CN106099386B - 一种具有低频吸波与极化转换的装置及工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有低频吸波与极化转换的装置及工作方法，该装置包括：金属背板、底层介质基板、柱状介质基板、梳状介质基板、蛇形金属线结构、金属线连接结构，其中，多个柱状介质基板在底层介质基板上方每隔一段距离一字排开；梳状介质基板安插于两块柱状介质基板之间；蛇形金属线结构敷于柱状介质基板的左右两侧平面；金属线连接结构是由底层介质基板表层边缘处的金属层、每个柱状介质基板的间隔并与底层介质基板的连接处的金属层、及每一块柱状介质基板顶端所敷的金属层组成。本发明结构简单紧凑，小型化，易加工，成本低廉，工作频段较低。

Description

一种具有低频吸波与极化转换的装置及工作方法
技术领域
本发明应用于雷达、隐身、电子对抗、航空航天等诸多国防通信领域的微波器件，具体指代一种基于电磁超材料小型化功能可重构的低频吸波与极化转换装置及工作方法。
背景技术
极化转换技术是在波的传播过程中，电场强度随时间变化的特性，因此在实际应用中它具有单向性。在无线通信中，考虑到极化的单向传播与接收，因此若要实现信号的较高的接收与发射时，应及时与尽量准确的将信号记录下来。极化转换器可应用于宽频带通信、移动通信、卫星通信、天线、雷达的图像识别和目标检测与目标隐身中。除此之外，在军事应用中，特别是在与敌方作战时，极化转换器可以起抗干扰作用，如气象干扰，并对敌方通信设备起到破坏作用，降低其准确度或使其联络中断。
超材料吸波器作用主要体现在它的隐身作用上，隐身技术是现代高科技军事战争与应用中具有巨大战术价值和战略威慑作用的一项技术，而在飞机前机身中的天线罩要对雷达天线舱的强散射起到一定的屏蔽作用，即低雷达散射截面(RCS)要求。超材料隐身技术是在保证系统正常工作的前提下，可以实现电磁波在一定的频带内能量吸收，从而实现真正意义上RCS的缩减。超材料隐身技术具有隐身性能优异、制作成本低、维护成本低等优点，可广泛应用于现有军事装备，具有极大的军事应用价值。除军事以外，在电磁辐射防护与提高天线定向性等民间邻域的应用也越来越广。
本发明中的频带范围200MHz-2GHz所属的部分甚高频(VHF)与部分特高频(UHF)可应用于电视、调频广播、雷达、导航、移动通信。在民航领域中，VHF波段可用于民用飞机的地面与空中管制、放行及机场管制。在海事通信中，渔船、商船、游艇、游轮、救生艇、潜艇几乎都配有VHF波段的通信电台，用于搜救与对外联络通信，因此该频段通信是航海安全的必不可少的通信途径。
如今，随着电磁超材料可重构器件的发展，相比于早期单一功能的传统器件，可实现一器多用，可以在相应功能之间相互转化，并可以节约空间与成本。此功能可重构器件更具有诸多优点：高压缩比，小型化，结构更简单，吸收能力更强，质量更轻，吸收带内可调，材料参数可设定，加工简易。但如今还没有基于电磁超材料小型化功能可重构器件。
发明内容
针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种具有低频吸波与极化转换的装置及工作方法，以解决现有技术中缺少一种基于电磁超材料小型化功能可重构器件，本发明装置为一种应用于200MHz-2GHz的多功能性器件，能够在不同的工作频段分别实现吸波器和极化转化器的功能。
为达到上述目的，本发明的一种具有低频吸波与极化转换的装置，包括：金属背板、底层介质基板、柱状介质基板、梳状介质基板、蛇形金属线结构、金属线连接结构，其中，底层介质基板置于金属背板上方，多个柱状介质基板在底层介质基板上方每隔一段距离一字排开；梳状介质基板安插于两块柱状介质基板之间；蛇形金属线结构敷于柱状介质基板的左右两侧平面；金属线连接结构是由底层介质基板表层边缘处的金属层、每个柱状介质基板的间隔并与底层介质基板的连接处的金属层、及每一块柱状介质基板顶端所敷的金属层组成。
优选地，所述的金属背板采用全金属结构。
优选地，所述的梳状介质基板为周期性排布的镂空结构或无空心槽的基板结构。
优选地，所述的蛇形金属线结构为至少一个弓字型或由里向外的一些列延长电流路径的结构；当金属路径增加时，电流路径随之延长，感应电流所产生的能量随之不断衰减，从而在较低频点处实现表面波的充分吸收。
优选地，所述的蛇形金属线结构在yoz平面上镜像相同或镜像相反，两条蛇形金属线结构之间的柱状介质基板的顶层金属线连接结构是全金属或金属图案，同样，两条蛇形金属线结构之间与底层介质基板的连接处是全金属或金属图案。
优选地，所述的柱状介质基板采用长方体结构，并具有不同的高度与宽度，使得反射的电磁波在传播时产生不等位相位，从而产生极化转换的特性，可实现吸波与极化转换的相互切换。
本发明还提供一种具有低频吸波与极化转换的装置的工作方法，包括：外加电磁波的感应电流从金属线连接结构的右端流进，绕过蛇形金属线结构，使能量不断衰减，在绕进最右侧的柱状介质基板的蛇形金属线结构时，受到梳状介质基板的介质耗散与其镂空图案产生的电磁波能量局域的作用，使感应电流的能量发生一次或多次局域，以实现增加能量损耗反射最小，最后电流在金属线连接结构的左端截止；反之，外加电磁波的感应电流从金属线连接结构的左端流进，绕过蛇形金属线结构，使能量不断衰减，在绕进最右侧的柱状介质基板的蛇形金属线结构时，受到梳状介质基板的介质耗散与其镂空图案产生的电磁波能量局域的作用，使感应电流的能量发生一次或多次局域，以实现增加能量损耗达到反射最小，最后电流在金属线连接结构的右端截止。
本发明的有益效果：
本发明为一种应用于200MHz-2GHz的多功能性器件，能够在不同的工作频段分别实现吸波器和极化转化器的功能，具有的重量轻的、易加工、功能可重构等特点。工作在吸波器时，能够实现小型化，高压缩比，高吸收率的吸波器；工作在极化转化器时，能实现良好的极化转换特性。
附图说明
图1为本发明装置的结构模型图。
图2为+x方向的侧视图。
图3为-x方向的侧视图。
图4为-y方向的侧视图。
图5为+y方向的侧视图。
图6为z方向上的俯视图。
图7为图6中梳状介质基板的结构示意图。
图8为在TE模式下的吸收率图。
图9为在TE模式下的极化转换率图。
图10为在TM模式下的极化转换率图。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
参照图1至图7所示，本发明的一种具有低频吸波与极化转换的装置，包括：金属背板1、底层介质基板2、柱状介质基板3、梳状介质基板4、蛇形金属线结构5、金属线连接结构6，其中，底层介质基板2置于金属背板1上方，多个柱状介质基板3在底层介质基板2上方每隔一段距离一字排开；梳状介质基板4安插于两块柱状介质基板3之间；蛇形金属线结构5敷于柱状介质基板3的左右两侧平面即yoz平面(如图1、图2、图3所示)；金属线连接结构6是由底层介质基板表层边缘处的金属层、每个柱状介质基板3的间隔并与底层介质基板2的连接处的金属层、及每一块柱状介质基板3顶端所敷的金属层组成。
上述的柱状介质基板3采用长方体结构，并具有不同的高度与宽度，本实例中依次排列五个柱状介质基板3，其中+x方向两个柱状介质基板3最左侧两个相同尺寸，最右侧两个相同尺寸，中间一个尺寸，以实现极化转换功能。
上述蛇形金属结构5可以是一个或多个“弓”字型或由里向外，由外向里绕成的“花卷”“交趾”、“螺旋”型等组合成的一系列延长电流路径的金属结构，或者能够实现导通作用的任意连接形式；分布在每一个柱状介质基板3的两个yoz面上。当金属路径增加时，电流路径随之延长，感应电流所产生的能量随之不断衰减，从而在较低频点处实现表面波的充分吸收。每一块柱状介质基板3两个yoz面的金属路径结构是(-y，-z)点与每两块柱状介质基板3连接处的金属线连接结构6连接，(+y，+z)点与柱状介质基板3顶部金属线连接结构6连接。
该蛇形金属线结构5在yoz平面上可以镜像相同或镜像相反；两条蛇形金属线结构5之间的柱状介质基板3的顶层金属连接层可以是全金属或任意能够实现电流导通的“金属图案”，同样，两条蛇形金属线结构5之间与底层介质基板2的连接处也可以是全金属或能够实现电流导通功能的“金属图案”。
上述的梳状介质基板4可以是周期性排列的镂空结构，也可以是无空心槽的基板结构，或是中间空槽数量为m*n(m＝1,2,3,…；n＝1,2,3,…)或是排列呈一定规律数量的基板结构。空心槽可以是任意形状，如矩形(长方形，正方形)，圆形(半圆形，椭圆形)，三角形，梯形，多边形等。在柱状介质基板3间插入损耗介质层，即上述提到的梳状结构基板4是为了使外部电磁波产生的感应电流流经此路径时，电磁能量能够再一次或多次局域在插入的有损耗的介质基板或者其它材料中，不仅实现较高或完美吸波的效果，而且能够得到新的吸收频点。此外，该梳状结构基板4可以是任意有耗散的介质材料，如FR-4，硅，Teflon，PET，石墨烯等非金属。表面用于导通电流的金属线，也可以是任意的导体和半导体体介质如：固态等离子体、金、银、铜等金属、还可以是半导体材料、等离子体、超导体和石墨烯等。
本发明可工作于200MHz-2GHz，实现了在超短波(甚高频)段内完美吸收，突破了传统电磁超材料小型化低频吸波器与极化转换器难以工作在较高频段的局限。采用了一种基本周期单元结构，因此可以采用级连的方式将类似的结构连接起来成为一个新的单元结构，从而达到类似效果或各项指标更好地效果(如：宽带吸收，宽带极化转换，带内可调谐，0-200MHz吸收与极化转换，THz波段吸收与极化转换，吸收与极化转换率更加等等)。
如图1所示，当电磁波以x方向入射装置表面时，在TE模式下工作；当电磁波以y方向入射，在TM模式下工作。
若以-x方向入射，其工作方法为：外加电磁波的感应电流从金属线连接结构的右端流进，绕过蛇形金属线结构，使能量不断衰减，在绕进最右侧的柱状介质基板的蛇形金属线结构时，受到梳状介质基板的介质耗散与其镂空图案产生的电磁波能量局域的作用，使感应电流的能量发生一次或多次局域，以实现增加能量损耗反射最小，最后电流在金属线连接结构的左端截止；反之，外加电磁波的感应电流从金属线连接结构的左端流进，绕过蛇形金属线结构，使能量不断衰减，在绕进最右侧的柱状介质基板的蛇形金属线结构时，受到梳状介质基板的介质耗散与其镂空图案产生的电磁波能量局域的作用，使感应电流的能量发生一次或多次局域，以实现增加能量损耗反射最小，最后电流在金属线连接结构的右端截止。
如图8所示在200MHz-2GHz频率范围内实现了五频吸收与一个窄带吸收，且在f1＝0.238MHz与f2＝0.442GHz实现了100％的吸收率，并在f3＝1.732GHz至1.815GHz上具有90％以上的吸收率且在1.760GHz处达到了100％。f1点是由“蛇形线”金属结构引起的，f2是由所插入的梳状介质基板引起，窄带是由梳状结构的镂空间隙导致的。如图9所示为TE模式极化转换率示意图，在三个频点处实现了高极化转换率，其中在F1＝1.376GHz处，极化转换率达到了100％。如图10所示为此器件在TM模式下的极化转换率示意图，其中在F1＝1.376GHz处，极化转换率达到了99.18％。因此，在多频点处实现了完美吸收与完美极化转化。本发明装置给出的参考基本尺寸为：总长度24mm，总宽度11.7mm，总高度20.536mm。因此，压缩比可以达到52.52。
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，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种具有低频吸波与极化转换的装置，其特征在于，包括：金属背板、底层介质基板、柱状介质基板、梳状介质基板、蛇形金属线结构、金属线连接结构，其中，底层介质基板置于金属背板上方，多个柱状介质基板在底层介质基板上方每隔一段距离一字排开；梳状介质基板安插于两块柱状介质基板之间；蛇形金属线结构敷于柱状介质基板的左右两侧平面；金属线连接结构是由底层介质基板表层边缘处的金属层、每个柱状介质基板的间隔并与底层介质基板的连接处的金属层、及每一块柱状介质基板顶端所敷的金属层组成；
所述的柱状介质基板采用长方体结构，并具有不同的高度与宽度，使得反射的电磁波在传播时产生不等位相位，从而产生极化转换的特性，实现吸波与极化转换的相互切换。
2.根据权利要求1所述的具有低频吸波与极化转换的装置，其特征在于，所述的金属背板采用全金属结构。
3.根据权利要求1所述的具有低频吸波与极化转换的装置，其特征在于，所述的梳状介质基板为周期性排布的镂空结构或无空心槽的基板结构。
4.根据权利要求1所述的具有低频吸波与极化转换的装置，其特征在于，所述的蛇形金属线结构为至少一个弓字型或由里向外的一系列延长电流路径的结构，所述的由里向外如花卷截面；当金属路径增加时，电流路径随之延长，感应电流所产生的能量随之不断衰减，从而在较低频点处实现表面波的充分吸收。
5.根据权利要求4所述的具有低频吸波与极化转换的装置，其特征在于，所述的蛇形金属线结构在yoz平面上镜像相同或镜像相反，两条蛇形金属线结构之间的柱状介质基板的顶层金属线连接结构是全金属或金属图案，同样，两条蛇形金属线结构之间与底层介质基板的连接处是全金属或金属图案。
6.一种基于上述权利要求1至5中任意一项所述装置的工作方法，其特征在于，该方法包括：外加电磁波的感应电流从金属线连接结构的右端流进，绕过蛇形金属线结构，使能量不断衰减，在绕进最右侧的柱状介质基板的蛇形金属线结构时，受到梳状介质基板的介质耗散与其镂空图案产生的电磁波能量局域的作用，使感应电流的能量发生一次或多次局域，以实现增加能量损耗反射最小，最后电流在金属线连接结构的左端截止；反之，外加电磁波的感应电流从金属线连接结构的左端流进，绕过蛇形金属线结构，使能量不断衰减，在绕进最右侧的柱状介质基板的蛇形金属线结构时，受到梳状介质基板的介质耗散与其镂空图案产生的电磁波能量局域的作用，使感应电流的能量发生一次或多次局域，以实现增加能量损耗达到反射最小，最后电流在金属线连接结构的右端截止。
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