可調(diào)諧全介質(zhì)多頻段各向同性零折射平板透鏡及其制備方法，該透鏡由一種非金屬、非磁性的介質(zhì)顆粒周期性排列或隨機排列成陣列并固化在另一種遠(yuǎn)小于其介電常數(shù)的環(huán)氧樹脂基體中而形成的全介質(zhì)復(fù)合材料平板以及溫控裝置組成。該透鏡能同時實現(xiàn)在某頻段有效介電常數(shù)為零，而在某頻段有效磁導(dǎo)率為零，從而實現(xiàn)了零折射效應(yīng)，并且具有各向同性的電磁響應(yīng)特性。利用顆粒介電常數(shù)對溫度的敏感響應(yīng)特性來實現(xiàn)溫度可調(diào)控零折射效應(yīng)。該透鏡能使位于其中的電磁波源在界面處發(fā)生零折射，從而使得出射電磁波變?yōu)槠叫泄猓纳屏斯庠吹姆较蛐裕軌驈V泛的應(yīng)用于電磁波通訊領(lǐng)域。
【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及一種全介質(zhì)零折射平板透鏡，特別涉及一種溫度可調(diào)諧全介質(zhì)多頻段各向同 性零折射平板透鏡。
技術(shù)介紹
超材料(Metamaterials)是一種人工電磁材料，具有自然界現(xiàn)存材料所不具備的奇異電 磁特性，是當(dāng)前物理學(xué)、材料學(xué)與電磁學(xué)等研究領(lǐng)域中的前沿與熱點問題，有著廣泛的應(yīng)用 甜景。其中有效介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時小于零的超材料稱為負(fù)折射材料或左手材料 (Left-handed metamaterials, LHMs)。通常，LHMs是由具有電磁響應(yīng)的金屬結(jié)構(gòu)單元組成， 如典型的金屬開口諧振環(huán)(Split ring resonators, SRRs)和金屬桿結(jié)構(gòu)單元分別實現(xiàn)負(fù)磁導(dǎo)率 和負(fù)介電常數(shù)、Q結(jié)構(gòu)單元、漁網(wǎng)結(jié)構(gòu)以及分形樹枝結(jié)構(gòu)等。另一種折射率為零的超材料稱為零折射材料，具有獨特的電磁特性。利用零折射超材料 制成的平板透鏡能使在其中傳播的電磁波在透鏡的界面處發(fā)生零折射效應(yīng)，而使出射電磁波 沿平板的法線方向傳播，變成了近似的平行光，改善了光源的方向性。因而零折射平板透鏡 能夠廣泛應(yīng)用于改善天線和波源的方向性、相移器等電磁波通訊領(lǐng)域。目前，零折射材料通 常由具有電磁響應(yīng)的金屬結(jié)構(gòu)單元組成，兩種結(jié)構(gòu)單元分別實現(xiàn)介電常數(shù)為零或磁導(dǎo)率為零， 很難利用同一種金屬結(jié)構(gòu)單元同時實現(xiàn)不同頻段的零折射效應(yīng)。同時，基于金屬結(jié)構(gòu)單元的 零折射材料的電磁響應(yīng)特性是各向異性的，即僅在某方向上具有零折射效應(yīng)，使得某些方向 傳播的電磁波不能平行出射，大大限制了其應(yīng)用范圍。另外，由于超材料發(fā)生電磁諧振的頻 段都較窄且樣品一經(jīng)設(shè)計并加工，其電磁響應(yīng)頻率和實現(xiàn)零折射的頻段就不可改變，限制了 其實際應(yīng)用。因而，設(shè)計一種動態(tài)可調(diào)諧零折射材料就顯得尤為重要。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的是利用一種非金屬、非磁性的介質(zhì)顆粒的Mie各級諧振實現(xiàn)零介電常數(shù)和 零磁導(dǎo)率，從而實現(xiàn)多頻段各向同性零折射效應(yīng)；并利用介電顆粒的介電常數(shù)對溫度的敏感 響應(yīng)特性，提供一種。本專利技術(shù)的技術(shù)方案如下所述透鏡由全介質(zhì)復(fù)合材料平板以及溫控裝置組成，所述全介質(zhì)復(fù)合材料平板是由一種 非金屬、非磁性的介質(zhì)顆粒周期性排列或隨機排列成陣列并固化在另一種環(huán)氧樹脂基體中而 形成的，所述環(huán)氧樹脂的介電常數(shù)小于所述非金屬、非磁性的介質(zhì)顆粒的介電常數(shù)；所述各 向同性零折射平板透鏡利用介電顆粒的電諧振和磁諧振分別實現(xiàn)零介電常數(shù)和零磁導(dǎo)率，從 而實現(xiàn)零折射；并利用介質(zhì)顆粒介電常數(shù)對溫度的敏感響應(yīng)特性來實現(xiàn)溫度可調(diào)控零折射效3應(yīng)。本專利技術(shù)所述透鏡的介質(zhì)顆粒為介電顆粒且在室溫25'C時的微波介電常數(shù)為195 750;所 述介質(zhì)顆粒呈簡立方晶格排列或隨機均勻分布且顆粒的體積分?jǐn)?shù)為5% 30%;所述的介質(zhì) 顆粒為邊長0.5 3.0mm的立方塊或直徑為0.5 3.0mm的球。本專利技術(shù)還提供了一種可調(diào)諧全介質(zhì)多頻段各向同性零折射平板透鏡的制備方法，該方法 包括如下步驟1) 利用等靜壓成型技術(shù)，將介質(zhì)粉體壓制成柱狀毛胚體；2) 將柱狀胚體在電爐中300 600。C進(jìn)行排膠，然后再在1300 150(TC溫度條件下 進(jìn)行3 6個小時的燒結(jié)得到致密的柱狀陶瓷介質(zhì)塊；3) 利用激光陶瓷微加工技術(shù)將陶瓷柱切割成邊長為0.5 3.0 ram的介質(zhì)立方塊或者 將立方塊磨制7t直徑為0.5 3.0 mm的介質(zhì)球；4) 將介質(zhì)顆粒呈簡立方晶格排列或隨機均勻分布排列并利用環(huán)氧樹脂進(jìn)行固化得到 介質(zhì)顆粒分散在環(huán)氧樹脂中的復(fù)合體材料，然后切割成不同尺寸的復(fù)合介質(zhì)平板；5) 將上述復(fù)合介質(zhì)平板放置到控溫裝置之中，通過調(diào)節(jié)溫度變化來調(diào)節(jié)介質(zhì)顆粒的 介電常數(shù)，得到可調(diào)諧全介質(zhì)多頻段各向同性零折射平板透鏡。本專利技術(shù)具有以下優(yōu)點及突出性效果本專利技術(shù)利用介質(zhì)顆粒的Mie各級諧振實現(xiàn)零介電常和零磁導(dǎo)率，從而實現(xiàn)多頻段的零折射效應(yīng)；并利用介電顆粒的介電常數(shù)對溫度的敏感響應(yīng) 特性實現(xiàn)一種可調(diào)諧全介質(zhì)多頻段各向同性零折射平板透鏡。該項專利技術(shù)具有重要的學(xué)術(shù)意義 和應(yīng)用價值，為超材料賦予了智能特性，并將應(yīng)用于改善天線和波源的方向性、相移器等電 磁波通訊領(lǐng)域。 附圖說明圖1可調(diào)諧全介質(zhì)多頻段各向同性零折射平板透鏡示意圖。圖2由介質(zhì)顆粒(介電常數(shù)為195，邊長為1.75mm，晶格常數(shù)為3.0mm)呈簡立方晶格排列而成的零折射平板透鏡隨溫度可調(diào)諧的折射率色散曲線。圖3當(dāng)折射率為1時(頻率為11.85 GHz)平板透鏡中極子天線的輻射方向圖。圖4當(dāng)折射率為0時(有效磁導(dǎo)率為零，頻率為10.82 GHz)平板透鏡中極子天線的輻射方向圖。圖5當(dāng)折射率為0時(有效介電常數(shù)為零，頻率為14.34 GHz，介電常數(shù)為零)平板透 鏡中極子天線的輻射方向圖。圖中l(wèi)一介質(zhì)顆粒；2 —環(huán)氧樹脂基體；3 —放置天線的孔；4 —溫控裝置；5 —極子天線；6 —出射平面電磁波。具體實施例方式圖1為木專利技術(shù)提供的可調(diào)諧全介質(zhì)多頻段各向同性零折射平板透鏡的結(jié)構(gòu)示意圖，所述4透鏡由全介質(zhì)復(fù)合材料平板以及溫控裝置組成，所述全介質(zhì)復(fù)合材料平板是由一種非金屬、 非磁性的介質(zhì)顆粒1周期性排列或隨機排列成陣列并固化在另一種環(huán)氧樹脂基體2中而形成 的，所述環(huán)氧樹脂2的介電常數(shù)遠(yuǎn)小于所述非金屬、非磁性的介質(zhì)顆粒的介電常數(shù)；所述各 向同性零折射平板透鏡利用介電顆粒的電諧振和磁諧振分別實現(xiàn)零介電常數(shù)和零磁導(dǎo)率，從 而實現(xiàn)零折射；并利用介質(zhì)顆粒介電常數(shù)對溫度的敏感響應(yīng)特性來實現(xiàn)溫度可調(diào)控零折射效 應(yīng)。介電顆粒1可以由室溫25'C時微波介電常數(shù)在195 750范圍內(nèi)的鐵電材料組成，如 BaxSri.xTi03、 BaTi03、 Pb^r^TiC^等。本專利技術(shù)所述透鏡的介質(zhì)顆粒為介電顆粒且在室溫25°C 時的微波介電常數(shù)為195 750。所述介質(zhì)顆粒呈簡立方晶格排列或隨機均勻分布且顆粒的體 積分?jǐn)?shù)為5 % 30 %;所述的介質(zhì)顆粒為邊長0.5 3.0mm的立方塊或直徑為0.5 3.0mm的 球。本專利技術(shù)的工作機理如下-本專利技術(shù)是一種可調(diào)諧全介質(zhì)多頻段各向同性零折射平板透鏡，其核心首先是利用介質(zhì)顆 粒的不同級次的電磁諧振來實現(xiàn)不同頻段的各向同性零介電常數(shù)和零磁導(dǎo)率，其次是利用介 質(zhì)顆粒介電常數(shù)隨溫度的變化特性實現(xiàn)零折射頻段的溫度可調(diào)控性。眾所周知，折射率n是介電常數(shù)S和磁導(dǎo)率n的函數(shù)，即"(")=^^( ) 當(dāng)介電常 數(shù)和磁導(dǎo)率至少有一個為零時，就會出現(xiàn)折射率等于零。這里，利用高介電常數(shù)介質(zhì)顆粒的 電磁散射特性以及有效媒質(zhì)理論，通過選擇適當(dāng)?shù)慕橘|(zhì)顆粒材料(顆粒的大小、介電常數(shù)等) 就能夠使得平板透鏡的有效磁導(dǎo)率或有效介電常數(shù)在某一頻段為零，從而實現(xiàn)了一種僅由非 金屬、非磁性的全介質(zhì)顆粒單元組成的零折射率平板透鏡。介質(zhì)顆粒的介電常數(shù)隨外加電場、溫度、應(yīng)力等的變化而變化，從而可通過改變溫度來 調(diào)節(jié)其介電特性，進(jìn)而實現(xiàn)其有效磁導(dǎo)率或有效介電常數(shù)的溫度可調(diào)控特性。首先制備介質(zhì)顆粒。將介質(zhì)粉體(Bao.5Sro.5Ti03粉體與MgO粉體的混合物)與一定量的 酒精混合并放入球磨罐中進(jìn)行球磨24小時，然后在烘箱里60°C烘干酒精得到混合均勻的介 質(zhì)粉體；將介質(zhì)粉體與一定量的聚乙烯醇樹脂均勻混合造粒并利用等靜壓成型技術(shù)壓制成柱 狀毛胚體；將毛胚體在電爐中300 60(TC進(jìn)行排膠，然后再在1300 150(TC溫度條件下進(jìn) 行3 6本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護點】
一種可調(diào)諧全介質(zhì)多頻段各向同性零折射平板透鏡，其特征在于：所述透鏡由全介質(zhì)復(fù)合材料平板以及溫控裝置組成，所述全介質(zhì)復(fù)合材料平板是由一種非金屬、非磁性的介質(zhì)顆粒周期性排列或隨機排列成陣列并固化在另一種環(huán)氧樹脂基體中而形成的，所述環(huán)氧樹脂的介電常數(shù)小于所述非金屬、非磁性的介質(zhì)顆粒的介電常數(shù)；所述各向同性零折射平板透鏡利用介電顆粒的電諧振和磁諧振分別實現(xiàn)零介電常數(shù)和零磁導(dǎo)率，從而實現(xiàn)零折射；并利用介質(zhì)顆粒介電常數(shù)對溫度的敏感響應(yīng)特性來實現(xiàn)溫度可調(diào)控零折射效應(yīng)。
【技術(shù)特征摘要】
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：趙乾，孟永鋼，
申請(專利權(quán))人：清華大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：11[中國|北京]
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