CN102790275A - 电磁波分束器 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例涉及一种电磁波分束器，该分束器包括由至少一个超材料片层构成的功能层，不同超材料片层的折射率分布相同，超材料片层可分为一个圆形区域和一个与圆形区域同心的环形区域，在圆形区域内折射率随着半径的增大连续增大且相同半径处的折射率相同，在环形区域内折射率随着半径的增大连续减小且相同半径处的折射率相同。本发明的分束器的功能层的圆形区域具有发散电磁波的功能，环形区域具有汇聚电磁波的功能，入射到功能层圆形区域的电磁波分别向功能层两侧边缘偏折射出，入射到环形区域的电磁波向功能层的圆心方向偏折，信号源发出的电磁波射入到分束器后出射的电磁波形成环形的辐射区域，可实现特定的避障、避免干扰等需求。

Description

电磁波分束器
技术领域
本发明涉及超材料领域，尤其涉及一种基于超材料的电磁波分束器。
背景技术
微波传输过程中，经常会需要将出射的波束分开一定角度，以实现避障、避免干扰以及多向发射等不同需求。
现有技术中大多通过反射、折射或半反面等方式实现波束分离，发明人在实施本发明过程中，发现现有技术至少存在如下技术问题：采用现有的分波手段进行波束分离会造成大量的能量损耗；现有的分波装置体积较大，使用不便。
发明内容
本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种电磁波分束器，其体积小、重量轻、使用灵活方便。
为解决上述技术问题，提供了一种电磁波分束器，所述分束器包括由至少一个超材料片层构成的功能层，所述超材料片层包括片状的基板和附着在所述基板上的多个人造微结构，每一所述超材料片层的折射率分布均相同，所述超材料片层包括一个圆形区域和一个与所述圆形区域同心的环形区域，在所述圆形区域内折射率随着半径的增大连续增大且相同半径处的折射率相同，在所述环形区域内折射率随着半径的增大连续减小且相同半径处的折射率相同。
上述技术方案至少具有如下有益效果：本发明的分束器的功能层的圆形区域具有发散电磁波的功能，环形区域具有汇聚电磁波的功能，入射到功能层圆形区域的电磁波分别向功能层两侧边缘偏折射出，入射到环形区域的电磁波向功能层的圆心方向偏折，信号源发出的电磁波射入到分束器后出射的电磁波形成环形的辐射区域，可实现特定的避障、避免干扰等需求。该分束器的体积较小、重量轻、使用灵活方便。
附图说明
图1是本发明一实施例的电磁波分束器分离波束的示意图。
图2是本发明实施例所采用的功能层的结构示意图。
图3是图2所示的功能层的折射率随半径变化的示意图。
图4是图2所示的功能层在yz平面上的折射率分布图。
图5是图2所示的人造微结构衍生的第二实施例的结构示意图。
图6是由图5所示人造微结构衍生的第三实施例的结构示意图。
图7是本发明的电磁波分束器另一实施例的结构示意图。
具体实施方式
超材料是一种以人造微结构2为基本单元并以特定方式进行空间排布、具有特殊电磁响应的新型材料，包括人造微结构2和供人造微结构附着的基板1。人造微结构2为由至少一根金属丝组成的平面结构或立体结构，多个人造微结构2在基板1上阵列排布，每个人造微结构2以及其所附着的基板1所占部分即为一个超材料单元。基板1可为任何与人造微结构2不同的材料，这两种材料的叠加使每个超材料单元产生一个等效介电常数与磁导率，这两个物理参数分别对应了超材料单元的电场响应与磁场响应。超材料对电磁响应的特征是由人造微结构2的特征所决定，而人造微结构2的电磁响应很大程度上取决于其金属丝的图案所具有的拓扑特征和其几何尺寸。根据上述原理设计超材料空间中排列的每个人造微结构2的拓扑图形和几何尺寸，就可对超材料中每一点的电磁参数进行设置。
图1所示为本发明一实施例的电磁波分束器分离波束的示意图，信号源20发出的电磁波射入到本发明的分束器后出射的电磁波形成环形的辐射区域，可实现特定的避障、避免干扰等需求。该分束器包括：由至少一个超材料片层3构成的功能层10。作为公知常识我们可知，电磁波的折射率
Figure BDA0000061287470000031
当一束电磁波由一种介质传播到另外一种介质时，电磁波会发生折射，当物质内部的折射率分布非均匀时，电磁波就会向折射率比较大的位置偏折，通过设计构成功能层10的超材料片层3中每一点的电磁参数，就可对功能层10的折射率分布进行调整，进而达到改变电磁波的传播路径的目的。根据上述原理可以通过设计功能层10的折射率分布实现如图1所述的电磁波辐射效果。
构成图1所示的功能层10的每个超材料片层3包括片状的基板1和附着在基板1上的多个人造微结构2，每个人造微结构2以及其所附着的基板1所占部分即为一个超材料单元。功能层10的具体结构如图2所示，本实施例中功能层10由多个超材料片层3堆叠形成，各个超材料片层3之间等间距排列地组装，或两两片层之间直接前、后表面相粘合地连接成一体。具体实施时，超材料片层3的数目可依据需求来进行设计。每个超材料片层3由多个超材料单元阵列形成，整个功能层10可看作是由多个超材料单元沿X、Y、Z三个方向阵列排布而成。功能层10中，每个超材料单元的边长为入射电磁波波长的1/5到1/10之间。本实施例中每个超材料片层3的折射率分布均相同，这里为了描述清楚仅对一个超材料片层3的折射率分布规律进行详细说明，其余各超材料片层3的折射率分布规律均相同。在本实例中每个超材料片层3的折射率分布满足如下第一规律：在YZ平面上超材料片层3包括一个圆形区域和一个与圆形区域同心的环形区域，在圆形区域内折射率随着半径的增大连续增大且相同半径处的折射率相同，在环形区域内折射率随着半径的增大连续减小且相同半径处的折射率相同。
如图2所示功能层10由多个折射率分布规律相同的超材料片层3堆叠形成，所以本发明的功能层10的折射率分布满足第一规律，图3是图2所示的功能层10的折射率随半径变化的示意图。如图所示功能层10包括2个区域，第一区域的半径长度为L1，在该区域内沿半径增加的方向每个超材料单元的折射率依次为a1、a2、a3......an；第二区域的宽度为L2，沿半径增大方向每个超材料单元的折射率依次为b1、b2、b3......bn；且各个折射率满足如下关系：
a1≤a2≤a3≤……≤an    (1)
b1≥b2≥b3≥……≥bn    (2)
其中，n为不小于2的自然数，式(1)(2)均不同时取等号。利用功能层10使从信号源20发出的球面波形式发散的电磁波形成如图1所示的环形的辐射区域且随着电磁波的传播其形成的环形区域的宽度保持不变，则需第一区域内越靠近圆心处入射电磁波和出射电磁波之间所夹的偏折角越大，第二区域内越远离圆心处入射电磁波和出射电磁波之间所夹的偏折角越大。作为公知常识可知相邻超材料单元之间的折射率变化量越大，则电磁波的偏折角越大。因此，为了实现电磁波传播过程中圆环的宽度保持不变，必须使入射到功能层10的靠近圆心处和靠近边缘处的电磁波以大角度偏折，所以各个区域内超材料单元的折射率变化满足如下关系：
(a1-a2)≥(a2-a3)≥......≥(an-1-an)        (3)
(b1-b2)≤(b2-b3)≤......≤(bn-1-bn)        (4)
满足上述关系式的功能层10，其第一区域在yz平面上的折射率变化量具有如下关系：即以折射率为a1的超材料单元为圆心，随着半径的增大折射率变化量逐渐减小，因此以a1所在的超材料单元为圆心，随着半径的增大入射到第一区域的电磁波出射时偏折角度逐渐减小，越靠近圆心处入射的电磁波其出射偏折角越大；同理，第二区域在yz平面上的折射率变化量具有如下关系：即在第二区域内随着半径的增大折射率变化量逐渐增大，因此随着半径的增大入射到第二区域的电磁波出射时偏折角度逐渐增大，越靠近超材料片层3边缘处入射的电磁波的出射偏折角越大。通过一定的设计和计算，使得这些偏折角依次满足一定的规律，即可实现图1所示的分束效果。类似于凸透镜，只要知道各个表面点对光的偏折角度和材料的折射率，即可设计出相应的表面曲率特征使入射光以期望的角度出射。同理本发明的分束器通过设计各个超材料单元的人造微结构2，得到该单元的介电常数ε和磁导率μ，进而对功能层10的折射率分布进行设计使得各个相邻超材料单元的折射率的变化量Δn能实现电磁波特定的偏折角度，即可使从信号源20发出的球面波形式发散的电磁波形成如图1所示的环形的辐射区域且随着电磁波的传播其形成的环形区域的宽度保持不变，进一步地通过设计可对圆环宽度进行调节，以实现特定的避障需求。
为了更直观的表示超材料片层3在yz面上折射率折射率分布规律，将折射率相同的超材料单元连成一条线，并用线的疏密来表示折射率的大小，线越密折射率越大，则符合以上所有关系式的超材料片层3的折射率分布如图4所示。
实验证明，相同图案的人造微结构2，其几何尺寸与介电常数ε成正比，因此在入射电磁波确定的情况下，通过合理设计人造微结构2的拓扑图案和不同尺寸的人造微结构2在超材料片层上的排布，就可以调整功能层10的折射率分布，进而实现本发明的目的。
实现上述折射率和折射率变化量分布关系的人造微结构2有很多种可实现方式，对于平面结构的人造微结构2，其几何形状可以是轴对称也可以非轴对称；对于三维结构，其可以是非90度旋转对称的任意三维图形。
如图2所示平面的人造微结构2均附着在片状基材1的表面上。图中人造微结构2呈“工”字形，包括竖直的第一金属丝201和分别连接在第一金属丝201两端且垂直于第一金属丝201的第二金属丝202。功能层10由多个相同的超材料片层3构成，每个超材料片层3的yz平面上包括一个圆形区域和一个与圆形区域同心的环形区域，圆形区域内“工”字形的人造微结构2的尺寸随着半径的增大连续增大，且相同半径处的人造微结构2的尺寸相同；环形区域内“工”字形的人造微结构2的尺寸随着半径的增大连续减小，且相同半径处的人造微结构2的尺寸相同。
需要说明的是，由于实际上超材料单元是一个立方体而非一个点，因此上述圆形、环形只是近似描述，实际上的折射率相同或基本相同的超材料单元是在一个锯齿形圆周上分布的。其具体设计类似于计算机用方形像素点绘制圆形、椭圆形等平滑曲线时进行描点的编程模式(例如OpenGL)，当像素点相对于曲线很小时曲线显示为光滑，而当像素点相对于曲线较大时曲线显示有锯齿。
图5所示实施例是图2所示人造微结构2的衍生，图5中的衍生人造微结构2不仅包括构成“工”字形的第一金属丝201和第二金属丝202，还包括分别连接在第二金属丝202两端且垂直于第二金属丝202的第三金属丝203。
图6所示实施例则是图5的人造微结构2的进一步衍生，其人造微结构2在图5的基础上还包括分别连接在第三金属丝203两端且垂直于第三金属丝203的第四金属丝204。依此类推，本发明的人造微结构2还有无穷多个。第二金属丝202的长度小于第一金属丝201，第三金属丝203的长度小于第二金属丝202，第四金属丝204的长度小于第三金属丝203，依此类推。
其中，每个第一金属丝201只与第二金属丝202相连接，不与其他任何金属丝相交；任意第N金属丝只与第(N-1)金属丝和第(N+1)金属丝相交连接，不予其他任何金属丝相交，这里N大于等于2。
应当理解，本发明实施例的基于超材料的天线可以采用“王”字形或“十”字形等对称结构的人造微结构2，也可采用其他非对称结构的人造微结构2，只要每个超材料片层3在yz面上的折射率分布满足上述所有关系式，通过对人造微结构2的形状、尺寸和排布进行设置，即可使从信号源20发出的球面波形式发散的电磁波形成如图1所示的环形的辐射区域且随着电磁波的传播其形成的环形区域的宽度保持不变。
具体实施时，可通过计算和仿真得出其介电常数和磁导率，然后不断调整人造微结构2的形状和尺寸，直到其介电常数和磁导率的值满足上述折射率分布。
上述实施例中人造微结构2由至少一根铜丝或者银丝等金属丝构成，具有特定图形。金属线通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻等方法附着在基板1上。其中蚀刻是较优的制造工艺，其步骤是在设计好合适的人造微结构2的平面图案后，先将一张金属箔片整体地附着在基板1上，然后通过蚀刻设备，利用溶剂与金属的化学反应去除掉人造微结构2预设图案以外的箔片部分，余下的即可得到阵列排布的人造微结构2。基板1由陶瓷、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料等制得。例如，聚四氟乙烯、环氧树脂、FR4、F4b等高分子材料。
图7本发明的电磁波分束器另一实施例的示意图，本实施例中在构成分束器的功能层10的电磁波入射面和电磁波出射面还分别设置有阻抗匹配层(图中未示出)，阻抗匹配层的一侧的阻抗与空气阻抗相同，另一侧的阻抗与功能层10的阻抗相同，中间的阻抗连续变化形成一阻抗渐变层，消除了空气与功能层10间的阻抗突变，进而减少了电磁波的反射。阻抗匹配层可采用普通材料制成也可采用超材料制成，只要在空气与功能层10间形成阻抗渐变层即可满足阻抗匹配的目的。
本发明的基于超材料的天线所采用的超材料面板10在yz平面的折射率分布呈“环形”分布，且存在一个圆形区域和一个与圆形区域同心的环形区域，在圆形区域内随着半径的增大折射率连续增大，在环形区域内折射率随着半径的增大连续减小，入射到圆形区域内的电磁波向超材料片层3的边缘方向偏折，入射到环形区域内的电磁波向圆心放下偏折，进而使入射到分束器上的电磁波出射后形成环形的辐射区域，通过进一步的计算和仿真得出超材料片层3的折射率分布，并对人造微结构2的形状、尺寸和排布进行调整可进一步对环形的大小和宽度进行调整。
以上所述是本发明的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种电磁波分束器，其特征在于，所述分束器包括由至少一个超材料片层构成的功能层，所述超材料片层包括片状的基板和附着在所述基板上的多个人造微结构，每一所述超材料片层的折射率分布均相同，所述超材料片层包括一个圆形区域和一个与所述圆形区域同心的环形区域，在所述圆形区域内折射率随着半径的增大连续增大且相同半径处的折射率相同，在所述环形区域内折射率随着半径的增大连续减小且相同半径处的折射率相同。
2.如权利要求1所述的电磁波分束器，其特征在于，所述功能层由多个超材料片层堆叠形成。
3.如权利要求1或2所述的电磁波分束器，其特征在于，所述人造微结构具有相同的几何形状，所述圆形区域内人造微结构的尺寸随着半径的增大连续增大且相同半径处的人造微结构的尺寸相同，所述环形区域内人造微结构的尺寸随着半径的增大连续减小且相同半径处的人造微结构的尺寸相同。
4.如权利要求3所述的电磁波分束器，其特征在于，每个所述人造微结构为由至少一根金属丝组成的平面结构或立体结构。
5.如权利要求4所述的电磁波分束器，其特征在于，所述金属丝为铜丝或银丝。
6.如权利要求5所述的电磁波分束器，其特征在于，所述金属丝通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法附着在基板上。
7.如权利要求1所述的电磁波分束器，其特征在于，所述基板由陶瓷、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制得。
8.如权利要求3所述的电磁波分束器，其特征在于，所述人造微结构为轴对称结构。
9.如权利要求8所述的电磁波分束器，其特征在于，所述人造微结构为“工”字形、“十”字形或“王”字形。
10.如权利要求1所述的电磁波分束器，其特征在于，所述分束器还包括分别设置于所述功能层的电磁波入射面和电磁波出射面的阻抗匹配层。
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