可调谐全介质多频段各向同性零折射平板透镜及其制备方法

摘要

可调谐全介质多频段各向同性零折射平板透镜及其制备方法，该透镜由一种非金属、非磁性的介质颗粒周期性排列或随机排列成阵列并固化在另一种远小于其介电常数的环氧树脂基体中而形成的全介质复合材料平板以及温控装置组成。该透镜能同时实现在某频段有效介电常数为零，而在某频段有效磁导率为零，从而实现了零折射效应，并且具有各向同性的电磁响应特性。利用颗粒介电常数对温度的敏感响应特性来实现温度可调控零折射效应。该透镜能使位于其中的电磁波源在界面处发生零折射，从而使得出射电磁波变为平行光，改善了光源的方向性，能够广泛的应用于电磁波通讯领域。

说明书

技术领域

本发明涉及一种全介质零折射平板透镜，特别涉及一种温度可调谐全介质多频段各向同性零折射平板透镜。

背景技术

超材料(Metamaterials)是一种人工电磁材料，具有自然界现存材料所不具备的奇异电磁特性，是当前物理学、材料学与电磁学等研究领域中的前沿与热点问题，有着广泛的应用前景。其中有效介电常数和磁导率同时小于零的超材料称为负折射材料或左手材料(Left-handed metamaterials，LHMs)。通常，LHMs是由具有电磁响应的金属结构单元组成，如典型的金属开口谐振环(Split ring resonators，SRRs)和金属杆结构单元分别实现负磁导率和负介电常数、Ω结构单元、渔网结构以及分形树枝结构等。

另一种折射率为零的超材料称为零折射材料，具有独特的电磁特性。利用零折射超材料制成的平板透镜能使在其中传播的电磁波在透镜的界面处发生零折射效应，而使出射电磁波沿平板的法线方向传播，变成了近似的平行光，改善了光源的方向性。因而零折射平板透镜能够广泛应用于改善天线和波源的方向性、相移器等电磁波通讯领域。目前，零折射材料通常由具有电磁响应的金属结构单元组成，两种结构单元分别实现介电常数为零或磁导率为零，很难利用同一种金属结构单元同时实现不同频段的零折射效应。同时，基于金属结构单元的零折射材料的电磁响应特性是各向异性的，即仅在某方向上具有零折射效应，使得某些方向传播的电磁波不能平行出射，大大限制了其应用范围。另外，由于超材料发生电磁谐振的频段都较窄且样品一经设计并加工，其电磁响应频率和实现零折射的频段就不可改变，限制了其实际应用。因而，设计一种动态可调谐零折射材料就显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的是利用一种非金属、非磁性的介质颗粒的Mie各级谐振实现零介电常数和零磁导率，从而实现多频段各向同性零折射效应；并利用介电颗粒的介电常数对温度的敏感响应特性，提供一种可调谐全介质多频段各向同性零折射平板透镜及其制备方法。

本发明的技术方案如下：

所述透镜由全介质复合材料平板以及温控装置组成，所述全介质复合材料平板是由一种非金属、非磁性的介质颗粒周期性排列或随机排列成阵列并固化在另一种环氧树脂基体中而形成的，所述环氧树脂的介电常数小于所述非金属、非磁性的介质颗粒的介电常数；所述各向同性零折射平板透镜利用介电颗粒的电谐振和磁谐振分别实现零介电常数和零磁导率，从而实现零折射；并利用介质颗粒介电常数对温度的敏感响应特性来实现温度可调控零折射效应。

本发明所述透镜的介质颗粒为介电颗粒且在室温25℃时的微波介电常数为195～750；所述介质颗粒呈简立方晶格排列或随机均匀分布且颗粒的体积分数为5％～30％；所述的介质颗粒为边长0.5～3.0mm的立方块或直径为0.5～3.0mm的球。

本发明还提供了一种可调谐全介质多频段各向同性零折射平板透镜的制备方法，该方法包括如下步骤：

1)利用等静压成型技术，将介质粉体压制成柱状毛胚体；

2)将柱状胚体在电炉中300～600℃进行排胶，然后再在1300～1500℃温度条件下进行3～6个小时的烧结得到致密的柱状陶瓷介质块；

3)利用激光陶瓷微加工技术将陶瓷柱切割成边长为0.5～3.0mm的介质立方块或者将立方块磨制成直径为0.5～3.0mm的介质球；

4)将介质颗粒呈简立方晶格排列或随机均匀分布排列并利用环氧树脂进行固化得到介质颗粒分散在环氧树脂中的复合体材料，然后切割成不同尺寸的复合介质平板；

5)将上述复合介质平板放置到控温装置之中，通过调节温度变化来调节介质颗粒的介电常数，得到可调谐全介质多频段各向同性零折射平板透镜。

本发明具有以下优点及突出性效果：本发明利用介质颗粒的Mie各级谐振实现零介电常和零磁导率，从而实现多频段的零折射效应；并利用介电颗粒的介电常数对温度的敏感响应特性实现一种可调谐全介质多频段各向同性零折射平板透镜。该项发明具有重要的学术意义和应用价值，为超材料赋予了智能特性，并将应用于改善天线和波源的方向性、相移器等电磁波通讯领域。

附图说明

图1可调谐全介质多频段各向同性零折射平板透镜示意图。

图2由介质颗粒(介电常数为195，边长为1.75mm，晶格常数为3.0mm)呈简立方晶格排列而成的零折射平板透镜随温度可调谐的折射率色散曲线。

图3当折射率为1时(频率为11.85GHz)平板透镜中极子天线的辐射方向图。

图4当折射率为0时(有效磁导率为零，频率为10.82GHz)平板透镜中极子天线的辐射方向图。

图5当折射率为0时(有效介电常数为零，频率为14.34GHz，介电常数为零)平板透镜中极子天线的辐射方向图。

图中：1—介质颗粒；2—环氧树脂基体；3—放置天线的孔；4—温控装置；5—极子天线；6—出射平面电磁波。

具体实施方式

图1为木发明提供的可调谐全介质多频段各向同性零折射平板透镜的结构示意图，所述透镜由全介质复合材料平板以及温控装置组成，所述全介质复合材料平板是由一种非金属、非磁性的介质颗粒1周期性排列或随机排列成阵列并固化在另一种环氧树脂基体2中而形成的，所述环氧树脂2的介电常数远小于所述非金属、非磁性的介质颗粒的介电常数；所述各向同性零折射平板透镜利用介电颗粒的电谐振和磁谐振分别实现零介电常数和零磁导率，从而实现零折射；并利用介质颗粒介电常数对温度的敏感响应特性来实现温度可调控零折射效应。介电颗粒1可以由室温25℃时微波介电常数在195～750范围内的铁电材料组成，如Ba_xSr_1-xTiO₃、BaTiO₃、Pb_xSr_1-xTiO₃等。本发明所述透镜的介质颗粒为介电颗粒且在室温25℃时的微波介电常数为195～750。所述介质颗粒呈简立方晶格排列或随机均匀分布且颗粒的体积分数为5％～30％；所述的介质颗粒为边长0.5～3.0mm的立方块或直径为0.5～3.0mm的球。

本发明的工作机理如下：

本发明是一种可调谐全介质多频段各向同性零折射平板透镜，其核心首先是利用介质颗粒的不同级次的电磁谐振来实现不同频段的各向同性零介电常数和零磁导率，其次是利用介质颗粒介电常数随温度的变化特性实现零折射频段的温度可调控性。

众所周知，折射率n是介电常数ε和磁导率μ的函数，即$n\left(\omega \right)=\sqrt{ϵ\left(\omega \right)·\mu \left(\omega \right)}$。当介电常数和磁导率至少有一个为零时，就会出现折射率等于零。这里，利用高介电常数介质颗粒的电磁散射特性以及有效媒质理论，通过选择适当的介质颗粒材料(颗粒的大小、介电常数等)就能够使得平板透镜的有效磁导率或有效介电常数在某一频段为零，从而实现了一种仅由非金属、非磁性的全介质颗粒单元组成的零折射率平板透镜。

介质颗粒的介电常数随外加电场、温度、应力等的变化而变化，从而可通过改变温度来调节其介电特性，进而实现其有效磁导率或有效介电常数的温度可调控特性。

首先制备介质颗粒。将介质粉体(Ba_0.5Sr_0.5TiO₃粉体与MgO粉体的混合物)与一定量的酒精混合并放入球磨罐中进行球磨24小时，然后在烘箱里60℃烘干酒精得到混合均匀的介质粉体；将介质粉体与一定量的聚乙烯醇树脂均匀混合造粒并利用等静压成型技术压制成柱状毛胚体；将毛胚体在电炉中300～600℃进行排胶，然后再在1300～1500℃温度条件下进行3～6小时的烧结得到致密的柱状陶瓷块；利用激光陶瓷微加工技术将陶瓷柱切割成边长为0.5～3.0mm的介质立方块1或将立方块磨制成直径为0.5～3.0mm的介质球1。

然后将介质颗粒呈简立方晶格排列或随机均匀分布排列并利用环氧树脂2进行固化得到介质颗粒分散在环氧树脂中的复合体材料，然后切割成不同尺寸的复合介质平板；最后，将上述介质平板放置到控温装置4之中，通过调节温度变化来调节介质颗粒的介电常数，得到可调谐全介质多频段各向同性零折射平板透镜。通过调节控温装置实现温度变化从而调节介质颗粒的介电常数，实现温度可调谐全介质多频段各向同性零折射平板透镜。极子天线5所发电磁波经零折射平板透镜后得到了出射平面电磁波6。

本发明的实现过程和材料的性能由实施例和附图说明：

实施例1：

将质量比为20:3的Ba_0.5Sr_0.5TiO₃与MgO粉体与一定量的酒精混合并放入球磨罐中进行球磨24小时，然后在烘箱里60℃烘干酒精得到混合均匀的介质粉体；将介质粉体与5wt％的聚乙烯醇树脂均匀混合造粒并利用等静压成型技术压制成柱状毛胚体；将毛胚体在电炉中300～600℃进行排胶，然后再在1400℃温度条件下烧结3小时得到致密的柱状陶瓷块；利用激光陶瓷微加工技术将陶瓷柱切割成边长为1.75mm的介质立方块1，其室温25℃时的微波介电常数为195。

将介质立方块排列成晶格常数为3.0mm的简立方晶格，体积分数为30％，并利用环氧树脂2对周期性晶格结构进行固化得到介质颗粒分散在环氧树脂中的复合体材料(介质立方块的体积分数为20％)，然后将复合材料切割成边长为40mm×20mm×10mm的平板透镜；利用台钻在平板透镜的中心打一个直径为3.0mm的通孔3，并在孔内置入一个单极子天线5；最后，将上述介质平板放置到控温装置4之中，得到可调谐全介质多频段各向同性零折射平板透镜。

由图2为平板透镜的折射率色散曲线随温度的可调谐特性。由图可见，该平板透镜能够具有两个零折射频带，并且零折射频带能够随温度的升高向高频移动。这是由于介电颗粒的电磁谐振频率随介电常数的增加而减小，同时介电颗粒的介电常数随温度增加而减小，因而零折射频率随温度的升高而向高频移动。

为了验证该平板透镜的零折射效应，在平板透镜中置入了单极子天线5，单极子天线所发射电磁波6的方向图如图3、4、5所示。由图3可见，在f＝11.85GHz时，其折射率为1，出射电磁波的方向性很差，没有实现对极子天线方向性的改善。由图4可见，在f＝10.82GHz时，磁导率为零，折射率近似为零，出射电磁波的方向性很好，实现极子天线近似平面波的出射，很好的改善了天线的方向性。由图5可见，在f＝14.34GHz时，介电常数为零，折射率近似为零，出射电磁波的方向性很好，实现极子天线近似平面波的出射，很好的改善了天线的方向性。当温度变化时，相应的零折射频段也会变化。因而，实现了频率可调谐全介质多频段各向同性零折射平板透镜。

实施例2：

同实施例一，将质量比为9:1的Ba_0.5Sr_0.5TiO₃与MgO粉体球磨并利用等静压成型技术压制成柱状毛胚体；将毛胚体在电炉中排胶并1400℃烧结到致密的柱状陶瓷块；利用激光陶瓷微加工技术将陶瓷柱切割成边长为0.5mm的介质立方块1，其室温25℃时的微波介电常数为350。

将介质立方块排列成晶格常数为1.0mm的简立方晶格，体积分数为12.5％，并利用环氧树脂2对周期性晶格结构进行固化得到介质颗粒分散在环氧树脂中的复合体材料，然后将复合材料切割成平板形状；利用台钻在平板透镜的中心打一个直径为3.0mm的通孔3，并在孔内处置入一个单极子天线5；最后，将上述介质平板放置到控温装置4之中，得到可调谐全介质多频段各向同性零折射平板透镜。

实施例3：

同实施例一，将Pb_xSr_1-xTiO₃粉体球磨并利用等静压成型技术压制成柱状毛胚体；将毛胚体在电炉中排胶并1300℃烧结到致密的柱状陶瓷块；利用激光陶瓷微加工技术将陶瓷柱切割成边长为3.0mm的介质立方块1，其室温25℃时的微波介电常数为450。

将介质立方块排列成晶格常数为8.0mm的简立方晶格，体积分数为5％，并利用环氧树脂2对周期性晶格结构进行固化得到介质颗粒分散在环氧树脂中的复合体材料，然后将复合材料切割成平板形状；利用台钻在平板透镜的中心打一个直径为3.0mm的通孔3，并在孔内处置入一个单极子天线5；最后，将上述介质平板放置到控温装置4之中，得到可调谐全介质多频段各向同性零折射平板透镜。

实施例4：

同实施例一，将质量比为100:3的Ba_0.5Sr_0.5TiO₃与MgO粉体球磨并利用等静压成型技术压制成柱状毛胚体；将毛胚体在电炉中排胶并1500℃烧结到致密的柱状陶瓷块；利用激光陶瓷微加工技术将陶瓷柱切割成边长为3.0mm的介质立方块，然后将其球磨成直径为1.0mm的介质球1，其室温25℃时的微波介电常数为750。

将介质球1以5％的体积分数随机均匀分散到环氧树脂2中并固化得到介质颗粒分散在环氧树脂中的复合体材料，然后将复合材料切割成平板形状；最后，将上述介质平板放置到控温装置4之中，得到可调谐全介质多频段各向同性零折射平板透镜。

实施例5：

同实施例一，利用等静压成型技术将BaTiO₃粉体压制成柱状毛胚体；将毛胚体在电炉中排胶并1300℃烧结到致密的柱状陶瓷块；利用激光陶瓷微加工技术将陶瓷柱切割成边长为2.0mm的介质立方块，然后将其球磨成直径为0.5mm的介质球1，其室温25℃时的微波介电常数为200。

将介质球1以30％的体积分数随机均匀分散到环氧树脂2中并固化得到介质颗粒分散在环氧树脂中的复合体材料，然后将复合材料切割成平板形状；最后，将上述介质平板放置到控温装置4之中，得到可调谐全介质多频段各向同性零折射平板透镜。