Tárgyak

Összegzés

Ebben a cikkben bemutatjuk az új megközelítés koncepciójának igazolását az adaptált rezonancia frekvencia hőmérsékleti együtthatók elérésére a dielektromos metatómákban. A technika egy olyan hőtágulás vagy összehúzódás bevezetéséből áll, amely a nagy permittivitású aktív dielektromos abszorberekhez kötődik. A szimuláció és a kísérlet egyaránt azt mutatja, hogy az elem méretének gondos tervezésével és a termomechanikus közbenső réteg megfelelő megválasztásával lehetőség van a rezonancia frekvenciaváltozás hőmérsékletének érzékenységének növelésére vagy csökkentésére. Miután kiválasztottuk az aktív dielektromos anyagot és meghatároztuk a meta atom tervét, megmutatjuk, hogy a rezonáns frekvenciaváltozás a közbenső réteg hőtágulási együtthatójától függ. Ez a munka bemutatja a metamateriális eszközök kék vagy piros elmozdulásának manipulálhatóságát, hőmérsékletre érzékeny rétegek bevezetésével a metaatomokba.

Bevezetés

Az elmúlt évtizedekben az 1., 2., 3. elektromágneses (EM) metamaterialok jelentős lelkesedést váltottak ki a kutatókból figyelemre méltó tulajdonságaik miatt, amelyek alkalmazhatók a rendellenes permittivitás vagy permeabilitás elérésére 4, 5, 6, EM leplezés 7, 8, 9, Perfect 10, 11 lencsék, állítható 12, 13 sávszűrők, 14 mikrohullámú csatolók, 15 elnyelők és egyéb felhasználások. A rezonáns fémes elemekhez képest a nem fémes dielektromos rezonátorok számos előnnyel járnak az izotróp elektromágneses válaszokkal és kisebb vezetőképességű veszteséggel rendelkező nagynyomású üzemi frekvenciákon történő metamateriális anyagok felépítésében 16. Az elektromos vagy mágneses rezonancia számos formája létezik a 17, 18 dielektromos anyagokban, például a 19 ferroelektromos, a negatív permeabilitás, a Mie 20 rezonancia részecskék, a ferromágneses rezonancia a 21 ferritben és mások. Ezek közül a Mie rezonancia egy egyszerű megközelítés, amely a 22, 23, 24 elmozdulási áramokon alapul. Az első rendű Mie rezonancia frekvenciát az f 1 adja meg

ahol θ 1 állandó közel a π-hoz, c a fény sebessége a vákuumban, r a dielektromos metaatomok sugara, ε 2 és μ 2 a dielektromos metaatomák relatív permittivitása és permeabilitása. Nem mágneses dielektromos anyag esetén a μ 2 általában megközelítőleg egyenlő 1-vel. Amint az (1) egyenlet javasolja, ha a dielektromos elem mérete rögzül, az első rendű Mie rezonancia frekvenciáját a relatív permittivitás anyag. Számos fontos dielektromos anyag, például a CaTiO 3 permittivitása nagyon érzékeny a 25, 26 hőmérsékletre. A dielektromos anyagok frekvenciaváltozását, amelyet a hőmérsékletváltozás okoz, a rezonancia frekvencia hőmérsékleti együtthatója (TCF) jellemzi, amelyet

ahol τ f a TCF, τ ε a permittivitás hőmérsékleti együtthatója és α L a lineáris hőtágulás együtthatója. Számos vizsgálat manipulálta a τ f-t a kívánt kék vagy piros fordulat elérése érdekében, hogy megfeleljen a konkrét gyakorlati követelményeknek. Ezek közül több olyan hangolható tunfot kapott, amely két vagy több, τ f 27, 28-nak ellentétes anyagot, például MgTiO3 - CaTiO3 29 és Ba (Zn, Nb) O3 - Ba (Zn, Ta) O330 - összekevert. Sajnos ezeknek a vegyületeknek a gyártási folyamata gyakran nagyon bonyolult és magas szinterelési hőmérséklettel jár. Ezenkívül a keverendő komponenseket gondosan kell kiválasztani, hogy megfeleljenek más követelményeknek, például a magas Q-nak és a megfelelő ε értéknek, korlátozva azok használatát a metaparautonokban.

Ezért nagyon kívánatos a TCF szabályozásának univerzálisabb megközelítése, amely a legtöbb dielektromos anyagra alkalmazható. Az (1) egyenletből a TCF szorosan összefügg az anyag hőtágulási együtthatójával (CTE). Ez azt jelezte, hogy az anyagok TCF-jét úgy lehet manipulálni, hogy a meta-atomok kialakításában egy második komponenst vezetnek be a megfelelő CTE hőhatásával.

Az elmúlt években a mesterségesen hangolható CTE anyagokat alaposan megvizsgálták, amelyek negatív, pozitív vagy nulla közeli CTE-ket mutatnak be 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, egyszerű és sokoldalú utat kínálva a metamateriális anyagok EM tulajdonságainak manipulálására hőtágulás vagy összehúzódás útján. Ezért a nagy permittivitású dielektrikum és a kívánt CTE-vel rendelkező második anyag felhasználásával a metaatomok felépítésével az EM metaeszközök TCF-je manipulálható. A második anyagnak nem lenne abszorpciós rezonanciája, hanem egyszerűen megváltoztatná az aktív dielektromos elemek közötti elválasztást.

Eredmények

A javasolt módszer megvalósíthatóságának bemutatásához ebben a dokumentumban egy négy dielektromos kockából és egy termikusan változtatható közbenső rétegből álló metaatomot tervezünk. A középső réteg hőtágulása és a metaatom effektív TCF közötti kapcsolatának feltárásához a szimulációs munkát a Microwave Studio szoftvercsomag (CST Studio Suite 2016, Németország) felhasználásával hajtottuk végre, az 1. ábrán bemutatott modellen. A tökéletes vezetővel körülvett téglalap alakú vákuumdoboz 22,86 mm × 10,16 mm × 100 mm (EIA WR-90 hullámvezető), amelyben egyetlen mód van, amelynek E elektromos tere párhuzamos az y tengellyel, 8,2 GHz - 12,4 GHz ( X-band) továbbítható.

hangolható

A szimulációban használt meta-atom modell és tesztkörnyezet vázlata.

Teljes méretű kép

Először a középső réteg szélessége és a meta-atom elsőrendű rezonancia frekvenciájának kapcsolatát szimuláljuk. A metaatomot négy dielektromos kockával tervezték, kereszt alakú közbenső réteggel, állandó permittivitással 2,3. A modellezés egyszerűsítése és a kísérlet összehangolása érdekében a dielektromos kockák szobahőmérsékleten 120,6 permittivitással rendelkeznek (CaTiO3 kerámia). A szimulált eredményt a 2. ábra mutatja. Az első rendű rezonancia frekvenciának kék eltolódása van, mivel a közbenső réteg szélessége 0,4-ről 1 mm-re nő.

Az elsőrendű rezonancia frekvencia és a közbenső réteg szélessége közötti kapcsolat.

Teljes méretű kép

( nak nek ) Számított összefüggés a relatív permittivitás és a hőmérséklet (piros pont görbe), valamint a rezonancia frekvencia és az elsőrendű Mie hőmérséklet (kék elliptikus pont görbe) között. ( b ) A meta-atom kiszámított effektív TCF-je a közbenső réteg hőtágulási együtthatójával szemben. ( c, d ) A metaatom első rendű rezonáns frekvenciaeltolódása ( c ) rugalmas közbenső réteg nélkül és ( d ) egy közbenső réteggel (α in = −6,35 × 10 −3 K −1).

Teljes méretű kép

( nak nek ) A mérési beállítások. ( b ) A hullámvezetőre helyezett minta.

Teljes méretű kép

( nak nek - c ) A metatom rezonáns frekvenciájának szimulált és mért elmozdulása a ( nak nek ) szilícium-dioxid. ( b ) hőre zsugorodó cső és ( c ) radír. ( d ) A három meta-atom szimulált és kísérleti effektív TCF-jének összehasonlítása. ( és - g ) Fotók az elkészített metaatom mintákról. Balról jobbra ezek a hőre zsugorodó csőréteg, a szilícium-dioxid-réteg és a gumiréteg. A ( b ) mutatják a metaatom minta kezdeti alakját (piros nyíl) hőre zsugorodó csőréteggel és deformált alakját (kék nyíl) melegítés után.

Teljes méretű kép

A kísérleti beállítás két WR-90 téglalap alakú hullámvezetőből áll, amelyek egy Agilent PNA-LN5230C hálózati analizátor bemenetéhez és kimenetéhez vannak csatlakoztatva, valamint egy fűtőszalagból, amelyet a hullámvezetők köré tekertek és fűtőberendezéshez csatlakoztattak. A mérések során az összes mintát ugyanabba a helyzetbe helyezték a hullámvezetőn, amint azt a 4. ábra (b) ábra mutatja. A szimuláció során a hőmérséklet 305,5 K-ról 373,0 K-ra emelkedett.

Viták

Bár a tervezésünknek jelenleg vannak hiányosságai, ez a munka bemutatja a dielektromos metatomatomák TCF-jének adaptálásának megvalósíthatóságát egy közbenső réteg bevezetésével a hőtáguláshoz vagy összehúzódáshoz. A köztes anyag hőtágulásának megfelelő megtervezésével hangolható TCF-mel rendelkező dielektromos metatomok érhetők el, ha megfelelő anyagok és nagy pontosságú gyártási eljárás áll rendelkezésre. Itt dielektromos kockákként CaTiO 3 kerámia kockákat használtunk, de ez a megközelítés nem korlátozódik a dielektromos metaatomokra. A továbbfejlesztett vagy csökkentett TCF hasonló megközelítést követve más EM eszközökhöz is tervezhető.

Következtetések

Ebben a cikkben nagyon különböző CTE anyagokat vezettünk be egy EM metaatomba annak rezonáns frekvenciájának hőmérséklet-érzékenységének manipulálására. A szimuláció és a kísérlet egyaránt azt mutatja, hogy a metaatom megfelelő megtervezésével és a megfelelő CTE közbenső anyag kiválasztásával annak mikrohullámú rezonancia kék eltolódása korlátok között választható. Ez a tanulmány 305,5 K és 373,0 K közötti hőmérséklet-tartományt ölelt fel. Figyelembe véve a jövőbeli fejleményeket, a hangolható CTE-vel rendelkező mesterséges anyagokhoz a 3D nyomtatási folyamaton keresztül lehetett hozzáférni, ami sokkal szélesebb választékot tett lehetővé a rétegek közötti anyagok számára. Ezen túlmenően ez a módszer alkalmazható a Terahertz, infravörös vagy akár optikai frekvenciákban is méretezett metaatomokban.

Mód

minta előkészítése

A kerámia dielektrikumot szilárd halmazállapotú reakcióban állítottuk elő CaTiO3 porok 1 tömeg% ZrO2 keverésével. A dielektromos kockákat 2 mm x 2 mm x 2 mm méretű dielektromos kerámialemezről vágták ki. A metaatomokat úgy építették, hogy a dielektromos kockákat három különböző közbenső réteggel kötötték össze. A különféle gyártott metaatom mintákat az 5. ábra mutatja (e - g).

Szimuláció és mérés.

A metaatom mintákat két téglalap alakú WR-90 hullámvezetővel mértük, 22,86 mm x 10,16 mm x 100 mm szelvénymérettel. A két hullámvezető másik végét egy Agilent Technologies N5230C vektorhálózat-analizátor bemenetéhez és kimenetéhez csatlakoztattuk. Az S 21 mikrohullámú átviteli spektrumszámítások a CST studio suite 2016 Microwave Studio szoftvercsomagot használták.

Az adatok elérhetősége

A jelenlegi vizsgálat során generált és annak során elemzett adatkészletek a megfelelő szerzőtől ésszerű kérésre rendelkezésre állnak.

A hála kifejezése

Ezt a munkát a Kínai Nemzeti Természettudományi Alapítvány támogatta az 11274198 és 51532004 számú támogatásokkal, valamint a Shenzhen City tudományos és technológiai tervet a JCYJ 20150827165038323 támogatással.

Hozzászólások

Megjegyzés benyújtásával vállalja, hogy betartja a Közösségi Feltételeinket. Ha valami visszaélést tapasztal, vagy nem felel meg feltételeinknek vagy irányelveinknek, kérjük, jelölje meg nem megfelelőnek.