一种超材料谐振频率测试装置及测试方法与流程

一种超材料谐振频率测试装置及测试方法【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。

技术实现要素：
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。本发明超材料谐振频率测试装置的结构示意图参看附图1，包括以下组成部分：矢量网络分析仪1，产生频率可调的交流电信号；信号发射线圈2，电连接矢量网络分析仪1的信号输出端，用以产生交变磁场；信号接收线圈3，用以接收信号发射线圈2产生的交变电磁场信号，信号接收线圈3电连接矢量网络分析仪1的信号输入端；超材料4放置于信号发射线圈1与信号接收线圈2之间。应当理解的是，上述信号发射线圈2、信号接收线圈3和超材料4在组成测试装置时，需要通过测试夹具进行固定，本示意图未进行详细表示。此处的矢量网络分析仪1可在仪表的工作频段内完成对被测件的传输发射参数的测试，矢量网络分析仪1对某个器件或系统测试得到完整的参数包括：发射与透射特性、幅度信息、相位信息等，对这些参数可采用S参数(或称散射参数)进行描述，S参数的定义是基于信号电压比值的参数，所以S参数为矢量，对于矢量网络分析仪1而言，本发明超材料谐振频率测试装置中的信号发射线圈2为被测系统的输入端口，信号接收线圈3为被测系统的输出端口，被测系统输入端口的反射系数表示为S11，被测系统输入端口至输出端口的传输系数表示为S21，矢量网络分析仪1可测试并得到工作频段内的S11或S21曲线图。本发明的信号发射线圈2与信号接收线圈3可采用单匝的圆环形漆包线线圈，为获得好的对比性，信号发射线圈2与信号接收线圈3设计为相等的直径以获得相同的固有频率，同时，信号发射线圈2与信号接收线圈3的直径小于超材料的尺寸大小。为方便固定测试装置的各个部件，信号发射线圈2与信号接收线圈3分别固定在基板上，基板采用磁损耗较小的材料，如塑料或泡沫材料。下面对本发明超材料谐振频率测试装置的测试原理和测试方法进行详细说明。本发明超材料谐振频率测试装置的测试方法流程图参看附图2，包括：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.将第二S21曲线与所述第一S21曲线进行比对，找出第二S21曲线的增益加强峰，增益加强峰峰值对应的频率即为超材料的谐振频率。这里，首先对超材料进行必要的说明，超材料属于一种人工合成的复合材料，一般包括介质基板以及阵列在介质基板上的多个人造微结构，介质基板为介电材料，人造微结构为导电材料，例如，通过将人造微结构设计为磁性微结构，即每个人造微结构(一般称为cell)均为开口环结构或开口环的衍生结构，可以使超材料在某些频率具有负磁导率的特性，由于该类开口环结构或开口环的衍生结构可等效为LC谐振电路，所以通过多个磁性微结构的阵列可实现对磁场的增强。对于超材料的制造，现有技术一般采用PCB加工工艺，在环氧树脂基板上印制出多个结构相同的金属铜磁性微结构组成的阵列，以形成超材料，通过对金属铜微结构的单元大小、微结构本身的结构设计等可以改变超材料的谐振频率，得到具有不同谐振频率的超材料。对于已经制造出来的超材料而言，其谐振频率受到各种因素的影响，如制造工艺、微结构的制造精度、介质基板材料特性以及介质基板材料均匀性等，因此对超材料的实际谐振频率进行测试对于超材料技术的应用相当关键。本发明的测试原理是：当测试装置中没有放入超材料时，信号发射线圈与信号接收线圈之间经过空气进行电磁波信号的传输，通过矢量网络分析仪可测试得到在工作频段内的第一S21曲线；当测试装置中放入超材料后，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，超材料能加强磁场消逝波的传输，提高系统的传输效率，并且当超材料的谐振频率与信号发射线圈发射的信号频率相等时，传输效率达到最高，因此通过对第二S21曲线与所述第一S21曲线进行比对，找出第二S21曲线的增益加强峰，增益加强峰峰值对应的频率即为超材料的谐振频率，附图3为通过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，图中，标号1对应的曲线即为第二S21曲线，没有标记的曲线即为第一S21曲线，第二S21曲线相对于第一S21曲线具有一个明显的加强峰，加强峰峰值点的坐标为：(52MHz，-53.61dB)，即超材料谐振频率为52MHz。为测试的方便和快速，在步骤a之前还进行如下步骤：通过计算机仿真的方法得到超材料的谐振频率范围，如采用CST软件进行谐振频率的仿真计算，得到超材料谐振频率的大致范围，然后在上述步骤a、b中，控制矢量网络分析仪的信号扫描范围在该谐振频率范围内进行。在上述实施例中，仅对本发明进行了示范性描述，但是本领域技术人员在阅读本专利申请后可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本发明进行各种修改。