Субекти

Обобщение

В тази статия представяме доказателство за концепцията за нов подход за постигане на съобразени температурни коефициенти на резонансната честота в диелектричните метатомати. Техниката се състои от въвеждане на материал за термично разширение или свиване, който се свързва с активните диелектрични абсорбери с висока диелектрична проницаемост. И симулацията, и експериментът показват, че чрез внимателно проектиране на размера на елемента и подходящ избор на термомеханичен междинен слой е възможно да се увеличи или намали чувствителността към температурата на промяна на резонансната честота. След като се избере активният диелектричен материал и се определи конструкцията на мета атом, ние показваме, че резонансната промяна на честотата зависи от коефициента на топлинно разширение на междинния слой. Тази работа показва възможността за манипулиране на синьото или червеното изместване на метаматериалните устройства чрез въвеждане на чувствителни към температурата междинни слоеве в мета-атомите.

Въведение

През последните десетилетия електромагнитните (ЕМ) метаматериали 1, 2, 3 привлякоха значителен ентусиазъм от изследователите поради техните забележителни свойства, които могат да бъдат приложени за постигане на необичайна диелектрична проницаемост или пропускливост 4, 5, 6, ЕМ прикриване 7, 8, 9, Perfect лещи 10, 11, регулируеми лентови филтри 12, 13, микровълнови съединители 14, абсорбери 15 и други цели. В сравнение с резонансните метални елементи, неметалните диелектрични резонатори показват много предимства в конструкцията на метаматериали с изотропни електромагнитни реакции и по-малко проводими загуби при високи работни честоти 16. Има много форми на електрически или магнитен резонанс в диелектричните материали 17, 18, като фероелектрици 19, отрицателна пропускливост, резонансни частици Mie 20, феромагнитен резонанс във ферити 21 и други. Сред тях резонансът на Mie е прост подход, базиран на токове на изместване 22, 23, 24. Резонансната честота на Mie от първи ред f 1 се дава от

където θ 1 е константа, близка до π, c е скоростта на светлината във вакуум, r е радиусът на диелектричните метаатоми, ε 2 и μ 2 е относителната диелектрична проницаемост и пропускливост на диелектричните метаатоми. За немагнитния диелектричен материал μ 2 обикновено е приблизително равен на 1. Както се предлага от уравнение (1), след като размерът на диелектричния елемент е фиксиран, честотата на резонанса на Мие от първи ред се определя от относителната диелектрична диелектрична проницаемост материал. Диелектричната проницаемост на много важни диелектрични материали, като CaTiO 3, е много чувствителна към температура 25, 26. Промяната в честотата на диелектричните материали, причинена от промяната на температурата, се характеризира с температурния коефициент на резонансната честота (TCF), който се изчислява от

където τ f е TCF, τ ε е температурният коефициент на диелектрична проницаемост, а α L е коефициентът на линейно топлинно разширение. Много изследвания са манипулирали τ f, за да постигнат желаните сини или червени завои, за да отговорят на специфични практически изисквания. Няколко от тях получават регулируем туф чрез смесване на два или повече материала, противоположни на τ f 27, 28, като MgTiO3 - CaTiO3 29 и Ba (Zn, Nb) O3 - Ba (Zn, Ta) O330. За съжаление, производственият процес на тези съединения често е много сложен и включва висока температура на синтероване. Освен това съставните материали, които трябва да се смесват, трябва да бъдат внимателно подбрани, за да отговарят на други изисквания, като високо Q и адекватна стойност на ε, ограничавайки тяхната употреба в метапараутоните.

Следователно, по-универсален подход за управление на TCF, приложим за повечето диелектрични материали, е силно желателен. От уравнение (1) TCF е тясно свързан с коефициента на топлинно разширение (CTE) на материала. Това показва, че TCF на материалите може да се манипулира чрез въвеждане на втори компонент с термична реакция на подходящия CTE в дизайна на мета-атомите.

През последните години изкуствено регулируемите CTE материали са широко разследвани, демонстрирайки отрицателни, положителни или почти нулеви CTE 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, предлагайки прост и гъвкав начин за манипулиране на EM свойствата на метаматериалите чрез термично разширение или свиване. Следователно, чрез конструиране на метаатомите, използвайки диелектрик с висока диелектрична проницаемост и втори материал с желана CTE, TCF на EM-устройствата може да бъде манипулиран. Вторият материал няма да има абсорбционен резонанс, а просто ще действа, за да промени разделянето между активните диелектрични елементи.

Резултати

За да се демонстрира осъществимостта на предложения метод, в този документ е проектиран мета-атом, съставен от четири диелектрични куба и термично променлив междинен слой. За да изследваме връзката между топлинното разширение на средния слой и ефективния TCF на метаатома, извършихме симулационната работа, използвайки софтуерния пакет Microwave Studio (CST Studio Suite 2016, Германия), върху модела, показан на фиг. 1 Размерите на правоъгълната вакуумна кутия, заобиколена от перфектен проводник, са 22,86 mm × 10,16 mm × 100 mm (EIA WR-90 вълновод), в който има единичен режим с електрическо поле E, успоредно на оста y от 8,2 GHz до 12,4 GHz (X -band) може да се предава.

метатом

Схема на модела на мета-атома и тестовата среда, използвани в симулацията.

Изображение в пълен размер

Първо симулираме връзката между ширината на средния слой и резонансната честота от първи ред на мета-атома. Метаатомът е проектиран с четири диелектрични куба с кръстосан междинен слой с постоянна диелектрична проницаемост 2,3. За да се опрости моделирането и да се отговори на експеримента, диелектричните кубчета имат диелектрична проницаемост 120,6 при стайна температура (керамика CaTiO3). Симулираният резултат е показан на фиг. 2. Резонансната честота от първи ред има синьо отместване, тъй като ширината на междинния слой се увеличава от 0,4 до 1 mm.

Връзката между резонансната честота от първи ред и ширината на междинния слой.

Изображение в пълен размер

( да се ) Изчислена връзка между относителната диелектрична проницаемост и температура (крива на червената точка) и резонансната честота и температурата на Мие от първи ред (крива на синята елиптична точка). ( б ) Изчислена ефективна TCF на мета атома спрямо коефициента на топлинно разширение на междинния слой. ( c, d ) Резонансното изместване на честотата от първи ред за мета-атома ( ° С ) без еластичен междинен слой и ( д ) с междинен слой (α in = −6.35 × 10 −3 K −1).

Изображение в пълен размер

( да се ) Настройките за измерване. ( б ) Пробата, поставена върху вълновода.

Изображение в пълен размер

( да се - ° С ) Симулираното и измерено изместване на резонансната честота на метатома с междинния слой на ( да се ) силициев диоксид. ( б ) термосвиваеми тръби и ( ° С ) каучук. ( д ) Сравнение на симулиран и експериментално ефективен TCF на трите мета-атома. ( и - ж ) Снимки на изработени проби от метаатом. Отляво надясно това са термосвиваемият тръбен слой, силициевият слой и каучуковият слой. Снимките в ( б ) показват първоначалната форма (червена стрелка) на пробата от мета-атома със слой от термосвиваема тръба и нейната деформирана форма (синя стрелка) след нагряване.

Изображение в пълен размер

Настройката на експеримента се състои от два правоъгълни вълновода WR-90, свързани към входа и изхода на мрежов анализатор Agilent PNA-LN5230C, и нагревателна лента, увита около вълноводите и свързана към нагревателно устройство. Автоматичен контрол на температурата. По време на измерванията всички проби бяха поставени в една и съща позиция на вълновода, както е показано на фиг. 4 (b). При симулацията температурата се увеличи от 305,5 K на 373,0 K.

Дебатите

Въпреки че в момента нашият дизайн има някои недостатъци, тази работа показва възможността за адаптиране на TCF на диелектричните метатомати чрез въвеждане на междинен слой за термично разширение или свиване. Чрез правилно проектиране на топлинното разширение на междинния материал могат да се постигнат диелектрични метаатоми с регулируем TCF, ако са налице подходящи материали и високо прецизен производствен процес. Тук използвахме CaTiO 3 керамични кубчета като диелектрични кубчета, но този подход не се ограничава до диелектричните мета-атоми. Подобреният или намален TCF може да бъде проектиран за други EM устройства, следвайки подобен подход.

Заключения

В тази статия въведохме много различни CTE материали в ЕМ мета-атом, за да манипулираме температурната чувствителност на неговата резонансна честота. Както симулацията, така и експериментът показват, че чрез правилно проектиране на метаатома и избор на подходящия междинен материал на CTE, неговото микровълново резонансно синьо изместване може да бъде избрано в граници. Това проучване обхваща температурен диапазон от 305,5 K до 373,0 K. Предвид бъдещото развитие, изкуствените материали с регулируем CTE могат да бъдат достъпни чрез процеса на 3D печат, което позволява много по-широк избор за междинния материал. Освен това, този метод може да се прилага и при терагерцови, инфрачервени или дори оптични честоти в мащабирани метаатоми.

Методи

приготвяне на пробата

Керамичният диелектрик е получен в твърдо състояние чрез смесване на CaTiO3 прахове с 1 тегловни% ZrO2. Диелектричните кубчета бяха изрязани от диелектрична керамична плоча с размери 2 mm x 2 mm x 2 mm. Метаатомите са изградени чрез свързване на диелектричните кубчета с три различни междинни слоя. Различните произведени проби от метаатоми са показани на фиг. 5 (e - g).

Симулация и измерване.

Пробите на метаатомите бяха измерени с помощта на два правоъгълни вълновода WR-90 с размери на сечението 22,86 mm x 10,16 mm x 100 mm. Останалите краища на двата вълновода бяха свързани към входа и изхода на векторния мрежов анализатор на Agilent Technologies N5230C. Изчисленията на спектрите за микровълново предаване S 21 са използвали софтуерния пакет CST studio 2016 Microwave Studio.

Наличност на данни

Наборите от данни, генерирани по време на настоящото проучване и анализирани, са достъпни от съответния автор при разумна заявка.

Израз на благодарност

Тази работа беше подкрепена от Китайската национална фондация за естествени науки с грантови номера 11274198 и 51532004 и градския план за наука и технологии в Шенжен по грант JCYJ 20150827165038323.

Коментари

Изпращайки коментар, вие се съгласявате да спазвате нашите Общи условия и разпоредби. Ако откриете нещо злоупотребяващо или което не отговаря на нашите условия или насоки, моля, маркирайте го като неподходящо.