[發明專利]一種基于介質諧振器的超材料諧振子及其應用

在審

• 申請號: 201410850817.8
• 申請日: 2014-12-31
• 公開（公告）號: CN104485502A
• 公開（公告）日: 2015-04-01
• 發明（設計）人: 周濟;郭云勝
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: H01P7/10
• 分類號: H01P7/10;H01P11/00
• 代理公司: 北京紀凱知識產權代理有限公司 11245
• 代理人: 關暢

技術領域

本發明屬于材料領域，涉及一種基于介質諧振器的超材料諧振子及其應用。

背景技術

微波器件的小型化和集成化是電子信息產業始終不斷要追求的目標。諸如濾波器、耦合器和多工器等眾多微波器件都具有電磁信號選擇性傳輸并且要抑制帶外信號通過等功能，這些微波器件都要用到的一個核心元件就是諧振器。目前使用的大多數諧振器都是由矩形或其他形狀的金屬空腔以及體積較大的圓柱形介質做成的，它們一般都占有較大的體積，在低頻時更是如此。為了要實現很好的頻率選擇特性，抑制雜波信號的通過，一般要把若干個這樣的諧振子組合起來使用。因此，由若干個這樣的諧振器構成的各種微波器件必然要占據更大的體積，這就給微波器件的小型化、集成化帶來很大的問題。

近十年以來，超材料的出現使各種微波器件的小型化和集成化顯示出無限的美景。超材料是由人工電磁諧振單元結構周期性排列而成的，每個諧振單元對外界電磁場的響應可以表現為電諧振、磁諧振或電磁諧振，分別用以實現宏觀的等效負介電常數和負磁導率。具有負介電常數和負磁導率的諧振子的周期性排列就可實現電磁波的左手傳輸特性，從而實現自然界的材料無法具有的許多奇異功能。由于超材料使用了較大的諧振單元(與原子分子相比)取代了晶體中的原子或分子，從而使工作頻率從x射線--紫外--紅外頻段降到光波--微波頻段。

但是，目前關于超材料的研究大多集中在大量的人工電磁諧振子周期性排列的宏觀效果上，對幾個甚至是一個這樣的超材料諧振子的研究與應用還非常少。

發明內容

本發明的目的是提供一種基于介質諧振器的超材料諧振子及其應用。

本發明提供的超材料諧振子，為由陶瓷顆粒構成的立方體。

上述超材料諧振子中，所述陶瓷顆粒為鈦酸鈣顆粒或鈦酸鍶顆粒。

所述陶瓷顆粒的粒徑為1μm-2μm；介電常數為1-10000，具體可為100或1600；介電損耗角正切低于0.1，具體為0.002或0.003。

所述立方體具體可為正方體或球體。所述正方體的邊長具體可為0.5mm-10mm，更具體可為2mm；所述球體的直徑具體可為0.5mm-10mm，更具體可為2mm。

本發明提供的制備所述超材料諧振子的方法，包括如下步驟：將所述陶瓷顆粒燒結后冷卻至室溫，得到所述超材料諧振子。

上述方法的燒結步驟中，溫度為1400℃-1450℃。

對于超材料諧振子而言，諧振頻率是一個非常重要的參數。由高介電常數低損耗的介質陶瓷構成的超材料諧振子，其諧振頻率是由該材料的介電常數和諧振子的尺寸共同決定的。材料的介電常數越高，對應的諧振頻率越低；超材料諧振子的尺寸越大，其對應的諧振頻率也越低。所以，通過提高超材料諧振子所用材料的介電常數，就可大大縮小它本身的體積，這對于實現亞波長諧振和微波器件的小型化具有極大的優勢。另一方面，為了使電磁能量更好地集中于諧振器內部而不被耗散掉，低損耗角正切的材料是十分必要的，這樣就可實現超材料諧振子的高品質因數。

對于單個超材料諧振子而言，當外界電磁波的頻率與該諧振子的諧振頻率相等時，電磁波的能量主要集中在超材料諧振子內振蕩而無法繼續向前傳播，由此便形成了一個“陷波點”。之后的電磁能量幾乎全部被反射回去而不能透射。但是，如果在此傳播方向上有若干個超材料諧振子，情況就大不一樣。例如，當兩個超材料諧振子依次放在波的傳播方向時，兩諧振子會根據它們之間距離的不同而分為過耦合、臨界耦合和欠耦合三種情況。在臨界耦合的情況下，電磁波完全能夠被耦合到出射端，傳輸效率也非常高，在不計損耗的情況下可視為全透射。在欠耦合的情況下，諧振頻率處依然有較高的傳輸效率，但與臨界耦合相比時傳輸效率下降不少。在過耦合的情況下，最大傳輸效率的頻率點要偏離諧振頻率點。本發明的多個超材料諧振子之間的耦合可采用任意一種情況。

所述超材料諧振子的工作狀態為電諧振、磁諧振或電磁諧振。

該超材料諧振子的工作狀態有電諧振、磁諧振和電磁諧振三種狀態，不同的諧振狀態對應不同的諧振頻率。在具體的實施過程中，可以選擇超材料諧振子的任何一種諧振狀態。介質諧振器的磁諧振對應的諧振頻率最低，一般選取它為超材料諧振子的耦合諧振狀態。

本發明提供的超材料電磁諧振子是一個很好的電磁諧振器；且與傳統材料和傳統方法構成的諧振子相比，這些人工設計的超材料諧振子具有品質因數高、亞波長諧振的特點，它們能把入射電磁波局限在一個非常小的范圍內長時間高效地周期性振蕩，因而在各種微波器件的小型化、集成化和傳輸效率等問題上可帶來突破性的進展。