CN105846109B - 一种超材料和极化器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种超材料，包括至少一层折线结构层，所述折线结构层包括基板和设置在所述基板上的至少一个折线结构，所述折线结构包括第一折线部和第二折线部，第一折线部的第一端和第二折线部的第一端相接，第一折线部与第二折线部存在长度差，所述第一折线部和第二折线部成90°夹角。本发明提供的超材料通过在折线结构层上设置折线结构通过折线结构实现电磁波的极化转换。而且，可根据原极化波的波长来确定第一折线部和第二折线部之间的长度差，并通过差都差与波长之间的关系实现对电磁波转化结果的控制。

Description

一种超材料和极化器
技术领域
本发明涉及一种超材料，特别是一种超材料和极化器。
背景技术
在雷达、通信、航空航天及遥控遥测等领域，目标的反射特性、电磁波的传播以及信号的接收性能均与波的极化形式有关。因此，极化信息在目标检测、增强、滤波及识别中有着巨大应用潜力。另外，雷达极化对抗是利用天线和电磁波的极化特性进行干扰和抗干扰的技术。由于极化特征有助于对抗干扰波的干扰和对极化隐身目标进行识别，随着现代战争对通信和电子对抗的重视的升级，极化技术作为一项重要的干扰、抗干扰技术也成为了军事科研领域的一个研究热点。
因此，为适应现代信息密集多边的特点，一副天线仅具有一种极化已不适应现代通信系统的要求。对天线的快速的极化转换的要求日益迫切。极化器或极化转换器正是一种用来实现线极化与圆极化、垂直极化与水平极化形式转换的器件。极化转换主要关注以下几个方面的指标：
1)高性能，即转换后的极化波应具有较高的极化隔离度，接近所需要的极化状态；
2)低损耗，即具有较高的能量转换效率；
3)小尺寸，即占用尽可能小的空间。
超材料由介质基板和设置在介质基板上的人造微结构组成，可以提供各种普通材料不具有的特性，人造微结构在1/5到1/10个波长的尺度下，对电场和磁场具有点响应和磁响应，从而表现出等效介电常数和等效磁导率。而且，人造微结构的等效介电常数和等效磁导率可以通过设计人造微结构的几何尺寸参数来人为控制。这为实现达成上述目标的极化转换提供了可能。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种超材料和极化器，以解决现有技术中的技术问题。
根据本发明的第一方面，提供一种超材料，包括至少一层折线结构层，所述折线结构层包括基板和设置在所述基板上的至少一个折线结构，所述折线结构包括第一折线部和第二折线部，第一折线部的第一端和第二折线部的第一端相接，第一折线部与第二折线部存在长度差，所述第一折线部和第二折线部成90°夹角。
优选地，所述基板上包括多个折线部，多个所述折线部成阵列分布。
优选地，所述第一折线部与第二折线部的长度差为入射电磁波1/2或1/4波长的奇数倍。
优选地，所述折线结构由导电材料制成。
优选地，导电材料为金属单质、金属合金、油墨或半导体。
优选地，所述基板由复合材料制成。
优选地，复合材料包括纤维、泡沫和/或蜂窝的一层或者多层结构。
优选地，所述折线结构层设置有三层，三层折线结构层之间对齐层叠。
优选地，三层折线结构层通过热压工艺层叠在一起。
根据本发明的第二方面，提供一种极化器，包括上述超材料。
优选地，入射电磁波为线极化波，所述超材料上折线结构的第一折线部与第二折线部的长度差为入射电磁波1/2波长的奇数倍，合成波的极化方向相对入射电磁波的极化方向旋转90°。
优选地，入射电磁波为线极化波，所述超材料上折线结构的第一折线部与第二折线部的长度差为入射电磁波1/4波长的奇数倍，合成波为圆极化波。
优选地，入射电磁波为圆极化波，所述超材料上折线结构的第一折线部与第二折线部的长度差为入射电磁波1/2波长的奇数倍，圆极化波转换为线极化波。
本发明提供的超材料通过在折线结构层上设置折线结构通过折线结构实现电磁波的极化转换。而且，可根据原极化波的波长来确定第一折线部和第二折线部之间的长度差，并通过差都差与波长之间的关系实现对电磁波转化结果的控制。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1为本发明超材料的一层折线结构层示意图；
图2为本发明超材料结构示意图。
具体实施方式
以下将参照附图更详细地描述本发明的各种实施例。在各个附图中，相同的元件采用相同或类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。
如图1所示，本发明提供的超材料的一层折线结构层100包括基板110和折线结构120。在图2中折线结构包括第一折线部121和第二折线部122，第一折线部121和第二折线部122的第一端相接，且第一折线部121和第二折线部122之间成一定的夹角，优选地，夹角为90°。折线结构120在基板110上成阵列均匀分布有多个，且多个第一折线部121相互平行，多个第二折线部122相互平行。图1中示出的为10个这线结构120的实施例，但是本领域技术人员容易理解，根据不同实践需求，折线结构层100上可以包括任意数目的折线结构120，且这线结构120可以以任意形式的阵列分布。折线结构120可以由金属、金属合金、油墨以及半导体等导电材料制成。例如，在金属材料的情况下，构成折线结构120的第一折线部121和第二折线部122均为直线形的金属条。基板110可以由复合材料构成，例如，热固或者热塑性材料。该复合材料可以为包括纤维、泡沫和/或蜂窝的一层或者多层结构，并且可含有增强材料，例如纤维、织物或者粒子中的至少一种。折线结构120可以通过蚀刻、电镀、雕刻、蒸镀、溅射、丝印、钻刻、光刻、电子刻或离子刻 等工艺附着在基板110上以形成折线结构120。
如图1所示，第一折线部121的长度为a，第二折线部122的长度为b，第一折线部121与第二折线部122存在一定的长度差，即a>b或b>a，图1中所示为a>b。
如图2所示，本发明提供的超材料200包括三层折线结构层100，三层折线结构层100之间对齐层叠，例如可以通过热压工艺层叠在一起。每层折线结构层100的基板110上设置有多个折线结构120，且三层折线结构层100上相对应的折线结构120的投影重合。三层折线结构层100的基板110材料可以相同也可以用不同，具体材料可根据需要选择。图2中示出的为三成折线结构层100的实施例，但是本领域技术人员容易理解，根据不同实践需求，超材料200可以包括任意数目的折线结构层100。
电磁波与第一折线部121和第二折线部122均成45°角的由第一折线部121和第二折线部122的相交端射入超材料200上的折线结构120上，原电磁波被分为两个分量。且第一折线部121和第二折线部122的长度差会影响电磁波极化转换的结果。
下面通过具体实施例对本发明超材料200对电磁波的极化进行详细介绍：
实施例一：
在本实施例中，极化器为一个极化旋转器件。入射电磁波为线极化波，第一折线部121和第二折线部122均为直线形结构，两者相接后形成一个夹角为90°的折线形微结构。电磁波的极化方向与第一折线部121和第二折线部122均成45°，电磁波射入超材料200上的折线结构120上被分解成沿第一折线部121和第二折线部122的两个分量，两个分量的初始相位相等。当第一折线部121的长度a与第二折线部122的长度b的差值等于原电磁波等效波长的1/2的奇数倍时，电磁波的两个分量相位差成180°，合成波的极化方向旋转90°即，通过微结构同时实现了极化的分离和相位差的控制，从而直接实现极化方向的旋转。
实施例二：
在本实施例中，极化器为一个线极化转圆极化器件。入射电磁波为 线极化波，第一折线部121和第二折线部122均为直线形结构，两者相接后形成一个夹角为90°的折线形微结构。电磁波的极化方向与第一折线部121和第二折线部122均成45°，电磁波射入超材料200上的折线结构120上被分解成沿第一折线部121和第二折线部122的两个分量，两个分量的初始相位相等。当第一折线部121的长度a与第二折线部122的长度b的差值等于原电磁波等效波长的1/4的奇数倍时，电磁波的两个分量相位差成90°，合成波呈现圆极化特性。
一般的线极化转圆极化的器件是需要通过一定厚度的平行板实现极化的分离以及相位差的调整，才能实现圆极化的输出。而本实施例通过金属微结构两个折线部的不同结构，实现不同的极化响应，使得入射波的极化产生调整，最终实现圆极化的输出。由于金属微结构的厚度比平行板小很多，使本实施例极化器的厚度更小。
实施例三：
在本实施例中，极化器为一个圆极化转线极化器件。入射电磁波为圆极化波，第一折线部121和第二折线部122均为直线形结构，两者相接后形成一个夹角为90°的折线形微结构。电磁波射入超材料200上的折线结构120上被分解成沿第一折线部121和第二折线部122的两个分量，两个分量的初始相位相差90°。当第一折线部121的长度a与第二折线部122的长度b的差值等于原电磁波等效波长的1/4的奇数倍时，两分量相位差成0°或180°，圆极化波转换为线极化波。
本发明提供的超材料200通过在折线结构层100上设置折线结构120通过折线结构120实现电磁波的极化转换。而且，可根据原极化波的波长来确定第一折线部121和第二折线部122之间的长度差，并通过长度差与波长之间的关系实现对电磁波转化结果的控制。
本发明的另一方面提供一种极化器，本发明极化器由上述超材料200构成，相比于传统的超材料构成的极化器，本发明提供的极化器具有厚度小、转换效率高的特点。
在具体实施过程中，上述方案中的极化器可以用于飞行器、机动车或船上的天线中。
应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (13)

1.一种超材料，其特征在于，包括至少一层折线结构层，所述折线结构层包括基板和设置在所述基板上的至少一个折线结构，所述折线结构包括第一折线部和第二折线部，第一折线部的第一端和第二折线部的第一端相接，第一折线部与第二折线部存在长度差，所述第一折线部和第二折线部成90°夹角，
其中，根据入射电磁波的波长来确定第一折线部和第二折线部之间的长度差，并通过所述长度差与所述波长之间的关系实现对电磁波转化结果的控制。
2.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，所述基板上包括多个折线部，多个所述折线部成阵列分布。
3.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，所述第一折线部与第二折线部的长度差为入射电磁波1/2或1/4波长的奇数倍。
4.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，所述折线结构由导电材料制成。
5.根据权利要求4所述的超材料，其特征在于，导电材料为金属单质、金属合金、油墨或半导体。
6.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，所述基板由复合材料制成。
7.根据权利要求6所述的超材料，其特征在于，复合材料包括纤维、泡沫和/或蜂窝的一层或者多层结构。
8.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，所述折线结构层设置有三层，三层折线结构层之间对齐层叠。
9.根据权利要求8所述的超材料，其特征在于，三层折线结构层通过热压工艺层叠在一起。
10.一种极化器，其特征在于，包括权利要求1-9中任一项所述的超材料。
11.根据权利要求10所述的极化器，其特征在于，入射电磁波为线极化波，所述超材料上折线结构的第一折线部与第二折线部的长度差为入射电磁波1/2波长的奇数倍，合成波的极化方向相对入射电磁波的极化方向旋转90°。
12.根据权利要求10所述的极化器，其特征在于，入射电磁波为线极化波，所述超材料上折线结构的第一折线部与第二折线部的长度差为入射电磁波1/4波长的奇数倍，合成波为圆极化波。
13.根据权利要求10所述的极化器，其特征在于，入射电磁波为圆极化波，所述超材料上折线结构的第一折线部与第二折线部的长度差为入射电磁波1/2波长的奇数倍，圆极化波转换为线极化波。
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