[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误差。

【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，包括：

交流信号源，产生频率可调的交流电信号；

信号发射线圈，连接所述交流信号源的输出端，用以产生交变磁场；

第一共振装置，所述第一共振装置包括第一共振线圈和第一可调电容，所述第一共振线圈与所述第一可调电容并联；

第二共振装置，所述第二共振装置包括第二共振线圈和第二可调电容，所述第二共振线圈与所述第二可调电容并联，所述第一共振线圈与所述第二共振线圈的固有频率相等，所述第一共振装置和所述第二共振装置在所述交变磁场中通过共振的方式进行信号的耦合传递；

信号接收线圈，与所述第二共振装置耦合并接收信号；

信号检测装置，连接所述信号接收线圈用以检测所述信号接收线圈中的信号。

优选地，所述超材料谐振频率测试装置还包括一控制系统，所述控制系统连接并控制所述交流信号源、第一可调电容、第二可调电容以及信号检测装置。

优选地，所述信号检测装置为示波器或功率计。

优选地，所述信号接收线圈并联有一负载。

采用上述超材料谐振频率测试装置，本发明超材料谐振频率测试方法包括以下步骤：

a1.调节所述第一可调电容和所述第二可调电容的电容值相等；

b1.调节所述交流信号源的频率，使所述信号检测装置检测到的信号强度达到最大值Vm后固定所述交流信号源的频率；

c1.将待测超材料置于所述第一共振装置与所述第二共振装置之间，记录此时所述信号检测装置检测到的信号强度V；

d1.若信号强度V相对于Vm没有变化，则改变所述第一可调电容和所述第二可调电容的电容值，重复步骤a1至c1，直至信号强度V相对于Vm产生变化；

e1.固定所述第一可调电容和所述第二可调电容的电容值，连续改变交流信号源的频率，记录不同频率下加入超材料的信号强度V和未加入超材料的信号强度V’的差值ΔV，得到所述差值ΔV与V’的比值相对于交流信号源频率的变化关系，最后找到ΔV与V’的比值的最大值所对应的频率即为待测超材料的谐振频率。

采用上述超材料谐振频率测试装置，本发明超材料谐振频率的另一种测试方法包括以下步骤：

a2.通过计算机仿真的方法得到待测超材料的仿真谐振频率；