CN103985937A - 一种等离子体微波隔离装置、微波隔离方法及装置应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种等离子体微波隔离装置、利用该装置进行微波隔离方法及装置应用。本发明的装置包括由A’(BA)N型结构多层材料周期排列而成的一维电磁超材料，其中Ｎ为周期数。A和A’同为非线性等离子体层，但厚度不等，B层为与A层相匹配的介电常数和磁导率同为负值的线性电磁超材料层，通过调节A层的线性介电常数和磁导率、B层线性介电常数和磁导率以及A层和B层的电等离子体频率和磁等离子体频率实现对微波的隔离。本发明的装置机构简单、方法易于实现。在实现对微波的单向传播或者是微波隔离效果的同时，还具有Ｑ值较高的优势。本发明的装置和方法可广泛应用于微波隔离领域，包括应用于天线收发装置中。

Description

一种等离子体微波隔离装置、微波隔离方法及装置应用

技术领域

本发明属于微波器件技术领域，特别是一种对电磁波入射角度和极化方式不敏感的高效等离子体微波隔离装置。 

背景技术

隔离器又称单向器，它是一种单向传输电磁波的器件，当电磁波沿正向传输时，可将功率全部反馈给负载，对来自负载的反射波则产生较大衰减，这种单向传输特性可以用于隔离负载变动对信号源的影响。2004年科学家Hojo等人研究了一维等离子体周期结构的色散关系，并且和光子晶体的特性做了比较，定义该周期结构为等离子体光子晶体（H.Hojo and A.Mase,"Dispersion relation of electromagnetic waves in one-dimensional plasma photonic crystals,"Plasma Fusion Res.,vol.80,pp.89-92,2004.）。与此同时，Sakai也从理论上预测了二维等离子体光子晶体的重要意义，并且完成了首次实验验证（O.Sakai,T.Sakaguchi,and K.Tachibana,"Verification of a plasma photonic crystal for microwaves of millimeter wavelength range using two-dimensional array of columnar microplasmas,"Applied Physics Letters,vol.87,2005.）。等离子体和由等离子体构成的复合材料能表现出电磁超材料特性（O.Sakai and K.Tachibana,"Plasmas as metamaterials:a review,"Plasma Sources Science and Technology,vol.21,p.013001,2012.）。它意味着当我们用微观上具有一致性的复合等离子体材料代替一整块等离子体材料时，它对电磁波来说才是一种新颖的媒质。比如在空间周期分布的结构，它能够展现出等离子体光子晶体的特性，又如将等离子体和固体掺杂形成复合材料。我们可以通过在固体光子晶体材料中掺杂等离子体实现和增强超材料特性的功能，它包括有外界参数控制的可变介电常数，或者是负的介电常数。这种介电常数通常需要较高的超越截止密度的电子密度来实现，这种密度条件下还能支持表面波的传播。文献指出等离子体超材料可以作为非线性材料工作。和普通材料相比，等离子体超材料的非线性特性将更容易实现。当然在入射波功率较小的前提条件下，等离子体材料的线性近似仍然是正确的。在一维超材料周期结构中引入克尔非线性材料，并通过电磁波和非线性材料的相互作用可以实现单向传输电磁波的功能。但是现存的设计方案中，有一些结构复杂，难以加工（G.Victor and B.Fabio,"Bistability,multistability and non-reciprocal light propagation in Thue–Morse  multilayered structures,"New Journal of Physics,vol.12,p.053041,2010.L.Jin,J.Zhou,M.Yang,C.Xue,and M.He,"All-optical diode with photonic multilayers based on asymmetric light localization,"Optical Engineering,vol.50,pp.030503-030503,2011.）；有一些虽然实现了较高的电磁波传播透射比，但正向透射率较小（C.Xue,H.Jiang,and H.Chen,"Highly efficient all-optical diode action based on light-tunneling heterostructures,"Optics Express,vol.18,pp.7479-7487,2010.X.Hu,C.Xin,Z.Li,and Q.Gong,"Ultrahigh-contrast all-optical diodes based on tunable surface plasmon polaritons,"New Journal of Physics,vol.12,p.023029,2010.），很难有广阔的应用前景。 

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种结构相对简单的对入射波入射角度以及波的极化方向不敏感的等离子体微波隔离装置，该装置同时满足双稳态激发功率相对较小、正向透射比较高的要求。 

本发明公开的一种等离子体微波隔离装置，包括由A’(BA)^N型结构多层材料周期排列而成的一维电磁超材料，其中Ｎ为周期数；所述A和A’同为非线性等离子体层，但厚度不相等，B层为与A层相匹配的介电常数和磁导率同为负值的线性电磁超材料层。 

作为上述技术方案的进一步改进，所述B层由两面蚀刻金属的电介质材料构成，介质基板前表面蚀刻金属SRR谐振环，后表面蚀刻金属条。 

作为上述技术方案的更进一步改进，所述周期数N≥2。 

利用如权利要求1至3任意一项所述的等离子体微波隔离装置进行微波隔离的方法，包括以下步骤： 

1）在等离子发生器中间隔布置若干块正反表面蚀刻金属SRR环以及金属条的介质基板，启动等离子发生器，产生等离子体，形成A’(BA)^N型一维电磁超材料，所述一维电磁超材料组成等离子体微波隔离装置； 

2）调节等离子发生器，包括调节放电功率和等离子体激励电压，控制环境温度，使得所述A层的线性介电常数和磁导率满足数学模型： 

${\mathrm{\ϵ}}_A^L=1-\frac{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{peA}}^2}{\mathrm{\ω}(\mathrm{\ω}+{\mathrm{iv}}_A)},{\mathrm{\μ}}_A=1---\left(1\right)$

B层线性介电常数和磁导率满足数学模型： 

${\mathrm{\ϵ}}_B=1-\frac{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{peB}}^2}{\mathrm{\ω}(\mathrm{\ω}+{\mathrm{iv}}_B)},{\mathrm{\μ}}_B=1-\frac{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{meB}}^2}{\mathrm{\ω}(\mathrm{\ω}+{\mathrm{iv}}_B)}---\left(2\right)$

其中ω_peA,ω_peB,分别为A层和B层的电等离子体频率，ω_meB为B层磁等离子体频率；ν_A和ν_B为A层和B层的碰撞频率；ω为入射电磁波角频率、i代表虚部； 

3）根据入射微波的频率，调节等离子发生器的放电功率和激励电压，使所述A层和B层的电等离子体频率和磁等离子体频率满足： 

ω_peA＞＞ω，ω_peB＞＞ω    （3） 

此时，即可实现对微波的过滤。 

做为上述技术方案的进一步改进，根据权利要求5所述的微波隔离的方法，所述步骤1）还包括以下过程：调整等离子发生器的电极和介质基板数量，使得周期数N≥5。 

将权利要求1至3任意一项所述的等离子体微波隔离装置应用于天线收发装置中。 

本发明的等离子体微波隔离装置、微波隔离方法及装置应用优点如下： 

本发明的装置机构简单、方法易于实现，使电磁波在相对较薄的单负和双负材料中隧穿，实现了对入射电磁波入射角度和极化情况不敏感，同时Ｑ值较高的优势。同时，通过第一层和最后一层等离子体厚度不均一设计，造成电磁波从正向入射和从反向入射时，电场的分布不一致，从而可以通过入射电磁波能量的变化，将正向入射电磁波调制越过非线性双稳态上跳阈值，实现透射，而反向入射电磁波在相同的能量条件下因为不满足上跳阈值能量而不能透射，实现对微波的单向传播或者是微波隔离效果。 

在不考虑吸收损耗的情况下，当入射波能量在某个范围内时，隔离效果远远好于现有装置。由C＝(T_Left-T_Right)/(T_Left+T_Right)定义的正向和反向波透射比大于0.839，其中T_Left为正向透射率，正向传播的电磁波实现透射率为80%以上，T_Right为反向透射率，反向传播的电磁波实现透射率小于10%；而且正向波的透射率也超过80% 

附图说明

图1是等离子体微波隔离装置示意图； 

图2是等离子体发生器示意图； 

图3是介电常数和磁导率同为负值的线性电磁超材料层结构示意图； 

图4是过滤TE极化波时，本发明的装置的能带结构随入射波角度以及角频率的变化示意图； 

图5是入射电磁波功率较小且N=9时，本发明装置的透射谱曲线，中横坐标表示入射电磁波的角频率，纵坐标为该装置在电磁波垂直入射时的透射率； 

图6是入射电磁波功率较小且垂直入射时，周期数N对谐振频点个数的影响示意图； 

图7是入射电磁波功率较小且垂直入射时，电磁波从A’(BA)²结构正向入射和反向入射时，透射率和反射率比较示意图； 

图8是入射电磁波功率较小且垂直入射时，前向和后向入射电磁波时候场的分布情况示意图，其中横坐标表示Z方向的距离，纵坐标表示电场的绝对值； 

图9是某频率电磁波正向入射和反向垂直入射条件下，透射率随入射波功率变化的曲线示意图；图中区域Ⅰ为正向入射时候的双稳态阈值范围，区域Ⅱ为反向入射时候的双稳态阈值范围； 

图10是某频率电磁波正向入射和反向垂直入射条件下，三种不同碰撞频率参数对应的透射率随入射波功率变化的曲线以及对应的透射比示意图； 

图11是某频率电磁波正向入射和反向垂直入射条件下，五种不同首层非线性等离子体厚度参数对应的透射率随入射波功率变化的曲线以及对应的透射比示意图； 

图12是某频率电磁波正向入射和反向垂直入射条件下，取优化后的结构参数，入射电磁波频率对透射比，正向透射率的影响示意图； 

图13是本发明的装置应用于天线收发装置中的原理示意图。 

具体实施方式

下面结合附图，对本发明提出的一种等离子体微波隔离装置及其隔离方法进行详细描述。 

本发明公开的一种等离子体微波隔离装置包括由A’(BA)^N型结构多层材料周期排列而成的一维电磁超材料，其中Ｎ为周期数；所述A和A’同为非线性等离子体层，但厚度不同，B层为与A层相匹配的介电常数和磁导率同为负值的线性电磁超材料层。如图3所示，所述B层由两面蚀刻金属的电介质材料构成，介质基板前表面蚀刻金属SRR谐振环，后表面蚀刻金属条。介质基板间隔布置在等离子体发生器内，该介质基板处于空间惰性气体中，并且与电极相互间隔放置，形成空间周期结构，。当等离子体发生器放电产生等离子体时，介质基板与等离子体构成A’(BA)^N型结构多层材料周期排列而成的一维电磁超材料。 

利用本发明所述的等离子体微波隔离装置进行微波隔离的方法包括以下步骤： 

1）在等离子发生器中间隔布置若干块正反表面蚀刻金属SRR环以及金属条的介质基板，启动等离子发生器，如图2所示，离子发生器内周期排列的电极激励惰性气体放 电产生等离子体，形成A’(BA)^N型一维电磁超材料，所述一维电磁超材料组成等离子体微波隔离装置；调整等离子发生器的电极和介质基板数量，使得周期数N≥5。 

2）调节等离子发生器，包括调节放电功率和等离子体激励电压，控制环境温度，使得所述A层的线性介电常数和磁导率满足数学模型： 

${\mathrm{\ϵ}}_A^L=1-\frac{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{peA}}^2}{\mathrm{\ω}(\mathrm{\ω}+{\mathrm{iv}}_A)},{\mathrm{\μ}}_A=1---\left(1\right)$

B层线性介电常数和磁导率满足数学模型： 

${\mathrm{\ϵ}}_B=1-\frac{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{peB}}^2}{\mathrm{\ω}(\mathrm{\ω}+{\mathrm{iv}}_B)},{\mathrm{\μ}}_B=1-\frac{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{meB}}^2}{\mathrm{\ω}(\mathrm{\ω}+{\mathrm{iv}}_B)}---\left(2\right)$

其中ω_peA,ω_peB,分别为A层和B层的电等离子体频率，ω_meB为B层磁等离子体频率；ν_A和ν_B为A层和B层的碰撞频率；ω为入射电磁波角频率、i代表虚部。 

3）根据入射微波的频率，调节等离子发生器的放电功率和激励电压，使所述A层和B层的电等离子体频率和磁等离子体频率满足： 

ω_peA＞＞ω,ω_peB＞＞ω    （3） 

此时，即可实现对微波的过滤。 

本发明的装置的等离子体层A以及电磁超材料层B能够实现隧穿模和传输模的耦合，所以各层厚度均远小于入射电磁波的波长。单负和双负媒质空间交叠装置对电磁波的极化方向以及入射率均不敏感，如图4所示，TE极化模式下，当入射电磁波功率较小，不足以激发双稳态且N=9时，空间周期分布结构的色散关系随角度的变化不明显，TM模式具有类似的结果。其中白色区域为通带范围，对应的角频率电磁波能够透射通过该装置，灰色区域为禁带范围，对应电磁波不能通过。可以看到角度对隧穿频率范围的影响不大。如图5所示，垂直入射时，每一个隧穿频点均接近完全透射。 

为了获得较好的透射比，要求透射系数在双稳态阈值附近变化较小。因此取N=2时，可以从图6中观察得到两透射峰之间降低最少，是潜在的隔离器件的优先选择结构。 

本发明装置和方法的原理： 

微波在等离子体微波隔离装置中非互易传播的实现：利用结构的非对称排列，可以实现在各层非线性等离子体中，正反向传播电磁波场分布的不同以 及能量吸收的差异。当非线性等离子体层A或A’在入射波功率达到一定值时，能体现出非线性克尔效应，等离子体的介电常数会随入射波的能量的变化而变化，可以表示为： 

${\mathrm{\ϵ}}_A^{\mathrm{NL}}={\mathrm{\ϵ}}_A^L+{\mathrm{\ϵ}}_0\mathrm{\χ}{\left|E\right|}^2,$

其中为等离子体层介电常数的线性部分；χ是等离子体层的三阶非线性系数；|E|²与入射波强度相关。入射波的功率改变，会引起非线性等离子体层介电常数的改变，从而引起周期结构隧穿模的偏移。 

本装置由A’(BA)^N型周期结构构成，其中Ｂ层为双负线性电磁超材料层，Ａ层为非线性单负等离子体层。其中Ｎ可以控制隧穿模的个数。由于各层的厚度满足电磁波工作频率隧穿的条件，所以在隧穿频点可以实现几乎完美的透射，隧穿频点的位置满足[ω_peBω_meB/(ωc)]d_B＝nπ的条件，利用非线性条件下隧穿频点的移动以及多模式之间透射下降不明显，故能够实现电磁波在该不对称结构中的非互易传播。 

根据三阶非线性克尔效应，等离子体非线性材料受到强入射波功率的作用，其介电常数和折射率发生变化。非线性材料层介电常数的变化导致隧穿模频点的移动。在相同入射波功率的条件下，由于正向和反向电磁场在非对称结构中分布不一致，造成电磁波从正向入射和从反向入射时，电场的分布不具有一致性，从而可以通过入射电磁波能量的变化。将正向入射电磁波调制越过非线性双稳态上跳阈值，实现透射，而反向入射电磁波，由于场的分布和正向入射相比，绝对值减小，导致非线性等离子体介电常数变化量减小，在相同的能量条件下因为不满足上跳阈值能量而不能透射，实现对微波的单向传播或者是微波隔离效果。 

在不考虑吸收损耗的情况下，当入射波能量在某个范围内时，正向传播的电磁波实现透射率为80%以上，反向传播的电磁波实现透射率小于10%，实现透射比大于0.8.从而实现了电磁波在该非对称周期结构中的单向传播。 

等离子体厚度、碰撞频率以及入射波频率对微波隔离装置隔离效果的影响：其中等离子体的厚度可以通过介质层位置的移动来调节，而等离子体频率通过控制放电功率和激励电压控制。 

等离子体碰撞频率直接影响到等离子体对电磁波能量的吸收，从而直接导致隔离装置透射比和正向透射率的改变。 

首层等离子体厚度决定了本发明隔离装置的非对称程度，同时也决定了正向与反向透射差异的大小，为了获得较好的透射比系数和正向透射率，该结构 参数需经过优化获得。 

入射电磁波频率由于直接导致等离子体和电磁超媒质介电常数和磁导率的变化，因而也是决定透射比系数和正向透射率的关键参数。可以根据方案施用需求或者比较选取优化值。 

实施实例：实现14×10⁹s^-1角频率附近高效等离子体微波隔离装置设计方法。 

取首层等离子体厚度为0.95mm，ω_peA＝ω_peB＝ω_meB＝10¹¹s^-1，ν_A＝ν_B＝10⁸s^-1，计算正反两个方向的透射反射谱线。如图7所示，不论从哪个方向入射，透射谱线相同，反射谱线存在差异，而此差异是由于入射方向不同导致的吸收不同产生的。计算各层分布的电场绝对值，可以知晓左右入射时候场分布的差异。 

取入射波功角频率ω＝14×10⁹s^-1，当入射功率增加，正向与反向透射率的跃迁能量存在明显差异，如图8所示，在Ⅰ区域范围中，正向传输的电磁波能够实现透射，而同频率相同能量的反射信号不能够实现透射。此时的最大透射比达到0.63，实现了电磁波的非互易传播，但不是一个最优化值。 

如图10所示，取等离子体碰撞频率ν＝1x10⁶s^-1,1x10⁸s^-1和1.55x10⁸s^-1三个值，当碰撞角频率取值1.55x10⁸s^-1时，双稳态现象消失；小于碰撞频率1x10⁶s^-1，透射比可以接近C_max≈0.774，且能维持较高的正向透射率。 

如图11所示，保持参数d_B＝2mm,d_A＝1mm以及ν＝1x10⁶s^-1不变，改变首层等离子体层厚度为d_A'＝0.75mm,0.80mm,0.85mm,0.90mm以及0.95mm，对应的透射比分别为0.755,0.771,0.788,0.784和0.774。0.85mm是一个优化值。 

如图12所示，在以上优化的基础上，分析入射波频率对以上两个参数的影响。可以看出，要获得较佳的透射比系数，在ω＝13×10⁹s^-1附近透射比最高，接近C_max≈0.938。但正向透射率最低T_max≈0.559。要想获得最好的正向透射率，则选取频率14.3x10⁹s^-1，正向透射率达到T_max≈0.99，但透射比系数仅为C_max≈0.61。综合这两个参数，频率ω＝13.8×10⁹s^-1,实现C_max≈0.839和T_max≈0.80是一个优化的结果。 

如图13所示，在天线收发装置中加载本发明的装置，能有效的隔离负载 变动对信号源的影响。 

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，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，这些改进也应视为本发明的保护范围。 

Claims (6)

1.一种等离子体微波隔离装置，其特征在于：包括由A’(BA)^N型结构多层材料周期排列而成的一维电磁超材料，其中Ｎ为周期数；所述A和A’同为非线性等离子体层，但厚度不相等，B层为与A层相匹配的介电常数和磁导率同为负值的线性电磁超材料层。

2.根据权利要求1所述的等离子体微波隔离装置，其特征在于：所述B层由两面蚀刻金属的电介质材料构成，介质基板前表面蚀刻金属SRR谐振环，后表面蚀刻金属条。

3.根据权利要求2所述的等离子体微波隔离装置，其特征在于：所述周期数N≥2。

4.利用如权利要求1至3任意一项所述的等离子体微波隔离装置进行微波隔离的方法，其特征在于：包括以下步骤：

1）在等离子发生器中间隔布置若干块正反表面蚀刻金属SRR环以及金属条的介质基板，启动等离子发生器，产生等离子体，形成A’(BA)^N型一维电磁超材料，所述一维电磁超材料组成等离子体微波隔离装置；

2）调节等离子发生器，包括调节放电功率和等离子体激励电压，控制环境温度，使得所述A层的线性介电常数和磁导率满足数学模型：

${\mathrm{\ϵ}}_A^L=1-\frac{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{peA}}^2}{\mathrm{\ω}(\mathrm{\ω}+{\mathrm{iv}}_A)},{\mathrm{\μ}}_A=1---\left(1\right)$

B层线性介电常数和磁导率满足数学模型：

${\mathrm{\ϵ}}_B=1-\frac{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{peB}}^2}{\mathrm{\ω}(\mathrm{\ω}+{\mathrm{iv}}_B)},{\mathrm{\μ}}_B=1-\frac{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{meB}}^2}{\mathrm{\ω}(\mathrm{\ω}+{\mathrm{iv}}_B)}---\left(2\right)$

其中ω_peA,ω_peB,分别为A层和B层的电等离子体频率，ω_meB为B层磁等离子体频率；ν_A和ν_B为A层和B层的碰撞频率；ω为入射电磁波角频率、i代表虚部；

3）根据入射微波的频率，调节等离子发生器的放电功率和激励电压，使所述A层和B层的电等离子体频率和磁等离子体频率满足：

ω_peA＞＞ω，ω_peB＞＞ω    （3）

此时，即可实现对微波的过滤。

5.根据权利要求5所述的微波隔离的方法，其特特征在于：所述步骤1）还包括以下过程：调整等离子发生器的电极和介质基板数量，使得周期数N≥5。

6.将权利要求1至3任意一项所述的等离子体微波隔离装置应用于天线收发装置中。