。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