CN101728054B - 一种应用于定向辐射调制的表面人工电磁材料 - Google Patents

Abstract

一种应用于定向辐射调制的表面人工电磁材料。该材料的制作步骤如下：(1)选择基底金属材料；(2)确定中心馈源的形状以及和辐射源的频段；(3)确定要制作a类凹槽的周期p，宽度w以及槽深l；(4)确定b类凹槽的周期d，宽度a和深度h；(5)在金属基板上一侧制作周期A类凹槽和周期B类凹槽，即可以得到定向辐射的表面人工电磁材料。本发明可以实现对金属表面波等效波矢的调制。在A类凹槽和B类凹槽的共同作用下，可以达到对远场辐射特性的调控。

Description

一种应用于定向辐射调制的表面人工电磁材料

技术领域

本发明设计到一种人工电磁材料，特别是一种应用于天线定向辐射调制的表面人工电磁材料。

背景技术

2002年，H.J.Lezec等人发现了一个关于亚波长结构对电磁能量辐射公职的奇异现象。他们发现，当光波通过周围由亚波长褶皱的金属小孔时，透过光束的传输方向可以得到非常有效的控制。W.L.Barnes高度评价了该发现的重要意义。他认为，这种亚波长结构化的表面结构，不仅揭示了金属结构在更小尺度下的异常电磁行为，而且为发展下一代的集成化、小型化光学器件提供了一个全新的思路，它特有的光束准直特性也为光子学向亚波长领域发展提供了一条便捷的途径。

研究人员们都同时认为，亚波长金属结构的这种奇特的电磁特性是由金属表面的表面等离子体波影响而导致的，这一结论对要求集成化的亚波长光学领域产生了深远影响。但是，表面等离子体波是金属材料在光波段特有的一种表面模式，到红外波段后表面等离子体波的效应已经急剧减弱，而在微波波段，金属基本上表现为理想导体的性质，根本不支持这种特殊的表面模式。

2004年，J.B.Pendry等人提出，如果表面引入周期远小于波长的周期槽结构或孔阵列结构，会使得理想导体表面能够支持和表面等离子体波非常相似的表面电磁模式，并且把这种表面模式定义为准表面等离子体。这个发现具有重要意义，即表面电磁模式的存在不再依赖于金属的介电性质，而只取决于金属表面的亚波长结构，使得表面等离子体的研究领域拓展到微波等长波段，可以构造出自然界原本不存在的电磁特性，为新的电磁器件的发展和应用奠定了理论基础。但目前尚还未有将此理论应用于定向辐射调制的表面人工电磁材料中。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术，即金属材料在微波波段，表现为理想导体的性质，不支持表面等离子体模式的物理现象的不足，提供一种应用于定向辐射调制的表面人工电磁材料，该材料在金属表面制作周期远小于波长的凹槽结构，使得理想导体表面能支持表面等离子体波，进而得到改变表面波波矢特定人工材料，以对微波波段远场的辐射特性进行调制。

本发明的技术解决方案：一种应用于定向辐射调制的表面人工电磁材料，实现步骤如下：

(1)选择金属基底材料；

(2)在金属基底材料中心处嵌入波导馈源，并确定波导馈源辐射波的频段范围；

(3)在金属基底材料上制作多个一维A类凹槽，所述A类凹槽的周期p与波导辐射源辐射的波长相当，宽度w为5mm～6mm，深度l为4mm～5mm；A类凹槽起散射表面波到自由空间的作用；

(4)在每两个B类凹槽之间的金属区域刻蚀一维B类凹槽，B类凹槽的周期为d，宽度为a和深度h；所述b类凹槽的周期d远小于波长，为波长的1/20～1/10；宽度a范围选择为d周期的1/5～3/5；深度为一变量，调节表面等效波矢；由于B类凹槽的周期和几何尺寸远小于工作波长，则可将其等效为高折射率的表面人工电磁材料，由此材料决定的等效表面波的波矢k_sp满足

$k_{\mathrm{sp}}^2=k_0^2+k_0^2{\left(\frac{a}{d}\right)}^2\tan \left(k_{0}h\right)---\left(1\right)$

其中k₀为辐射源辐射电磁波信号的波矢，其数值大小范围由辐射源的频率范围决定；a为B类凹槽的宽度，d为B类凹槽的周期，h为B类凹槽的深度。根据公式(1)可针对不同的辐射源频率选择B类凹槽的深度h的值可以得到一特定的表面波波矢k_sp，由于表面波波矢与入射波波矢之间的耦合即可以得到特定方向的电磁场定向辐射。

所述步骤(1)中的金属基底材料为铝或铜，这样可以使加工成本降低。

所述金属基底厚度范围为15mm～20mm。

所述步骤(2)波导馈源为标准扁矩形波导馈源，扁矩形波导馈源口在E面的宽度为使用波长的1/7～1/5，保证波导口中的电磁模式为最低阶的基膜。

所述步骤(2)中，将波导馈源辐射波的频段选在微波波段，这样该人工材料结构容易加工，应用于调制小型化天线定向辐射。

所述步骤(3)中，A类凹槽周期p与辐射源的波长λ相当，主要功能是作为二次辐射源将表面波散射到自由空间，以形成特定远场方向辐射。

所述步骤(4)中B类凹槽的深度h变化的范围为0到6mm，在同一频率下，表面波矢k_sp随h增加而增加。

本发明与现有技术相比的有益效果在于：

(1)本发明在金属表面制作周期远小于波长的凹槽结构，使得理想导体表面能支持表面等离子体波，进而得到改变表面波波矢特定人工材料，以对微波波段远场的辐射特性进行调制，这种人工电磁材料具有高折射率的特性。

(2)本发明应用于天线定向辐射的波段范围在微波波段，表面人工电磁材料的结构加工简单，成本低。

(3)本发明的人工材料中小凹槽的深度为一变量，可以有效调制表面波的色散特性。

(4)本发明的天线定向辐射的表面人工电磁材料，通过改变A类凹槽和B类凹槽的结构参数，使得定向辐射的设计具有很大是设计自由度。

附图说明

图1为深度为不同频率时，凹槽深度对表面波矢的调节规律；

图2为深度为3mm时此表面人工电磁材料的定向辐射特性图；

图3本发明的结构示意图；

图4为微波波段人工电磁材料与凹槽结构定向辐射三维图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。但以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，而且通过以下实施例本领域技术人员即可以实现本发明权利要求的全部内容。

如图1所示，为B类凹槽的周期d为2.4mm，宽度a为1.2mm，发明的表面人工电磁材料在不同频率时对表面波波矢的调制规律，此曲线是根据公式

得到，其中k₀为辐射源辐射波某一频率对应的波矢。由此可知，随B类凹槽的深度h逐渐增加，各个频率的表面波的等效波矢都单调增加。通过改变B类凹槽的深度h可以实现对此种材料表面波波矢的有效控制，进而影响其远场辐射特性。

如图2所示，为B类凹槽的周期d为2.4mm，宽度a为1.2mm，深度h为3mm时，此表面人工电磁材料的定向辐射图，其中+1级和-1级衍射级次在9.3GHz发生交叠，交叠对应衍射角度为0度。即由于表面人工电磁材料的作用，可使辐射源9.3GHz的电磁能量在衍射角为0度方向(中心对称面方向)发生定向辐射。

如图3所示，为此发明的应用于定向辐射调制的表面人工电磁材料结构正视图。

如图4所示，为此发明的应用于定向辐射调制的表面人工电磁材料结构的三维立体图。

实施例1，一种应用于定向辐射调制的表面人工电磁材料制作过程如下：

(1)选取金属的基底材料为铝，铝板厚度为15mm；

(2)波导馈源为扁矩形波导BB100，波导在E面的宽度仅为5.0mm.辐射源的频率范围为8.2GHz～12.5GHz之间，对应的波长范围为24mm～36.6mm，波矢k₀范围为0.17mm^-1～0.26mm^-1，在微波波段；

(3)选取A类凹槽的周期为p30mm，与辐射源辐射波长相当，a类凹槽的宽度w为5.0mm，深度l为4.5mm；

(4)B类凹槽的周期d为2.38mm，B类凹槽的宽度a为1.2mm，其深度h对对表面波波矢的调节规律如图1，说明可选择适当深度h以得到特定表面波波矢。本实施例选定B类凹槽的深度h＝3mm，其远场定向辐射图如图2。由A类凹槽控制的衍射级次与特定表面波的共同作用下，可以形成频率为9.3GHz在0度衍射方向上的定向辐射。

(5)最后在铝板上制作馈源结构、A类凹槽和B类凹槽，其结构参数由(3)和(4)给出。

本发明未详细阐述的部分属本领域的公知技术。

Claims (7)

1.一种应用于定向辐射调制的表面人工电磁材料，其特征在于所述材料的制作步骤如下：

(1)选择金属基底材料；

(2)在金属基底材料中心处嵌入波导馈源，并选择波导馈源辐射波的频段范围；

(3)在金属基底材料上制作多个一维A类凹槽，A类凹槽的周期p为30mm，波导辐射源的波长范围为24mm～36.6mm，宽度w为5mm～6mm，深度l为4mm～5mm；A类凹槽起散射表面波到自由空间的作用；

(4)在每两个A类凹槽之间的金属区域刻蚀一维B类凹槽，B类凹槽的周期为d，宽度为a和深度h；所述B类凹槽的周期d远小于入射波波长，为入射波波长的1/20～1/10；宽度a范围选择为周期d的1/5～3/5；深度为一变量，调节表面波等效波矢；由于B类凹槽的周期和几何尺寸远小于入射波波长，则能将其等效为高折射率的表面人工电磁材料，由此材料决定的表面波的等效波矢k_sp满足

$k_{\mathrm{sp}}^2=k_0^2+k_0^2{\left(\frac{a}{d}\right)}^2\tan \left(k_{0}h\right)---\left(1\right)$

其中k₀为辐射源辐射电磁波信号的波矢，其数值大小范围由辐射源的频率范围决定；a为B类凹槽的宽度，d为B类凹槽的周期，h为B类凹槽的深度；根据公式(1)针对不同的辐射源频率选择B类凹槽的深度h的值能够得到特定的表面波等效波矢k_sp，由于表面波波矢与入射波波矢之间的耦合即能够得到特定方向的电磁场定向辐射。

2.根据权利要求1所述的一种应用于定向辐射调制的表面人工电磁材料，其特征在于：所述步骤(1)中的金属基底材料为铝或铜。

3.根据权利要求1所述的一种应用于定向辐射调制的表面人工电磁材料，其特征在于：所述金属基底材料的厚度范围为15mm～20mm。

4.根据权利要求1所述的一种应用于定向辐射调制的表面人工电磁材料，其特征在于：所述步骤(2)波导馈源为标准扁矩形波导馈源，扁矩形波导馈源口在E面的宽度为入射波波长的1/7～1/5，保证波导馈源口中的电磁模式为最低阶的基膜。

5.根据权利要求1所述的一种应用于定向辐射调制的表面人工电磁材料，其特征在于：所述步骤(2)中，将波导馈源辐射波的频段选在微波波段。

6.根据权利要求1所述的一种应用于定向辐射调制的表面人工电磁材料，其特征在于：所述步骤(3)中，A类凹槽的周期p为30mm，波导辐射源的波长范围为24mm～36.6mm，主要功能是A类凹槽作为二次辐射源将表面波散射到自由空间，以形成特定远场方向辐射。

7.根据权利要求1所述的一种应用于定向辐射调制的表面人工电磁材料，其特征在于：所述步骤(4)中B类凹槽的深度h变化的范围为0到6mm，在同一频率下，表面波波矢k_sp随h增加而增加。

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