CN106299718B - 一种基于介电材料的极化旋转超材料及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于介电材料的极化旋转超表面，包括下层的金属基板和至少一个位于表层的介质基板，介质基板均匀排列成平面阵列设置于金属基板之上，介质基板呈圆形带缺口结构，介质基板上的缺口为1/4圆形缺口，介质基板粘贴于金属基板上。本发明为克服基于金属结构的超表面的局限性，本发明采用介电材料进行设计，能够充分发挥介电材料的特点，弥补金属结构的不足，同时本发明提供的基于介电材料的极化旋转超表面，可对入射电磁波产生极化转换特性。

Description

一种基于介电材料的极化旋转超材料及其制作方法
技术领域
本发明属于超表面设计技术领域，更具体的涉及一种基于介电材料的极化旋转超表面及其制作方法。
背景技术
超表面(Metasurface)是对电磁波具有调控作用的周期性表面，可通过对电磁波的幅值、相位等参数的调控，改变电磁波的传输特性。利用超表面可以实现对电磁波的反常反射，反常透射，极化旋转，平板聚焦等功能。一般来说，典型的超表面是基于金属结构设计的，金属结构虽有诸多优点，但在抗氧化性、耐腐蚀、耐高温以及高功率等方面具有一定的局限性。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于介电材料的极化旋转超表面及其制作方法，通过引入高介电常数介电材料，对其进行结构化设计，能够使得电磁波作用于其上时产生极化旋转。
本发明是这样实现的，一种基于介电材料的极化旋转超表面，包括下层的金属基板和至少一个位于表层的介质基板，所述介质基板均匀排列成平面阵列设置于所述金属基板之上，所述介质基板呈圆形带缺口结构，所述介质基板上的缺口为1/4圆形缺口，所述介质基板粘贴于所述金属基板上。
本发明的特点还在于，所述介质基板采用介电材料制成。
本发明的特点还在于，所述金属基板为铜板。
本发明的特点还在于，所用介电材料为微波介电陶瓷。
本发明的特点还在于，微波介电陶瓷的介电常数在1-1000之间，损耗在0.0001-0.1之间。
本发明的特点还在于，所述介质基板的几何参数要求如下：
1mm≤R≤5cm，0.2mm≤d≤8cm；
其中R表示为介质基板的半径，d表示为介质基板的厚度；
介质基板与相邻介质基板之间的横向间距a和纵向间距b满足1mm≤a＝b≤10cm。
本发明还提供了上述基于介电材料的极化旋转超表面的制作方法，其制作方法是：将介质基板通过胶以均匀排列成平面阵列的方式粘贴于金属基板上。
相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：
本发明为克服基于金属结构的超表面的局限性，对介电材料进行设计，能够充分发挥介电材料的特点，弥补金属结构的不足，同时本发明提供的基于介电材料的极化旋转超表面，可对入射电磁波产生极化转换特性。
附图说明
图1为本发明基于介电材料的极化旋转超表面的结构示意图；
图2为本发明实施例1中介电常数为110的仿真S参数图；
图3为本发明实施例1的理论分析图；
图4为仿真计算u、v极化波垂直入射时的同极化反射系数幅度和同极化反射相位结果图；
图5为仿真计算得到的v、u极化波垂直入射时的同极化反射相位差结果图；
图6为本发明实施例2中介电常数为85的仿真S参数图；
图7为本发明实施例3中介电常数为300的仿真S参数图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供的一种基于介电材料的极化旋转超表面，如图1所示，包括下层的金属基板和至少一个位于表层的介质基板，介质基板均匀排列成平面阵列设置于金属基板之上，介质基板呈圆形带缺口结构，介质基板上的缺口为1/4圆形缺口，介质基板粘贴于金属基板上。
上述介质基板采用介电材料制成，金属基板为铜板，所用介电材料为微波介电陶瓷，微波介电陶瓷的介电常数在1-1000之间，损耗在0.0001-0.1之间。
介质基板的几何参数要求如下：
1mm≤R≤5cm，0.2mm≤d≤8cm；
其中R表示为介质基板的半径，d表示为介质基板的厚度；
介质基板与相邻介质基板之间的横向间距a和纵向间距b满足1mm≤a＝b≤10cm。
本发明实施例还提供了上述基于介电材料的极化旋转超表面的制作方法，其制作方法是：将介质基板通过胶以均匀排列成平面阵列的方式粘贴于金属基板上。
本发明研究设计的极化旋转超表面，采用呈圆形带缺口结构的介质基板设置于金属基板上，能够使旋转超表面沿其一个轴表现为高阻抗表面，而另一正交轴上表现为金属反射表面，两个轴向上的反射波分量获得180°相位差。当入射线极化波极化方向对旋转表面对称轴成45°时，反射波极化方向被旋转90°。从而实现对入射电磁波产生极化旋转特性。
下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细地说明。
实施例1
本实施例使用圆形带缺口非对称介质结构介质基板，介质基板采用介电材料制成，具体的，所用介电材料为微波陶瓷。陶瓷制备所使用的原材料包括无水碳酸钡、氧化镁、无水碳酸锶、二氧化钛、氧化镧，其化学计量比为0.7Ba0.6Sr0.4TiO3--0.3La(Mg0.5Ti0.5)O3。将微波陶瓷制备成圆形带缺口非对称结构，然后在金属基板上周期排列形成极化旋转超表面。该结构具有在特定微波频段的介质谐振特性，使得电磁波极化发生改变。在各谐振频率，旋转表面沿其一个轴表现为高阻抗表面，而另一正交轴上表现为金属反射表面，两个轴向上的反射波分量获得180°相位差。当入射线极化波极化方向对旋转表面对称轴成45°时，反射波极化方向被旋转90°。本例可实现的转换效率在90％以上。
本实施例的具体准备过程为：
(1)本例采用的采用介电材料为陶瓷材料，其化学式为0.7Ba0.6Sr0.4TiO3--0.3La(Mg0.5Ti0.5)O3。具体制备工艺如下：原料在无水乙醇中以ZrO2球为媒质行星球磨24小时，烘干研磨得到干粉。将所得无水碳酸钡、无水碳酸锶、二氧化钛粉料在1200℃空气中预烧2小时保温2小时，二氧化钛、氧化镁、氧化镧预烧粉料在1400℃空气中预烧2小时保温2小时，将得到的两种粉料过筛烘干。将分析纯的无水碳酸钡、无水碳酸锶、二氧化钛、氧化镁、氧化镧置于150℃条件下烘干10小时，按化学计量比为0.7Ba0.6Sr0.4TiO3--0.3La(Mg0.5Ti0.5)O3配料。将两种粉料以7：3的比例在无水乙醇中再次行星球磨12小时进行混合，烘干混合物料后加入聚乙烯醇手工研磨造粒(100目筛)，制成陶瓷粉体。
(2)将陶瓷粉体加入内径为10mm的圆柱形模具之中，利用压机在一定压力下干压成型制备圆柱形陶瓷生坯，通过烧结得到致密陶瓷。
(3)使用矢量网络分析仪及谐振腔测试系统测定圆柱形陶瓷的相对介电常数。对于本例使用的陶瓷，其相对介电常数为110，损耗为0.0015。
(4)使用CST等电磁仿真软件，结合上述步骤确定的介质材料的电磁参数进行结构设计与仿真计算，在此基础上进行结构形状与几何参数的优化。
(5)利用模具钢制备特殊形状陶瓷模具，可为圆形带缺口非对称形状或其他特殊形状，具体形状通过仿真优化给出。将陶瓷粉体加入模具之中，利用压机在一定压力下干压成型制备陶瓷生坯。将坯体在空气中缓慢升温至550℃，保温2小时排除PVA，然后将坯体在1500℃空气中保温烧结4小时，得到致密陶瓷。
(6)利用切割机、抛光机等机械设备将烧结得到的圆形带缺口非对称陶瓷加工至给定厚度。并在金属基板上周期排列形成极化旋转超表面。
(7)使用矢量网络分析仪及自由空间测试系统对极化旋转超表面进行电磁性能测试。
当a＝b＝10mm，R＝3mm，d＝8mm时，用CST Microwave Studio软件进行仿真，得到的S参数如图2所示。从图2可以看出，入射的电磁波发生了极化旋转的效应，其工作频段大约在3.68-4.64GHz和5.08-5.12GHz。
如图3所示为其实现交叉极化反射的原理示意图，假设入射线极化波为x极化波，入射波的电场为Ei，在方向上建立uov坐标系，如图3中虚线所示，将入射电场分解至u、v方向，即对于图3中缺口圆型极化转换结构单元，u、v极化波垂直入射时均可实现高效的同极化反射，即同极化反射ruu和rvv近似等于1。而对于同极化反射相位，u、v极化波入射时，结构单元中的缺口圆在入射电场作用下一种情况是相当于无响应，入射波被金属背板反射，因金属背板可看作PEC，极化反射波产生π相移。另一种情况极化波入射时，结构在入射电场作用下产生谐振，相移为零，单元结构可看作PMC。因此，两种极化波垂直入射时的单元结构可分别等效为PEC、PMC，分别产生π和0相移。图中入射电场v分量经“PEC”反射后产生π相移，即Erv＝-Eiv，u分量经“PMC”反射后产生0相移，即Eru＝Eiu，因此反射波为y极化波。
采用呈圆形带缺口结构的介质基板设置于金属基板上，能够使旋转超表面沿其一个轴表现为高阻抗表面，而另一正交轴上表现为金属反射表面，两个轴向上的反射波分量获得180°相位差。当入射线极化波极化方向对旋转表面对称轴成45°时，反射波极化方向被旋转90°。从而实现对入射电磁波产生极化旋转特性。这是产生极化旋转的机理。
为验证上面的分析，分别仿真计算u、v极化波垂直入射时的同极化反射系数幅度和同极化反射相位，图4为仿真结果，其中(a)为同极化反射系数幅度，(b)为同极化反射相位。从图4中可以看出：在工作频率范围的宽带频率范围内，u、v极化波垂直入射时的同极化反射系数幅度均很高。图5所示为仿真计算得到的v、u极化波垂直入射时的同极化反射相位差图5中虚线为180°相位差。从图5中可以看出：在极化转换工作的频率范围内，u、v极化波垂直入射时的同极化反射相位差在180°附近震荡。在频率f＝3.83，4.26，4.62和5.1GHz处相位差
实施例2
将陶瓷配方改为0.6Ba0.6Sr0.4TiO3-0.4La(Mg0.5Ti0.5)O3，改换烧结温度及其他条件，制备出的陶瓷介电常数为85，损耗约为0.002。此时，依旧使用圆形缺口结构。将其参数改为a＝b＝8.8mm,R＝2.5mm,d＝7mm.继续使用CST Microwave Studio软件进行仿真，得到的S参数如图6所示。可以看到在5.09-6.2GHz和6.84-6.9GHz有很好的极化旋转效果。
实施例3
将陶瓷配方改为SrTiO3，改换烧结温度及其他条件，制备出的陶瓷介电常数为300左右。此时，依旧使用圆形缺口结构。将其参数改为a＝b＝5mm,R＝2mm,d＝6mm.继续使用CST Microwave Studio软件进行仿真，得到的S参数如图7所示。可以看到在3.07-3.93GHz和4.42-4.45GHz有很好的极化旋转效果。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种基于介电材料的极化旋转超材料，其特征在于，包括下层的金属基板和至少一个位于表层的介质基板，所述介质基板均匀排列成平面阵列设置于所述金属基板之上，所述介质基板呈圆形带缺口结构，所述介质基板上的缺口为1/4圆形缺口，所述介质基板粘贴于所述金属基板上。
2.如权利要求1所述的一种基于介电材料的极化旋转超材料，其特征在于，所述介质基板采用介电材料制成。
3.如权利要求1所述的一种基于介电材料的极化旋转超材料，其特征在于，所述金属基板为铜板。
4.如权利要求2所述的一种基于介电材料的极化旋转超材料，其特征在于，所用介电材料为微波介电陶瓷。
5.如权利要求4所述的一种基于介电材料的极化旋转超材料，其特征在于，微波介电陶瓷的介电常数在1-1000之间，损耗在0.0001-0.1之间。
6.如权利要求1所述的一种基于介电材料的极化旋转超材料，其特征在于，所述介质基板的几何参数要求如下：
1mm≤R≤5cm，0.2mm≤d≤8cm；
其中R表示为介质基板的半径，d表示为介质基板的厚度；
介质基板与相邻介质基板之间的横向间距a和纵向间距b满足1mm≤a＝b≤10cm。
7.如权利要求1-6任一所述的基于介电材料的极化旋转超材料的制作方法，其特征在于，将介质基板通过胶以均匀排列成平面阵列的方式粘贴于金属基板上。
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