CN105977632B - 基于超材料的非互易性天线罩及其非互易性能的产生方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于超材料的非互易性天线罩，包括至少一个十字形超材料，每个十字形超材料包括两个相互垂直的十字形超材料片层；本发明无需引入非线性材料而是通过人为构建相互垂直的超材料单元来破坏等效磁导率的时空宇称特性，这种结构的雷达天线罩能够在不同的入射方向上表现出明显的非互易特性；加载了基于超材料的非互易性天线罩的天线在两种模式下可以相互独立工作，互不干扰，提高了天线的工作效率和稳定性；本发明具有结构通俗，工艺简单，设计灵活，功能性强等特点。

Description

基于超材料的非互易性天线罩及其非互易性能的产生方法
技术领域
本发明涉及电磁通信，微波器件领域，尤其是雷达天线罩，电磁超材料吸波器。
背景技术
电磁超材料是指一些具有超常物理性质的人工复合结构或复合材料。利用电磁超材料，许多奇特的物理现象已经被实现，例如负折射、“完美”成像和“隐身衣”等。此外，电磁超材料的许多应用也被提出来，例如天线的小型化、存储容量的扩充、天线的隐形、超薄谐振腔以及微波器件的小型化等。这些现象和应用的实现依赖于电磁超材料经电磁辐射后可产生独立可调的电响应和磁响应的能力。对特定频率的电磁信号的传输或者损耗控制的一种技术称之为隐身，为了达到这一目的，电磁波滤波结构、电磁波吸收结构等成为人们的研究热点，这促进了频率选择表面和吸波结构的设计研究工作。频率选择表面和吸波结构以周期阵列排布的形式，具有对电磁波滤波和吸收的效果，能够实现隐身的性能，被广泛地应用于战斗机或船舰的雷达罩上。
此外，在宇称时间对称系统中，系统的哈密顿量通常是厄米的，其解是成对形式出现的实本征谱。但在宇称或时间反演对称性破缺的系统中，波动方程的解可能以非成对的形式出现，从而导致非互易单通现象。所以，基于时间、空间反演对称性破缺结构的研究，无论是在理论还是应用上都有重要的意义。不借助磁光或者非线性材料，金属表面等离子体在对称结构被打破时也会表现出非互易特性，为非互易光子器件的设计提供了一种全新而易于实现的设计思路。美国加州理工学院(CIT)的L.Feng等人通过利用金属结构周期性调制，实现对波导有效折射率的复数调制，从而打破传统硅波导的PT对称性，实现非互易的波导传输模间跃迁，为实现易于集成硅基片上的非互易光子器件铺平了道路。在周期性人工结构中，宇称或时间对称性破缺造成其能带结构的对称性破缺，从而导致电磁波在这种结构中传播完全不同于寻常的周期性工人结构。非互易性在单通分路器，磁场可控的效应，单向延迟线，以及热稳定性等设计与研究，光二极管，隔离器、环路器以及其它光集成器件中得以广泛应用。
发明内容
本发明的目的是通过电磁超材料构建一种基于超材料的非互易性天线罩，当电磁波从不同的端口入射时，该器件能对电磁波实现不同的调控形式，比如吸波和透射。将非互易性应用于天线中与普通天线相比能够实现天线的收发互相独立工作，彼此之间的信号干扰小，隔离度高等特点。
本发明的技术方案如下：一种基于超材料的非互易性天线罩,由若干个非互易性天线罩单元拼接而成，所述非互易性天线罩单元包括两个互相垂直的电磁超材料片层，每个电磁超材料片层包括介质基板以及附着在所述介质基板正面和反面上的人工微结构单元，所述正面和反面所附着的两个人工微结构单元不完全对称，能够形成交叉极化。所述非互易性 天线罩单元在其中一个电磁超材料片层所在的平面内进行拼接。
进一步的，所述两个互相垂直的电磁超材料片层在顶部形成一个井字型结构。
进一步的，正面和反面所附着的两个不完全对称的人工微结构单元的结构形式为单开口 SRR环，双开口SRR环或者背靠背SRR环。
进一步的，所述单开口SRR环，双开口SRR环或者背靠背SRR环由金属，石墨烯或等离子体构成。
进一步的，所述介质基板由FR-4，硅或者氧化硅构成。
本发明还提供一种利用基于超材料的非互易性天线罩实现的非互易性能的产生方法，利用电磁波以垂直于非互易性天线罩的入射角θ从非互易性天线罩的正面和反面两个端口入射到器件上，θ不等于0°，两个相互垂直的电磁超材料单元在X,Y,Z三个相互垂直的方向上都能产生磁矩形成交叉极化，使电磁超材料单元结构的磁导率或介电常数非对角线上的元素不为零且有复数存在，破坏了磁导率或介电常数的时空宇称性，进而导致非互易性能的产生，所述非互易性能是指电磁波分别从两个不同的端口入射时，其吸波和透波的频点不同。
进一步的，所述非互易性天线罩能够同时实现吸波性能和透波性能，互相独立工作，互不干扰。
有益效果：本发明通过电磁超材料构建一种基于超材料的非互易性天线罩，当电磁波从不同的端口入射时，该器件能对电磁波实现不同的调控形式，比如吸波和透射。将非互易性应用于天线中与普通天线相比能够实现天线的收发互相独立工作，彼此之间的信号干扰小，隔离度高等特点。
本发明无需引入非线性材料而是通过人为构建相互垂直的超材料单元来破坏等效磁导率的时空宇称特性，这种结构的雷达天线罩能够在不同的入射方向上表现出明显的非互易特性。加载了基于超材料的非互易性天线罩的天线在两种模式下可以相互独立工作，互不干扰，提高了天线的工作效率和稳定性。本发明具有结构通俗，工艺简单，设计灵活，功能性强等特点。
附图说明
图1为基于超材料的非互易性天线罩结构示意图。
图2(a)为非互易性天线罩结构单元的俯视图；
图2(b)为非互易性天线罩结构单元的正视图；
图2(c)为非互易性天线罩结构单元的左视图；
图3(a)为基于超材料的非互易性天线罩片层I正面示意图；
图3(b)为基于超材料的非互易性天线罩片层I背面示意图；
图4为非互易性天线罩的结构示意图；
图5(a)为正入射(θ＝0°)时模式1和模式2的吸收率；
图5(b)为正入射(θ＝0°)时模式1和模式2的和透射率；
图6(a)为大角度入射(θ＝30°)时模式1和模式2的透射率；
图6(b)为大角度入射(θ＝30°)时模式1和模式2的吸收率。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
如图4所示，一种基于超材料的非互易性天线罩,由若干个非互易性天线罩单元拼接而成。如图1所示，所述非互易性天线罩单元包括两个互相垂直的电磁超材料片层I和II，每个电磁超材料片层包括介质基板1以及附着在所述介质基板正面和反面上的人工微结构单元 2，所述正面和反面所附着的两个人工微结构单元不完全对称，能够形成交叉极化。如图2(a) 所示，两个互相垂直的电磁超材料片层在顶部形成一个井字型结构。如图2(b、c)所示为非互易性天线罩单元的正视图和左视图。
以片层I为例，正面为图3(a)所示的开口SRR环，其背面的开口SRR环结构如图3(b)所示，其中人工微结构单元不局限于图中所示的结构，可以是其他形式的金属谐振环，只要相互之间能引起交叉极化，破坏相对磁导率张量或相对介电常数张量的对称性即可产生非互易现象。具体的：正面和反面所附着的两个不完全对称的人工微结构单元的结构形式为单开口SRR环，双开口SRR环或者背靠背SRR环。单开口SRR环，双开口SRR环或者背靠背SRR环由金属，石墨烯或等离子体构成。介质基板由FR-4，硅或者氧化硅构成。
如图4所示，该基于超材料的非互易性天线罩工作时当电磁波沿负Z方向入射时，天线罩工作在1模式；当电磁波沿正Z方向入射时，天线罩工作在2模式。无论是从正Z方向还是负Z方向入射，这里的入射均是指以一定的角度入射，并不是电磁波的正入射(θ＝0°)。如图4所示，θ为入射电磁波方向与X,Y平面的法线方向即Z方向的夹角。当电磁波正入射时，如图5所示该天线罩不能表现出非互易特性。从图5可以看出正入射时，模式1和模式 2的透射相同而吸收不同。由吸收率公式A(ω)＝1-R(ω)-T(ω)，其中A(ω)表示吸收率,R(ω) 表示反射率，T(ω)表示透射率，可知，吸收不同的原因是两种模式下的反射不同,其反射不同的原因可以由图3(a)和(b)可以看出，天线罩正面和背面的结构不同，所以两种模式下入射到天线罩的正反两面结构不同，从而其反射率不同。由图6可知，当电磁波斜入射(θ＝30°)时两种模式下的吸收率和透射率均呈现出明显的非互易特性，其透波的频点不同。当该天线罩工作在1模式，即电磁波沿负Z方向入射时，在频率f2处实现吸波性能，在频率f1处实现透波性能；当该天线罩工作在2模式，即电磁波沿正Z方向入射时，在频率f1处实现吸波性能，在频率f2处实现透波性能。这是由于大角度入射时，天线罩的单元结构在X,Y,Z方向都产生了感应磁场，这些感应磁场形成了交叉极化，破坏了等效磁导率张量的时空宇称特性，从而导致了从不同方向入射时产生了非互易特性。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种基于超材料的非互易性天线罩,其特征在于，由若干个非互易性天线罩单元拼接而成，所述非互易性天线罩单元包括两个互相垂直的电磁超材料片层，每个电磁超材料片层包括介质基板以及附着在所述介质基板正面和反面上的人工微结构单元，所述正面和反面所附着的两个人工微结构单元不完全对称，能够形成交叉极化；
所述正面和反面所附着的两个不完全对称的人工微结构单元的结构形式为单开口SRR环，双开口SRR环或者背靠背SRR环；
所述非互易 性天线罩单元在其中一个电磁超材料片层所在的平面内进行拼接。
2.根据权利要求1所述的基于超材料的非互易性天线罩，其特征在于，所述两个互相垂直的电磁超材料片层在顶部形成一个井字型结构。
3.根据权利要求1所述的基于超材料的非互易性天线罩，其特征在于，所述单开口SRR环，双开口SRR环或者背靠背SRR环由金属，石墨烯或等离子体构成。
4.根据权利要求1所述的基于超材料的非互易性天线罩，其特征在于，所述介质基板由FR-4，硅或者氧化硅构成。
5.利用权利要求1所述的基于超材料的非互易性天线罩实现的非互易性能的产生方法，其特征在于，利用电磁波以垂直于非互易性天线罩的入射角θ从非互易性天线罩的正面和反面两个端口入射到器件上，θ不等于0°，两个相互垂直的电磁超材料片层在X,Y,Z三个相互垂直的方向上都能产生磁矩形成交叉极化，使电磁超材料片层结构的磁导率或介电常数非对角线上的元素不为零且有复数存在，破坏了磁导率或介电常数的时空宇称性，进而导致非互易性能的产生，所述非互易性能是指电磁波分别从两个不同的端口入射时，其吸波和透波的频点不同。
6.根据权利要求5所述的基于超材料的非互易性天线罩实现的非互易性能的产生方法，其特征在于，所述非互易性天线罩能够同时实现吸波性能和透波性能，互相独立工作，互不干扰。
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