[发明专利]一种超材料谐振频率测试装置及测试方法

说明书

【技术领域】

本发明涉及超材料领域，具体地涉及超材料谐振频率的测试技术。

【背景技术】

超材料是指一些具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。通过在材料的关键物理尺度上的结构有序设计，可以突破某些表观自然规律的限制，从而获得超出自然界固有的普通性质的超常材料功能。超材料的性质和功能主要来自于其内部的结构而非构成它们的材料，因此，为设计和合成超材料，人们进行了很多研究工作。2000年，加州大学的Smith等人指出周期性排列的金属线和开环共振器(SRR)的复合结构可以实现介电常数ε和磁导率μ同时为负的双负材料，也称左手材料。之后他们又通过在印刷电路板(PCB)上制作金属线和SRR复合结构实现了二维的双负材料。对于磁场具有响应的金属线和开环共振器结构，通常称之为磁性微结构。

对于具有负磁导率的超材料，由于其具有极化作用，可以对入射波产生极化影响，因此具有广泛的应用，如在医学成像领域中的磁共振成像，可以增强倏逝波以达到加强成像效果的目的，例如在共振式的无线能量传输中，在共振场中加入超材料能够加强无线能量传输效率，但应用需要满足的条件是：超材料的谐振频率需要在工作频率下才能起到有益效果。然而，对于已经制作好的超材料而言，一方面其本身的谐振频率是固定的，另一方面工艺制造的原因使得超材料的谐振频率呈现出较大的差异性，如无法准确地知道超材料的谐振频率将给应用带来困难，超材料的增强效果就会大大减弱，甚至不起作用。因此，对超材料谐振频率的测试成为亟待解决的技术问题。

现有技术中，通过计算机仿真的方法能实现对超材料谐振频率的仿真计算，但是，存在的问题是，对于具有复杂微结构阵列的超材料而言，即使采用高性能计算机也需要很长的时间进行仿真计算，同时，由于制造工艺的差别性，仿真结果与实际的超材料谐振频率存在较大误差，这给超材料的实际应用带来极大困难。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题是提供一种超材料谐振频率测试装置及测试方法。

本发明实现发明目的采用的技术方案是，一种超材料谐振频率测试装置，用以测试超材料的谐振频率，所述谐振频率测试装置包括：

矢量网络分析仪，产生频率可调的交流电信号；

信号发射线圈，电连接所述矢量网络分析仪的信号输出端，用以产生交变磁场；

信号接收线圈，用以接收所述信号发射线圈产生的交变电磁场信号，所述信号接收线圈电连接所述矢量网络分析仪的信号输入端；

所述超材料放置于所述信号发射线圈与所述信号接收线圈之间。

优选地，所述信号发射线圈与所述信号接收线圈的固有频率相同。

优选地，所述信号发射线圈与所述信号接收线圈为单匝的圆环形漆包线线圈。

优选地，所述信号发射线圈与所述信号接收线圈的直径相等。

优选地，所述信号发射线圈与所述信号接收线圈的直径小于所述超材料的尺寸。

优选地，所述信号发射线圈与所述信号接收线圈分别固定在基板上，所述基板为塑料或泡沫材料。

本发明还提供一种超材料谐振频率测试方法，采用上述超材料谐振频率测试装置，包括以下步骤：

a.在未放入超材料时，通过矢量网络分析仪测试信号发射线圈与信号接收线圈之间的传输系数S21，得到第一S21曲线；

b.放入超材料，通过矢量网络分析仪测试信号发射线圈与信号接收线圈之间的传输系数S21′，得到第二S21曲线；

c.将所述第二S21曲线与所述第一S21曲线进行比对，找出所述第二S21曲线的增益加强峰，所述增益加强峰峰值对应的频率即为所述超材料的谐振频率。

优选地，所述步骤a之前还包括：通过计算机仿真的方法得到所述超材料的谐振频率范围，然后在步骤a、b中，控制所述矢量网络分析仪的信号扫描范围在所述谐振频率范围内进行。

具体地，所述计算机仿真的方法为通过CST软件进行谐振频率的仿真计算。

通过使用根据本发明的超材料谐振频率测试装置和测试方法，可以准确地测得超材料的谐振频率，实现对超材料产品参数性质的检测，还能为超材料的应用提供测试手段，进而提高超材料的研发设计效率。

【附图说明】

图1，本发明超材料谐振频率测试装置的结构示意图。

图2，本发明超材料谐振频率测试装置的测试方法流程图

图3，矢量网络分析仪测试得到的第二S21曲线和第一S21曲线的对比图。

【具体实施方式】

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。