可调谐全介质人工电磁材料及其应用制造技术

本发明专利技术提出了可调谐的全介质人工电磁材料及其应用。该可调谐的全介质人工电磁材料包括介质颗粒阵列，其包括多个呈点阵分布的介质颗粒，且介质颗粒由铁电材料形成；并且，介质颗粒的电磁谐振频率随着环境温度变化。本发明专利技术所提出的全介质人工电磁材料，利用其中的介质颗粒的电磁谐振特性，不仅在理论上可以实现任意频段下的人工电导体和人工磁导体，并可通过温度控制可对介质颗粒的介电常数进行调节，从而实现人工电/磁导体工作频率的调谐，或者在同一工作频率下实现介质颗粒阵列在人工电导体与人工磁导体之间的切换。另外，通过将包含单个介质颗粒的晶格单元的几何尺寸等比放大或缩小，能够使人工电/磁导体的工作频率缩小或放大相同的倍数。

【技术实现步骤摘要】
可调谐全介质人工电磁材料及其应用
本专利技术涉及人工电磁介质
，具体的，本专利技术涉及可调谐的全介质人工电磁材料及其应用。更具体的，本专利技术涉及可调谐的全介质人工电磁材料、基于可调谐的人工电磁材料的器件。
技术介绍
由于具有独特的电磁特性，完美电导体和完美磁导体在信号传输、天线及军事方面具有或潜在具有很大的应用价值。具体的，在太赫兹及其以下的频段下，如金、银等导电性能良好的金属导体的电磁特性近乎完美等效于完美电导体，而通过人工构造全反射介质颗粒阵列的方式来模拟完美电导体，被称作“人工电导体”。不同的是，自然界中没有电磁特性接近于完美磁导体的天然材料，因此，通常采用金属微结构单元或介质颗粒构造高阻抗表面的方式来模拟完美磁导体，所以高阻抗表面也被称作“人工磁导体”。目前，人工磁导体存在一些缺陷与不足：例如基于金属微结构单元的人工磁导体的工作频段被限制在红外波段以下，而可见光波段的人工磁导体难以实现；基于介质颗粒的人工磁导体的工作频率是固定的，一经设计与制造其工作频率就无法被改变。
技术实现思路
本专利技术是基于专利技术人的下列发现而完成的：本专利技术的专利技术人经过深入研究，设计出一种全介质人工电磁材料的结构，通过介质颗粒的Mie谐振效应控制入射电磁波的反射系数的幅值与相位，当介质颗粒处于电谐振或磁谐振态时，介质颗粒阵列对入射电磁波的反射系数的幅值接近于1，相位为180度或0度，等效为人工电导体或人工磁导体；通过调节环境温度使介质颗粒的反射频率特性曲线发生移动，可以实现对人工电导体或人工磁导体的工作频率的调谐，或者在同一工作频率下实现介质颗粒阵列在人工电导体与人工磁导体之间的切换；另外，通过对包含单个介质颗粒的晶格单元的几何尺寸进行等比放大或等比缩小，能够相应地使人工电导体或人工磁导体的工作频率缩小或放大相同的倍数，如此，在理论上可实现任意工作频段的人工电导体和人工磁导体，本专利技术具有很高的工程应用价值。有鉴于此，本专利技术的一个目的在于提出一种工作频率具有可调谐性、对温度具有敏感性或理论上可实现任意频率的电磁谐振频率的全介质人工电磁材料。在本专利技术的第一方面，本专利技术提出了一种可调谐的全介质人工电磁材料。根据本专利技术的实施例，所述全介质人工电磁材料包括介质颗粒阵列，所述介质颗粒阵列包括多个呈点阵分布的介质颗粒，且所述介质颗粒由铁电材料形成；并且，所述介质颗粒的电磁谐振频率随着环境温度变化。专利技术人经过研究发现，本专利技术实施例的全介质人工电磁材料，利用其中的介质颗粒的电磁谐振特性，不仅在理论上可以实现任意频段下的人工电导体和人工磁导体，并可通过温度控制可对介质颗粒的介电常数进行调节，从而对电谐振频率和磁谐振频率进行调谐，进而实现器件在人工电导体与人工磁导体之间的切换。另外，根据本专利技术上述实施例的全介质人工电磁材料，还可以具有如下附加的技术特征：根据本专利技术的实施例，所述多个呈点阵分布的介质颗粒的间隙构成框架，且形成所述框架的绝缘材料的介电常数为0.8～1.2、磁导率为1。根据本专利技术的实施例，所述介质颗粒在工作频率的范围内的介电常数值大于50。根据本专利技术的实施例，所述全介质人工电磁材料的晶格单元的周期小于工作频率的电磁波波长的1/3。在本专利技术的第二方面，本专利技术提出了一种基于可调谐的人工电磁材料的器件。根据本专利技术的实施例，所述器件包括：温度控制组件，所述温度控制组件的内部设置有上述的全介质人工电磁材料，且所述温度控制组件用于控制所述全介质人工电磁材料的环境温度。专利技术人经过研究发现，本专利技术实施例的基于可调谐的全介质人工电磁材料的器件，通过温度控制系统控制介质颗粒阵列所处的环境温度，从而对介质颗粒的电谐振频率和磁谐振频率进行调谐，在理论上可等效出任意频段下的人工电导体和人工磁导体。本领域技术人员能够理解的是，前面针对可调谐的人工电磁材料所描述的特征和优点，仍适用于该基于可调谐的人工电磁材料的器件，在此不再赘述。另外，根据本专利技术上述实施例的器件，还可以具有如下附加的技术特征：根据本专利技术的实施例，所述工作频率为所述介质颗粒的电谐振频率时，所述器件等效为人工电导体；所述工作频率为所述介质颗粒的磁谐振频率时，所述器件等效为人工磁导体。根据本专利技术的实施例，所述环境温度为-10～100摄氏度。根据本专利技术的实施例，温度控制组件用于调谐所述人工电磁导体的工作频率。根据本专利技术的实施例，所述温度控制组件通过控制所述全介质人工电磁导体的环境温度，使所述器件在同一工作频率下在人工电导体和人工磁导体之间转换。根据本专利技术的实施例，所述介质颗粒的电谐振频率和磁谐振频率，都与所述人工电磁材料的晶格单元的几何尺寸成反比；将所述晶格单元的几何尺寸等比放大或缩小，所述人工电/磁导体的工作频率相应地缩小或放大相同的倍数。本专利技术的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。附图说明本专利技术的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：图1是本专利技术一个实施例的可调谐的人工电磁材料的横截面结构示意图；图2是本专利技术另一个实施例的可调谐的人工电磁材料的横截面结构示意图；图3是本专利技术一个实施例的晶格单元的斜视结构示意图；图4是本专利技术一个实施例的基于可调谐的人工电磁材料的器件的横截面结构示意图；图5是本专利技术另一个实施例的基于可调谐的人工电磁材料的器件的纵截面结构示意图；图6是本专利技术一个实施例的人工电磁材料对入射波的反射系数关系图，其中，(a)介电常数分别为108和116的介质颗粒，其反射系数的幅值与入射波的关系图，(b)介电常数分别为108和116的介质颗粒，其反射系数的相位与入射波的关系图；图7是本专利技术另一个实施例的人工电磁材料对入射波的反射系数关系图，其中，(a)介电常数分别为108和116的介质颗粒，其反射系数的幅值与入射波的关系图，(b)介电常数分别为108和116的介质颗粒，其反射系数的相位与入射波的关系图。附图标记100介质颗粒阵列101介质颗粒200框架A晶格单元300温度控制组件具体实施方式下面详细描述本专利技术的实施例，本
人员会理解，下面实施例旨在用于解释本专利技术，而不应视为对本专利技术的限制。除非特别说明，在下面实施例中没有明确描述具体技术或条件的，本领域技术人员可以按照本领域内的常用的技术或条件或按照产品说明书进行。在本专利技术的一个方面，本专利技术提出了一种可调谐的全介质人工电磁材料。根据本专利技术的实施例，参考图1，全介质人工电磁材料包括介质颗粒阵列100，该介质颗粒阵列100包括多个呈点阵分布的介质颗粒101，且介质颗粒101由铁电材料形成；并且，介质颗粒101的电磁谐振频率随着环境温度变化。需要说明的是，本文中“点阵分布”具体是指多个介质颗粒101间隔分布且沿着几个固定的方向呈周期性排列。本专利技术的专利技术人经过深入研究，设计出一种全介质人工电磁材料的结构，通过介质颗粒101的Mie谐振效应控制入射电磁波的反射系数的幅值与相位，当介质颗粒处于电谐振或磁谐振态时，介质颗粒阵列100对入射电磁波的反射系数的幅值接近于1，相位为180度或0度，可等效为人工电导体或人工磁导体；并通过调节环境温度使介质颗粒101的反射频率特性曲线发生移动，可实现对人工电导体或人工磁导体的工作频率的调谐，或者在同一工作频率本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可调谐的全介质人工电磁材料，其特征在于，包括介质颗粒阵列，所述介质颗粒阵列包括多个呈点阵分布的介质颗粒，且所述介质颗粒由铁电材料形成；并且，所述介质颗粒的电磁谐振频率随着环境温度变化。

【技术特征摘要】
1.一种可调谐的全介质人工电磁材料，其特征在于，包括介质颗粒阵列，所述介质颗粒阵列包括多个呈点阵分布的介质颗粒，且所述介质颗粒由铁电材料形成；并且，所述介质颗粒的电磁谐振频率随着环境温度变化。2.根据权利要求1所述的全介质人工电磁材料，其特征在于，所述多个呈点阵分布的介质颗粒的间隙构成框架，且形成所述框架的绝缘材料的介电常数为0.8～1.2、磁导率为1。3.根据权利要求1所述的全介质人工电磁材料，其特征在于，所述介质颗粒在工作频率的范围内的介电常数值大于50。4.根据权利要求1所述的全介质人工电磁材料，其特征在于，所述全介质人工电磁材料的晶格单元的周期小于工作频率的电磁波波长的1/3。5.一种基于可调谐的全介质人工电磁材料的器件，其特征在于，包括：温度控制组件，所述温度控制组件的内部设置有权利要求1～4中任一项所述的全介质人工电磁材料，且所述温度控制组件用于控制所...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵乾，刘井泉，彭瑞光，孟永钢，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11