一種諧波選擇性產(chǎn)生的超材料結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電磁通信領(lǐng)域，具體涉及一種諧波選擇性產(chǎn)生的超材料結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]人工電磁超材料是一種人造介質(zhì)，在自然界并不存在，它利用亞波長的微結(jié)構(gòu)當(dāng)做類似材料組成單元的原子和分子，因其所具有的獨(dú)特的電磁特性，如負(fù)折射率效應(yīng)、負(fù)磁導(dǎo)率效應(yīng)、強(qiáng)圓二向色性、電磁隱身、逆多普勒效應(yīng)、逆契侖可夫輻射等而受到廣泛的關(guān)注。近年來已有許多關(guān)于線性電磁超材料特性的研究，特別是微波波段的非線性特性。微波非線性應(yīng)用中急需具有明顯非線性效應(yīng)的材料，自然界中的普通材料無法滿足場增強(qiáng)，從而無法滿足非線性的增強(qiáng)，因此，利用非線性超材料實(shí)現(xiàn)微波波段的非線性效應(yīng)成了必然選擇。
[0003]目前研究中所提及的超材料，雖然具有場增強(qiáng)效應(yīng)，但是要實(shí)現(xiàn)巨場增強(qiáng)必然要犧牲局域場增強(qiáng)的空間性，所以在利用二極管實(shí)現(xiàn)非線性的過程中場增強(qiáng)幅度和可利用空間形成矛盾。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于，提供一種能實(shí)現(xiàn)二次諧波和三次諧波選擇性生成的超材料結(jié)構(gòu)。
[0005]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案如下:
[0006]—種諧波選擇性產(chǎn)生的超材料結(jié)構(gòu)，包括至少一個(gè)呈矩陣排列的超材料結(jié)構(gòu)單元，每個(gè)超材料結(jié)構(gòu)單元包括基板、位于基板之上的人工微結(jié)構(gòu)、及加載于人工微結(jié)構(gòu)上的可變電容二極管;所述人工微結(jié)構(gòu)包括雙開口諧振環(huán)和四條金屬臂，所述雙開口諧振環(huán)包括兩個(gè)相對設(shè)置且不接觸的金屬半環(huán)、有2個(gè)對稱的開口，每個(gè)開口的兩端分別向環(huán)外方向加載平行于開口方向的金屬臂，用于放大開口處的承載空間，每條金屬臂與開口間的距離相等，每個(gè)開口處的兩條平行金屬臂間加載一可變電容二極管。
[0007]進(jìn)一步地，所述2個(gè)對稱的開口通過微加工技術(shù)制備。
[0008]進(jìn)一步地，所述人工微結(jié)構(gòu)由銀線、銅線等金屬線制成，所述基板為微波段低損耗介質(zhì)基板，具體為FR4介質(zhì)基板、特氟龍介質(zhì)基板等。
[0009]進(jìn)一步地，所述兩個(gè)開口處的兩個(gè)可變電容二極管導(dǎo)通方向相同時(shí)，所述超材料結(jié)構(gòu)產(chǎn)生二次諧波;所述兩個(gè)開口處的兩個(gè)可變電容二極管導(dǎo)通方向相反時(shí)，所述超材料結(jié)構(gòu)產(chǎn)生三次諧波，從而可通過調(diào)整可變電容二極管的加載方向?qū)崿F(xiàn)二次諧波和三次諧波的選擇性產(chǎn)生。
[0010]進(jìn)一步地，所述雙開口諧振環(huán)的外半徑r為3?8mm，所述金屬半環(huán)的寬度d為0.45?0.75mm，所述開口的寬度g為0.2?0.5mm，所述每條金屬臂的臂長c相等且均為1mm，所述金屬臂與相鄰開口間的距離a為0.25?0.4mm。
[0011]本發(fā)明的有益效果為:本發(fā)明超材料結(jié)構(gòu)能在滿足可變電容二極管適用尺寸的結(jié)構(gòu)中放大動態(tài)電壓;且可通過調(diào)整可變電容二極管的連接方式，實(shí)現(xiàn)二次諧波和三次諧波的選擇性生成，對微波波段的非線性器件的研究具有重要作用。
【附圖說明】
[0012]圖1為本發(fā)明超材料結(jié)構(gòu)單元的示意圖；其中，(a)為超材料結(jié)構(gòu)單元的整體結(jié)構(gòu)示意圖，(b)為超材料結(jié)構(gòu)單元的俯視圖及人工微結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)；
[0013 ]圖2為本發(fā)明超材料結(jié)構(gòu)單元開口處的動態(tài)電壓幅度；
[0014]圖3為本發(fā)明超材料結(jié)構(gòu)單元產(chǎn)生二次諧波時(shí)的頻譜圖；
[0015]圖4為本發(fā)明超材料結(jié)構(gòu)單元產(chǎn)生三次諧波時(shí)的頻譜圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，詳述本發(fā)明的技術(shù)方案。
[0017]本發(fā)明提供了一種諧波選擇性產(chǎn)生的超材料結(jié)構(gòu)，利用人工微結(jié)構(gòu)加載可變電容二極管，實(shí)現(xiàn)諧波的產(chǎn)生;并且通過調(diào)整可變電容二極管的連接方式，實(shí)現(xiàn)二次諧波和三次諧波的選擇性產(chǎn)生。
[0018]如圖1所示，為本發(fā)明提供的一種諧波選擇性產(chǎn)生的超材料結(jié)構(gòu)，所述超材料結(jié)構(gòu)包括至少一個(gè)呈矩陣排列的超材料結(jié)構(gòu)單元，所述超材料結(jié)構(gòu)單元包括基板、位于基板之上的人工微結(jié)構(gòu)、以及加載于人工微結(jié)構(gòu)上的可變電容二極管;所述人工微結(jié)構(gòu)包括雙開口諧振環(huán)和四條金屬臂，所述雙開口諧振環(huán)包括兩個(gè)相對設(shè)置且不接觸的金屬半環(huán)，所述雙開口諧振環(huán)有2個(gè)對稱設(shè)置的開口，每個(gè)開口兩端的金屬半環(huán)向環(huán)外方向加載平行于開口方向的金屬臂，用于放大開口處的承載空間，每條金屬臂與開口間的距離相等，每個(gè)開口處兩條平行的金屬臂間加載一可變電容二極管。
[0019]進(jìn)一步地，所述超材料結(jié)構(gòu)單元包括一個(gè)能對電磁波產(chǎn)生強(qiáng)烈諧振的雙開口諧振環(huán)，所述雙開口諧振環(huán)包括兩個(gè)相對設(shè)置且不接觸的金屬半環(huán)，雙開口諧振環(huán)具有兩個(gè)對稱的開口，每個(gè)開口處可向外輻射出兩根平行于開口方向的金屬臂。
[0020]進(jìn)一步地，所述雙開口諧振環(huán)的兩個(gè)開口可通過微加工技術(shù)使其處于微米尺寸，相比毫米尺寸的開口，微米尺寸的開口能使開口處的響應(yīng)電壓提高。圖2為本發(fā)明超材料結(jié)構(gòu)單元開口處的電壓隨頻率的變化曲線，反應(yīng)出開口處的電壓放大效應(yīng)。
[0021 ] 進(jìn)一步地，所述雙開口諧振環(huán)開口處向外輻射的金屬臂跟金屬半環(huán)端口相連，和端口處于同一電位，因此放大了高電壓端口的尺寸，使得毫米尺寸的貼片可變電容二極管能應(yīng)用于該超材料結(jié)構(gòu)單元。
[0022]本發(fā)明在開口處兩條平行的金屬臂間加載可變電容二極管，即在超材料結(jié)構(gòu)單元中引入了非線性元素，使超材料結(jié)構(gòu)單元具有電磁波的非線性響應(yīng)；同時(shí)，由于開口處具有電壓放大效應(yīng)，因此該超材料結(jié)構(gòu)能產(chǎn)生明顯的諧波信號。
[0023]本發(fā)明可通過調(diào)整可變電容二極管的加載方向，實(shí)現(xiàn)二次諧波和三次諧波的選擇性產(chǎn)生。當(dāng)兩個(gè)開口處的兩個(gè)可變電容二極管導(dǎo)通方向相同時(shí)，所述超材料結(jié)構(gòu)產(chǎn)生二次諧波；當(dāng)兩個(gè)開口處的兩個(gè)可變電容二極管導(dǎo)通方向相反時(shí)，所述超材料結(jié)構(gòu)產(chǎn)生三次諧波。圖3為本發(fā)明超材料結(jié)構(gòu)單元產(chǎn)生二次諧波時(shí)的頻譜圖，顯示了二次諧波的產(chǎn)生；圖4為本發(fā)明超材料結(jié)構(gòu)單元產(chǎn)生三次諧波時(shí)的頻譜圖，顯示了三次諧波的產(chǎn)生。其中，F(xiàn)F表示基波信號，SH表示二次諧波信號，TH表示三次諧波信號。
[0024]實(shí)施例
[0025]—種諧波選擇性產(chǎn)生的超材料結(jié)構(gòu)，包括至少一個(gè)呈矩陣排列的超材料結(jié)構(gòu)單元，每個(gè)超材料結(jié)構(gòu)單元包括基板、位于基板之上的人工微結(jié)構(gòu)、及加載于人工微結(jié)構(gòu)上的可變電容二極管;所述人工微結(jié)構(gòu)為將金屬銅涂覆于特氟龍板材表面，然后通過微細(xì)加工技術(shù)制作得到的；如圖1 (b)所示，超材料結(jié)構(gòu)單元的具體尺寸為:介質(zhì)基板厚度t = 1mm，介質(zhì)基板的長度和寬度L相等且均為7mm，雙開口諧振環(huán)的外環(huán)的半徑為r = 5mm，環(huán)的寬度為d=0.45mm，開口的寬度為g = 0.2mm，每條金屬臂與開口間的距離為a = 0.4mm，金屬臂的寬度與環(huán)的寬度相等，為0.45mm，四條金屬臂的臂長c相等且c = 1mm;每個(gè)開口處兩條平行的金屬臂間加載型號為SMS1231的可變電容二極管，即可得到本發(fā)明所述超材料結(jié)構(gòu)單元。通過改變兩個(gè)可變電容二極管的加載方向，即可實(shí)現(xiàn)二次諧波和三次諧波的選擇產(chǎn)生。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種諧波選擇性產(chǎn)生的超材料結(jié)構(gòu)，包括至少一個(gè)呈矩陣排列的超材料結(jié)構(gòu)單元，每個(gè)超材料結(jié)構(gòu)單元包括基板、位于基板之上的人工微結(jié)構(gòu)、及加載于人工微結(jié)構(gòu)上的可變電容二極管;所述人工微結(jié)構(gòu)包括雙開口諧振環(huán)和四條金屬臂，所述雙開口諧振環(huán)包括兩個(gè)相對設(shè)置且不接觸的金屬半環(huán)、有2個(gè)對稱的開口，每個(gè)開口的兩端分別向環(huán)外方向加載平行于開口方向的金屬臂，用于放大開口處的承載空間，每條金屬臂與開口間的距離相等，每個(gè)開口處的兩條平行金屬臂間加載一可變電容二極管。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的諧波選擇性產(chǎn)生的超材料結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述兩個(gè)可變電容二極管導(dǎo)通方向相同時(shí)，超材料結(jié)構(gòu)產(chǎn)生二次諧波;所述兩個(gè)可變電容二極管導(dǎo)通方向相反時(shí)，超材料結(jié)構(gòu)產(chǎn)生三次諧波。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的諧波選擇性產(chǎn)生的超材料結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述人工微結(jié)構(gòu)由銀線、銅線制成，所述基板為微波段低損耗介質(zhì)基板。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的諧波選擇性產(chǎn)生的超材料結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述雙開口諧振環(huán)的外半徑r為3?8mm。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的諧波選擇性產(chǎn)生的超材料結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述金屬半環(huán)的寬度d為0.45?0.75mm。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的諧波選擇性產(chǎn)生的超材料結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述開口的寬度g為0.2 ?0.5mm ο7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的諧波選擇性產(chǎn)生的超材料結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述金屬臂的臂長為lmm08.根據(jù)權(quán)利要求1所述的諧波選擇性產(chǎn)生的超材料結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述金屬臂與開口間的距離a為0.25?0.4mm。
【專利摘要】一種諧波選擇性產(chǎn)生的超材料結(jié)構(gòu)，屬于電磁通信領(lǐng)域。包括至少一個(gè)呈矩陣排列的超材料結(jié)構(gòu)單元，每個(gè)超材料結(jié)構(gòu)單元包括基板、位于基板之上的人工微結(jié)構(gòu)、及加載于人工微結(jié)構(gòu)上的可變電容二極管；所述人工微結(jié)構(gòu)包括雙開口諧振環(huán)和四條金屬臂，雙開口諧振環(huán)包括兩個(gè)相對設(shè)置且不接觸的金屬半環(huán)、有2個(gè)對稱的開口，每個(gè)開口的兩端分別向環(huán)外方向加載平行于開口方向的金屬臂，每條金屬臂與開口間的距離相等，每個(gè)開口處的兩條平行金屬臂間加載一可變電容二極管。本發(fā)明超材料結(jié)構(gòu)能在滿足可變電容二極管適用尺寸的結(jié)構(gòu)中放大動態(tài)電壓；且可通過調(diào)整可變電容二極管的連接方式，實(shí)現(xiàn)二次諧波和三次諧波的選擇性生成。
【IPC分類】H01Q15/00
【公開號】CN105490029
【申請?zhí)枴緾N201510900681
【發(fā)明人】趙強(qiáng), 曾惠中
【申請人】電子科技大學(xué)
【公開日】2016年4月13日
【申請日】2015年12月9日