一种负折射率微波媒质材料及其制备方法技术

一种负折射率微波媒质材料及其制备方法，属于微波材料技术领域。材料由单负磁导率的绝缘型铁磁材料或绝缘型亚铁磁材料和金属导线组成，所述金属导线均匀嵌入单负磁导率的绝缘型铁磁材料或绝缘型亚铁磁材料中。针对金属导线阵列而言，本发明专利技术提供了三种负折射率材料：一维晶格型、二维晶格型和三维晶格型。制备方法是将宽带单负磁导率的绝缘型铁磁材料或绝缘型亚铁磁材料和宽带单负介电常数的金属导线阵列结构，二者相互重叠，构成所述负折射率媒质。本发明专利技术的负折射率媒质材料，其工作频率更宽；其折射率可随外加调控磁场的大小而改变；本发明专利技术所述的负折射率媒质材料的制备方法简单，所用到的各项技术均为现存的成熟技术。

【技术实现步骤摘要】

，属于微波材料

技术介绍
自然界中天然物质的介电常数与磁导率的实部在整个电磁波谱内都是非同时为负的，其折射率的实部是正数。迄今为止，自然界中尚未发现介电常数和磁导率同时为负值的天然材料。1964年，前苏联科学家V.G.Veselago在“The electrodynamics of substances withsimultaneously negative values ofεandμ”(Soviet Physics Uspekhi，Vol.10，No.4，pp509-514，Apr 1968)一文中理论分析了电磁波在假想的介电常数与磁导率同时为负数的各向同性均匀媒质中的电动力学行为，预见电磁波与这种假想材料的互作用将产生非常特殊的传输/折射/反射特性(1)假想材料中电磁波电场、磁场和传播波矢三者之间成左手关系，电磁波相速方向与能速方向相反(如图1所示)；(2)电磁波通过假想材料与正折射率材料的分界面时发生逆折射效应(Reversed Snell Refraction)，在界面上产生负电磁波压力；(3)逆向多普勒效应(Reversed Doppler Effect)；(4)逆切伦柯夫辐射(Reversed CerenkovRadiation)；(5)一块假想材料平板具有理想电磁成像能力。Veselago称这种假想材料为“左手材料”(Left-Handed Material)，现学术界亦有定义其为双负材料(Double NegativeMaterials-DNM)、负折射率媒质(Negative Index of Refraction Materials-NIRM)、返波材料(Backward Wave Materials-BWM)、异向媒质(Metamaterial)等，本专利技术采用负折射率媒质(NIRM)定义，以强调材料的折射率特征。1998年，J.Pendry等人在“Low frequency plasmons in thin-wire structures”(J.Phys.Condens.Matter.，Vol.10，pp4785-4809，1998.)一文中提出对于以金属导体线为单元所构成的晶格型宏观阵列(如图2所示)来说，在小于金属导体线等离子体频率fp的电磁波谱内，其等效介电常数εeff(f)为负。物理结构如图3所示，它由3毫米厚的聚苯乙烯薄板交错组成，薄板上置有相距5毫米的平行金属线阵列，金属线为直径20微米的镀金钨线。这些薄板交错叠加从而形成5mm×5mm×6mm的单元格，器件整个尺寸为200mm×200mm×120mm(如图4)。各层旋转90度叠加，从而构建成了一个三维结构。此结构可以通过各层之间添加空白层而改变金属线密度，从而改变其等离子体频率。1999年，J.Pendry等人在“Magnetism from conductors and enhanced nonlinearphenomena”(IEEE Trans.Microwave Theory Tech.，Vol.47，No.11，pp2075-2084，Nov1999.)一文中又提出对于以双金属谐振环(如图5所示)为单元所构成的晶格型宏观阵列(如图6所示)来说，在大于金属环谐振频率的电磁波谱内，其等效磁导率μeff(f)为负。2000年，D.R.Smith等人基于J.B.Pendry提出的构造单负介电常数媒质、单负磁导率媒质的思想，首次人工合成出在X波段等效介电常数和等效磁导率同时为负的负折射率微波媒质(如图7所示)，并于次年在实验中观察到X波段的电磁波通过这种人工合成媒质与空气的交界面时确实发生了负折射现象(实验装置如图8所示)。随后，加拿大多伦多大学G.V.Eleftheriades和美国西雅图Boeing Phantom Works的C.G.Parazzoli所领导的两组研究人员分别发表了在微波波段负折射率材料(如图9所示)的实验报告，他们在实验中直接观测到了负折射率材料的逆切伦柯夫辐射和负折射现象，进一步证实了负折射率媒质的存在，亦表明人工能够合成出负折射率微波媒质。目前，NIRM的研究已成为国际物理学和电磁学界一个十分引人注目的前沿领域，众多学者对NIRM制造方法，电磁波在NIRM中的传播特性、散射特性等进行了较深入的研究，产生了许多新的成果。电磁波在NIRM中具有独特的电磁特性，决定了其在军事和民用两方面有着广泛的应用前景。NIRM可用于制造高定向度天线，实现完美透镜，聚焦电磁波波束，制造大容量光盘等新颖光学元器件。NIRM研究领域的研究热点主要有(1)理论上继续完善，力争完美解释NIRM领域中存在的各种电磁特性和现象；(2)探索合成稳定的、宽频带、低损耗、可调谐NIRM的新方法，以便于在实际中得到更大范围的应用；(3)利用纳米技术和集成电路实现NIRM小型化，以推动其工作波长向毫米波，光波波段发展。迄今为止，人工合成NIRM的方法主要有三种(1)由金属导体线和金属谐振环相重叠的微结构为基本单元构成的晶格型宏观阵列结构，其基本思想是将等效介电常数为负的单金属导体线阵列宏结构与等效磁导率为负的单金属谐振环阵列宏结构二者在空间上相互叠加，构成的复合结构的等效折射率在等效介电常数为负的电磁波频段与等效磁导率为负的电磁波频段相重叠的谱域内为负；(2)由串联电容和并联电感高通传输线基本单元构成的一维、二维或三维阵列结构，其基本思想是将常规低通传输线基本单元——串联电感和并联电容的连接方式对偶交换，产生的串联电容和并联电感为基本单元的高通传输线的等效介电常数和等效磁导率同时为负；(3)光子晶体，由两种或两种以上的电介质材料周期性排列而成的人造材料，排列周期为波长量级，具有光导带隙，从而控制电磁波在其中的传播，在一定条件下，光子晶体表现出负折射率特性。上述第一种方法存在结构复杂，难于加工，工作频带较窄，不宜推广到光波段等缺点。第二种方法需要加载集总元件，不适合毫米波、太赫兹、红外波段等高频应用。第三种方法要求满足Bragg散射条件，使其加工及实际应用困难，如各向异性、模式耦合失配及高阶衍射都是较难解决的问题；由于其工作波长与排列周期在同一个常量级，其在器件小型化方面的应用也有很大的局限性。因此，探索和发展人工合成NIRM的新方法具有重要的科学意义和实用价值。
技术实现思路
本专利技术提供，所述负折射率微波媒质材料的工作频率更宽、性能稳定；所述制备方法简单易行。本专利技术的基本思想如下自然界中一些天然物质，如金属和等离子体，对于频率低于其等离子体频率的电磁波而言，其介电常数表现为负值；铁磁材料和亚铁磁材料，在外静态磁场作用下，对于频率在铁磁材料的铁磁谐振频率至抗铁磁谐振频率之间的电磁波而言，其磁导率为负值。若在单负介电常数的基体材料中嵌入类金属谐振环阵列，或在单负磁导率的基体材料中嵌入类金属导体线阵列，构成的复合媒质有可能在宽电磁波频段内其等效介电常数、等效磁导率同时为负，从而能人工合成出宽带微波NIRM。本专利技术详细技术方案为一种负折射率微波媒质材料，由单负磁导率的绝缘型铁磁材料或绝缘型亚铁磁材料和金属导线组成，其特征是，所述金属导线均匀嵌入单负磁导率的绝缘型铁磁材料或绝缘型亚铁磁材料中。所述均匀嵌入单负磁导率本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种负折射率微波媒质材料，由单负磁导率的绝缘型铁磁材料或绝缘型亚铁磁材料和金属导线组成，其特征是，所述金属导线均匀嵌入单负磁导率的绝缘型铁磁材料或绝缘型亚铁磁材料中。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：文光俊，曹云建，吴凯敏，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：90[中国|成都]