CN110011062A - 一种连续十字全介质超材料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种连续十字全介质超材料；该材料由若干个介质谐振体单元阵列组成，每一个介质谐振体单元为十字型介质谐振体，且多个十字型介质谐振体相互连接，进而形成一种连续十字全介质超材料。该连续介质结构，利用连续介质结构等效了无限长的电谐振和磁谐振腔，突破了周期性的限制；验证发现，该结构拓展了左手超材料的左手通带带宽，使得带宽不再断裂，而是呈连续状，使得整个材料使用起来更加平滑。
Description
【技术领域】
本发明属于人工电磁材料技术领域，具体涉及一种连续十字全介质超材料。
【背景技术】
新型人工电磁材料，又称电磁超材料，由于具有亚波长的单元结构设计，使其对电磁波具有良好的调控特性，引起了学术界的广泛关注。将超材料结构单元按周期或非周期方式排布，可以有效地对反射波、透射波甚至是辐射场进行设计。
金属结构左手超材料大多构思巧妙，结构复杂，具有极高的各向异性。三维各向同性左手超材料的研制非常困难，对制作工艺的要求很高。并且随着频率的增加，制备所需几何结构的难度随之增加，传导电流的损耗也随之增加，当频率大到一定程度，之前的设计就会失效。
而全介质左手超材料是由多种介质材料构成的复合材料，复合材料中介质结构的不均匀度与介质内传播的电磁波相比为亚波长量级，满足准静态有效媒质理论。介质材料通常包含具有高介电常数、低介电损耗的陶瓷材料和低介低损介质材料。不同于金属结构中起主导作用的传导电流，全介质左手超材料电磁特性主要来源于高介陶瓷材料中的位移电流。
现有的左手材料设计普遍利用两种谐振体来分别实现负介电常数和负磁导率，然而无论如何排布这两种结构迥异的谐振体，总会引起系统对称性的下降，以至于材料具有各向异性。同时结构单元的分裂使得各谐振单元的谐振峰会分立，这可能会破坏通带内材料性能的连续性，不利于带宽拓展的发展前景。
【发明内容】
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种连续十字全介质超材料。该发明使用拼接方法使谐振条件突破了周期性的限制，有效的拓展了左手超材料的左手通带带宽。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种连续十字全介质超材料，由若干个介质谐振体单元按照矩形阵列组成，每一个介质谐振体单元为十字型介质谐振体；所述十字型介质谐振体由四个谐振体组成，谐振体为长方体，四个谐振体的一端均固定连接在中心点；一个介质谐振体单元内相邻的谐振体相互垂直，相邻的介质谐振体单元共用一个谐振体；所有的介质谐振体单元被包裹在基体内。
本发明的进一步改进在于：
优选的，所述谐振体包括第一谐振体和第二谐振体，第一谐振体的长度长于第二谐振体的长度；任意一个介质谐振体单元内的中心点为该谐振体单元内的一个第一谐振体的端点，剩余的谐振体和中心点的三个侧边固定连接。
优选的，第一谐振体和第二谐振体的宽度和厚度均相同。
优选的，第二谐振体的长度为第一谐振体的长度与第一谐振体的宽度之差。
优选的，第一谐振体的长度范围为9mm-13mm。
优选的，第一谐振体的厚度和第二谐振体的厚度范围均为1.5mm-3mm；第一谐振体的宽度和第二谐振体的宽度范围均为1.5mm-3mm。
优选的，谐振体的材料选用陶瓷材料。
优选的，所述陶瓷材料的介电常数范围为50-120，介电损耗为＜1％。
优选的，基体选用光敏树脂。
优选的，基体由3D打印制成。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明公开了一种连续十字全介质超材料；该材料属于左手超材料；该材料由若干个介质谐振体单元阵列组成，每一个介质谐振体单元为十字型介质谐振体，且多个十字型介质谐振体相互连接，进而形成一种连续十字全介质超材料。该连续介质结构，利用连续介质结构等效了无限长的电谐振和磁谐振腔，突破了周期性的限制；验证发现，该结构拓展了左手超材料的左手通带带宽，使得带宽不再断裂，而是呈连续状，使得整个材料使用起来更加平滑。
进一步的，第一谐振体的长度长于第二谐振体的长度，第一谐振体和第二谐振体的宽度和厚度均相同，使得网状结构的连续十字介质超材料能够无缝拼接。
进一步的，限定谐振体的厚度和宽度，使得整个介质超材料能够满足使用要求；另一方面通过调整参数(谐振体的长度、厚度和宽度)，能够调整超材料的工作带宽和工作重心频点。
进一步的，谐振体材料选用陶瓷材料，通过选用不同的陶瓷材料能够调节超材料的负折射率大小。
进一步的，基体选用光敏树脂材料，节点损耗小。
进一步的，基体采用3D打印制成，保证能够制备出的材料精度高，节省加工成本。
【附图说明】
图1为本发明的二维结构示意图；
图2为本发明的三维结构图；
图3为本发明的介质谐振体单元结构图；
其中，(a)图为一种介质谐振体单元结构；
(b)图为另一种介质谐振体单元结构；
图4为本发明的实施例1提供的连续十字全介质超材料等效介电常数、磁导率、折射率随频率变化的规律；
其中，(a)图为等效介电常数随频率变化的规律，(b)图为等效磁导率随频率变化的规律，(c)图为折射率随频率变化的规律；
图5为本发明制备出的超材料单元结构电磁谐振独立运行原理图；
图6为本发明制备出的超材料的负相移特性图；
图7为本发明制备出的超材料有限周期多层结构的楔形仿真模拟图。
其中：1-第一谐振体；2-第二谐振体；3-中心点；4-基体。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
本发明提供一种连续十字介质超材料，借助二维结构下的4次对称性设计，使所构成的超材料能够满足材料属性与极化方向无关，同时利用连续介质结构实现了等效无限长的电谐振和磁谐振腔，从而有效的扩展了左手通带的带宽。
参见图1，该连续十字介质超材料由多个介质谐振体单元组成，多个介质谐振体单元呈矩阵式阵列分布，形成谐振体腔，整个谐振体腔被包裹在厚度为H的树脂基体4内。每一个介质谐振体单元为一个对称的十字型介质谐振体，所述十字型介质谐振体由四个谐振体组成。
谐振体为长方体，依据尺寸分为两类，分别为第一谐振体1和第二谐振体2，第一谐振体1和第二谐振体2的宽度和厚度均相同，设定宽度均为M，长度均为N，第一谐振体1的长度长于第二谐振体2，设定第一谐振体1的长度为L，为保证第一谐振体1和第二谐振体2能够组合成为连续的十字介质超材料，第二谐振体2的长度为L-M；优选的，L的尺寸范围为9mm-13mm，M的范围为1.5mm-3mm，N的范围同为1.5mm-3mm。
参见图3，每一个介质谐振体单元均包括两种类型的谐振体，包括一个第一谐振体1和三个第二谐振体2，或者三个第一谐振体1和一个第二谐振体2；图1中浅灰色的第一谐振体1，深灰色的为第二谐振体2，四个谐振体的一端共同固定连接在中心点3，相邻的两个谐振体两两垂直，形成十字型介质谐振体，即介质谐振体单元；参见图3中的(a)图和(b)图可以看出，中心点3为第一谐振体1的一端，与其相对的谐振体为第二谐振体2，设置有中心点3的第一谐振体1的两侧谐振体为同一类谐振体，能够同为第一谐振体1或第二谐振体2；参见图1和图3，可以看出，相邻的两个谐振体单元共用一个谐振体，即每一个第一谐振体1或第二谐振体2均属于两个谐振体单元(除了边界处的谐振体)。
多个介质谐振体单元矩形阵列布置，介质谐振体单元之间通过相邻的谐振体固定连接实现阵列；相邻的介质谐振体单元横向中心线之间的距离为L(即第一谐振体1的长度)，竖向中心线之间的距离也为L，因此设定L为连续十字介质超材料的周期；优选的，周期L的尺寸为9-13mm；
参见图2，树脂基体层是包裹介质谐振体单元的功能材料，理想条件下与介质谐振体单元表面无缝重合，加工手段为3D打印的方式分离成型并粘合构造；优选的，树脂基体层厚度H为5mm，将厚度范围的长方体裹在内。
各介质谐振体单元的长方体的底面优选为正方形，边长为1.5mm-3mm，各长方体的高为11mm与周期相同，可以实现网状结构的无缝拼接。
介质谐振体选用介电常数范围在50-120，介电损耗在1％以内之间的陶瓷材料，如ZnNb2O6-Zn3Nb2O8-TiO2陶瓷，其介电常数为63，介电损耗0.4％，在8-12GHz性能稳定。
树脂基体层采用光敏树脂，其介电常数在8-12GHz由3.4线性下降至2.4，介电损耗小于1％。
下面结合具体实施例对本发明的材料进一步阐述：
实施例1
该连续十字介质超材料，由陶瓷谐振体和树脂基体层按周期11mm呈矩阵式排列分布，周期L为11mm，每个陶瓷谐振体由5mm厚的树脂基体层包覆。
图1是陶瓷谐振体单元示意图，陶瓷谐振体单元是一个两臂等长的十字结构，周期尺寸为11mm，各臂宽度均为3mm，厚度为2mm。
由于一体成型较为困难，所以采用切割拼接的方法成型，首先将原材料陶瓷板(80mm*80mm*2mm)切割成2mm宽的长条，然后切割为两种长度分别为8mm和11mm的陶瓷条，8mm*3mm*2mm陶瓷条和11mm*3mm*2mm陶瓷条按照1:1比例组合即可拼接成多个周期单元。
图1为具体的使用8mm*3mm*2mm陶瓷条和11mm*3mm*2mm陶瓷条进行拼接的示意图，其中深灰色部分为8mm*3mm*2mm陶瓷条，淡灰色部分为11mm*3mm*2mm陶瓷条。这种拼接方式是为了保证拼接接口能够尽量均匀的分布在4个方向上并且长程有序。
树脂基体采用3D打印技术成型，由安装条件设计为对称的两部分，上下两层为带有周期为11mm的3mm宽，1mm深的十字形方槽。
陶瓷谐振体采用ZnNb2O6-Zn3Nb2O8-TiO2陶瓷，其介电常数为63，介电损耗0.4％，在8-12GHz性能稳定，树脂基体层采用光敏树脂，其介电常数在8-12GHz由3.4线性下降至2.4，介电损耗小于1％
图4中的(a)图为本发明实施例1中等效介电常数随频率变化的曲线，可以看出存在近乎覆盖了9.4GHz至11.8GHz的宽频等效负介电系数带。
图4中的(b)图为本发明实施例1中等效磁导率随频率变化的曲线，可以看出存在两个负磁导率带，分别为9.6GHz至10.8GHz以及10.8Ghz至12Ghz。
图4中的(c)图为本发明实施例1中的折射率随频率变化的曲线，可以看出在10GHz处存在一个主要的左手折射通带在9.6GHz到10.8GHz，并且在10.93GHz到11.88GHz也获得了窄带的左手折射，多模态叠加实现绝对带宽达到2.15GHz。
图5是该实施例制备出的超材料中单元结构电磁谐振独立运行原理图，电场方向，由于介质材料的边界条件限制了电场在材料界面必须平行于介质表面，从而位移电流密度会在介质表面达到最大值，也就是说电场的能量集中于介质表面并且水平震荡。磁场方向，它会穿过电流旋转的中心，它的能量集中在介质中心并且在竖直方向上震荡。
图6是该实施例中验证该材料具有负相移特性图。x轴是波的相位，从图中可以看出，该结构在左右方向上是具有周期性的，y轴是波的传播方向的距离，也就是进入材料的深度，中间两条黑线是材料的上下表面。z轴是电场的强度，在一个周期内有两个波峰和两个波谷。观察电场在距离上的分布可以看到电磁波在自由空间的相位移动方向和材料中的相位移动方向是相反的。这可以证明负折射的存在。
图7是该实施例制备出的超材料有限周期多层结构楔形仿真模拟图，底边是20个周期，共20层，每层减少一个周期。将这种密集阵列视为连续材料的话，这种材料的折射率可以通过出射角和入射角的正弦值之比求出它的折射率大小。入射波与折射波在法线同侧说明折射率取值为负。
实施例2
实施例2提供一种连续十字全介质超材料，由陶瓷谐振体和树脂基体层按周期L呈矩阵式排列分布，周期L为13mm，每个陶瓷谐振体由5mm厚的树脂基体层包覆。
图1是陶瓷谐振体单元示意图，陶瓷谐振体单元是一个两臂等长的十字结构，周期尺寸为13mm，各臂宽度均为3mm，厚度为2mm。
由于一体成型较为困难，所以采用切割拼接的方法成型，首先将原材料陶瓷板(80mm*80mm*2mm)切割成2mm宽的长条，然后切割为两种长度分别为8mm和13mm的陶瓷条，8mm*3mm*2mm陶瓷条和11mm*3mm*2mm陶瓷条按照1:1比例组合即可拼接成多个周期单元。
树脂基体采用3D打印技术成型，由安装条件设计为对称的两部分，上下两层为带有周期为13mm的3mm宽，1mm深的十字形方槽。
其中，陶瓷谐振体采用ZnNb2O6-Zn3Nb2O8-TiO2陶瓷，其其介电常数为63，介电损耗0.4％，在8-12GHz性能稳定，树脂基体层采用光敏树脂，其介电常数在8-12GHz由3.4线性下降至2.4，介电损耗小于1％。
实施例3
该实施例提供一种连续十字全介质超材料，由陶瓷谐振体和树脂基体层按周期L呈矩阵式排列分布，周期L为9mm，每个陶瓷谐振体由5mm厚的树脂基体层包覆。
图1是陶瓷谐振体单元示意图，陶瓷谐振体单元是一个两臂等长的十字结构，周期尺寸为9mm，各臂宽度均为1.5mm，厚度为1.5mm。
由于一体成型较为困难，所以采用切割拼接的方法成型，首先将原材料陶瓷板(80mm*80mm*2mm)切割成1.5mm宽的长条，然后切割为两种长度分别为9mm和7mm的陶瓷条，9mm*1.5mm*1.5mm陶瓷条和9mm*1.5mm*1.5mm陶瓷条按照1:1比例组合即可拼接成多个周期单元。
树脂基体采用3D打印技术成型，由安装条件设计为对称的两部分，上下两层为带有周期为9mm的1.5mm宽，1mm深的十字形方槽。
其中，陶瓷谐振体采用ZnNb2O6-Zn3Nb2O8-TiO2陶瓷，其介电常数为63，介电损耗0.4％，在8-12GHz性能稳定，树脂基体层采用光敏树脂，其介电常数在8-12GHz由3.4线性下降至2.4，介电损耗小于1％。
所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种连续十字全介质超材料，其特征在于，由若干个介质谐振体单元按照矩形阵列组成，每一个介质谐振体单元为十字型介质谐振体；所述十字型介质谐振体由四个谐振体组成，谐振体为长方体，四个谐振体的一端均固定连接在中心点(3)；一个介质谐振体单元内相邻的谐振体相互垂直，相邻的介质谐振体单元共用一个谐振体；所有的介质谐振体单元被包裹在基体(4)内。
2.根据权利要求1所述的一种连续十字全介质超材料，其特征在于，所述谐振体包括第一谐振体(1)和第二谐振体(2)，第一谐振体(1)的长度长于第二谐振体(2)的长度；任意一个介质谐振体单元内的中心点(3)为该谐振体单元内的一个第一谐振体(1)的端点，剩余的谐振体和中心点(3)的三个侧边固定连接。
3.根据权利要求2所述的一种连续十字全介质超材料，其特征在于，第一谐振体(1)和第二谐振体(2)的宽度和厚度均相同。
4.根据权利要求2所述的一种连续十字全介质超材料，其特征在于，第二谐振体(2)的长度为第一谐振体(1)的长度与第一谐振体(1)的宽度之差。
5.根据权利要求2所述的一种连续十字全介质超材料，其特征在于，第一谐振体(1)的长度范围为9mm-13mm。
6.根据权利要求2所述的一种连续十字全介质超材料，其特征在于，第一谐振体(1)的厚度和第二谐振体(2)的厚度范围均为1.5mm-3mm；第一谐振体(1)的宽度和第二谐振体(2)的宽度范围均为1.5mm-3mm。
7.根据权利要求1-6任意一项所述的连续十字全介质超材料，其特征在于，谐振体的材料选用陶瓷材料。
8.根据权利要求7所述的一种连续十字全介质超材料，其特征在于，所述陶瓷材料的介电常数范围为50-120，介电损耗为＜1％。
9.根据权利要求1-6任意一项所述的连续十字全介质超材料，其特征在于，基体(4)选用光敏树脂。
10.根据权利要求1所述的一种连续十字全介质超材料，其特征在于，基体(4)由3D打印制成。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112332101A (zh) * | 2020-10-30 | 2021-02-05 | 东南大学成贤学院 | 实现电磁诱导透明现象的全介质非对称十字空腔超材料 |
| CN112332101B (zh) * | 2020-10-30 | 2022-05-17 | 东南大学成贤学院 | 实现电磁诱导透明现象的全介质非对称十字空腔超材料 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN110011062B (zh) | 2020-08-18 |
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