[發明專利]可調諧全介質人工電磁材料及其應用

有效

• 申請號: 201810861606.2
• 申請日: 2018-08-01
• 公開（公告）號: CN109167177B
• 公開（公告）日: 2020-09-29
• 發明（設計）人: 趙乾;劉井泉;彭瑞光;孟永鋼
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: H01Q15/14
• 分類號: H01Q15/14
• 代理公司: 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙) 11201
• 代理人: 趙天月

本發明提出了可調諧的全介質人工電磁材料及其應用。該可調諧的全介質人工電磁材料包括介質顆粒陣列，其包括多個呈點陣分布的介質顆粒，且介質顆粒由鐵電材料形成；并且，介質顆粒的電磁諧振頻率隨著環境溫度變化。本發明所提出的全介質人工電磁材料，利用其中的介質顆粒的電磁諧振特性，不僅在理論上可以實現任意頻段下的人工電導體和人工磁導體，并可通過溫度控制可對介質顆粒的介電常數進行調節，從而實現人工電/磁導體工作頻率的調諧，或者在同一工作頻率下實現介質顆粒陣列在人工電導體與人工磁導體之間的切換。另外，通過將包含單個介質顆粒的晶格單元的幾何尺寸等比放大或縮小，能夠使人工電/磁導體的工作頻率縮小或放大相同的倍數。

技術領域

本發明涉及人工電磁介質技術領域，具體的，本發明涉及可調諧的全介質人工電磁材料及其應用。更具體的，本發明涉及可調諧的全介質人工電磁材料、基于可調諧的人工電磁材料的器件。

背景技術

由于具有獨特的電磁特性，完美電導體和完美磁導體在信號傳輸、天線及軍事方面具有或潛在具有很大的應用價值。具體的，在太赫茲及其以下的頻段下，如金、銀等導電性能良好的金屬導體的電磁特性近乎完美等效于完美電導體，而通過人工構造全反射介質顆粒陣列的方式來模擬完美電導體，被稱作“人工電導體”。不同的是，自然界中沒有電磁特性接近于完美磁導體的天然材料，因此，通常采用金屬微結構單元或介質顆粒構造高阻抗表面的方式來模擬完美磁導體，所以高阻抗表面也被稱作“人工磁導體”。

目前，人工磁導體存在一些缺陷與不足：例如基于金屬微結構單元的人工磁導體的工作頻段被限制在紅外波段以下，而可見光波段的人工磁導體難以實現；基于介質顆粒的人工磁導體的工作頻率是固定的，一經設計與制造其工作頻率就無法被改變。

發明內容

本發明是基于發明人的下列發現而完成的：

本發明的發明人經過深入研究，設計出一種全介質人工電磁材料的結構，通過介質顆粒的Mie諧振效應控制入射電磁波的反射系數的幅值與相位，當介質顆粒處于電諧振或磁諧振態時，介質顆粒陣列對入射電磁波的反射系數的幅值接近于1，相位為180度或0度，等效為人工電導體或人工磁導體；通過調節環境溫度使介質顆粒的反射頻率特性曲線發生移動，可以實現對人工電導體或人工磁導體的工作頻率的調諧，或者在同一工作頻率下實現介質顆粒陣列在人工電導體與人工磁導體之間的切換；另外，通過對包含單個介質顆粒的晶格單元的幾何尺寸進行等比放大或等比縮小，能夠相應地使人工電導體或人工磁導體的工作頻率縮小或放大相同的倍數，如此，在理論上可實現任意工作頻段的人工電導體和人工磁導體，本發明具有很高的工程應用價值。

有鑒于此，本發明的一個目的在于提出一種工作頻率具有可調諧性、對溫度具有敏感性或理論上可實現任意頻率的電磁諧振頻率的全介質人工電磁材料。

在本發明的第一方面，本發明提出了一種可調諧的全介質人工電磁材料。

根據本發明的實施例，所述全介質人工電磁材料包括介質顆粒陣列，所述介質顆粒陣列包括多個呈點陣分布的介質顆粒，且所述介質顆粒由鐵電材料形成；并且，所述介質顆粒的電磁諧振頻率隨著環境溫度變化。

發明人經過研究發現，本發明實施例的全介質人工電磁材料，利用其中的介質顆粒的電磁諧振特性，不僅在理論上可以實現任意頻段下的人工電導體和人工磁導體，并可通過溫度控制可對介質顆粒的介電常數進行調節，從而對電諧振頻率和磁諧振頻率進行調諧，進而實現器件在人工電導體與人工磁導體之間的切換。

另外，根據本發明上述實施例的全介質人工電磁材料，還可以具有如下附加的技術特征：

根據本發明的實施例，所述多個呈點陣分布的介質顆粒的間隙構成框架，且形成所述框架的絕緣材料的介電常數為0.8～1.2、磁導率為1。

根據本發明的實施例，所述介質顆粒在工作頻率的范圍內的介電常數值大于50。