝2π×2.8ghz/koe，為旋磁率；ms為鐵氧體的飽和磁化強度。
鐵磁共振頻率點近似為
實施例7：
本實施例是在上述任一實施例的基礎上進一步優化，進一步的為更好地實現本發明，如圖1、圖2、圖3所示，特別采用下述設置方式：所述介電薄膜層2采用低介電常數的薄膜材料，優選采用聚酯薄膜或聚酰亞胺薄膜。
實施例8：
本實施例是在上述任一實施例的基礎上進一步優化，進一步的為更好地實現本發明，如圖1、圖2、圖3所示，特別采用下述設置方式：所述介電薄膜層2通過絕緣介質粘貼在鐵氧體晶片層1上，在使用時，可以在鐵氧體晶片層和附著金屬線結構的介電薄膜層之間可用普通快干膠水粘合，優選的粘合面需要為介電薄膜層無金屬線結構附著的那一面，以避免鐵氧體晶片層和金屬線結構直接接觸。
實施例9：
本實施例是在上述任一實施例的基礎上進一步優化，進一步的為更好地實現本發明，如圖1、圖2、圖3所示，特別采用下述設置方式：當施加平行于鐵氧體晶片層1并垂直于微波傳導方向的偏置磁場后，在鐵磁共振點附近實現負導磁系數，與金屬線結構3產生的負介電常數相結合，實現一個導通的負指數頻帶，并且該負指數頻帶能夠被偏置磁場調節在一個幾倍于靜態帶寬的頻率范圍內平移；外界施加的偏置磁場平行于鐵氧體晶片層1且垂直于微波tie向，即與金屬線結構3方向一致。
實施例10：
本實施例是在上述任一實施例的基礎上進一步優化，進一步的為更好地實現本發明，如圖1、圖2、圖3所示，特別采用下述設置方式：所述微波傳導方向與鐵氧體晶片層1平行，且微波的電場與金屬線結構3走向一致，微波磁場垂直于鐵氧體晶片層1和金屬線3所在平面。
實施例11：
本實施例是在上述任一實施例的基礎上進一步優化，如圖1、圖2、圖3所示，采用鐵氧體和周期性金屬線，構造出一種寬帶且中心頻率動態可調的負指數超材料(即一種微波頻段寬帶可調的負指數超材料結構)。首先，選用一種可在目標工作頻段實現鐵磁共振的高品質鐵氧體材料構建鐵氧體晶片層1，由于受外部偏置磁場的最大強度限制，需要選用的鐵氧體的飽和磁化率足夠大，比如目標為x波段，可以采用單晶或多晶的yig晶片，為減小插入損耗，優選的選用鐵磁共振品質因子高，也就是鐵磁共振線寬小的yig晶片。yig作為一種深入研究和廣泛使用的亞鐵磁材料，也比較易于獲得。進一步的，在具體的實施上，也可采用多晶yig晶片，可用金剛石鋸從塊材上鋸下來，再打磨到設計的厚度，比如鐵氧體晶片層1采用0.7mm的，其飽和磁化率約為1750g,鐵磁共振線寬約為25oe。
在進行金屬線結構3處理時，金屬線結構(周期性金屬線結構)3可先用銅箔膠帶貼于聚酰亞胺基片(介電薄膜層2)之上,然后進行化學光刻形成。光刻用的掩膜可先使用精準畫圖軟件設計圖像，再用打印機直接打印在透光度高的玻璃紙上。優選的光刻出的金屬線規格為0.3mm寬，0.025mm厚，中心距為1.0mm的銅線。
yig晶片與附著金屬銅線的聚酰亞胺基片之間可用普通快干膠水粘合，需要注意的是，聚酯基片與yig晶片的粘合面需要為無銅線的那一面。當進行超材料結構單元疊層時，兩個超材料結構單元之間，需要用厚度為0.25mm的聚酯基片(低介電材料層4)隔離，再用快干膠進行粘合，構成一個超材料的基本單元；在具體設計使用時，超材料結構單元的高度由傳輸線如波導或微帶線的結構決定。
以上所述，僅是本發明的較佳實施例，并非對本發明做任何形式上的限制，凡是依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化，均落入本發明的保護范圍之內。
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