一種基于介質(zhì)諧振器的超材料諧振子及其應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于介質(zhì)諧振器的超材料諧振子及其應(yīng)用。該超材料諧振子為由陶瓷顆粒構(gòu)成。所述超材料諧振子的形狀為立方體或球體。所述陶瓷顆粒為鈦酸鈣顆?；蜮佀徭J顆粒。所述陶瓷顆粒的粒徑為1μm-2μm，介電常數(shù)為1-10000，介電損耗角正切低于0.1。本發(fā)明通過超材料諧振子的引入，實(shí)現(xiàn)了各種微波器件(如濾波器、耦合器、多工器等)的小型化和集成化，同時(shí)也提高了微波器件的傳輸效率。
【專利說明】一種基于介質(zhì)諧振器的超材料諧振子及其應(yīng)用

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于材料領(lǐng)域，涉及一種基于介質(zhì)諧振器的超材料諧振子及其應(yīng)用。

【背景技術(shù)】
[0002]微波器件的小型化和集成化是電子信息產(chǎn)業(yè)始終不斷要追求的目標(biāo)。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(hào)選擇性傳輸并且要抑制帶外信號(hào)通過等功能，這些微波器件都要用到的一個(gè)核心元件就是諧振器。目前使用的大多數(shù)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(zhì)做成的，它們一般都占有較大的體積，在低頻時(shí)更是如此。為了要實(shí)現(xiàn)很好的頻率選擇特性，抑制雜波信號(hào)的通過，一般要把若干個(gè)這樣的諧振子組合起來使用。因此，由若干個(gè)這樣的諧振器構(gòu)成的各種微波器件必然要占據(jù)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。
[0003]近十年以來，超材料的出現(xiàn)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(jié)構(gòu)周期性排列而成的，每個(gè)諧振單元對(duì)外界電磁場(chǎng)的響應(yīng)可以表現(xiàn)為電諧振、磁諧振或電磁諧振，分別用以實(shí)現(xiàn)宏觀的等效負(fù)介電常數(shù)和負(fù)磁導(dǎo)率。具有負(fù)介電常數(shù)和負(fù)磁導(dǎo)率的諧振子的周期性排列就可實(shí)現(xiàn)電磁波的左手傳輸特性，從而實(shí)現(xiàn)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射線一紫外一紅外頻段降到光波一微波頻段。
[0004]但是，目前關(guān)于超材料的研宄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(duì)幾個(gè)甚至是一個(gè)這樣的超材料諧振子的研宄與應(yīng)用還非常少。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種基于介質(zhì)諧振器的超材料諧振子及其應(yīng)用。
[0006]本發(fā)明提供的超材料諧振子，為由陶瓷顆粒構(gòu)成的立方體。
[0007]上述超材料諧振子中，所述陶瓷顆粒為鈦酸鈣顆?；蜮佀徭J顆粒。
[0008]所述陶瓷顆粒的粒徑為I μπι-2μπι ;介電常數(shù)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。
[0009]所述立方體具體可為正方體或球體。所述正方體的邊長(zhǎng)具體可為0.5mm-10mm，更具體可為2_ ;所述球體的直徑具體可為0.5mm-10mm，更具體可為2_。
[0010]本發(fā)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(jié)后冷卻至室溫，得到所述超材料諧振子。
[0011]上述方法的燒結(jié)步驟中，溫度為1400°C -1450°c。
[0012]對(duì)于超材料諧振子而言，諧振頻率是一個(gè)非常重要的參數(shù)。由高介電常數(shù)低損耗的介質(zhì)陶瓷構(gòu)成的超材料諧振子，其諧振頻率是由該材料的介電常數(shù)和諧振子的尺寸共同決定的。材料的介電常數(shù)越高，對(duì)應(yīng)的諧振頻率越低；超材料諧振子的尺寸越大，其對(duì)應(yīng)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(shù)，就可大大縮小它本身的體積，這對(duì)于實(shí)現(xiàn)亞波長(zhǎng)諧振和微波器件的小型化具有極大的優(yōu)勢(shì)。另一方面，為了使電磁能量更好地集中于諧振器內(nèi)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(shí)現(xiàn)超材料諧振子的高品質(zhì)因數(shù)。
[0013]對(duì)于單個(gè)超材料諧振子而言，當(dāng)外界電磁波的頻率與該諧振子的諧振頻率相等時(shí)，電磁波的能量主要集中在超材料諧振子內(nèi)振蕩而無法繼續(xù)向前傳播，由此便形成了一個(gè)“陷波點(diǎn)”。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(gè)超材料諧振子，情況就大不一樣。例如，當(dāng)兩個(gè)超材料諧振子依次放在波的傳播方向時(shí)，兩諧振子會(huì)根據(jù)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(jì)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(shí)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(diǎn)要偏離諧振頻率點(diǎn)。本發(fā)明的多個(gè)超材料諧振子之間的耦合可采用任意一種情況。
[0014]所述超材料諧振子的工作狀態(tài)為電諧振、磁諧振或電磁諧振。
[0015]該超材料諧振子的工作狀態(tài)有電諧振、磁諧振和電磁諧振三種狀態(tài)，不同的諧振狀態(tài)對(duì)應(yīng)不同的諧振頻率。在具體的實(shí)施過程中，可以選擇超材料諧振子的任何一種諧振狀態(tài)。介質(zhì)諧振器的磁諧振對(duì)應(yīng)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(tài)。
[0016]本發(fā)明提供的超材料電磁諧振子是一個(gè)很好的電磁諧振器；且與傳統(tǒng)材料和傳統(tǒng)方法構(gòu)成的諧振子相比，這些人工設(shè)計(jì)的超材料諧振子具有品質(zhì)因數(shù)高、亞波長(zhǎng)諧振的特點(diǎn)，它們能把入射電磁波局限在一個(gè)非常小的范圍內(nèi)長(zhǎng)時(shí)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(jìn)展。
[0017]另外，含有上述超材料諧振子的微波器件及該超材料諧振子在制作微波器件中的應(yīng)用，也屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。其中，所述微波器件中，超材料諧振子的個(gè)數(shù)至少為一個(gè)，具體可為兩個(gè)；所述微波器件為濾波器、耦合器或多工器，更具體為微波帶通濾波器或微波耦合器。其中，所述微波帶通濾波器為由兩個(gè)所述超材料諧振子通過磁諧振的工作狀態(tài)以過耦合的方式耦合形成；所述微波耦合器為由兩個(gè)所述超材料諧振子通過磁諧振的工作狀態(tài)以臨界耦合的方式耦合形成。
[0018]本發(fā)明采用高介電低損耗的介質(zhì)陶瓷顆粒構(gòu)成介質(zhì)諧振器，從而實(shí)現(xiàn)超材料諧振子。本發(fā)明解決了用傳統(tǒng)材料、傳統(tǒng)方法制造的諧振器在各種微波器件中使用時(shí)尺寸大、集成度低等問題。這些超材料諧振子具有品質(zhì)因數(shù)高、亞波長(zhǎng)諧振的特點(diǎn)，它們能把入射電磁波局限在一個(gè)非常小的范圍內(nèi)長(zhǎng)時(shí)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具有巨大的優(yōu)勢(shì)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為實(shí)施例1所得超材料諧振子通過磁諧振以過耦合方式形成的微波帶通濾波器的示意圖。
[0020]圖2為實(shí)施例1中微波帶通濾波器的仿真結(jié)果圖。
[0021]圖3為實(shí)施例2所得超材料諧振子通過磁諧振以臨界耦合方式形成的微波耦合器的示意圖。
[0022]圖4為實(shí)施例2中微波耦合器的仿真結(jié)果圖。

【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步闡述，但本發(fā)明并不限于以下實(shí)施例。所述方法如無特別說明均為常規(guī)方法。所述原材料如無特別說明均能從公開商業(yè)途徑獲得。
[0024]實(shí)施例1
[0025]將粒徑為I μ---2 μπκ介電常數(shù)為110、介質(zhì)損耗角正切為0.002的鈦酸鈣顆粒在1400°C燒結(jié)后，冷卻至室溫，切成長(zhǎng)寬高均為2_的正方體，得到本發(fā)明提供的超材料諧振子。
[0026]對(duì)于此單個(gè)超材料諧振子而言，其磁諧振頻率為11.7GHz。這意味著在此諧振頻率及其附近，電磁波不能通過。
[0027]但若用該實(shí)施例所得兩個(gè)完全相同的超材料諧振子以過耦合的方式耦合，且兩諧振子之間的距離為0.5mm時(shí)，所形成的微波帶通濾波器的示意圖如圖1所示。
[0028]從圖2的仿真結(jié)果可以看出，在11.7GHz時(shí)出現(xiàn)一個(gè)明顯的通帶，傳輸系數(shù)達(dá)到_2dB。可見，與該微波帶通濾波器的工作波長(zhǎng)相比，該實(shí)施例所得超材料諧振子的尺寸滿足亞波長(zhǎng)的要求，即由高介電、低損耗的介質(zhì)陶瓷顆粒構(gòu)成的超材料諧振子通過耦合能夠得到小型化微波帶通濾波器。
[0029]實(shí)施例2
[0030]將粒徑為I μ---2 μπκ介電常數(shù)為1600、介質(zhì)損耗角正切為0.003的鈦酸鍶顆粒在1450°C燒結(jié)后，冷卻至室溫，切成長(zhǎng)寬高均為Imm的正方體，得到本發(fā)明提供的超材料諧振子。
[0031]該超材料諧振子的示意圖如圖3所示。
[0032]圖3為該實(shí)施例所得超材料諧振子通過磁諧振以臨界耦合方式形成的微波耦合器的示意圖。
[0033]圖3中金屬板的厚度為0.1mm,中心有一半徑為0.6mm的圓孔，以使電磁波能夠親合到金屬板的另一側(cè)。如果只有圓孔參與耦合，能夠耦合到對(duì)面的電磁信號(hào)非常微弱。但是，若在金屬板圓孔的兩側(cè)各放一個(gè)該實(shí)施例所得完全相同的超材料諧振子，即能夠大大地增強(qiáng)電磁波的透過率。
[0034]如圖3所示，當(dāng)兩個(gè)超材料諧振子之間的距離為1.4mm,電磁波的橫向尺寸為4_且入射條件滿足平面電磁波時(shí)，其耦合程度如圖4所示。
[0035]由圖4可知，在6.35-6.40GHz的頻段內(nèi)，電磁波都能夠耦合到圓孔對(duì)面的比例為0.85，遠(yuǎn)遠(yuǎn)地高于其他頻點(diǎn)的值。另外，與該微波耦合器的工作波長(zhǎng)相比，該實(shí)施例所用超材料諧振子的尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于它的工作波長(zhǎng)，即滿足亞波長(zhǎng)尺度的要求，所以成功地實(shí)現(xiàn)了基于介質(zhì)的超材料諧振子間的耦合而成的小型化微波耦合器。
【權(quán)利要求】
1.一種超材料諧振子，為由陶瓷顆粒構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超材料諧振子，其特征在于:所述陶瓷顆粒為鈦酸鈣顆粒或鈦酸鍶顆粒。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的超材料諧振子，其特征在于:所述陶瓷顆粒的粒徑為I μm-2 μm，介電常數(shù)為1-10000，介電損耗角正切低于0.1。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一所述的超材料諧振子，其特征在于:所述超材料諧振子的形狀為立方體或球體。
5.一種制備權(quán)利要求1-4中任一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(jié)后，冷卻至室溫，得到所述超材料諧振子。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于:所述燒結(jié)步驟中，溫度為1400 0C -1450。。。
7.含有權(quán)利要求1-4任一所述超材料諧振子的微波器件。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的微波器件，其特征在于:所述微波器件中，超材料諧振子的個(gè)數(shù)至少為一個(gè)； 所述微波器件為濾波器、耦合器或多工器。
9.權(quán)利要求1-4中任一所述超材料諧振子在制作微波器件中的應(yīng)用。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的應(yīng)用，其特征在于:所述微波器件中，超材料諧振子的個(gè)數(shù)至少為一個(gè)； 所述微波器件為濾波器、耦合器或多工器。
【文檔編號(hào)】H01P7/10GK104485502SQ201410850817
【公開日】2015年4月1日 申請(qǐng)日期:2014年12月31日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月31日
【發(fā)明者】周濟(jì), 郭云勝 申請(qǐng)人:清華大學(xué)