CN103036055B - 一种波束分离元件 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种波束分离元件，其包括功能层和反射板，所述功能层包括基材以及在基材上周期排布的多个第一人造金属微结构，所述功能层具有相对的第一表面和第二表面，所述反射板紧贴于所述功能层第一表面上；所述功能层包括一个圆形区域和与该圆形区域同心的环形区域，所述环形区域内随着半径的增大，从环形区域所具有的最小折射率n_min连续增大到最大折射率n_max且相同半径处的折射率相同，所述圆形区域内折射率分布均匀且所述圆形区域内折射率值小于所述环形区域内最小折射率值。本发明通过利用超材料原理，设计波束分离元件上各点的折射率值使之具有分离波束的性能，具有结构简单且易于实现，无需各种额外的控制设备，节约成本的有益效果。

Description

一种波束分离元件

技术领域

本发明涉及一种波束控制元件，尤其涉及一种波束分离元件。

背景技术

波速分离是指将辐射源辐射的电磁波转换为两束或多束向不同方向传播的电磁波。波束分离装置广泛的用于各类电子装置产品，例如雷达、微波天线等中。

现有的波束分离装置均通过非常复杂的系统来控制波束的分离，需要经过精密的设计和多个电子元器件的配合才能达到所需的效果。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述不足，提出一种易于实现、结构简单的波束分离元件。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是提出一种波束分离元件，其包括功能层和反射板，所述功能层包括基材以及在基材上周期排布的多个第一人造金属微结构，所述功能层具有相对的第一表面和第二表面，所述反射板紧贴于所述功能层第一表面上；所述功能层包括一个圆形区域和与该圆形区域同心的环形区域，所述环形区域内随着半径的增大，从环形区域所具有的最小折射率n_min连续增大到最大折射率n_max且相同半径处的折射率相同，所述圆形区域内折射率分布均匀且所述圆形区域内折射率值小于所述环形区域内最小折射率值。

进一步地，所述圆形区域内填充的介质为空气。

进一步地，所述功能层环形区域上，以所述功能层中心点为圆心，半径为r处的折射率分布为：

$n\left(r\right)=n_{\max }-\frac{n_{\max }-n_{\min }}{\mathrm{\λ}}*(\sqrt{{(r-\frac{d}{2})}^2+{\mathrm{ss}}^2}-\mathrm{ss})$

其中，n_max和n_min分别代表所述功能层环形区域所具有的最大折射率值和最小折射率值，λ为所述波束分离元件所需响应的电磁波的波长，d为所述功能层的厚度，ss为辐射源距所述功能层的垂直距离。

进一步地，所述多个第一人造金属微结构在所述功能层的环形区域上的排布规律为：随着半径的增大，从功能层环形区域所具有的最小折射率n_min对应的第一人造金属微结构的最小尺寸连续增大到最大折射率n_max对应的第一人造金属微结构的最大尺寸，且相同半径处的第一人造金属微结构尺寸相同。

进一步地，所述功能层的第二表面上还紧贴有阻抗匹配层，所述阻抗匹配层包括基材以及在基材上周期排布的第二人造金属微结构；所述阻抗匹配层包括一个圆形区域以及与所述圆形区域同心的环形区域，所述阻抗匹配层的圆形区域的尺寸与所述功能层的圆形区域的尺寸相同；所述阻抗匹配层环形区域内随着半径的增大，从阻抗匹配层环形区域所具有的最小折射率连续增大到阻抗匹配层环形区域所具有的最大折射率且相同半径处的折射率相同。

进一步地，所述阻抗匹配层环形区域上，以所述阻抗匹配层中心点为圆心，半径为r处的折射率分布为：

$n_1\left(r\right)=(n_{\max }-\frac{n_{\max }-n_{\min }}{\mathrm{\λ}}*(\sqrt{{(r-\frac{d}{2})}^2+{\mathrm{ss}}^2}-\mathrm{ss})+1)/2$

其中，n_max和n_min分别代表功能层环形区域所具有的最大折射率值和最小折射率值，λ为波束分离元件所需响应的电磁波的波长，d为功能层的厚度，ss为辐射源距功能层的垂直距离。

进一步地，所述多个第二人造金属微结构在所述阻抗匹配层的环形区域上的排布规律为：随着半径的增大，从阻抗匹配层环形区域所具有的最小折射率对应的第二人造金属微结构的最小尺寸连续增大到最大折射率对应的第二人造金属微结构的最大尺寸，且相同半径处的第二人造金属微结构尺寸相同。

进一步地，所述第一人造金属微结构或所述第二人造金属微结构的几何形状为“工”字形，包括竖直的第一金属分支以及位于所述第一金属分支两端且垂直于所述第一金属分支的第二金属分支。

进一步地，所述几何形状还包括位于所述第二金属分支两端且垂直于所述第二金属分支的第三金属分支。

进一步地，所述第一人造金属微结构或所述第二人造金属微结构的几何形状为平面雪花型，包括相互垂直的两条第一金属分支以及位于所述第一金属分支两端且垂直于所述第一金属分支的第二金属分支。

本发明通过利用超材料原理，设计波束分离元件上各点的折射率值使之具有分离波束的性能，具有结构简单且易于实现，无需各种额外的控制设备，节约成本的有益效果。

附图说明

图1为构成超材料的基本单元的立体结构示意图；

图2为本发明波束分离元件响应馈源发出的电磁波的原理示意图；

图3为本发明波束分离元件功能层横截面折射率分布示意图；

图4为本发明波束分离元件功能层纵截面折射率分布示意图；

图5为能对电磁波产生响应以改变超材料基本单元折射率的第一较佳实施方式的人造金属微结构的拓扑图案；

图5a为图5所示拓扑图案的衍生图案；

图6为能对电磁波产生响应以改变超材料基本单元折射率的第二较佳实施方式的人造金属微结构的拓扑图案；

图6a为图6所示拓扑图案的衍生图案；

图7为本发明波束分离元件的实验测试结果图。

具体实施方式

光，作为电磁波的一种，其在穿过玻璃的时候，因为光线的波长远大于原子的尺寸，因此我们可以用玻璃的整体参数，例如折射率，而不是组成玻璃的原子的细节参数来描述玻璃对光线的响应。相应的，在研究材料对其他电磁波响应的时候，材料中任何尺度远小于电磁波波长的结构对电磁波的响应也可以用材料的整体参数，例如介电常数ε和磁导率μ来描述。通过设计材料每点的结构使得材料各点的介电常数和磁导率都相同或者不同从而使得材料整体的介电常数和磁导率呈一定规律排布，规律排布的磁导率和介电常数即可使得材料对电磁波具有宏观上的响应，例如汇聚电磁波、发散电磁波等。该类具有规律排布的磁导率和介电常数的材料我们称之为超材料。

如图1所示，图1为构成超材料的基本单元的立体结构示意图。超材料的基本单元包括人造微结构1以及该人造微结构附着的基材2。本发明中，人造微结构为人造金属微结构，人造金属微结构具有能对入射电磁波电场和/或磁场产生响应的平面或立体拓扑结构，改变每个超材料基本单元上的人造金属微结构的图案和/或尺寸即可改变每个超材料基本单元对入射电磁波的响应。多个超材料基本单元按一定规律排列即可使得超材料对电磁波具有宏观的响应。由于超材料整体需对入射电磁波有宏观电磁响应因此各个超材料基本单元对入射电磁波的响应需形成连续响应，这要求每一超材料基本单元的尺寸为入射电磁波的十分之一至五分之一，优选为入射电磁波的十分之一。本段描述中，我们人为的将超材料整体划分为多个超材料基本单元，但应知此种划分方法仅为描述方便，不应看成超材料由多个超材料基本单元拼接或组装而成，实际应用中超材料是将人造金属微结构周期排布于基材上即可构成，工艺简单且成本低廉。周期排布即指上述我们人为划分的各个超材料基本单元上的人造金属微结构能对入射电磁波产生连续的电磁响应。

本发明利用上述超材料原理，通过合理设计波束分离元件整体的折射率分布，并通过调整波束分离元件各点的人造金属微结构的图案和/或尺寸来使之达到需要的使波束分离的折射率分布规律，如图2所示，馈源发出的电磁波经过本发明波束分离元件以及反射板以后分离成两束电磁波出射。本发明波束分离元件包括功能层，功能层包括基材以及在基材上周期排布的第一人造金属微结构；该功能层具有相对的第一表面和第二表面，反射板紧贴于功能层第一表面上；馈源发出的电磁波经过功能层后被反射板反射并再次经过功能层后分离成两束电磁波出射。本实施例中，反射板采用金属反射板。

如图3、图4所示，图3和图4分别为本发明波束分离元件的功能层在其横截面和纵截面上的折射率分布示意图。图3中，功能层包括一个圆形区域(图3、图4中阴影部分)和与该圆形区域同心的环形区域。该圆形区域折射率分布均匀，且折射率值小于环形区域折射率最小值，优选地，本较佳实施例中，该圆形区域为空气。环形区域内随着半径的增大，从环形区域所具有的最小折射率n_min连续增大到最大折射率n_max且相同半径处的折射率相同。

更进一步地，功能层环形区域上，以功能层中心点为圆心，半径为r处的折射率分布为：

$n\left(r\right)=n_{\max }-\frac{n_{\max }-n_{\min }}{\mathrm{\λ}}*(\sqrt{{(r-\frac{d}{2})}^2+{\mathrm{ss}}^2}-\mathrm{ss})$

其中，n_max和n_min分别代表功能层环形区域所具有的最大折射率值和最小折射率值，λ为波束分离元件所需响应的电磁波的波长，d为功能层的厚度，ss为辐射源距功能层的垂直距离。

当n_min和n_max与空气折射率差距较大时，辐射源辐射的电磁波会因为折射率突变而发生反射，造成最终分离出去的电磁波束增益下降。为解决上述问题，本发明还提供一种阻抗匹配层，该阻抗匹配层位于与功能层第一表面相对的第二表面上。阻抗匹配层也是利用超材料原理制成，即也包括基材以及在基材上周期排布的第二人造金属微结构。同样地，阻抗匹配层包括一个圆形区域和与该圆形区域同心的环形区域。阻抗匹配层的圆形区域尺寸与超材料圆形区域尺寸相同且材质相同，本较佳实施例中，阻抗匹配层的圆形区域同样由空气构成。阻抗匹配层环形区域内的折射率变化规律为：从阻抗匹配层环形区域所具有的最小折射率连续增大到最大折射率且相同半径处的折射率相同。

更进一步地，阻抗匹配层环形区域上，以阻抗匹配层中心点为圆心，半径为r处的折射率分布为：

$n_1\left(r\right)=(n_{\max }-\frac{n_{\max }-n_{\min }}{\mathrm{\λ}}*(\sqrt{{(r-\frac{d}{2})}^2+{\mathrm{ss}}^2}-\mathrm{ss})+1)/2$

其中，n_max和n_min分别代表功能层环形区域所具有的最大折射率值和最小折射率值，λ为波束分离元件所需响应的电磁波的波长，d为功能层的厚度，ss为辐射源距功能层的垂直距离。

确定波束分离元件中功能层以及阻抗匹配层上折射率分布后需要在功能层以及阻抗匹配层各点周期排布尺寸不同的第一人造金属微结构和第二人造金属微结构。各超材料基本单元上附着的人造金属微结构的图案和尺寸以及附着有该人造金属微结构的超材料基本单元的折射率值均可以通过计算机仿真计算出来。

通过实验可知，当各超材料基本单元上附着的人造金属微结构形状相同时，人造金属微结构的尺寸越大，则超材料基本单元的折射率值越大。因此，本发明波束分离元件功能层环形区域上的第一人造金属微结构尺寸分布规律为：随着半径的增大，从功能层环形区域所具有的最小折射率n_min对应的第一人造金属微结构的最小尺寸连续增大到最大折射率n_max对应的第一人造金属微结构的最大尺寸，且相同半径处的第一人造金属微结构尺寸相同。阻抗匹配层上的人造金属微结构尺寸分布规律为：阻抗匹配层包括一个圆形区域和与该圆形区域同心的多个环形区域，圆形区域和环形区域内人造金属微结构的尺寸变化范围相同，均随着半径的增大，从阻抗匹配层所具有的最小折射率对应的人造金属微结构最小尺寸连续增大到最大折射率对应的人造金属微结构最大尺寸，且相同半径处的人造金属微结构尺寸相同。

功能层和阻抗匹配层上附着的第一人造金属微结构和第二人造金属微结构的形状可相同也可不相同，但均为能对入射电磁波产生响应以改变功能层或阻抗匹配层各点折射率值。

下面论述两种常见的对电磁波产生响应以改变功能层或阻抗匹配层各点折射率的人造金属微结构拓扑图案，但应知能实现上述波束分离元件中功能层或阻抗匹配层上折射率分布的人造金属微结构拓扑图案并不限于下述两种图案。如图5所示，图5为能对电磁波产生响应以改变超材料基本单元折射率的第一较佳实施方式的人造金属微结构的拓扑图案。图5中，人造金属微结构呈“工”字形，包括竖直的第一金属分支1021以及分别垂直该第一金属分支1021且位于第一金属分支两端的第二金属分支1022，图5a为图5中人造金属微结构拓扑图案的衍生结构，其不仅包括第一金属分支1021、第二金属分支1022，每条第二金属分支两端还垂直设置有第三金属分支1023。

图6为能对电磁波产生响应以改变超材料单元折射率的第二较佳实施方式的人造金属微结构的拓扑图案。图6中，人造金属微结构呈平面雪花型，包括相互垂直的第一金属分支1021’以及两条第一金属分支1021’两端均垂直设置有第二金属分支1022’；图6a为图6所示人造金属微结构拓扑图案的衍生结构，其不仅包括两条第一金属分支1021’、四条第二金属分支1022’，四条第二金属分支两端还垂直设置有第三金属分支1023’。优选地，第一金属分支1021’长度相等且垂直于中点相交，第二金属分支1022’长度相等且中点位于第一金属分支端点，第三金属分支1023’长度相等且中点位于第二金属分支端点；上述金属分支的设置使得人造金属微结构呈各向同性，即在人造金属微结构所属平面内任意方向旋转人造金属微结构90°都能与原人造金属微结构重合。采用各向同性的人造金属微结构能简化设计、减少干扰。

本发明中，基材可由陶瓷、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、FR-4、F4b等高分子材料。人造金属微结构通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻等方法附着在基材上。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金属微结构的平面图案后，先将一张金属箔片整体地附着在基材上，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金属微结构预设图案以外的箔片部分，余下的即可得到周期阵列排布的人造金属微结构。人造金属微结构材质可由铜、银、铝等各种导电性能良好的金属制成，其中铜为优选方案。

下面对本发明波束分离元件测试。本较佳实施例中，采用喇叭天线作为馈源，测试喇叭天线辐射的球面电磁波经过本发明波束分离元件后的远场值。以波束分离元件中心轴线为基准线，偏离中心轴线的角度即为辐射角度。实验选取的参数为：喇叭天线辐射的电磁波的频率为13GHZ，功能层所具有的最小折射率n_min为1.8，最大折射率n_max为3.0，功能层厚度d为0.12米，辐射源距功能层距离ss为0.04米，功能层上圆形区域的半径为0.01米，功能层整体的半径为0.05米。实验结果图如图7所示。图7中，我们可以看到，在辐射角度0°到-50°以及0°到50°区间内，远场值有明显的峰值，即馈源辐射的球面电磁波在经过波束分离元件后分离成以波束分离元件中心轴线为对称线对称的两束电磁波，该两束电磁波偏离波束分离元件中心轴线的角度均为50°。

通过上述测试结果可知，本发明波束分离元件结构简单且易于实现，无需各种额外的控制设备，节约成本。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (9)

1.一种波束分离元件，其特征在于：包括功能层和反射板，所述功能层包括基材以及在基材上周期排布的多个第一人造金属微结构，所述功能层具有相对的第一表面和第二表面，所述反射板紧贴于所述功能层第一表面上；所述功能层包括一个圆形区域和与该圆形区域同心的环形区域，所述环形区域内随着半径的增大，从环形区域所具有的最小折射率n_min连续增大到最大折射率n_max且相同半径处的折射率相同，所述圆形区域内折射率分布均匀且所述圆形区域内折射率值小于所述环形区域内最小折射率值；

所述功能层环形区域上，以所述功能层中心点为圆心，半径为r处的折射率分布为：

$n\left(r\right)=n_{\max }-\frac{n_{max}-n_{\min }}{\mathrm{\λ}}*(\sqrt{{(r-\frac{d}{2})}^2+{\mathrm{ss}}^2}-ss)$

其中，n_max和n_min分别代表所述功能层环形区域所具有的最大折射率值和最小折射率值，λ为所述波束分离元件所需响应的电磁波的波长，d为所述功能层的厚度，ss为辐射源距所述功能层的垂直距离。

2.如权利要求1所述的波束分离元件，其特征在于：所述圆形区域内填充的介质为空气。

3.如权利要求1所述的波束分离元件，其特征在于：所述多个第一人造金属微结构在所述功能层的环形区域上的排布规律为：随着半径的增大，从功能层环形区域所具有的最小折射率n_min对应的第一人造金属微结构的最小尺寸连续增大到最大折射率n_max对应的第一人造金属微结构的最大尺寸，且相同半径处的第一人造金属微结构尺寸相同。

4.如权利要求1所述的波束分离元件，其特征在于：所述功能层的第二表面上还紧贴有阻抗匹配层，所述阻抗匹配层包括基材以及在基材上周期排布的第二人造金属微结构；所述阻抗匹配层包括一个圆形区域以及与所述圆形区域同心的环形区域，所述阻抗匹配层的圆形区域的尺寸与所述功能层的圆形区域的尺寸相同；所述阻抗匹配层环形区域内随着半径的增大，从阻抗匹配层环形区域所具有的最小折射率连续增大到阻抗匹配层环形区域所具有的最大折射率且相同半径处的折射率相同。

5.如权利要求4所述的波束分离元件，其特征在于：所述阻抗匹配层环形区域上，以所述阻抗匹配层中心点为圆心，半径为r处的折射率分布为：

$n_1\left(r\right)=(n_{\max }-\frac{n_{\max }-n_{\min }}{\mathrm{\λ}}*(\sqrt{{(r-\frac{d}{2})}^2+{\mathrm{ss}}^2}-ss)+1)/2$

其中，n_max和n_min分别代表功能层环形区域所具有的最大折射率值和最小折射率值，λ为波束分离元件所需响应的电磁波的波长，d为功能层的厚度，ss为辐射源距功能层的垂直距离。

6.如权利要求5所述的波束分离元件，其特征在于：所述多个第二人造金属微结构在所述阻抗匹配层的环形区域上的排布规律为：随着半径的增大，从阻抗匹配层环形区域所具有的最小折射率对应的第二人造金属微结构的最小尺寸连续增大到最大折射率对应的第二人造金属微结构的最大尺寸，且相同半径处的第二人造金属微结构尺寸相同。

7.如权利要求1或4所述的波束分离元件，其特征在于：所述第一人造金属微结构或所述第二人造金属微结构的几何形状为“工”字形，包括竖直的第一金属分支以及位于所述第一金属分支两端且垂直于所述第一金属分支的第二金属分支。

8.如权利要求7所述的波束分离元件，其特征在于：所述几何形状还包括位于所述第二金属分支两端且垂直于所述第二金属分支的第三金属分支。

9.如权利要求1或4所述的波束分离元件，其特征在于：所述第一人造金属微结构或所述第二人造金属微结构的几何形状为平面雪花型，包括相互垂直的两条第一金属分支以及位于所述第一金属分支两端且垂直于所述第一金属分支的第二金属分支。