Предмети

Резюме

У цій статті ми представляємо доказ концепції нового підходу для досягнення спеціальних коефіцієнтів температур резонансної частоти в діелектричних метатоматомах. Методика полягає у введенні матеріалу термічного розширення або стиснення, який зв’язується з активними діелектричними поглиначами з високою проникністю. І моделювання, і експеримент показують, що завдяки ретельному проектуванню розміру елемента та відповідному вибору термомеханічного прошарочного матеріалу можна збільшити або зменшити чутливість до температури зміни резонансної частоти. Після вибору активного діелектричного матеріалу та визначення конструкції метаатома ми показуємо, що резонансна зміна частоти залежить від коефіцієнта теплового розширення прошарку. Ця робота демонструє можливість маніпулювання синім або червоним зміщенням метаматеріальних пристроїв шляхом введення чутливих до температури прошарків у метаатоми.

Вступ

В останні десятиліття електромагнітні (ЕМ) метаматеріали 1, 2, 3 викликають значний ентузіазм дослідників завдяки своїм чудовим властивостям, які можна застосувати для досягнення аномальної діелектричної проникності або проникності 4, 5, 6, маскування ЕМ 7, 8, 9, Perfect лінзи 10, 11, регульовані смугові фільтри 12, 13, мікрохвильові муфти 14, поглиначі 15 та інші способи використання. Порівняно з резонансними металевими елементами, неметалеві діелектричні резонатори демонструють багато переваг у конструкції метаматеріалів з ізотропними електромагнітними відгуками та меншими провідними втратами при високих робочих частотах 16. Існує багато форм електричного або магнітного резонансу в діелектричних матеріалах 17, 18, таких як сегнетоелектрики 19, негативна проникність, резонансні частинки Mie 20, феромагнітний резонанс у феритах 21 та інші. Серед них резонанс Мі - це простий підхід, заснований на струмах зміщення 22, 23, 24. Резонансна частота Мі першого порядку f 1 задана формулою

де θ 1 - константа, близька до π, c - швидкість світла у вакуумі, r - радіус діелектричних метаатомів, ε 2, μ 2 - відносна діелектрична проникність та проникність діелектричних метаатомів. Для немагнітного діелектричного матеріалу μ 2 зазвичай приблизно дорівнює 1. Як пропонується рівнянням (1), як тільки розмір діелектричного елемента фіксується, частота резонансу Мі першого порядку визначається відносною діелектричною проникністю матеріал. Діелектрична проникність багатьох важливих діелектричних матеріалів, таких як CaTiO 3, дуже чутлива до температури 25, 26. Зміна частоти діелектричних матеріалів, спричинена зміною температури, характеризується температурним коефіцієнтом резонансної частоти (TCF), який розраховується за

де τ f - TCF, τ ε - температурний коефіцієнт діелектричної проникності, а α L - коефіцієнт лінійного теплового розширення. Багато досліджень маніпулювали τ f, щоб досягти бажаних синіх або червоних поворотів, щоб відповідати конкретним практичним вимогам. Деякі з них отримали регульований тунф шляхом змішування двох або більше матеріалів, протилежних τ f 27, 28, таких як MgTiO3 - CaTiO3 29 та Ba (Zn, Nb) O3 - Ba (Zn, Ta) O330. На жаль, процес виробництва цих сполук часто дуже складний і передбачає високу температуру спікання. Крім того, компоненти матеріалів, що підлягають змішуванню, повинні бути ретельно підібрані, щоб відповідати іншим вимогам, таким як високий Q та адекватне значення ε, що обмежує їх використання у метапараутах.

Тому вкрай бажаний більш універсальний підхід до контролю TCF, застосовний до більшості діелектричних матеріалів. З рівняння (1) TCF тісно пов’язаний з коефіцієнтом теплового розширення (CTE) матеріалу. Це вказувало на те, що TCF матеріалів можна маніпулювати введенням другого компонента з тепловою реакцією відповідного CTE у конструкцію метаатомів.

В останні роки штучно налаштовані матеріали КТЕ були широко досліджені, демонструючи негативні, позитивні або майже нульові КТЕ 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, пропонуючи простий і універсальний спосіб маніпулювання властивостями ЕМ метаматеріалів через термічне розширення або стиснення. Отже, побудувавши метаатоми з використанням діелектрика з високою диелектричною проникністю та другого матеріалу з бажаним КТЕ, TCF мета-пристроїв ЕМ може маніпулювати. Другий матеріал не мав би резонансу поглинання, а просто діяв би, щоб змінити поділ між активними діелектричними елементами.

Результати

Щоб продемонструвати доцільність запропонованого нами способу, у цьому документі розроблено мета-атом, що складається з чотирьох діелектричних кубів та термо змінного проміжного шару. Щоб дослідити взаємозв'язок між тепловим розширенням середнього шару та ефективним TCF метаатома, ми виконали імітаційну роботу за допомогою програмного пакету Microwave Studio (CST Studio Suite 2016, Німеччина), на моделі, зображеній на рис. 1 Розміри прямокутної вакуумної коробки, оточеної ідеальним провідником, складають 22,86 мм × 10,16 мм × 100 мм (хвилевод EIA WR-90), в якому існує один режим з електричним полем E, паралельним осі y від 8,2 ГГц до 12,4 ГГц (X -діапазон) може передаватися.

коефіцієнтом

Схема моделі мета-атома та тестового середовища, що використовуються при моделюванні.

Повнорозмірне зображення

Спочатку ми моделюємо залежність між шириною середнього шару та резонансною частотою першого порядку мета-атома. Метаатом був розроблений з чотирма діелектричними кубами з хрестоподібною прошарком з постійною діелектричною проникністю 2,3. Для спрощення моделювання та відповідності експерименту діелектричні куби мають діелектричну проникність 120,6 при кімнатній температурі (кераміка CaTiO3). Модельований результат показаний на рис. 2. Резонансна частота першого порядку має синій зсув, оскільки ширина прошарку збільшується з 0,4 до 1 мм.

Зв'язок між частотою резонансу першого порядку та шириною прошарку.

Повнорозмірне зображення

( до ) Розрахована залежність між відносною діелектричною проникністю та температурою (крива червоної точки) та частотою резонансу та температурою Міе першого порядку (крива синьої еліптичної точки). ( b ) Розраховано ефективний TCF метаатома в порівнянні з коефіцієнтом теплового розширення прошарку. ( c, d ) Резонансний зсув частоти першого порядку для метаатома ( c ) без еластичного прошарку і ( d ) з проміжним шаром (α в = −6,35 × 10 −3 K −1).

Повнорозмірне зображення

( до ) Налаштування вимірювання. ( b ) Зразок розміщений на хвилеводі.

Повнорозмірне зображення

( до - c ) Імітоване та виміряне зміщення резонансної частоти метатома з прошарком ( до ) кремнезем. ( b ) термоусадочні трубки та ( c ) гума. ( d ) Порівняння змодельованого та експериментально ефективного TCF трьох метаатомів. ( і - g ) Фотографії виготовлених зразків метаатомів. Зліва направо це шар термоусадочної трубки, шар кремнезему та шар гуми. Фотографії в ( b ) показують початкову форму (червона стрілка) зразка мета-атома з термоусадочним шаром трубки та його деформовану форму (синя стрілка) після нагрівання.

Повнорозмірне зображення

Налаштування експерименту складається з двох прямокутних хвилеводів WR-90, підключених до входу та виходу мережевого аналізатора Agilent PNA-LN5230C, та нагрівальної стрічки, обмотаної навколо хвилеводів і підключеної до нагрівального пристрою. Автоматичне регулювання температури. Під час вимірювань всі зразки розміщувались у однаковому положенні на хвилеводі, як показано на рис. 4 (b). Під час моделювання температура зросла з 305,5 К до 373,0 К.

Дебати

Хоча в наш час конструкція має деякі недоліки, ця робота демонструє доцільність адаптації TCF діелектричних метатоматів шляхом введення проміжного шару для термічного розширення або стиснення. Завдяки правильному проектуванню теплового розширення проміжного матеріалу можна досягти діелектричних метаатомів з регульованим TCF, якщо доступні відповідні матеріали та високоточний виробничий процес. Тут ми використовували керамічні кубики CaTiO 3 як діелектричні кубики, але цей підхід не обмежується діелектричними метаатомами. Покращений або зменшений TCF може бути розроблений для інших електромагнітних пристроїв, застосовуючи подібний підхід.

Висновки

У цій роботі ми ввели дуже різні матеріали КТЕ в метаатом ЕМ, щоб маніпулювати температурною чутливістю його резонансної частоти. Як моделювання, так і експеримент показують, що, правильно спроектувавши метаатом і вибравши відповідний проміжний матеріал КТЕ, його зсув у мікрохвильовому резонансі може бути обраний в межах. Це дослідження охоплювало діапазон температур від 305,5 до 373,0 К. Враховуючи майбутні розробки, доступ до штучних матеріалів із перетворюваним КТЕ можна отримати в процесі тривимірного друку, що дозволяє набагато ширше вибирати міжшарові матеріали. Крім того, цей метод також може застосовуватися в терагерцових, інфрачервоних або навіть оптичних частотах у масштабованих метаатомах.

Методи

підготовка зразка

Керамічний діелектрик виготовляли у твердому стані шляхом змішування порошків CaTiO3 з 1% по масі ZrO2. Діелектричні куби були вирізані з керамічної пластини діелектриком розмірами 2 мм х 2 мм х 2 мм. Метаатоми були побудовані шляхом з'єднання діелектричних кубів з трьома різними проміжними шарами. Різні виготовлені зразки метаатомів показані на рис. 5 (e - g).

Моделювання та вимірювання.

Зразки метаатомів вимірювали за допомогою двох прямокутних хвилеводів WR-90 з розмірами перерізів 22,86 мм x 10,16 мм x 100 мм. Інші кінці двох хвилеводів були з'єднані з входом і виходом векторного аналізатора мережі Agilent Technologies N5230C. Розрахунки спектрів мікрохвильової передачі S 21 використовували пакет програм CST studio 2016 Microwave Studio.

Наявність даних

Набори даних, створені під час поточного дослідження та проаналізовані, доступні у відповідного автора за обґрунтованим запитом.

Висловлення подяки

Ця робота була підтримана Національним фондом природничих наук Китаю за грантами №11274198 та 51532004 та Міським науково-технічним планом Шеньчжень за грантом JCYJ 20150827165038323.

Коментарі

Надсилаючи коментар, ви погоджуєтесь дотримуватись наших Умов та правил спільноти. Якщо ви виявите щось образливе або не відповідає нашим умовам чи інструкціям, позначте це як неприйнятне.