專利名稱：一種校準(zhǔn)器件及超材料諧振頻率測試平臺的制作方法
一種校準(zhǔn)器件及超材料諧振頻率測試平臺
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超材料領(lǐng)域，具體地涉及超材料諧振頻率的測試技術(shù)。
背景技術(shù)：
超材料是指一些具有天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的人工復(fù)合結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料。通過在材料的關(guān)鍵物理尺度上的結(jié)構(gòu)有序設(shè)計，可以突破某些表觀自然規(guī)律的限制，從而獲得超出自然界固有的普通性質(zhì)的超常材料功能。超材料的性質(zhì)和功能主要來自于其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)而非構(gòu)成它們的材料，因此，為設(shè)計和合成超材料，人們進(jìn)行了很多研究工作。2000年，加州大學(xué)的Smith等人指出周期性排列的金屬線和開環(huán)共振器(SRR)的復(fù)合結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)介電常數(shù)e和磁導(dǎo)率U同時為負(fù)的雙負(fù)材料，也稱左手材料。之后他們又通過在印刷電路板(PCB)上制作金屬線和SRR復(fù)合結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了二維的雙負(fù)材料。對于磁場具有 響應(yīng)的金屬線和開環(huán)共振器結(jié)構(gòu)，通常稱之為磁性微結(jié)構(gòu)。對于具有負(fù)磁導(dǎo)率的超材料，由于其具有極化作用，可以對入射波產(chǎn)生極化影響，因此具有廣泛的應(yīng)用，如在醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域中的磁共振成像，可以增強(qiáng)倏逝波以達(dá)到加強(qiáng)成像效果的目的，例如在共振式的無線能量傳輸中，在共振場中加入超材料能夠加強(qiáng)無線能量傳輸效率，但應(yīng)用需要滿足的條件是超材料的諧振頻率需要在工作頻率下才能起到有益效果。然而，對于已經(jīng)制作好的超材料而言，一方面其本身的諧振頻率是固定的，另一方面工藝制造的原因使得超材料的諧振頻率呈現(xiàn)出較大的差異性，如無法準(zhǔn)確地知道超材料的諧振頻率將給應(yīng)用帶來困難，超材料的增強(qiáng)效果就會大大減弱，甚至不起作用。因此，對超材料諧振頻率的測試成為亟待解決的技術(shù)問題?，F(xiàn)有技術(shù)中，通過計算機(jī)仿真的方法能實(shí)現(xiàn)對超材料諧振頻率的仿真計算，但是，存在的問題是，對于具有復(fù)雜微結(jié)構(gòu)陣列的超材料而言，即使采用高性能計算機(jī)也需要很長的時間進(jìn)行仿真計算，同時，由于制造工藝的差別性，仿真結(jié)果與實(shí)際的超材料諧振頻率存在較大誤差，這給超材料的實(shí)際應(yīng)用帶來極大困難。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種校準(zhǔn)器件及超材料諧振頻率測試平臺。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)發(fā)明目的采用的技術(shù)方案是，一種校準(zhǔn)器件，所述校準(zhǔn)器件包括封裝外殼、線圈電感以及與線圈電感并聯(lián)的電容，所述線圈電感與所述電容封裝固定在所述封裝外殼內(nèi)。優(yōu)選地，所述封裝外殼為熱固性樹脂材料。本發(fā)明還提供一種超材料諧振頻率測試平臺，用以測試超材料的諧振頻率，所述諧振頻率測試平臺包括矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，產(chǎn)生頻率可調(diào)的交流電信號；信號發(fā)射線圈，電連接所述矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的信號輸出端，用以產(chǎn)生交變磁場；信號接收線圈，用以接收所述信號發(fā)射線圈產(chǎn)生的交變電磁場信號，所述信號接收線圈電連接所述矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的信號輸入端；校準(zhǔn)器件，所述校準(zhǔn)器件放置于所述信號發(fā)射線圈與所述信號接收線圈之間。優(yōu)選地，所述信號發(fā)射線圈與所述信號接收線圈的固有頻率相同。優(yōu)選地，所述信號發(fā)射線圈與所述信號接收線圈為單匝的圓環(huán)形漆包線線圈。優(yōu)選地，所述信號發(fā)射線圈與所述信號接收線圈的直徑相等。優(yōu)選地，所述信號發(fā)射線圈與所述信號接收線圈的直徑小于所述超材料的尺寸。優(yōu)選地，所述信號發(fā)射線圈與所述信號接收線圈分別固定在基板上，所述基板為 塑料或泡沫材料。通過使用根據(jù)本發(fā)明的校準(zhǔn)器件，可以對超材料諧振頻率測試平臺進(jìn)行校準(zhǔn)，通過本發(fā)明的超材料諧振頻率測試平臺，可以準(zhǔn)確地測得超材料的諧振頻率，實(shí)現(xiàn)對超材料產(chǎn)品參數(shù)性質(zhì)的檢測，還能為超材料的應(yīng)用提供測試手段，進(jìn)而提高超材料的研發(fā)設(shè)計效率。

圖1，本發(fā)明校準(zhǔn)器件的制備結(jié)構(gòu)示意圖。圖2，本發(fā)明超材料諧振頻率測試平臺的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3，本發(fā)明超材料諧振頻率測試平臺的測試方法流程4，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試得到的第二 S21曲線和第一 S21曲線的對比圖。
具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。本發(fā)明校準(zhǔn)器件的制備結(jié)構(gòu)示意圖參看附圖1，包括封裝外殼41、線圈電感42以及與線圈電感并聯(lián)的電容43，線圈電感42與電容43封裝固定在封裝外殼41內(nèi)。封裝外殼為熱固性樹脂材料，在具體制備時，采用兩片熱固性樹脂材料的半固化片，通過壓合的方式將線圈電感42與電容43封裝在該兩片半固化片之間，固化后得到一平板狀的校準(zhǔn)器件。本發(fā)明超材料諧振頻率測試平臺的結(jié)構(gòu)示意圖參看附圖2，包括以下組成部分矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀1，產(chǎn)生頻率可調(diào)的交流電信號；信號發(fā)射線圈2，電連接矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀I的信號輸出端，用以產(chǎn)生交變磁場；信號接收線圈3，用以接收信號發(fā)射線圈2產(chǎn)生的交變電磁場信號，信號接收線圈3電連接矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀I的信號輸入端；校準(zhǔn)器件4放置于信號發(fā)射線圈I與信號接收線圈2之間。應(yīng)當(dāng)理解的是，上述信號發(fā)射線圈2、信號接收線圈3和校準(zhǔn)器件4在組成測試裝置時，需要通過測試夾具進(jìn)行固定，本示意圖未進(jìn)行詳細(xì)表示。此處的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀I可在儀表的工作頻段內(nèi)完成對被測件的傳輸發(fā)射參數(shù)的測試，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀I對某個器件或系統(tǒng)測試得到完整的參數(shù)包括發(fā)射與透射特性、幅度信息、相位信息等，對這些參數(shù)可采用S參數(shù)(或稱散射參數(shù))進(jìn)行描述，S參數(shù)的定義是基于信號電壓比值的參數(shù)，所以S參數(shù)為矢量，對于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀I而言，本發(fā)明超材料諧振頻率測試平臺中的信號發(fā)射線圈2為被測系統(tǒng)的輸入端口，信號接收線圈3為被測系統(tǒng)的輸出端口，被測系統(tǒng)輸入端口的反射系數(shù)表示為SI I，被測系統(tǒng)輸入端口至輸出端口的傳輸系數(shù)表示為S21，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀I可測試并得到工作頻段內(nèi)的Sll或S21曲線圖。本發(fā)明的信號發(fā)射線圈2與信號接收線圈3可采用單匝的圓環(huán)形漆包線線圈，為獲得好的對比性，信號發(fā)射線圈2與信號接收線圈3設(shè)計為相等的直徑以獲得相同的固有頻率，同時，信號發(fā)射線圈2與信號接收線圈3的直徑小于超材料的尺寸大小。為方便固定測試裝置的各個部件，信號發(fā)射線圈2與信號接收線圈3分別固定在基板上，基板采用磁損耗較小的材料，如塑料或泡沫材料。下面對本發(fā)明超材料諧振頻率測試平臺的測試原理和測試方法進(jìn)行詳細(xì)說明。本發(fā)明超材料諧振頻率測試平臺的測試方法進(jìn)行說明。首先將校準(zhǔn)器件4放入超材料諧振頻率測試平臺，設(shè)校準(zhǔn)器件4中的線圈電感42為L，電容43為C，一起構(gòu)成電磁諧振，那么封裝后的校準(zhǔn)器件的諧振頻率為 f° = 2^W通過選擇和確定線圈電感L和選擇相應(yīng)電容C，可以算出校準(zhǔn)器件的諧振頻率，然后通過超材料諧振頻率測試平臺的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀I進(jìn)行掃頻，得到校準(zhǔn)器件的S21曲線，若S21曲線加強(qiáng)峰所對應(yīng)的頻率等于計算得到的校準(zhǔn)器件的諧振頻率，則證明超材料諧振頻率測試平臺的測試結(jié)果正確可靠；gS21曲線加強(qiáng)峰所對應(yīng)的頻率不等于計算得到的校準(zhǔn)器件的諧振頻率，則證明超材料諧振頻率測試平臺的測試結(jié)果存在誤差，從而實(shí)現(xiàn)磁性超材料性能測試平臺的校準(zhǔn)。在對超材料諧振頻率測試平臺進(jìn)行校準(zhǔn)后，即可進(jìn)行超材料諧振頻率的測試，其測試方法流程圖參看附圖3，包括a.在未放入超材料時，通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試信號發(fā)射線圈與信號接收線圈之間的傳輸系數(shù)S21，得到第一 S21曲線；b.放入超材料，通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試信號發(fā)射線圈與信號接收線圈之間的傳輸系數(shù)S21'，得到第二 S21曲線；c.將第二 S21曲線與所述第一 S21曲線進(jìn)行比對，找出第二 S21曲線的增益加強(qiáng)峰，增益加強(qiáng)峰峰值對應(yīng)的頻率即為超材料的諧振頻率。這里，首先對超材料進(jìn)行必要的說明，超材料屬于一種人工合成的復(fù)合材料，一般包括介質(zhì)基板以及陣列在介質(zhì)基板上的多個人造微結(jié)構(gòu)，介質(zhì)基板為介電材料，人造微結(jié)構(gòu)為導(dǎo)電材料，例如，通過將人造微結(jié)構(gòu)設(shè)計為磁性微結(jié)構(gòu)，即每個人造微結(jié)構(gòu)(一般稱為cell)均為開口環(huán)結(jié)構(gòu)或開口環(huán)的衍生結(jié)構(gòu)，可以使超材料在某些頻率具有負(fù)磁導(dǎo)率的特性，由于該類開口環(huán)結(jié)構(gòu)或開口環(huán)的衍生結(jié)構(gòu)可等效為LC諧振電路，所以通過多個磁性微結(jié)構(gòu)的陣列可實(shí)現(xiàn)對磁場的增強(qiáng)。對于超材料的制造，現(xiàn)有技術(shù)一般采用PCB加工工藝，在環(huán)氧樹脂基板上印制出多個結(jié)構(gòu)相同的金屬銅磁性微結(jié)構(gòu)組成的陣列，以形成超材料，通過對金屬銅微結(jié)構(gòu)的單元大小、微結(jié)構(gòu)本身的結(jié)構(gòu)設(shè)計等可以改變超材料的諧振頻率，得到具有不同諧振頻率的超材料。對于已經(jīng)制造出來的超材料而言，其諧振頻率受到各種因素的影響，如制造工藝、微結(jié)構(gòu)的制造精度、介質(zhì)基板材料特性以及介質(zhì)基板材料均勻性等，因此對超材料的實(shí)際諧振頻率進(jìn)行測試對于超材料技術(shù)的應(yīng)用相當(dāng)關(guān)鍵。本發(fā)明的測試原理是當(dāng)測試裝置中沒有放入超材料時，信號發(fā)射線圈與信號接收線圈之間經(jīng)過空氣進(jìn)行電磁波信號的傳輸，通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀可測試得到在工作頻段內(nèi)的第一 S21曲線；當(dāng)測試裝置中放入超材料后，通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試信號發(fā)射線圈與信號接收線圈之間的傳輸系數(shù)S21'，得到第二 S21曲線，超材料能加強(qiáng)磁場消逝波的傳輸，提高系統(tǒng)的傳輸效率，并且當(dāng)超材料的諧振頻率與信號發(fā)射線圈發(fā)射的信號頻率相等時，傳輸效率達(dá)到最高，因此通過對第二 S21曲線與所述第一 S21曲線進(jìn)行比對，找出第二 S21曲線的增益加強(qiáng)峰，增益加強(qiáng)峰峰值對應(yīng)的頻率即為超材料的諧振頻率，附圖3為通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試得到的第二 S21曲線和第一 S21曲線的對比圖，圖中，標(biāo)號I對應(yīng)的曲線即為第二 S21曲線，沒有標(biāo)記的曲線即為第一 S21曲線，第二 S21曲線相對于第一 S21曲線具有一個明顯的加強(qiáng)峰，加強(qiáng)峰峰值點(diǎn)的坐標(biāo)為(52MHz，-53. 6IdB)，即超材料諧振頻率為 52MHz。為測試的方便和快速，在步驟a之前還進(jìn)行如下步驟通過計算機(jī)仿真的方法得到超材料的諧振頻率范圍，如采用CST軟件進(jìn)行諧振頻率的仿真計算，得到超材料諧振頻率的大致范圍，然后在上述步驟a、b中，控制矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的信號掃描范圍在該諧振頻率范圍內(nèi)進(jìn)行。在上述實(shí)施例中，僅對本發(fā)明進(jìn)行了示范性描述，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員在閱讀本專利申請后可以在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下對本發(fā)明進(jìn)行各種修改。
權(quán)利要求
1.一種校準(zhǔn)器件，其特征在于，所述校準(zhǔn)器件包括封裝外殼、線圈電感以及與線圈電感并聯(lián)的電容，所述線圈電感與所述電容封裝固定在所述封裝外殼內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的校準(zhǔn)器件，其特征在于所述封裝外殼為熱固性樹脂材料。
3.一種超材料諧振頻率測試平臺，用以測試超材料的諧振頻率，其特征在于，所述諧振頻率測試平臺包括 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，產(chǎn)生頻率可調(diào)的交流電信號； 信號發(fā)射線圈，電連接所述矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的信號輸出端，用以產(chǎn)生交變磁場； 信號接收線圈，用以接收所述信號發(fā)射線圈產(chǎn)生的交變電磁場信號，所述信號接收線圈電連接所述矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的信號輸入端； 校準(zhǔn)器件，所述校準(zhǔn)器件放置于所述信號發(fā)射線圈與所述信號接收線圈之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的超材料諧振頻率測試平臺，其特征在于所述信號發(fā)射線圈與所述信號接收線圈的固有頻率相同。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的超材料諧振頻率測試平臺，其特征在于所述信號發(fā)射線圈與所述信號接收線圈為單匝的圓環(huán)形漆包線線圈。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的超材料諧振頻率測試平臺，其特征在于所述信號發(fā)射線圈與所述信號接收線圈的直徑相等。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的超材料諧振頻率測試平臺，其特征在于所述信號發(fā)射線圈與所述信號接收線圈的直徑小于所述超材料的尺寸。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的超材料諧振頻率測試平臺，其特征在于所述信號發(fā)射線圈與所述信號接收線圈分別固定在基板上，所述基板為塑料或泡沫材料。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種校準(zhǔn)器件及超材料諧振頻率測試平臺，通過使用根據(jù)本發(fā)明的校準(zhǔn)器件，可以對超材料諧振頻率測試平臺進(jìn)行校準(zhǔn)，通過本發(fā)明的超材料諧振頻率測試平臺，可以準(zhǔn)確地測得超材料的諧振頻率，實(shí)現(xiàn)對超材料產(chǎn)品參數(shù)性質(zhì)的檢測，還能為超材料的應(yīng)用提供測試手段，進(jìn)而提高超材料的研發(fā)設(shè)計效率。
文檔編號G01R35/00GK102680781SQ20121013301
公開日2012年9月19日 申請日期2012年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月28日
發(fā)明者劉若鵬, 劉豫青, 欒琳, 郭潔, 馬偉濤 申請人:深圳光啟創(chuàng)新技術(shù)有限公司