使用磁性纳米颗粒复合物的电磁波传输线

摘要

本公开内容涉及一种在包含有分散于基质中的颗粒的复合物的选定区域中将颗粒以其易趋向轴进行定向的方法。所述方法包括在所述复合物上施加外部磁场的同时，液化并于随后固化所述选定区域中的所述基质。所述复合物可用于传输线组件，用以引导高频电磁波。所述颗粒优选地为超顺磁性纳米微晶颗粒，而基质优选地为聚合材料。

说明书

技术领域

本公开内容涉及传输线，包括波导，用于引导高频电磁波。特别是，本公开内容涉及适合用于引导射频和微波频率电磁波的复合材料介质。另外，本公开内容涉及用于形成包含复合材料的传输线和波导的方法。

背景技术

传输线是形成用于引导电磁波或声波的传输的整个路径或其一部分的材料介质或结构。用于传输高频电磁波的典型传输线包括同轴电缆、微波传输带、带状线，等等。同轴电缆将电磁波限制在电缆内中心导体与屏蔽体之间的区域。电缆内的介电材料是用于波能传输的介质。微波传输带包括导电带，其通过被称为基底的介电层从接地平面上分离。带状线是由介电材料所围绕并且夹在两个平行接地平面之间的导体条带。高频电磁波在传输线内传播。传输线的一个重要因子是其特征阻抗，其由传输线的结构和物理尺寸，以及介电材料的物理特性，比如电阻率、电感率和电导率等确定。特别是对于微波传输带和带状线而言，条带的宽度、介电材料的厚度以及介电材料的相对磁导率确定了特征阻抗。

连接具有不同阻抗水平的不同类型的组件或传输线需要变换器。在高频电路设计中，常使用传输线变换器和其他分布式组件。对于单级四分之一波长变换器，变换器阻抗为第一组件(比如负载)与第二组件(比如源)之间的阻抗的几何平均值：

          Z_T＝(Z_L*Z_S)^0.5

多级变换器可以通过串行地堆叠单级四分之一波长变换器而形成。每个变换器分段具有中间阻抗。在多级变换器中，任何两个变换器分段之间的阻抗失配都比组件与单级变换器之间的阻抗失配小。

均质介电材料对于某一电磁波频率的特征阻抗可以通过本领域中已知的常规方法来确定。在复合材料中，即在由两种或多种具有显著不同的物理或化学特性并且在完成的结构内于宏观层面上保持分离和独立的组成材料所制成的工程材料中，整体特征阻抗取决于单个组成材料或成分的贡献。例如，如果复合物包含均质基质和超微细纳米级颗粒，那么复合物的特征阻抗可能会受到所添加的颗粒的影响。

含有纳米级颗粒的复合材料在本领域中是已知的，并且其具有许多的应用。美国专利号4,158,862公开了用于产生永久性磁记录的方法。该方法包括以下步骤：(a)在支座(基底)上涂敷含有在聚合物溶液中的铁磁性颗粒的可聚合磁性墨；(b)在墨仍然为液体时，将磁性墨置于磁场之中，以将包含于墨中的磁性颗粒定向于预定方向之中；以及(c)通过辐照，选择性地聚合磁性墨涂层的与将具有在步骤(b)中所施加的磁性定向的所记录消息的部分相对应的某些区域。其结果是，固化的涂层含有排齐在由外部磁场所确定的方向中的磁性颗粒。

美国专利号3,791,864描述了装饰图案的制造，其通过以下操作来实现：熔化包含磁性颗粒的表面，施加磁场来产生图案，并且在随后允许该表面冷却，从而保留所述图案。

美国专利号6,777,706公开了包括有光波导的光学设备。光波导包含有机半导体材料，其包括透光纳米颗粒的基本上均匀的分散。纳米颗粒的存在影响到有机层的折射率。有机材料为聚合物材料。纳米颗粒可以是金属材料。

美国专利号7,072,565还公开了由纳米颗粒复合材料制成的光波导。

在光学器件中所使用的技术可以类似地应用在射频(RF)和/或微波电路中的传输线、传输线变换器等的简化设计和制造中。潜在地，甚高频电路设计可以基于这些介电磁性波导的原理。

发明内容

本公开内容的一个目的是教导预定阻抗的传输线的制造。这可以通过使用激光加热和外部磁场来局部地改变磁性纳米颗粒复合物的磁性分布而得以实现。

根据第一方面，提供一种方法。该方法包括，在包含有分散于基质中的颗粒的复合物上施加外部磁场，并且在复合物的选定区域中，通过液化并于随后固化选定区域上的基质，而将颗粒以其易取向轴(easy axe)进行定向。

在方法中，颗粒可以是最长尺度小于100nm的微晶颗粒。所述微晶颗粒可以是顺磁性微晶颗粒。所述顺磁性微晶颗粒可以是最长尺度小于20nm的超顺磁性微晶颗粒。所述超顺磁性微晶颗粒可以是下列中之一的微晶颗粒：铁、钴、镍、含铁合金、铁氧化物。

在方法中，基质可以是聚合材料，而复合物是通过在颗粒的表面上涂敷表面活化剂，将基质溶解在溶剂中，将颗粒与基质溶液混合，并且蒸发溶剂以形成预定形状而形成的。聚合材料可以是热塑性聚合物、热固性聚合物或者高弹性塑料。

备选地，在方法中，基质可以是热塑性聚合物，而复合物是通过在颗粒的表面上涂敷表面活化剂，熔化基质，将颗粒混入熔化的基质中，并且将熔化的基质铸造为预定的形状而形成的。

在方法中，基质的液化可以包括使用激光束来加热选定区域，以使液化作用在所述区域中发生。

方法还可以包括，通过在没有外部磁场的情况下，在复合物的选定区域处液化并于随后固化基质，而对该选定区域中定向的颗粒进行随机化。

根据第二方面，提供一种包含有分散于基质中的颗粒的复合物。在复合物上施加外部磁场的同时，通过在复合物的选定区域液化并于随后固化基质，所述颗粒在该选定区域中以其易趋向轴进行定向。

在复合物中，颗粒可以是最长尺度小于100nm的微晶颗粒。所述微晶颗粒可以是顺磁性微晶颗粒。所述顺磁性微晶颗粒可以是最长尺度小于20nm的超顺磁性微晶颗粒。所述超顺磁性微晶颗粒可以是下列中之一的微晶颗粒：铁、钴、镍、含铁合金、铁氧化物。

在复合物中，基质可以是聚合材料，而复合物通过下列操作形成：在颗粒的表面上涂敷表面活化剂，将基质溶解在溶剂中，将颗粒与基质溶液混合，并且蒸发溶剂以形成预定形状。聚合材料可以是热塑性聚合物、热固性聚合物或者高弹性塑料。

备选地，在复合物中，基质可以是热塑性聚合物，而复合物通过以下操作形成：在颗粒的表面上涂敷表面活化剂，熔化基质，将颗粒混入熔化的基质中，并且将熔化的基质铸造为预定的形状。

在复合物中，基质的液化可以包括使用激光束来加热选定区域，以使液化作用在该区域中发生。

根据第三方面，提供一种用于传导射频和微波频率电磁波的传输线组件。传输线组件包含电介质。电介质是包含有分散于基质中的颗粒的复合物。

在传输线组件中，在复合物上施加外部磁场的同时，通过在组合物的选定区域处液化和并于随后固化基质，颗粒可以该选定区域中以其易趋向轴进行定向。

在传输线组件中，在复合物上施加外部磁场的同时，借助于通过在该组合物的选定区域处液化然后固化基质而将颗粒在该选定区域中以其易趋向轴进行定向，可以局部地调节电介质的特征阻抗。

在传输线组件中，颗粒可以是最长尺度小于100nm的微晶颗粒。所述微晶颗粒可以是顺磁性微晶颗粒。所述顺磁性微晶颗粒可以是最长尺度小于20nm的的超顺磁性微晶颗粒。所述超顺磁性微晶颗粒可以是下列中之一的微晶颗粒：铁、钴、镍、含铁合金、铁氧化物。

在传输线组件中，基质可以是聚合材料，而复合物通过以下操作来形成：在颗粒的表面上涂敷表面活化剂，将基质溶解在溶剂中，将颗粒与基质溶液混合，并且蒸发溶剂以形成预定形状。聚合材料可以是热塑性聚合物、热固性聚合物或者高弹性塑料。

备选地，在传输线组件中，基质可以是热塑性聚合物，而复合物是通过以下操作来形成：在颗粒的表面上涂敷表面活化剂，熔化基质，将颗粒混入熔化的基质中，并且将熔化的基质铸造为预定的形状。

在传输线组件中，基质的液化可以包括使用激光束来加热选定区域，以使液化作用在所述区域中发生。

传输线组件可以是传输线变换器，其具有由颗粒在所述选定区域中的定向所确定的特征阻抗。

传输线组件可以是波导，其具有由颗粒在所述选定区域中的定向所确定的磁导率。

在传输线组件中，基质可以是导电性聚合材料，而选定区域可以是在其中颗粒被定向于预定方向的延伸区域。

在传输线组件中，基质可以是非导电性聚合材料，选定区域可以是在其中颗粒被定向于预定方向的延伸区域，而复合物被安置于第一导电板和第二导电板之间。

附图说明

通过考虑结合附图而呈现的随后详细描述，本发明的以上和其他目的、特征和优点将变得明晰，在附图中：

图1(a)是由表面活化剂层所包围的磁性纳米微晶的示意图；

图1(b)是包含有分散于基质中的磁性纳米颗粒的磁性纳米颗粒复合物的示意图；

图2是根据本公开内容的、用于对磁性纳米复合物中的纳米颗粒的易趋向轴进行排齐的范例处理工艺的示意图；

图3(a)示意性地示出在图2的处理工艺之后的磁性纳米颗粒复合物微观结构；

图3(b)示意性地示出传输线，其中中心条带为复合物中排齐的磁性纳米颗粒；

图4(a)示出这样形成的磁性纳米颗粒复合物，其具有磁导率μ；

图4(b)示出在排齐纳米颗粒后的同一复合物，其具有不同的磁导率μ’；

图5(a)示出具有阶梯式宽度的常规多分段传输线变换器，以及磁导率μ的变化；

图5(b)示出具有平滑变化的宽度和磁导率μ的波导；以及

图5(c)示出根据本公开内容的多分段传输线变换器，其具有固定的宽度和变化的磁导率μ值。

具体实施方式

在这一申请中，上文所定义的、具有分布于固态基质中的纳米级颗粒(至少有一个尺度小于100nm的小颗粒，包括纳米粉、纳米团、纳米晶体，等等)的复合材料被称为纳米颗粒复合物。如果纳米颗粒由磁性材料制成，那么复合物被称为磁性纳米颗粒复合物。其教导基于的思路是，可以通过使用外力，比如激光加热与外部磁场的组合，而对适当地构建的磁性纳米颗粒复合物的某些磁特性进行局部地微调。在某些基质材料中，修改可以永久性地保持，从而使得复合物具有针对特定应用定制的空间磁特性分布。

本文的一个目的是教导通过使用适当构建的磁性纳米颗粒复合物来制造预定阻抗和电气长度的传输线。虽然所示的实施方式主要适用于传输线(包括波导)的设计和构建以用于RF和/或微波能量传输，但同样的原理可适用于其它合适的应用，并且本文中的教导也广泛地适用于这些其它的应用。

磁性纳米颗粒复合物是通过将纳米尺寸的微晶颗粒均匀地分散于基质材料之中而形成的。基质材料可以是绝缘材料或者导电材料。聚合材料对于作为基质使用而言是有利的。传统的聚合物是绝缘材料，但聚合物可以是导电的，并且其对于所示的特定实施方式的目的而言也是有利的。基本上任何聚合物(热塑性聚合物、热固性聚合物或者甚至高弹性塑料)都可以作为基质使用。具有良好的介电特性的热塑性聚合物的范例包括聚乙烯、聚苯乙烯、间规聚苯乙烯、聚丙烯、环烯烃共聚物或者含氟聚合物。热固性聚合物的范例包括环氧树脂、聚酰亚胺，等等。

适合于实施方式的磁性纳米微晶颗粒(或者简称为纳米颗粒)是顺磁性的。在这样的实施方式中，顺磁性纳米颗粒在制备复合物所需的温度范围内不应显示出铁磁特性。因此，在复合物的制备过程中，这些纳米颗粒不发生聚集或者相互排齐，并且其很容易分散在基质材料中。

顺磁性纳米颗粒例如可以是在几乎所有的温度上都为顺磁性的超顺磁性纳米颗粒，或者可以是具有相对较低的居里温度(即，居里点低于环境温度)的顺磁性纳米颗粒。

超顺磁性在材料由非常小的微晶(小于20nm，优选地在1-10nm)构成时出现。即使在温度低于居里温度或奈耳温度时，热能也足以改变整个微晶的磁化方向。由此产生的在磁化方向中的波动导致整体磁场为零。因此材料具有类似于顺磁性的行为方式，区别在于，不是每个单独的原子都独立地受到外部磁场的影响，而是整个微晶的磁矩趋向于同磁场对齐。

改变微晶的磁化方向所需的能量被称为晶态各向异性能量，并且其既取决于材料特性又取决于微晶尺寸。随着微晶尺寸的缩小，晶态各向异性能量同时也会减小，造成在其处材料变为超顺磁性的温度的降低。

典型的超顺磁性纳米颗粒包括像Fe、Co和Ni之类的金属、像FePt之类的合金、像Fe₃O₄之类的氧化物，等等。如图1(a)中所示，对于该实施方式，超顺磁性纳米微晶12被涂敷表面活化剂层14，用以形成涂敷的纳米颗粒10。如图1(b)中所示，涂敷了表面活化剂的纳米颗粒10如上所述地被均匀地分散在聚合物基质32中，以形成磁性纳米颗粒复合物30。纳米颗粒在聚合物基质中的分散可以通过各种本领域中已知的常规方法来执行。例如，复合物可以使用溶液混合或者熔态混合技术制成。对于热固性聚合物而言，溶液方法是合适的。热固性聚合物溶解在溶剂中并且与纳米颗粒相混合。复合物薄膜通过铸造或者旋涂，以及由加热或紫外光进行的传统固化处理而得以形成。对于热塑性聚合物而言，溶液混合也适合于生产复合物。与低黏度溶剂的混合使得纳米颗粒在聚合物中具有良好的分散性。膜可以通过铸造或者旋涂(溶剂被蒸发掉)而得以形成。薄膜也可以使用朗缪尔-布洛节塔(Langmuir-Blodgett)技术或者逐层沉积而直接从溶液中制得。

备选地，由于纳米颗粒上涂敷有表面活化剂，其可以与熔态热塑性聚合物很好地混合。可以使用标准的熔态混合技术(例如具有混合元件的双螺杆挤压机或单螺杆挤压机)和塑料加工方法(挤压法、注射模塑法或压缩模塑法)。这一方法对于大批量生产可能更为有利。

随着复合材料的凝固(对于热塑性聚合物而言，这意味着冷却至其玻璃态转变温度以下；或者对于热固性聚合物而言，这意味着固化)，聚合物基质变得坚硬而磁性纳米颗粒则被绑定到基质，不能够移动或旋转(见图1(b))。

尽管复合物优选地以比如薄膜之类的平板形状成形，但根据本文中的教导，也可以考虑其他几何形状。除上述用于形成平板形状的复合物的方法以外，本领域中的技术人员也可以考虑其他的形成方法。

纳米颗粒在基质中的重量或体积比例不受限制，并且其应当根据具体应用所确定，以产生期望的磁导率值。例如，从百分之几直到表面活化剂层和聚合物为保持颗粒的分离所能允许的颗粒紧密堆积之间的任何情况都可以考虑。

合适的纳米微晶颗粒的特征可以在于，每个纳米颗粒具有所谓的“易趋向轴”(如图1(a)中所示)。易趋向轴是磁性材料中的自发磁化在能量上有利的方向。易趋向轴取决于各种因素，包括磁晶各向异性和形状各向异性。沿着易趋向轴的两个相反的方向通常是等效的，而实际的磁化方向可以是它们中的任何一个。

在这样形成的复合物中，纳米颗粒的易趋向轴的定向是随机的并且纳米颗粒被基质所约束。因此，复合物的净磁化为零。根据本文中的教导，形成的复合物被进一步处理以允许根据预定图案对磁铁纳米颗粒进行局部排齐(所述处理工艺在下文中称为“图案化”)。其结果是，图案内的纳米颗粒基本上被排齐在其易趋向轴中，而图案外的纳米颗粒仍保持随机的定向。

一种用于在复合物中形成排齐的磁性纳米颗粒图案的方法是，沿着预定图案，使用精细聚焦的激光束或者其他合适的热源，进行局部加热。热源的选择取决于图案的形状并且可以采取许多不同的形式。因此，应当理解，还存在其他方式用以提供“图案化”，并且所示的技术仅仅是示范性的。图2示出一个范例，其中激光束40沿着复合物30上的线路移动，而激光所击中的点具有高于周围区域的温度。在复合物被激光束局部加热的同时还施加了外部磁场B。沿着激光束移动的线路，聚合物基质材料被局部地软化或者液化。超过一定温度，在软化区域中的纳米颗粒10就能够来回移动和/或旋转。施加在复合物上的外部磁场影响颗粒的旋转方向，从而使其易趋向轴基本上相对于磁场B排齐。排齐的结果是，平均的颗粒间距离可以减小并且纳米颗粒甚至可以变得几乎沿线路彼此相连。

加热激光束可被精确调节，使得聚合物基质被局部地液化，足以允许纳米颗粒的旋转。通常，对于非晶态热塑性聚合物和热固性聚合物而言，将聚合物基质加热至略高于其玻璃态转变温度就已足够。然而，对于一些高结晶性热塑性聚合物而言，可能需要进行局部熔化。甚至更加精确地，激光束或备选热源能够以这样的方式可控地应用：使得只有包围纳米颗粒的表面活化剂层被液化，从而只允许纳米颗粒的旋转而不是线性移动。

基质材料在移除热源之后会迅速冷却。在基质再次完全地凝固之前一直施加有外部磁场。其结果是，磁性纳米颗粒复合物现在具有图像化的微观结构。根据设计，图案可以包含几条平行的或者在不同角度中的线路。图案能够以几个步骤制成，在其中外部磁场的方向与激光加热线路被仔细地匹配，以确保纳米颗粒被定向于期望的方向之中。

定向的方向取决于特定应用。例如，如果电磁波的传播模态为横向电磁波模态(TEM)，那么纳米颗粒应当以其易趋向轴定向，使得电流平行于线路而磁场垂直于该线路，因而将纳米颗粒的易趋向轴定向为与线路垂直将会具有比其他方向更多的效果。

图案化磁性纳米颗粒组件可用于制造用以引导RF或微波频率电磁波的传输线组件。

在电磁学中，磁导率是对所施加的磁场线性地做出响应的材料的磁化程度。磁导率以希腊字母μ表示。基本上，复合物的磁导率取决于复合物中的颗粒的密度、颗粒的定向，以及材料的选择。从以上可以看出，复合物在某一位置上的磁导率取决于磁性纳米颗粒在该位置上的净易趋向轴。在非图案化位置上，净磁化为零。在图案化位置上，纳米颗粒的净轴不再是随机的并且净磁化不为零。因此，在图案化位置上的磁导率与非图案化的位置上的是不相同的。通过对纳米颗粒定向的微调，磁导率中的局部改变得以实现。

使磁性纳米颗粒复合物局部地图案化产生了期望的磁导率空间分布。图案化磁性纳米颗粒复合物可以用作电介质，用于电磁能量的传输或者比如传输线或波导之类的分布式元件的RF特性的局部调节。

图3中示出了根据本公开内容的带状线的示意图。图3(a)示出根据上述在复合物中产生一条排齐的纳米颗粒线的处理工艺而制备出的一块磁性纳米颗粒复合物。图3(b)示出条状线，在其中图3(a)的磁性纳米颗粒复合物(作为电介质使用)被夹在两个导电板之间。纳米颗粒的排齐的线起到带状线内的中心导体的作用。

如果聚合物基质是导电性的(包括任何具有固有导电性的聚合物)，则不需要导电板。磁性纳米颗粒复合物以类似于以上所述的方式被图案化，而带状线可以完全使用复合材料制成。

现在参考图4，这样形成的磁性纳米颗粒复合物板(a)具有由材料的选择和纳米颗粒的密度所确定的磁导率μ。这样的复合物板受到根据本公开内容的处理工艺的处理，并且，其结果是，纳米颗粒根据处理工艺条件在某些或者所有位置中被部分地或完全地定向。因而，在处理后，复合物的磁导率变为μ’(b)。因此，即使复合物的尺寸保持不变，复合物的磁特性是不相同的。这一特征可以用来简化传输线组件的设计。

通过局部地定制波导介质的电磁环境(磁导率)，可以形成电磁能量的导管(即，波导)。因而无需任何额外的电缆来对电磁波进行引导。在波导中这样产生的约束可以通过圆波导的TM₀₁模态截止频率进行估算：

F＝c×2.4/r

(其中c为光速，r为波导的半径)

这表明波导需要具有在三倍于波长的范围内的尺寸。就尺寸而言，本发明在波长为从0.3到0.1mm(频率为1-3THz)的THz频率范围内是非常有用的。

如本文中的教导所建议的对材料特性的微调可用于改变微波传输带或其他传输线的阻抗水平。局部的、可调的磁特性变化等效于对微波传送带的宽度的改变，并因此允许将于下文示例说明的具有变化的和可变的微波传输带阻抗的同尺寸“接线”。磁导率中的梯度将导致电磁波的反射并且因而将会产生像在其他传输线中那样的波导。如果纳米颗粒的净易趋向轴被部分地排齐并且该排齐的程度和/或定向在各位置间逐渐地改变，那么复合材料可以用作变换器，因为电磁波特性将取决于环境的磁导率。

对磁特性非常局部性的调节允许传输线组件的制造，在该传输线组件中，对导体的环境的材料特性进行调节而不是对导体的宽度做出改变。这产生了在其中只对材料特性而不是对接线结构做出改变的设计领域。这在其中例如有50ohm的输入端与低得多的阻抗在甚高频上匹配的电路中可能是非常有益的。这还允许带状线组件的尺寸(宽度)与在微波频率上使用的非常小的组件管芯的尺寸具有同一量级。

图5(a)示出具有三个不同宽度的常规多分段变换器。每个分段具有由电介质的宽度所确定的磁导率值，而每个分段因而具有特征阻抗。图5(b)是具有平滑变化的宽度的常规波导，该宽度对应于平滑变化的磁导率。图5(c)是根据本文中的教导的多分段变换器。通过局部地调节纳米颗粒的定向，复合物的不同分段具有不同的磁导率值μ₁、μ₂和μ₃，这相当于具有三个不同的特征阻抗值。具有与图5(b)相类似的磁特性但却具有固定宽度的波导也可以由本发明的复合物和处理工艺制成。

根据所述实施方式，局部微观结构的变化在正常工作条件下被永久性地保存。通过进一步的处理工艺，可以逆转所述变化。为了逆转所述变化，例如重新随机化颗粒的定向，在不施加外部磁场的情况下只需将复合物置于液化温度即可。

总而言之，本公开内容展示了以下优点以及其他优点：

(1)传输电路可不以细导线、电缆或条带制成。其可以只包括板和复合材料。如果复合物的基质是导电性的(例如，由导电聚合物制成)，那么电路可以只使用复合物制成。例如，在印刷线路板中，板可以被由磁性纳米颗粒复合材料制成的薄片所取代，而一些或所有之前所需的额外接线都可以被省略掉。

(2)接线的物理宽度可以保持相同，只有在下面(或内部)的材料特性发生了变化。这在其中需要对高频组件和传输线的物理尺寸进行匹配的甚高频、低阻抗电路中可能是有益的。

(3)电路的材料特性的调节产生出在不使用可调组件的情况下对电路进行调节的可逆方式，并且因而支持用于电路设计的非常快的设计-测试-调节-再测试周期。

应当理解，上述布置只是本文中的教导的原理的应用的示例说明。特别是，应当理解，虽然展示了传输线实施方式，但本文中的教导不局限于传输线。本公开内容通过参考具体范例而被公开。本领域中的技术人员能够在不背离本文中的教导的范围的情况下设计出许多修改和备选布置。