频率可调磁感应波器件的微波透射性能

D01:10.13374.ism1001053x.2009.08.位1 第31卷第8期 北京科技大学学报 Vol.31 No.8 2009年8月 Journal of University of Science and Technology Beijing Aug.2009 频率可调磁感应波器件的微波透射性能 徐 芳)白 洋)乔利杰)周 济2) 1)北京科技大学材料科学与工程学院环境断裂教有部重点实验室.北京100083 2)清华大学新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室，北京100084 摘要研究了由双层磁化铁氧体构成的磁感应波器件的微波透射性能以及场致频率可调特性，并探讨了结构参数对微波 性能的影响.两磁化铁氧体平板样品平行放置，由于间隙处表面波共振模强烈耦合产生磁感应波透过样品，在铁磁共振产生 的微波禁带频率范围内产生一个显著的通带.通带的中心频率随着偏置磁场的增强而单调上升，显示出很好的场致频率可调 性.随着两铁氧体之间间距的增加，界面耦合作用减弱，透射通带的半高宽逐渐降低，损耗增加。 关键词铁氧体：可调：磁感应波：铁磁共振 分类号TM277+.2 Magnetotunable microwave transmission properties of a magnetoinductive device XU Fang".BAI Yang",QIAO Li-jie.ZHOUJ 1)Key Laboratory of Envimnmental Fracture(Ministry of Education of China).School of Materials Science and Engireering.Uriversity of Science and Technology Beijing,Beijng 100083.China 2)State Key Laboratory of New Ceramics and Fine Processing Tsinghua University,Biing 100084.China ABSTRACT The transmission properties and magnetotunability of a magnetoinductive device with bilayered ferrite structure were investigated,and the effect of structural parameters on the properties of microw ave was discussed.When two magnetized ferrite slabs are parallely placed,the coupling of the resonanting modes of surface w ave results in magnetoinductive wave which propagates across the composite structure.In the transmission spectra,a passband appears in the frequency range of the forbidden band which is pro- duced by ferromagnetic resonance.The center frequency of the passband shifts to a higher frequency when the bias magnetic field in creases.That is good magnetotunability.With the increase of the distance betw een the two ferrite slabs,the coupling between surface w aves fades gradually.the half-w idth decreases,and the transmission loss increases. KEY WORDS ferrite:tunable:magne toinductive w ave:ferromagnetic resonance 各种传统透镜（光学显微镜、电子显微镜等）由 方向与群速方向相反，而且左手材料内倏逝波呈指 于衍射极限的存在，极限分辨率为波长入，均无法分 数放大.电磁波由传播波与倏逝波两部分构 辨小于波长尺寸的物体细节.最近研究表明，采用 成，其中倏逝波携带有亚波长信息，但是它在常规介 新型非常规电磁介质一左手材料(left-handed ma- 质中呈指数衰减无法用于成像，各种传统透镜仅利 terial,LHM)制作透镜，即可突破衍射极限，实现亚 用传播波成像，因此无法实现亚波长成像.左手材 波长成像.左手材料是一种同时具有负磁导率和负 料可以放大倏逝波，使携带物体更微观信息的倏逝 介电常数的电磁介质刂，最早由前苏联科学家 波参与成像，因此左手材料平板透镜被称为完美透 Veselago于1968年从理论上提出.左手材料具有 镜”或“超透镜7 迥异于传统材料的电磁特性例如，左手材料内电磁 在Veselago的研究基础上，Pendry提出利用介 波的电场方向、磁场方向和波矢方向成左手系，相速 电常数()和磁导率(“)都是一1的左手材料可以 收稿日期：200810-08 基金项目：国家自然科学基金资助项目(No.50702005) 作者简介：徐芳(1980一）.女，博士研究生：乔利杰(1957一），男，教授，博士生导师，E-mail lgiao @ust h.d血.cm

频率可调磁感应波器件的微波透射性能 徐 芳1) 白 洋1) 乔利杰1) 周 济2) 1) 北京科技大学材料科学与工程学院环境断裂教育部重点实验室, 北京 100083 2) 清华大学新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室, 北京 100084 摘 要 研究了由双层磁化铁氧体构成的磁感应波器件的微波透射性能以及场致频率可调特性, 并探讨了结构参数对微波 性能的影响.两磁化铁氧体平板样品平行放置, 由于间隙处表面波共振模强烈耦合产生磁感应波透过样品, 在铁磁共振产生 的微波禁带频率范围内产生一个显著的通带.通带的中心频率随着偏置磁场的增强而单调上升, 显示出很好的场致频率可调 性.随着两铁氧体之间间距的增加, 界面耦合作用减弱, 透射通带的半高宽逐渐降低, 损耗增加. 关键词 铁氧体;可调;磁感应波;铁磁共振 分类号 TM 277 +.2 Magnetotunable microwave transmission properties of a magnetoinductive device XU Fang 1) , B AI Yang 1) , QIAO Li-jie 1) , ZHOU Ji 2) 1) Key Laboratory of Environment al Fracture ( Ministry of Education of China) , S chool of Mat erials Science and Engineering, Uni versit y of S cience and T echnology Beijing, Beijing 100083, China 2) St at e Key Laborat ory of New Ceramics and Fine Processing, Tsinghua University, Beijing 100084, China ABSTRACT The transmissio n properties and magneto tunability of a mag netoinductive device with bilayered ferrite structure were investigated, and the effect of structural parameters on the properties of microw av e was discussed.When two mag netized ferrite slabs are parallelly placed, the coupling of the reso nanting modes of surface w ave results in magnetoinductive w ave, w hich propagates across the composite structure.In the transmission spectra, a passband appears in the frequency range of the forbidden band which is pro￾duced by ferromagnetic resonance.The center frequency of the passband shifts to a higher frequency when the bias magnetic field in￾creases .That is good mag netotunability.With the increase of the distance be tw een the two ferrite slabs, the coupling between surface w aves fades gradually, the half-w idth decreases, and the transmission loss increases. KEY WORDS ferrite;tunable;magne toinductive w ave;ferromagnetic resonance 收稿日期:2008-10-08 基金项目:国家自然科学基金资助项目( No .50702005) 作者简介:徐芳( 1980—) , 女, 博士研究生;乔利杰( 1957—) , 男, 教授, 博士生导师, E-mail:lqiao @ustb.edu.cn 各种传统透镜( 光学显微镜、电子显微镜等) 由 于衍射极限的存在, 极限分辨率为波长λ, 均无法分 辨小于波长尺寸的物体细节.最近研究表明, 采用 新型非常规电磁介质 ———左手材料( left-handed ma￾terial, LHM ) 制作透镜, 即可突破衍射极限, 实现亚 波长成像 .左手材料是一种同时具有负磁导率和负 介电常数的电磁介质 [ 1] , 最早由前苏联科 学家 Veselago 于 1968 年从理论上提出 .左手材料具有 迥异于传统材料的电磁特性, 例如, 左手材料内电磁 波的电场方向、磁场方向和波矢方向成左手系, 相速 方向与群速方向相反, 而且左手材料内倏逝波呈指 数放大[ 2-4] .电磁波由传播波与倏逝波两部分构 成, 其中倏逝波携带有亚波长信息, 但是它在常规介 质中呈指数衰减无法用于成像, 各种传统透镜仅利 用传播波成像, 因此无法实现亚波长成像 .左手材 料可以放大倏逝波, 使携带物体更微观信息的倏逝 波参与成像, 因此左手材料平板透镜被称为“完美透 镜” 或“超透镜” [ 5-7] . 在 Veselago 的研究基础上, Pendry 提出利用介 电常数( εr) 和磁导率( μr) 都是 -1 的左手材料可以 第 31 卷 第 8 期 2009 年 8 月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol .31 No.8 Aug.2009 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2009.08.021

。1034 北京科技大学学报 第31卷 制备出突破衍射极限实现亚波长成像的“完美透 方向施加 镜？，但是这种透镜对于材料参数的要求过于苛 刻，实现困难.Pendry又提出采用单负介质，利用表 面等离子共振的耦合也可以放大倏逝场，实现亚波 长成像.基于上述思想，Fang等利用采用金属银薄 12E) 严的 膜（介电常数为负）的表面等离子共振耦合实现了亚 (H) 波长成像⑨.此外，有研究者提出利用磁表面波耦 合产生的磁感应波也可以在负磁介质中实现近场亚 图1实验装置示意图 波长成像.通过不同的表面波共振模耦合，这 Fig.I Schematic diagram of the experimental setup 种透镜的工作频段可以从兆赫兹扩展到太赫兹.目 2结果和讨论 前己有研究者利用两层平行排列的金属开口谐振环 (split-ring resonator,.SRR)构成的磁感应波透镜实 磁感应波器件利用两邻近表面上表面波共振模 现了亚波长成像0口，但是开口谐振环在工作频 的强烈耦合形成磁感应波⑨.磁感应波可以使电磁 段的损耗比较高，限制了相应磁感应波透镜的成像 波发生傅里叶放大，在磁感应器件内倏逝波的振幅 质量.如果利用铁磁介质的磁表面波共振耦合形成 呈指数增长，因此磁感应波透镜具有类似“完美透 磁感应波透镜，就可以利用微波铁氧体的低损耗来 镜”的特性，可以实现亚波长成像.根据以上理论 降低器件的损耗，提高成像质量，而且还可以利用铁 分析，形成磁感应波器件的关键即波的共振及表面 氧体共振频率的磁致可调特性使器件的特征频率具 波的耦合.本文设计的磁感应波器件为两层平行铁 有可调性，可以拓宽器件的应用范围1).磁感应波 氧体板，磁化后铁氧体发生铁磁共振，在两层铁氧体 器件成像的关键机制是两层单负介质表面波共振模 的间隙处两相对表面的静磁表面波发生耦合，产生 的耦合，所以两表面之间的距离也是影响磁感应波 磁感应波 耦合的主要因素之一.本文从理论和实验上研究了 铁磁介质在外加磁场(H)的作用下磁化到饱 由双层磁化铁氧体构成的磁感应波器件的微波电磁 和状态以后，磁导率具有张量形式，可以表示为： 特性，并且探讨了该器件的磁致可调性和结构参数 的影响. (1) 0 0 1 1实验方法 实验中选用Cu掺杂的Co2Y平面六角铁氧体 K=1十0m wp-o2 (2) (BaCo1sCum2Fe12O2)作为铁磁性材料.采用传统 0m K- p-a2 3) 的固相法制备样品.以分析纯的Fe2O3、BaCO3、CuO 和C0304为原料，按摩尔比称取原料粉体混合并球 式中，，=YHo,wm=4红YM,Y为旋磁比.式(1)具 磨4h,球磨后得到的粉料在1050预烧成相，然后 有静磁表面波的特解，它的大部分能量与磁场有关， 千压成型，在1150℃烧结成瓷.将烧结样品精细磨 电场的一级近似可以忽略.静磁表面波只沿铁氧体 加工至尺寸为22mm×4mm×10mm的块体，两块 表面传播，在很多方面类似表面等离子，也可以放大 平行放置的铁氧体组成磁感应波器件，两层铁氧体 倏逝场9 的间距从0变化到4mm. 由式(1)可以看出，铁磁介质的磁导率具有频率 采用波导法测量样品的微波特性（如图1所 弥散性，而且具有明显的共振特征，铁磁共振频率为 示).将样品装入BJ100标准矩形波导的横截面内 w0=(十wm,其中w0为铁磁共振频率.由 (横截面尺寸为22.8mm×10.18mm,频率范围为 于材料在铁磁共振频率附近会出现负磁导率，而根 8.2~12.5GHz).波导中传播的是TE0波，电磁波 据Maxwell方程电磁波不能透过单负介质（负介电 的波矢沿y轴方向传播，电磁波的磁场分量沿x方 常数或负磁导率介质)，因此在其透射曲线中就应该 向，电场分量沿z方向.实验中使用HP8720S矢在铁磁共振频率附近表现为一个微波禁带.而且， 量网络分析仪测试样品的散射参数，网络分析仪通 由于o会随着外加磁场Ho的增加而增加，因此禁 过同轴一波导转换与矩形波导连接.实验中用带特 带频率也会随之升高.采用CST Microw ave Studio 斯拉计的电磁铁提供偏置磁场(H),外磁场沿z轴 模拟了不同偏置磁场条件下单块铁氧体(22mmX

制备出突破衍射极限实现亚波长成像的“ 完美透 镜” [ 5] , 但是这种透镜对于材料参数的要求过于苛 刻, 实现困难.Pendry 又提出采用单负介质, 利用表 面等离子共振的耦合也可以放大倏逝场, 实现亚波 长成像.基于上述思想, Fang 等利用采用金属银薄 膜( 介电常数为负) 的表面等离子共振耦合实现了亚 波长成像[ 6] .此外, 有研究者提出利用磁表面波耦 合产生的磁感应波也可以在负磁介质中实现近场亚 波长成像[ 8-9] .通过不同的表面波共振模耦合, 这 种透镜的工作频段可以从兆赫兹扩展到太赫兹 .目 前已有研究者利用两层平行排列的金属开口谐振环 ( split-ring resonator, SRR) 构成的磁感应波透镜实 现了亚波长成像[ 10-12] .但是开口谐振环在工作频 段的损耗比较高, 限制了相应磁感应波透镜的成像 质量 .如果利用铁磁介质的磁表面波共振耦合形成 磁感应波透镜, 就可以利用微波铁氧体的低损耗来 降低器件的损耗, 提高成像质量, 而且还可以利用铁 氧体共振频率的磁致可调特性使器件的特征频率具 有可调性, 可以拓宽器件的应用范围[ 13] .磁感应波 器件成像的关键机制是两层单负介质表面波共振模 的耦合, 所以两表面之间的距离也是影响磁感应波 耦合的主要因素之一 .本文从理论和实验上研究了 由双层磁化铁氧体构成的磁感应波器件的微波电磁 特性, 并且探讨了该器件的磁致可调性和结构参数 的影响. 1 实验方法 实验中选用 Cu 掺杂的 Co2Y 平面六角铁氧体 ( Ba2Co1.8Cu0.2Fe12O22) 作为铁磁性材料 .采用传统 的固相法制备样品, 以分析纯的 Fe2O3 、BaCO3 、CuO 和Co3O4 为原料, 按摩尔比称取原料粉体混合并球 磨 4 h, 球磨后得到的粉料在 1 050 ℃预烧成相, 然后 干压成型, 在 1 150 ℃烧结成瓷 .将烧结样品精细磨 加工至尺寸为 22 mm ×4 mm ×10 mm 的块体, 两块 平行放置的铁氧体组成磁感应波器件, 两层铁氧体 的间距从 0 变化到 4 mm . 采用波导法测量样品的微波特性( 如图 1 所 示) .将样品装入 BJ100 标准矩形波导的横截面内 ( 横截面尺寸为 22.8 mm ×10.18 mm, 频率范围为 8.2 ～ 12.5 GHz) .波导中传播的是 TE10波, 电磁波 的波矢沿 y 轴方向传播, 电磁波的磁场分量沿 x 方 向, 电场分量沿 z 方向.实验中使用HP-8720ES 矢 量网络分析仪测试样品的散射参数, 网络分析仪通 过同轴-波导转换与矩形波导连接 .实验中用带特 斯拉计的电磁铁提供偏置磁场( H0) , 外磁场沿 z 轴 方向施加. 图 1 实验装置示意图 Fig.1 Schematic diagram of the experimental setup 2 结果和讨论 磁感应波器件利用两邻近表面上表面波共振模 的强烈耦合形成磁感应波 [ 8] .磁感应波可以使电磁 波发生傅里叶放大, 在磁感应器件内倏逝波的振幅 呈指数增长, 因此磁感应波透镜具有类似“完美透 镜”的特性, 可以实现亚波长成像[ 5] .根据以上理论 分析, 形成磁感应波器件的关键即波的共振及表面 波的耦合.本文设计的磁感应波器件为两层平行铁 氧体板, 磁化后铁氧体发生铁磁共振, 在两层铁氧体 的间隙处两相对表面的静磁表面波发生耦合, 产生 磁感应波. 铁磁介质在外加磁场( H0 ) 的作用下磁化到饱 和状态以后, 磁导率具有张量形式, 可以表示为 : μ= μ -iκ 0 iκ μ 0 0 0 1 ( 1) μ=1 + ωm ωh ω2 h -ω2 ( 2) κ= ωωm ω2 h -ω2 ( 3) 式中, ωh =γH0, ωm =4πγMs, γ为旋磁比.式( 1)具 有静磁表面波的特解, 它的大部分能量与磁场有关, 电场的一级近似可以忽略.静磁表面波只沿铁氧体 表面传播, 在很多方面类似表面等离子, 也可以放大 倏逝场[ 5] . 由式( 1)可以看出, 铁磁介质的磁导率具有频率 弥散性, 而且具有明显的共振特征, 铁磁共振频率为 ω0 = ωh( ωh +ωm), 其中 ω0 为铁磁共振频率 .由 于材料在铁磁共振频率附近会出现负磁导率, 而根 据 Maxw ell 方程电磁波不能透过单负介质(负介电 常数或负磁导率介质) , 因此在其透射曲线中就应该 在铁磁共振频率附近表现为一个微波禁带 .而且, 由于 ω0 会随着外加磁场 H0 的增加而增加, 因此禁 带频率也会随之升高.采用 CST Microw ave Studio 模拟了不同偏置磁场条件下单块铁氧体( 22 mm × · 1034 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 31 卷

第8期 徐芳等：频率可调磁感应波器件的微波透射性能 。1035。 4mm×10mm)的透射曲线.结果示于图2(a),S21为 Marw方程组无解，即无传输模存在，电磁波不能 透射系数.图中模拟结果与理论分析相符，透射曲 透过介质，因此能量在入射界面处几乎全部反射. 线中存在一个明显的禁带该禁带的中心频率随外 图2b)给出了模拟的禁带频率处单块铁氧体的磁 加磁场的增加而不断升高.由于在单负介质中 场分布图.可以明显地看出，电磁波不能通过铁氧 (b) A.m 41.7T 17.6 x(H) 81 39 128 0.514 -0-200kAm1 0.193- -0-240kAm1 -△-280kAm1 0.0572 0- 101214161820 f/GHz 图2（模拟的单块铁氧体的透射谱：(b)在240kA·m-1的偏置磁场下，12GHz处磁场强度分布情况 Fig 2 (a)Simulated transmission spectra of the single ferrite slab:(b)magnetic field map of the single ferrite shb at 12GHz under a hias field of 240kA"m-1 体向前传播，绝大部分能量在入射界面被反射回去. 增加而增加，在禁带对应的频率透射曲线(S21)的相 图3显示了实验测得的不同磁场条件下单铁氧 位出现突变.由于仿真软件对磁介质内场（磁晶各 体块(22mm×4mm×10mm)的微波透射曲线和相 向异性场、形状各向异性场等)条件过度简化，因此 位.实测的散射参数与模拟结果呈现相同规律，透 实验结果和方针结果仅定性符合，实测的场致频率 射曲线中存在明显微波禁带，且禁带频率随外磁场 变化量数值与仿真结果有较大偏差. (a) 150 100 9Sa 50 -0-160kAm4 -0-160kAm1 -0-240kAm -50 -0-240kAm1 -△-320kAml -△-320kAm-l =7-400kA·mt -100 -◇-400kA·m1 -20 -◇-480kA:m -150 +=480kA:m+ 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 9.510.010.511.011.512.012.513.0 f/GHz f/GHz 图3Y铁氧体在不同磁场下的幅值(a)和相位(b) Fig.3 Measured amplitude (a)and phase (b)of Y-type ferrite under different lias magnetic fields 双层铁氧体结构与单块铁氧体的微波透射曲线 氧体的间隙处磁场强度显著增强，甚至可以超过波 呈现显著的差异.图4(a)显示模拟的双层铁氧体复 源处的磁场强度.图4b)显示了240kAm外场 合结构在不同磁场条件下的透射曲线.从图中可以 条件下透射峰频率处(14.1GHz)样品的模拟磁场分 看出，与单块铁氧体相比，双层铁氧体结构的禁带宽 布.可以看到，间隙处的磁场强度很强，电磁波透过 度显著增加，而且在禁带内出现一个明显的透射峰， 两层铁氧体的间隙通过样品.这与单块铁氧体的情 该透射峰的频率随着外加磁场的增加也向高频方向 况（图2(b))明显不同.这证实了间隙处的强电磁耦 移动.根据上述理论分析，该透射峰是由于形成磁 合使磁场强度显著增强，产生磁感应波，使电磁波透 感应波透过样品而形成的通带.在偏置磁场和微波 过样品. 场共同作用下铁氧体发生铁磁共振，当两块铁氧体 图5()显示了在透射峰频率处的样品磁场强 平行放置且距离很近时，其相对表面上的静磁表面 度分布在一个周期内的连续变化情况.结果显示 波共振模发生强烈的耦合，产生磁感应波，在两层铁 波前整体向前传播，透过两层铁氧体结构，但是复合

4mm ×10mm)的透射曲线, 结果示于图 2( a), S21为 透射系数.图中模拟结果与理论分析相符, 透射曲 线中存在一个明显的禁带, 该禁带的中心频率随外 加磁场的增加而不断升高.由于在单负介质中 M axw ell 方程组无解, 即无传输模存在, 电磁波不能 透过介质, 因此能量在入射界面处几乎全部反射. 图 2( b)给出了模拟的禁带频率处单块铁氧体的磁 场分布图 .可以明显地看出, 电磁波不能通过铁氧 图 2 ( a) 模拟的单块铁氧体的透射谱;( b) 在 240 kA·m -1的偏置磁场下, 12GHz 处磁场强度分布情况 Fig.2 ( a) Simulat ed transmission spectra of the single ferrit e slab;( b) magnetic field map of the single ferrit e slab at 12GHz under a bias field of 240 kA·m -1 体向前传播, 绝大部分能量在入射界面被反射回去 . 图 3 显示了实验测得的不同磁场条件下单铁氧 体块( 22 mm ×4 mm ×10 mm) 的微波透射曲线和相 位.实测的散射参数与模拟结果呈现相同规律, 透 射曲线中存在明显微波禁带, 且禁带频率随外磁场 增加而增加, 在禁带对应的频率透射曲线( S21) 的相 位出现突变 .由于仿真软件对磁介质内场( 磁晶各 向异性场 、形状各向异性场等) 条件过度简化, 因此 实验结果和方针结果仅定性符合, 实测的场致频率 变化量数值与仿真结果有较大偏差. 图3 Y 铁氧体在不同磁场下的幅值( a) 和相位( b) Fig.3 Measured amplitude ( a) and phase ( b) of Y-t ype ferrit e under different bi as magnetic fields 双层铁氧体结构与单块铁氧体的微波透射曲线 呈现显著的差异 .图 4( a) 显示模拟的双层铁氧体复 合结构在不同磁场条件下的透射曲线 .从图中可以 看出, 与单块铁氧体相比, 双层铁氧体结构的禁带宽 度显著增加, 而且在禁带内出现一个明显的透射峰, 该透射峰的频率随着外加磁场的增加也向高频方向 移动.根据上述理论分析, 该透射峰是由于形成磁 感应波透过样品而形成的通带 .在偏置磁场和微波 场共同作用下铁氧体发生铁磁共振, 当两块铁氧体 平行放置且距离很近时, 其相对表面上的静磁表面 波共振模发生强烈的耦合, 产生磁感应波, 在两层铁 氧体的间隙处磁场强度显著增强, 甚至可以超过波 源处的磁场强度.图 4( b) 显示了 240 kA·m -1外场 条件下透射峰频率处( 14.1 GHz) 样品的模拟磁场分 布 .可以看到, 间隙处的磁场强度很强, 电磁波透过 两层铁氧体的间隙通过样品 .这与单块铁氧体的情 况( 图 2( b) ) 明显不同 .这证实了间隙处的强电磁耦 合使磁场强度显著增强, 产生磁感应波, 使电磁波透 过样品 . 图 5( a) 显示了在透射峰频率处的样品磁场强 度分布在一个周期内的连续变化情况 .结果显示, 波前整体向前传播, 透过两层铁氧体结构, 但是复合 第 8 期 徐 芳等:频率可调磁感应波器件的微波透射性能 · 1035 ·

。1036。 北京科技大学学报 第31卷 b A.m 452 ◆(H) 口-200kAm1 (E 0-240kAm 0.209 -△-280kAm1 0.062 0 12 14 16 18 f/GHz 图4(a模拟的双层铁氧体复合结构的透射曲线：(b)模拟的240kAm1外场的条件下，14.1GHz处的磁场分布 Fig 4 (a)Simulated transmission spectra of the hilyered ferrite slabs;(b)magnetic field map of the bilayered structure at 14.IGHz under a bias field of 240kA'm 结构内部的场分布以间隙为中心呈镜面对称，这意 现与强烈的电磁耦合密切相关. 味着在第2块铁氧体内电磁波反向传播.反向波是 与此对比，本文也研究了非共振耦合形成的通 左手材料的主要特征之一：该发现表明，两层铁氧体 带的电磁波传播情况.图5(b)显示了240kA·m1 结构整体呈右手特性，但其中第2块铁氧体具有左 外场的条件下9.7GHz处样品的磁场分布在一个周 手特性.有研究者对双层铁磁薄膜进行理论分析， 期内的连续变化情况.结果显示，整个复合结构呈 结果显示两铁磁层之间的磁矩耦合使得铁磁共振时 现典型的右手特性，电磁波通过整体结构向前传播， 第2铁磁层的磁导率相位滞后3/2x~2元（位于第4没有反向波出现，在间隙处也未出现磁场增强.17 象限)，由此导致其有效折射率的相角为1/2六~π GHz处的电磁波传播情况与此类似.这表明在铁磁 (位于第2象限)，即显示左手特性，电磁波在第2铁 共振条件下，由于表面波耦合形成的通带，和由于没 磁层内反向传播1.模拟结果与其理论推导相符. 有铁磁共振而形成的通带具有显著差异，电磁波的 这也从另一方面证实了在本文的结构中透射峰的出 传播特性明显不同. (a） (b) @/3 01=元/3 x() M=2/3 x(H 的 K) E) @=4r/3 0=4元/3 =5元3 空气 铁氧体铁氧体空气 空气铁氧体铁氧体空气 间隙 间隙 图5样品中心处的磁场分布.(a141CH云(b)9.7GHz Fig.5 Magnet ic field distribution in the midplane (a)14 1GHz (b)9.7CHz 实验测得的双层铁氧体复合结构（两层间隙1 表面波耦合引起的磁感应波，所以两层铁氧体之间 mm)的透射曲线如图6(a)所示.当磁场大于160 的距离(d)对耦合作用的强弱有很大的影响.图7 kAm时，在比单块铁氧体的透射禁带的位置稍 显示了d为0,1,2和4mm时在400kA°m1偏置 高的频段出现了一个透射峰，而且当磁场从 磁场条件下样品的透射曲线.可以看出，随着d的 160kA°m1增加到480kA·m-1,该透射峰的中心 增加，两块铁氧体之间的耦合减弱，导致了透射峰的 频率从10.1GHz变化到12.0GHz(图6(b)).实测 半高宽逐渐变窄，幅值逐渐下降，损耗不断增加.这 结果与仿真计算结果定性符合良好， 与文献报道的由两层平行排列的SRR构成的磁感 本文讨论的磁感应波器件源于两层铁氧体之间 应波透镜的规律相同，即层间距加大、耦合减弱1？

图 4 ( a) 模拟的双层铁氧体复合结构的透射曲线;( b) 模拟的 240 kA·m -1外场的条件下, 14.1GHz 处的磁场分布 Fig.4 ( a) Simulat ed transmissi on spectra of the bilayered f errite slabs;( b) magneti c field map of the bilayered structure at 14.1GHz under a bias field of 240 kA·m -1 结构内部的场分布以间隙为中心呈镜面对称, 这意 味着在第 2 块铁氧体内电磁波反向传播 .反向波是 左手材料的主要特征之一 ;该发现表明, 两层铁氧体 结构整体呈右手特性, 但其中第 2 块铁氧体具有左 手特性 .有研究者对双层铁磁薄膜进行理论分析, 结果显示两铁磁层之间的磁矩耦合使得铁磁共振时 第 2 铁磁层的磁导率相位滞后 3/2π～ 2π( 位于第 4 象限) , 由此导致其有效折射率的相角为 1/2π～ π ( 位于第 2 象限) , 即显示左手特性, 电磁波在第 2 铁 磁层内反向传播[ 14] .模拟结果与其理论推导相符 . 这也从另一方面证实了在本文的结构中透射峰的出 现与强烈的电磁耦合密切相关. 与此对比, 本文也研究了非共振耦合形成的通 带的电磁波传播情况.图 5( b) 显示了 240 kA·m -1 外场的条件下 9.7 GHz 处样品的磁场分布在一个周 期内的连续变化情况 .结果显示, 整个复合结构呈 现典型的右手特性, 电磁波通过整体结构向前传播, 没有反向波出现, 在间隙处也未出现磁场增强 .17 GHz 处的电磁波传播情况与此类似.这表明在铁磁 共振条件下, 由于表面波耦合形成的通带, 和由于没 有铁磁共振而形成的通带具有显著差异, 电磁波的 传播特性明显不同 . 图 5 样品中心处的磁场分布.( a) 14.1GHz;( b) 9.7GHz Fig.5 Magnetic field distribution in the midplane:( a) 14.1GHz;( b) 9.7GHz 实验测得的双层铁氧体复合结构( 两层间隙 1 mm) 的透射曲线如图 6 ( a) 所示.当磁场大于 160 kA·m -1时, 在比单块铁氧体的透射禁带的位置稍 高的频 段出 现 了一 个透 射 峰, 而 且 当磁 场 从 160 kA·m -1增加到 480 kA·m -1 , 该透射峰的中心 频率从 10.1 GHz 变化到 12.0 GHz( 图 6( b) ) .实测 结果与仿真计算结果定性符合良好 . 本文讨论的磁感应波器件源于两层铁氧体之间 表面波耦合引起的磁感应波, 所以两层铁氧体之间 的距离( d ) 对耦合作用的强弱有很大的影响.图 7 显示了 d 为 0, 1, 2 和 4 mm 时在 400 kA·m -1偏置 磁场条件下样品的透射曲线.可以看出, 随着 d 的 增加, 两块铁氧体之间的耦合减弱, 导致了透射峰的 半高宽逐渐变窄, 幅值逐渐下降, 损耗不断增加.这 与文献报道的由两层平行排列的 SRR 构成的磁感 应波透镜的规律相同, 即层间距加大 、耦合减弱[ 15] . · 1036 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 31 卷

第8期 徐芳等：频率可调磁感应波器件的微波透射性能 。1037。 24(a 0-160kAm 12.0(b) 0 --240 kA.ml 2 -△-320kAmr -+=400kAml 11.5 ★-480kAm 6 ◆ -8 -10 10.5 -12 -14 10.0■ 9.510.010.511.011.512.012.513.0 1.52.02.53.03.54.04.5 f/GHz H/(10'A.ml) 图6()实验得到的双层铁氧体复合结构的透射曲线：(b)特征频率随偏置磁场的变化 Fig 6 (a)Measured transmission pecra of the bilayened ferrite shbss (b)change of chanacteristic freqency with the strength of lias magnectic field [2 Houck AA.Brock J B.Chuang I L.Experimental observations of 0 mm a left-handed material that obeys Snell s law.Phys Rev Lett 2003.90:137401 [3 Seddon N.Bearpark T.Observation of the inverse Doppler ef- fed.Science,2003,302:1537 [4 Luo C Y,Ibanscu M,Johnson S G,et al.Cerankov radiation in photoric erystals.Science,2003.299:368 [5 Pendry J B.Negative mefraction makes a perfect lens.Phys Rev L41,2000,85:3966 0.9 1.0 1.1 12 [6 Fang N.Lee H.Sun C.et al.Sulrdiffraction limited optical fif imaging with a silver supedens Scienc,2005,30&534 [7 Merg F Y.Wu Q.Jin B S.et al.Numerical verification of the NIR 图7d值不同时微波器件的透射性能 feat ures for 2-D isot ropic LHM.Acta Phys Sin,2006,55:4514 Fig.7 Transmission propertie of the microw ave devices with dif (孟繁义，吴群，金博识.等.二维各向同性异向介质负折射特 ferent d values 性仿真验证.物理学报.2006.55：4514) 3结论 L图1 MaslovsiS.TretyakovS,Alitalo P.Near-field enhancement and imaging in double planar polariton-resonant structures.J Appl 本文结合理论分析、仿真计算与实验测试，研究 Phs,2004,96:1293 了由双层磁化铁氧体构成的磁感应波器件的微波透 [9 Marques R.M esa F.Medina F.Near-field enhanced imaging by a magnet ized femite shh.Appl Phys Lett,2005,86:023505 射性能.在偏置磁场和微波场的共同作用下，平行 [10 Freire M J,M arges R.Planar magnetoinductive lens for three 放置的两铁氧体发生铁磁共振，间隙处表面波共振 dimensional subw avelength imaging.Appl Phys Lett,2005, 模强烈耦合，磁场显著增强，产生磁感应波透过样 86:182505 品，由此导致在铁磁共振产生的微波禁带频率范围 [11]Freire M J,Marues R.Optimizing the magnetoinductive lens: 内出现一明显的通带，该通带具有很好的场致频率 improwement limits,and possible applications.J Appl Phys, 2008.103:013115 可调性，其中心频率随偏置磁场的增强而单调上升， [12 Sydomuk 0,Shamorin M.Radkovskaya A.et al.Mechanism of 良好的频率可调性可以进一步丰富磁感应波器件的 subw aveength imaging with bilayerd magnetic metamaterials 功能，扩展其应用领域.这种可调磁感应波器件可 theroy and experiment.JApp/Phys.2007.101:073903 用于磁共振成像系统，作为磁场探测器，提供更高速 13]Ai F,Bai Y,Xu F,et al.Research on the tunable left-handed 更精确的实时成像信息.该复合结构的微波特性同 pmperties of split-ring resonators with ferrite substrate.Acta 时受其结构参数的影响.随着两铁氧体间距的增 Ph3Sim,2008.57:4189 (艾芬，白洋，徐芳，等.基于铁氧体基板的开口谐振环的可调 加，耦合作用减弱，透射通带的半高宽逐渐降低、损 微波左手特性研究.物理学报.2008,57：4189) 耗增加. [14 Chen J W.Zhang B S.Targ DM,et al.Possible existence of a new type of left-handed materials in coupled fermomagnetic bilay- 参考文献 er films.J Magn Magn Mater,2006.302:368 [1]Veselago V G.The electrodynamics of substance with simultane- 15]Syms P RA,Young I R.Solymar L Low-bss magneto-induc- ously negative values of e and #Sov Phys Usp.1968.10:509 tive waveguides.J Phys D.2006.39 3945

图 6 ( a) 实验得到的双层铁氧体复合结构的透射曲线;( b) 特征频率随偏置磁场的变化 Fig.6 ( a) Measured transmission spectra of the bilayered f errite slabs;( b) change of charact eristic frequency with the strength of bias magnetic field 图 7 d 值不同时微波器件的透射性能 Fig.7 Transmission properties of the mi crow ave devices w ith dif￾ferent d values 3 结论 本文结合理论分析、仿真计算与实验测试, 研究 了由双层磁化铁氧体构成的磁感应波器件的微波透 射性能 .在偏置磁场和微波场的共同作用下, 平行 放置的两铁氧体发生铁磁共振, 间隙处表面波共振 模强烈耦合, 磁场显著增强, 产生磁感应波透过样 品, 由此导致在铁磁共振产生的微波禁带频率范围 内出现一明显的通带 .该通带具有很好的场致频率 可调性, 其中心频率随偏置磁场的增强而单调上升 . 良好的频率可调性可以进一步丰富磁感应波器件的 功能, 扩展其应用领域 .这种可调磁感应波器件可 用于磁共振成像系统, 作为磁场探测器, 提供更高速 更精确的实时成像信息.该复合结构的微波特性同 时受其结构参数的影响 .随着两铁氧体间距的增 加, 耦合作用减弱, 透射通带的半高宽逐渐降低 、损 耗增加. 参 考 文 献 [ 1] Veselago V G .The electrodynami cs of substance with simultane￾ously negative values of εand μ.Sov Phys Usp , 1968, 10:509 [ 2] Houck A A, Brock J B, Chuang I L.Experimental observations of a left-handed material that obeys Snell' s law .Phys Rev Lett , 2003, 90:137401 [ 3] Seddon N, Bearpark T .Observation of the inverse Doppler ef￾f ect .Sci ence, 2003, 302:1537 [ 4] Luo C Y, Ibanscu M , Johnson S G, et al.Cerankov radiation in photoni c cryst als.S cience, 2003, 299:368 [ 5] Pendry J B .Negative refraction makes a perfect lens.Phys Rev Lett, 2000, 85:3966 [ 6] Fang N, Lee H, Sun C , et al.Sub-diffraction-limited optical imaging w ith a silver superlens.Science, 2005, 308:534 [ 7] Meng F Y, Wu Q, Jin B S, et al.Numerical verification of the NIR features f or 2-D isotropic LHM.Acta Phys Sin, 2006, 55:4514 ( 孟繁义, 吴群, 金博识, 等.二维各向同性异向介质负折射特 性仿真验证.物理学报, 2006, 55:4514) [ 8] Maslovski S , Tretyakov S , Alit alo P.Near-field enhancement and imaging in double planar polarit on-resonant structures.J App l Phys, 2004, 96:1293 [ 9] Marqués R, M esa F, Medina F .Near-field enhanced imaging by a magnetized ferrit e slab.A ppl Phys Lett, 2005, 86:023505 [ 10] Freire M J, M arqué s R.Planar magnetoinductive lens f or th ree￾dimensional subw avelength imaging .Ap pl Phys Lett, 2005, 86:182505 [ 11] Freire M J, Marqués R.Optimizing the magnet oinductive lens: improvement, limits, and possible appli cations.J Appl Phys, 2008, 103:013115 [ 12] Sydoruk O, S hamonin M, Radkovskaya A, et al.Mechanism of subw avelength imaging with bilayerd magnetic metamaterials: theroy and experiment .J App l Phys, 2007, 101:073903 [ 13] Ai F, Bai Y, Xu F, et al.Research on the tunable left-handed properties of split-ring resonators w ith ferrit e substrate .Acta Phys S in , 2008, 57:4189 ( 艾芬, 白洋, 徐芳, 等.基于铁氧体基板的开口谐振环的可调 微波左手特性研究.物理学报, 2008, 57:4189) [ 14] Chen J W, Zhang B S , Tang D M, et al.Possible exist ence of a new t ype of left-handed mat erials in coupled ferromagnetic bilay￾er films.J Magn Magn Mater, 2006, 302:368 [ 15] Syms P R A, Young I R, Solymar L.Low-loss magneto-induc￾tive waveguides.J Phys D, 2006, 39:3945 第 8 期 徐 芳等:频率可调磁感应波器件的微波透射性能 · 1037 ·