基于超材料的非互易性天線罩及其非互易性能的產(chǎn)生方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于超材料的非互易性天線罩，包括至少一個(gè)十字形超材料，每個(gè)十字形超材料包括兩個(gè)相互垂直的十字形超材料片層；本發(fā)明無(wú)需引入非線性材料而是通過人為構(gòu)建相互垂直的超材料單元來(lái)破壞等效磁導(dǎo)率的時(shí)空宇稱特性，這種結(jié)構(gòu)的雷達(dá)天線罩能夠在不同的入射方向上表現(xiàn)出明顯的非互易特性；加載了基于超材料的非互易性天線罩的天線在兩種模式下可以相互獨(dú)立工作，互不干擾，提高了天線的工作效率和穩(wěn)定性；本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)通俗，工藝簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)靈活，功能性強(qiáng)等特點(diǎn)。
【專利說明】
基于超材料的非互易性天線罩及其非互易性能的產(chǎn)生方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及電磁通信，微波器件領(lǐng)域，尤其是雷達(dá)天線罩，電磁超材料吸波器。
【背景技術(shù)】
[0002]電磁超材料是指一些具有超常物理性質(zhì)的人工復(fù)合結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料。利用電磁超材料，許多奇特的物理現(xiàn)象已經(jīng)被實(shí)現(xiàn)，例如負(fù)折射、“完美”成像和“隱身衣”等。此外，電磁超材料的許多應(yīng)用也被提出來(lái)，例如天線的小型化、存儲(chǔ)容量的擴(kuò)充、天線的隱形、超薄諧振腔以及微波器件的小型化等。這些現(xiàn)象和應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)依賴于電磁超材料經(jīng)電磁輻射后可產(chǎn)生獨(dú)立可調(diào)的電響應(yīng)和磁響應(yīng)的能力。對(duì)特定頻率的電磁信號(hào)的傳輸控制或者損耗的一種技術(shù)稱之為隱身，為了達(dá)到這一目的，電磁波濾波結(jié)構(gòu)、電磁波吸收結(jié)構(gòu)等成為人們的研究熱點(diǎn)，這促進(jìn)了頻率選擇表面和吸波結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)研究工作。頻率選擇表面和吸波結(jié)構(gòu)以周期陣列排布的形式，具有對(duì)電磁波濾波和吸收的效果，能夠?qū)崿F(xiàn)隱身的性能，被廣泛地應(yīng)用于戰(zhàn)斗機(jī)或船艦的雷達(dá)罩上。
[0003]此外，在宇稱時(shí)間對(duì)稱系統(tǒng)中，系統(tǒng)的哈密頓量通常是厄米的，其解是成對(duì)形式出現(xiàn)的實(shí)本征譜。但在宇稱或時(shí)間反演對(duì)稱性破缺的系統(tǒng)中，波動(dòng)方程的解可能以非成對(duì)的形式出現(xiàn)，從而導(dǎo)致非互易單通現(xiàn)象。所以，基于時(shí)間、空間反演對(duì)稱性破缺結(jié)構(gòu)的研究，無(wú)論是在理論還是應(yīng)用上都有重要的意義。不借助磁光或者非線性材料，金屬表面等離子體在對(duì)稱結(jié)構(gòu)被打破時(shí)也會(huì)表現(xiàn)出非互易特性，為非互易光子器件的設(shè)計(jì)提供了一種全新而易于實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)思路。美國(guó)加州理工學(xué)院(CIT)的L.Feng等人通過利用金屬結(jié)構(gòu)周期性調(diào)制，實(shí)現(xiàn)對(duì)波導(dǎo)有效折射率的復(fù)數(shù)調(diào)制，從而打破傳統(tǒng)硅波導(dǎo)的PT對(duì)稱性，實(shí)現(xiàn)非互易的波導(dǎo)傳輸模間躍迀，為實(shí)現(xiàn)易于集成硅基片上的非互易光子器件鋪平了道路。在周期性人工結(jié)構(gòu)中，宇稱或時(shí)間對(duì)稱性破缺造成其能帶結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性破缺，從而導(dǎo)致電磁波在這種結(jié)構(gòu)中傳播完全不同于尋常的周期性工人結(jié)構(gòu)。非互易性在單通分路器，磁場(chǎng)可控的效應(yīng)，單向延遲線，以及熱穩(wěn)定性等設(shè)計(jì)與研究，光二極管，隔離器、環(huán)路器以及其它光集成器件中得以廣泛應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是通過電磁超材料構(gòu)建一種基于超材料的非互易性天線罩，當(dāng)電磁波從不同的端口入射時(shí)，該器件能對(duì)電磁波實(shí)現(xiàn)不同的調(diào)控形式，比如吸波和透射。將非互易性應(yīng)用于天線中與普通天線相比能夠?qū)崿F(xiàn)天線的收發(fā)互相獨(dú)立工作，彼此之間的信號(hào)干擾小，隔離度高等特點(diǎn)。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:一種基于超材料的非互易性天線罩，由若干個(gè)非互易性天線罩單元拼接而成，所述非互易性天線罩單元包括兩個(gè)互相垂直的電磁超材料片層，每個(gè)電磁超材料片層包括介質(zhì)基板以及附著在所述介質(zhì)基板正面和反面上的人工微結(jié)構(gòu)單元，所述正面和反面所附著的兩個(gè)人工微結(jié)構(gòu)單元不完全對(duì)稱，能夠形成交叉極化。
[0006]進(jìn)一步的，所述兩個(gè)互相垂直的電磁超材料片層在頂部形成一個(gè)井字型結(jié)構(gòu)。
[0007]進(jìn)一步的，正面和反面所附著的兩個(gè)不完全對(duì)稱的人工微結(jié)構(gòu)單元的結(jié)構(gòu)形式為單開口 SRR環(huán)，雙開口 SRR環(huán)或者背靠背SRR環(huán)。
[0008]進(jìn)一步的，所述單開口 SRR環(huán)，雙開口 SRR環(huán)或者背靠背SRR環(huán)由金屬，石墨烯或等離子體構(gòu)成。
[0009]進(jìn)一步的，所述介質(zhì)基板由FR-4，娃或者氧化娃構(gòu)成。
[0010]本發(fā)明還提供一種利用基于超材料的非互易性天線罩實(shí)現(xiàn)的非互易性能的產(chǎn)生方法，利用電磁波以垂直于非互易性天線罩的入射角Θ從非互易性天線罩的正面和反面兩個(gè)端口入射到器件上，Θ不等于0°，兩個(gè)相互垂直的電磁超材料單元在X，Y，Z三個(gè)相互垂直的方向上都能產(chǎn)生磁矩形成交叉極化，使電磁超材料單元結(jié)構(gòu)的磁導(dǎo)率或介電常數(shù)非對(duì)角線上的元素不為零且有復(fù)數(shù)存在，破壞了磁導(dǎo)率或介電常數(shù)的時(shí)空宇稱性，進(jìn)而導(dǎo)致非互易性能的產(chǎn)生，所述非互易性能是指電磁波分別從兩個(gè)不同的端口入射時(shí)，其吸波和透波的頻點(diǎn)不同。
[0011]進(jìn)一步的，所述非互易性天線罩能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)吸波性能和透波性能，互相獨(dú)立工作，互不干擾。
[0012]有益效果:本發(fā)明通過電磁超材料構(gòu)建一種基于超材料的非互易性天線罩，當(dāng)電磁波從不同的端口入射時(shí)，該器件能對(duì)電磁波實(shí)現(xiàn)不同的調(diào)控形式，比如吸波和透射。將非互易性應(yīng)用于天線中與普通天線相比能夠?qū)崿F(xiàn)天線的收發(fā)互相獨(dú)立工作，彼此之間的信號(hào)干擾小，隔離度高等特點(diǎn)。
[0013]本發(fā)明無(wú)需引入非線性材料而是通過人為構(gòu)建相互垂直的超材料單元來(lái)破壞等效磁導(dǎo)率的時(shí)空宇稱特性，這種結(jié)構(gòu)的雷達(dá)天線罩能夠在不同的入射方向上表現(xiàn)出明顯的非互易特性。加載了基于超材料的非互易性天線罩的天線在兩種模式下可以相互獨(dú)立工作，互不干擾，提高了天線的工作效率和穩(wěn)定性。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)通俗，工藝簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)靈活，功能性強(qiáng)等特點(diǎn)。
【附圖說明】
[0014]圖1為基于超材料的非互易性天線罩結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]圖2(a)為非互易性天線罩結(jié)構(gòu)單元的俯視圖；
[0016]圖2(b)為非互易性天線罩結(jié)構(gòu)單元的正視圖；
[0017]圖2(c)為非互易性天線罩結(jié)構(gòu)單元的左視圖；
[0018]圖3(a)為基于超材料的非互易性天線罩片層I正面示意圖；
[0019]圖3(b)為基于超材料的非互易性天線罩片層I背面示意圖；
[0020]圖4為非互易性天線罩的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖5(a)為正入射(θ= 0°)時(shí)模式I和模式2的吸收率；
[0022]圖5(b)為正入射(θ= 0°)時(shí)模式I和模式2的和透射率；
[0023]圖6(a)為大角度入射(θ= 30°)時(shí)模式I和模式2的吸收率；
[0024]圖6(b)為大角度入射(θ= 30°)時(shí)模式I和模式2的透射率。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。
[0026]如圖4所示，一種基于超材料的非互易性天線罩，由若干個(gè)非互易性天線罩單元拼接而成。如圖1所示，所述非互易性天線罩單元包括兩個(gè)互相垂直的電磁超材料片層I和II，每個(gè)電磁超材料片層包括介質(zhì)基板I以及附著在所述介質(zhì)基板正面和反面上的人工微結(jié)構(gòu)單元2，所述正面和反面所附著的兩個(gè)人工微結(jié)構(gòu)單元不完全對(duì)稱，能夠形成交叉極化。如圖2(a)所示，兩個(gè)互相垂直的電磁超材料片層在頂部形成一個(gè)井字型結(jié)構(gòu)。如圖2(b、c)所示為非互易性天線罩單元的正視圖和左視圖。
[0027]以片層I為例，正面為圖3(a)所示的開口SRR環(huán)，其背面的開口 SRR環(huán)結(jié)構(gòu)如圖3(b)所示，其中人工微結(jié)構(gòu)單元不局限于圖中所示的結(jié)構(gòu)，可以是其他形式的金屬諧振環(huán)，只要相互之間能引起交叉極化，破壞相對(duì)磁導(dǎo)率張量或相對(duì)介電常數(shù)張量的對(duì)稱性即可產(chǎn)生非互易現(xiàn)象。具體的:正面和反面所附著的兩個(gè)不完全對(duì)稱的人工微結(jié)構(gòu)單元的結(jié)構(gòu)形式為單開口 SRR環(huán)，雙開口 SRR環(huán)或者背靠背SRR環(huán)。單開口 SRR環(huán)，雙開口 SRR環(huán)或者背靠背SRR環(huán)由金屬，石墨烯或等離子體構(gòu)成。介質(zhì)基板由FR-4，硅或者氧化硅構(gòu)成。
[0028]如圖4所示，該基于超材料的非互易性天線罩工作時(shí)當(dāng)電磁波沿負(fù)Z方向入射時(shí)，天線罩工作在I模式;當(dāng)電磁波沿正Z方向入射時(shí)，天線罩工作在2模式。無(wú)論是從正Z方向還是負(fù)Z方向入射，這里的入射均是指以一定的角度入射，并不是電磁波的正入射(Θ = 0°)。如圖4所示，Θ為入射電磁波方向與X，Y平面的法線方向即Z方向的夾角。當(dāng)電磁波正入射時(shí)，如圖5所示該天線罩不能表現(xiàn)出非互易特性。從圖5可以看出正入射時(shí)，模式I和模式2的透射相同而吸收不同。由吸收率公式Α( ω ) = 1-R( ω )-Τ( ω )，其中Α( ω )表示吸收率，R( ω )表示反射率，Τ(ω)表示透射率，可知，吸收不同的原因是兩種模式下的反射不同，其反射不同的原因可以由圖3(a)和(b)可以看出，天線罩正面和背面的結(jié)構(gòu)不同，所以兩種模式下入射到天線罩的正反兩面結(jié)構(gòu)不同，從而其反射率不同。由圖6可知，當(dāng)電磁波斜入射(θ = 30°)時(shí)兩種模式下的吸收率和透射率均呈現(xiàn)出明顯的非互易特性，其透波的頻點(diǎn)不同。當(dāng)該天線罩工作在I模式，即電磁波沿負(fù)Z方向入射時(shí)，在頻率5處實(shí)現(xiàn)吸波性能，在頻率^處實(shí)現(xiàn)透波性能；當(dāng)該天線罩工作在2模式，即電磁波沿正Z方向入射時(shí)，在頻率匕處實(shí)現(xiàn)吸波性能，在頻率5處實(shí)現(xiàn)透波性能。這是由于大角度入射時(shí)，天線罩的單元結(jié)構(gòu)在Χ，Υ，Ζ方向都產(chǎn)生了感應(yīng)磁場(chǎng)，這些感應(yīng)磁場(chǎng)形成了交叉極化，破壞了等效磁導(dǎo)率張量的時(shí)空宇稱特性，從而導(dǎo)致了從不同方向入射時(shí)產(chǎn)生了非互易特性。
[0029]以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征和優(yōu)點(diǎn)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述具體實(shí)施例的限制，上述具體實(shí)施例和說明書中的描述只是為了進(jìn)一步說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會(huì)有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)的范圍由權(quán)利要求書及其等效物界定。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于超材料的非互易性天線罩，其特征在于，由若干個(gè)非互易性天線罩單元拼接而成，所述非互易性天線罩單元包括兩個(gè)互相垂直的電磁超材料片層，每個(gè)電磁超材料片層包括介質(zhì)基板以及附著在所述介質(zhì)基板正面和反面上的人工微結(jié)構(gòu)單元，所述正面和反面所附著的兩個(gè)人工微結(jié)構(gòu)單元不完全對(duì)稱，能夠形成交叉極化。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于超材料的非互易性天線罩，其特征在于，所述兩個(gè)互相垂直的電磁超材料片層在頂部形成一個(gè)井字型結(jié)構(gòu)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于超材料的非互易性天線罩，其特征在于，正面和反面所附著的兩個(gè)不完全對(duì)稱的人工微結(jié)構(gòu)單元的結(jié)構(gòu)形式為單開口 SRR環(huán)，雙開口 SRR環(huán)或者背靠背SRR環(huán)。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于超材料的非互易性天線罩，其特征在于，所述單開口SRR環(huán)，雙開口 SRR環(huán)或者背靠背SRR環(huán)由金屬，石墨烯或等離子體構(gòu)成。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于超材料的非互易性天線罩，其特征在于，所述介質(zhì)基板由FR-4，硅或者氧化硅構(gòu)成。6.利用權(quán)利要求1所述的基于超材料的非互易性天線罩實(shí)現(xiàn)的非互易性能的產(chǎn)生方法，其特征在于，利用電磁波以垂直于非互易性天線罩的入射角Θ從非互易性天線罩的正面和反面兩個(gè)端口入射到器件上，Θ不等于0°，兩個(gè)相互垂直的電磁超材料單元在X，Y，Z三個(gè)相互垂直的方向上都能產(chǎn)生磁矩形成交叉極化，使電磁超材料單元結(jié)構(gòu)的磁導(dǎo)率或介電常數(shù)非對(duì)角線上的元素不為零且有復(fù)數(shù)存在，破壞了磁導(dǎo)率或介電常數(shù)的時(shí)空宇稱性，進(jìn)而導(dǎo)致非互易性能的產(chǎn)生，所述非互易性能是指電磁波分別從兩個(gè)不同的端口入射時(shí)，其吸波和透波的頻點(diǎn)不同。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于超材料的非互易性天線罩實(shí)現(xiàn)的非互易性能的產(chǎn)生方法，其特征在于，所述非互易性天線罩能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)吸波性能和透波性能，互相獨(dú)立工作，互不干擾。
【文檔編號(hào)】H01Q1/42GK105977632SQ201610405834
【公開日】2016年9月28日
【申請(qǐng)日】2016年6月12日
【發(fā)明人】章海鋒, 王玲玲, 施維
【申請(qǐng)人】南京航空航天大學(xué)