Диелектричен метатом с регулируем резонансен честотен температурен коефициент - Доклади
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.