Metatom dielectric cu coeficient de temperatură a frecvenței rezonante reglabile - Rapoarte
Subiecte
rezumat
În acest articol, prezentăm o dovadă a conceptului unei noi abordări pentru a obține coeficienți de temperatură de frecvență rezonantă personalizați în metatomatomi dielectrici. Tehnica constă în introducerea unui material de dilatare sau contracție termică care se leagă de absorbanții dielectrici activi cu permitivitate ridicată. Atât simularea, cât și experimentul arată că, prin proiectarea atentă a dimensiunii elementului și alegerea adecvată a materialului intermediar termomecanic, este posibilă creșterea sau scăderea sensibilității la temperatura de schimbare a frecvenței de rezonanță. Odată ce materialul dielectric activ este ales și se determină proiectarea unui metaatom, arătăm că schimbarea frecvenței rezonante depinde de coeficientul de expansiune termică a stratului intermediar. Această lucrare demonstrează fezabilitatea manipulării deplasării albastre sau roșii a dispozitivelor metamateriale prin introducerea straturilor sensibile la temperatură în metaatomi.
Introducere
În ultimele decenii, metamaterialele electromagnetice (EM) 1, 2, 3 au atras entuziasm considerabil din partea cercetătorilor datorită proprietăților lor remarcabile care ar putea fi aplicate pentru a obține permitivitate sau permeabilitate anormală 4, 5, 6, acoperirea EM 7, 8, 9, Perfect lentile 10, 11, filtre reglabile cu bandă 12, 13, cuplaje cu microunde 14, absorbante 15 și alte utilizări. Comparativ cu elementele metalice rezonante, rezonatoarele dielectrice nemetalice prezintă numeroase avantaje în construcția metamaterialelor cu răspunsuri electromagnetice izotrope și pierderi conductoare mai mici la frecvențe de operare ridicate 16. Există multe forme de rezonanță electrică sau magnetică în materialele dielectrice 17, 18, cum ar fi feroelectricele 19, permeabilitatea negativă, particulele de rezonanță Mie 20, rezonanța feromagnetică în feritele 21 și altele. Dintre acestea, rezonanța Mie este o abordare simplă bazată pe curenții de deplasare 22, 23, 24. Frecvența de rezonanță Mie de ordinul întâi f 1 este dată de
unde θ 1 este o constantă apropiată de π, c este viteza luminii în vid, r este raza metaatomilor dielectrici, ε 2 și μ2 este permitivitatea relativă și permeabilitatea metaatomilor dielectrici. Pentru materialul dielectric nemagnetic, μ 2 este de obicei aproximativ egal cu 1. După cum sugerează ecuația (1), odată ce dimensiunea elementului dielectric este fixă, frecvența rezonanței Mie de ordinul I este decisă de dielectricul de permitivitate relativă material. Permitivitatea multor materiale dielectrice importante, cum ar fi CaTiO 3, este foarte sensibilă la temperatura 25, 26. Schimbarea frecvenței materialelor dielectrice cauzată de schimbarea temperaturii se caracterizează prin coeficientul de temperatură al frecvenței de rezonanță (TCF), care se calculează prin
unde τ f este TCF, τ ε este coeficientul de temperatură al permitivității și α L este coeficientul de expansiune termică liniară. Multe investigații au manipulat τ f pentru a obține virajele albastre sau roșii dorite pentru a îndeplini cerințele practice specifice. Mai multe dintre acestea au obținut tunf tunabil prin amestecarea a două sau mai multe materiale opuse lui τ f 27, 28, cum ar fi MgTiO3 - CaTiO3 29 și Ba (Zn, Nb) O3 - Ba (Zn, Ta) O330. Din păcate, procesul de fabricație pentru acești compuși este adesea foarte complicat și implică o temperatură ridicată de sinterizare. În plus, materialele componente care trebuie amestecate trebuie selectate cu atenție pentru a îndeplini alte cerințe, cum ar fi un Q ridicat și o valoare adecvată de ε, limitând utilizarea lor în metaparautoni.
Prin urmare, o abordare mai universală a controlului TCF, aplicabilă majorității materialelor dielectrice, este extrem de dorită. Din ecuația (1), TCF este strâns legat de coeficientul de expansiune termică (CTE) al materialului. Acest lucru a indicat faptul că TCF al materialelor ar putea fi manipulat prin introducerea unei a doua componente cu răspuns termic al CTE corespunzător în proiectarea meta-atomilor.
În ultimii ani, materialele CTE sintonizabile artificiale au fost investigate pe larg, demonstrând CTE 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38 negative, pozitive sau aproape de zero, oferind o cale simplă și versatilă de manipulare a proprietăților EM ale metamaterialelor prin dilatare sau contracție termică. Prin urmare, prin construirea metaatomilor folosind dielectricul cu permitivitate ridicată și un al doilea material cu un CTE dorit, TCF-ul meta-dispozitivelor EM ar putea fi manipulat. Al doilea material nu ar avea o rezonanță de absorbție, ci ar acționa pur și simplu pentru a schimba separarea dintre elementele dielectrice active.
Rezultate
Pentru a demonstra fezabilitatea metodei noastre propuse, în acest document este proiectat un meta-atom compus din patru cuburi dielectrice și un strat intermediar termic variabil. Pentru a explora relația dintre expansiunea termică a stratului mediu și TCF efectiv al metaatomului, am efectuat lucrările de simulare folosind pachetul software Microwave Studio (CST Studio Suite 2016, Germania), pe modelul prezentat în Fig. 1 Dimensiunile din cutia de vid dreptunghiulară înconjurată de un conductor perfect sunt 22,86mm × 10,16mm × 100mm (ghid de undă EIA WR-90), în care există un singur mod cu câmp electric E paralel cu axa y de 8,2 GHz la 12,4 GHz (X -banda) pot fi transmise.