[發明專利]一種微波頻段寬帶可調的負指數超材料結構

在審

• 申請號: 201710255752.6
• 申請日: 2017-04-19
• 公開（公告）號: CN107039773A
• 公開（公告）日: 2017-08-11
• 發明（設計）人: 賀鵬
• 申請（專利權）人: 成都億派智能科技有限公司
• 主分類號: H01Q15/00
• 分類號: H01Q15/00
• 代理公司: 成都其高專利代理事務所(特殊普通合伙)51244
• 代理人: 廖曾

技術領域

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。

發明內容

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·2πM_s；其中γ＝2π×2.8GHz/kOe，為旋磁率；M_s為鐵氧體的飽和磁化強度。

鐵磁共振頻率點近似為其中H為外部偏置磁場；采用鐵氧體的飽和磁化強度M_s越大，在有限的偏置磁場強度下負磁導率頻率就越高，從而可生成的負指數頻率點就越高。

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：