[发明专利]一种实现磁场调节介电常数的超材料结构体及其结构体设计方法

说明书

技术领域

本发明属于超材料领域，更具体的，是指一种实现磁场调节介电常数的超材料结构体及其结构体设计方法。

背景技术

超材料是指具有天然材料不具备的超常物理性质的人工复合结构或材料，超材料所表现出的宏观物理特性并不是其组成材料的本征特性，而是亚波长晶胞结构的表征特性。超材料的超常电磁特性来自人造结构而非直接来自材料，就为自由设计材料提供了思路。

基于Mie(米氏)谐振的超材料已经经过理论和实验的研究。电磁波与介电常数较高的介电颗粒相互作用，表现出强磁谐振或强电谐振。从产生电偶极子或磁偶极子的振荡可知，负磁导率或负介电常数可以实现。同SRR(开口谐振环)及其他结构相比，基于Mie谐振的超材料不含有金属，因此有望实现低损耗和各向同性的性能。

制造高性能的微波设备需要高性能的介电材料。但是，不论是人造金属结构超材料还是基于Mie谐振的超材料，其结构和大小一旦固定，性质及其频率关系就已经确定，很难通过外场来调制，限制了它们在器件中的应用。目前可调的微波设备，例如：可调混频器，延迟线，滤波器，电容器，振荡器，谐振器和移位器等采用的大多数介电材料的可调性都较低。而提高可调性的最简单的方法之一是找到具有磁场可调介电性能的材料。但是，这些材料大多在较低的频率下表现出高介电常数，获得能够在微波波段或更高波段应用的可调性材料仍然很难实现。随着微波通信技术发展趋向更高频率，需要在更高频率获得高性能的介电材料。

发明内容

针对上述技术不足，本发明提供了一种实现磁场调节介电常数的超材料结构体，以及该结构体的设计方法，在较高电磁波频率处(10GHz以上)实现了可调性。

本发明设计的一种实现磁场调节介电常数的超材料结构体，其超材料结构体包括有一基板(3)和多个结构单元(4)；所述多个结构单元(4)按照一定间距d周期性排列粘接在基板(3)上；在所述的基板(3)的C面板(31)上按照一定间距d周期性设置有凹腔(32)，该凹腔(32)内用于放置结构单元(4)；

所述的一个结构单元(4)由一个介电长方体(1)和一个铁氧长方体(2)组成，且介电长方体(1)的一个面板与铁氧长方体(2)的一个面板粘接贴合。

本发明设计的结构单元(4)的坐标系记为O－XYZ，在外加偏置磁场和电磁波的作用下，对应各坐标关系为：

电磁波沿坐标系O－XYZ的Y轴正向入射，电磁波的电场沿坐标系O－XYZ的Z轴加载；

磁场沿坐标系O－XYZ的X轴加载；

外加偏置磁场沿坐标系O－XYZ的Z轴方向加载。

本发明的有益效果在于：

①本发明超材料结构体是根据介电长方体的Mie谐振和铁氧长方体的铁磁进动的相互作用的原理，设计的可通过外加偏置磁场调控介电常数的超材料，其结构单元由一个介电长方体和一个铁氧长方体紧贴在一起组成，制作方法简单。

②本发明超材料结构体的介电颗粒提供了Mie谐振电响应，无可调性能。铁氧体的有效磁导率与外加磁场有关，因为铁氧体是所述超材料的重要组成部分，因此超材料的有效介电常数可以通过外加偏置磁场来调节，这样就实现了对超材料有效介电常数的控制。同时，在较高频率内实现了可调性能。

③本发明超材料结构体由于铁氧体的存在，表现了磁介电效应，且在一定频率范围内出现了双负介电常数，可以用来实现双负折射率。

附图说明

图1是本发明实现磁场调节介电常数的超材料结构体的一种结构图。

图1A是本发明设计的介电长方体的三维结构图。

图1B是本发明设计的铁氧长方体的三维结构图。

图1C是本发明设计的基板的三维结构图。

图2是本发明实现磁场调节介电常数的超材料结构体的第二种结构图。

图3是本发明实现磁场调节介电常数的超材料结构体的第三种结构图。

图4是本发明第一种超材料结构体在不同外加磁场下散射参数S₂₁的幅值曲线。

图5是本发明第一种超材料结构体从散射参数中检索出的在不同外加磁场下的有效介电常数的实部。