CN103036057B - 一种波束分离元件 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种波束分离元件，其包括功能层以及位于功能层外表面的反射板，所述功能层包括基材以及周期排布于基材上的多个人造金属微结构；所述功能层包括一个圆形区域以及与所述圆形区域同心的多个环形区域，所述圆形区域和所述环形区域内折射率变化范围相同，均随着半径的增大，从所述波束分离元件所具有的最小折射率nmin连续增大到最大折射率nmax且相同半径处的折射率相同。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，其包括功能层以及设置于所述功能层一侧外表面的反射板，所述功能层包括基材以及周期排布于基材上的多个人造金属微结构；所述波束分离元件包括一个圆形区域以及与所述圆形区域同心的多个环形区域，所述圆形区域和所述环形区域内折射率变化范围相同，均随着半径的增大，从所述波束分离元件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。

进一步地，所述功能层上，以所述功能层中心点为圆心，半径为r处的折射率为：

$n\left(r\right)=n_{min}+(n_{max}-n_{\min })*sin(2\mathrm{\π}*\frac{n*r}{L})$

其中，L表示功能层的长度，n表示L长度的功能层截取的折射率变化周期数，功能层上折射率由最小折射率变化到最大折射率为一个周期。

进一步地，所述人造金属微结构形状相同，所述多个人造金属微结构在所述功能层上的排布规律为：所述功能层包括一个圆形区域以及与所述圆形区域同心的多个环形区域，所述圆形区域和所述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，从所述波束分离元件所具有的最小折射率n_min对应的人造金属微结构的最小尺寸连续增大到最大折射率n_max对应的人造金属微结构的最大尺寸，且相同半径处的人造金属微结构的尺寸相同。

进一步地，所述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。

进一步地，所述基材为高分子材料、陶瓷材料、铁电材料、铁氧材料或者铁磁材料。

进一步地，所述基材为FR-4材料或者F4B材料。

进一步地，所述人造金属微结构通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻周期排布于所述基材上。

进一步地，所述人造金属微结构材质为铜、银或者铝。

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电磁波的示意图；

图3为本发明波束分离元件横截面折射率分布示意图；

图4为本发明波束分离元件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功能层的折射率分布，并通过调整功能层上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，本发明波束分离元件，当外部辐射源辐射的电磁波辐射到波束分离元件上时，首先经过功能层的发散而后被功能层外表面的反射板(图2中阴影部分)反射后再次进入功能层内并最终分离成两束电磁波的形式辐射出去。功能层两次响应外界辐射来的电磁波使得功能层所需要的厚度减薄。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折射率变化范围相同，均随着半径的增大，从功能层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：

$n\left(r\right)=n_{min}+(n_{max}-n_{\min })*sin(2\mathrm{\π}*\frac{n*r}{L})$

其中，L表示功能层的长度，n表示L长度的功能层截取的折射率变化周期数，功能层上折射率由最小折射率变化到最大折射率为一个周期。

确定功能层折射率分布后需要在波束分离元件各点周期排布尺寸不同的人造金属微结构。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上的人造金属微结构尺寸分布规律为：功能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，从功能层所具有的最小折射率n_min对应的人造金属微结构最小尺寸连续增大到最大折射率n_max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。

下面论述两种常见的对电磁波产生响应以改变本发明波束分离元件功能层上每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功能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 (8)

1.一种波束分离元件，其特征在于：包括功能层以及设置于所述功能层一侧外表面的反射板，所述功能层包括基材以及周期排布于基材上的多个人造金属微结构；所述功能层上，以所述功能层中心点为圆心，半径为r处的折射率为：

$n\left(r\right)=n_{\min }+(n_{max}-n_{\min })*\sin (2\mathrm{\π}*\frac{n*r}{L})$

其中，L表示功能层的长度，n表示L长度的功能层截取的折射率变化周期数，功能层上折射率由最小折射率变化到最大折射率为一个周期；

所述人造金属微结构形状相同，所述多个人造金属微结构在所述功能层上的排布规律为：所述功能层包括一个圆形区域以及与所述圆形区域同心的多个环形区域，所述圆形区域和所述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，从所述波束分离元件所具有的最小折射率n_min对应的人造金属微结构的最小尺寸连续增大到最大折射率n_max对应的人造金属微结构的最大尺寸，且相同半径处的人造金属微结构的尺寸相同。

2.如权利要求1所述的波束分离元件，其特征在于：所述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。

3.如权利要求2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。

4.如权利要求3所述的波束分离元件，其特征在于：所述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。

5.如权利要求1所述的波束分离元件，其特征在于：所述基材为高分子材料、陶瓷材料、铁电材料、铁氧材料或者铁磁材料。

6.如权利要求5所述的波束分离元件，其特征在于：所述基材为FR-4材料或者F4B材料。

7.如权利要求1所述的波束分离元件，其特征在于：所述人造金属微结构通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻周期排布于所述基材上。

8.如权利要求1所述的波束分离元件，其特征在于：所述人造金属微结构材质为铜、银或者铝。