CN107608025A - 一种新型等离子体光子晶体全向反射器及实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型等离子体光子晶体全向反射器及实现方法，其结构包括介质层与等离子体层。其中，等离子体层包括激励用电极及其内部的惰性气体，且等离子体的产生被可编程逻辑阵列控制的激励源所激励，其激励电压的大小也可以通过可编程逻辑阵列进行控制；而介质层则包含了两种介电常数大小不同的介质，分别为石英和空气。用等离子体层、石英层和空气层来构成层叠结构，并以嵌套分形序列为规律迭代构成基于一维等离子体光子晶体的全向反射器。该款基于嵌套分形结构的一维等离子体光子晶体全向反射器有工作带宽大，易调谐、结构紧凑和易集成等特点。

Description

一种新型等离子体光子晶体全向反射器及实现方法

技术领域

本发明涉及一种新型等离子体光子晶体全向反射器及实现方法，特别涉及一种基于嵌套分形结构的可调谐宽频带一维等离子体光子晶体全向反射器及实现方法，属于电子通信、微波器件技术以及等离子体实用技术领域。

背景技术

随着信息技术的发展，电磁波在信息传输过程起到了越来越重要的作用。而通信系统中的各类微波器件对反射型镜面提出了越来越强烈的需求，如平面反射阵列天线、吸波器的反射板、特殊功能波导、滤波器和平面镜向反射器等等。

而传统的金属反射器已经很难满足现在现代通信领域中对功能性器件的要求，如：高集成度、宽频域和可调谐等。金属反射器由于自身存在着欧姆损耗不利于入射电磁波的多次和远距离传输，而且金属自身也存在着趋肤深度，使得金属型反射器很难完美工作在太赫兹以上的频段。

为了解决这一问题，光子晶体技术被应用到了全向反射器的设计当中。所谓光子晶体就是不同介质在空间周期性的分布，在空间结构上可以划分为一维、二维和三维光子晶体，而全向反射器则是满足对于任何极化模式(TE和TM模式)的电磁在任意入射角的情况下都能实现完美的反射(反射率100％)。光子晶体全向反射器在无线通信领域有着非常广泛的应用前景。但是常规介质构成的全向反射器一般存在着工作带宽较窄且工作频域不能进行大范围调谐等缺点。这样很大程度上限制了光子晶体方向反射器的应用。

为了克服这个缺点，可以将等离子体引入光子晶体全向反射器的设计当中，由于等离子体可以工作在0.1GHz～1THz这样广泛的频域中，这使得由等离子体参与构成的等离子体光子晶体用于设计全向反射器具有非常广泛的应用前景。另一方面，等离子体的物理特性可以被多种外界变量所调控，如：激励电压、外部磁场和气体压强等。更为重要的是对于等离子体而言，改变外部电压不仅仅能够得到激励和非激励这两种简单的状态，其等离子体密度(等离子体频率)大小也能通过改变激励电压的大小来实现。

因此，用等离子体光子晶体来设计并实现全向反射器有着非常广泛的应用前景。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种新型等离子体光子晶体全向反射器及实现方法，特别是一种基于嵌套分形结构的可调谐宽频带一维等离子体光子晶体全向反射器及实现方法，通过新的嵌套分形序列结构，用石英层、等离子体层和空气层来构建全向反射器，并且通过构建不同嵌套分形初始序列单元S₀、以实现该全向反射器在宽频带内工作；通过编程控制等离子体层的激励电压实现该全向反射器工作频域的动态可调谐性，达到构建可调谐宽频带全向反射器的目的。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一方面，本发明提供一种新型等离子体光子晶体全向反射器，包括第一介质层、第二介质层以及等离子体层，其中：第一介质层、第二介质层为两种介电常数不同的介质层；

等离子体层采用双端激励的方式获得，等离子体层的上下端分别设有用于激励产生等离子体的电极阵列，上下电极阵列之间充满惰性气体；上下电极阵列构成一组激励电极，该组激励电极连接一个等离子体激励源进行激励，等离子体激励源的通断和电压大小通过可编程控制逻辑阵列进行控制，实现对等离子体层的等离子体密度的调控；

第一介质层、第二介质层和等离子体层以一种嵌套的分形序列形式进行层状态的紧密排列，该嵌套分形序列为其中，表示S_n-1集合的补集，n为该嵌套分形的阶数，且n>1。

作为本发明的进一步技术方案，第一介质层、第二介质层和等离子体层的长a₁和宽a₂大小相等，满足a₁＝a₂，且其值远大于三者各自的厚度。

作为本发明的进一步技术方案，嵌套分形初始序列满足S₀＝{AP}、其中，A、P和B分别表示第一介质层、等离子体层和第二介质层。

作为本发明的进一步技术方案，嵌嵌套分形初始序列满足S₀＝{AB}、其中，A、P和B分别表示第一介质层、等离子体层和第二介质层。

作为本发明的进一步技术方案，嵌套分形初始序列满足S₀＝{PABP}、其中，A、P和B分别表示第一介质层、等离子体层和第二介质层。

作为本发明的进一步技术方案，等离子体层内的惰性气体中还添加有汞。

作为本发明的进一步技术方案，第一和第二介质层分别为石英介质层和空气层。

作为本发明的进一步技术方案，电极阵列为十字方形金属电极阵列。

另一方面，本发明还提供一种新型等离子体光子晶体全向反射器的实现方法，通过将等离子体层以及介电常数不同的两种介质层以一种嵌套的分形序列形式进行层状态的紧密排列形成层叠结构，构成基于一维等离子体光子晶体的全向反射器；其中，该嵌套分形序列为其中，表示S_n-1集合的补集，n为该嵌套分形的阶数，且n>1；等离子体层采用双端激励的方式获得，等离子体层的上下端分别设有用于激励产生等离子体的电极阵列，上下电极阵列之间充满惰性气体；上下电极阵列构成一组激励电极，该组激励电极连接一个等离子体激励源进行激励，等离子体激励源的通断和电压大小通过可编程控制逻辑阵列进行控制，实现对等离子体层的等离子体密度的调控。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

(1)本发明通过新型的嵌套分形数列结构，用迭代的方式将两种介质层和等离子体层构建成一维层叠结构，从得到一款基于嵌套分形结构的可调谐宽频带一维等离子体光子晶体全向反射器，通过改变等离子体层上下电极层的激励电压可以动态地对等离子体层的等离子体密度(等离子体频率)进行调谐，从而实现工作带宽宽且工作带宽可以动态调谐的全向反射器；

(2)本发明提出的新型嵌套分形初始数列S₀和结构非常灵活，参与构建该全向反射器的介质种类多样，通过不同构建形式可以得到频域覆盖更为广阔的全向反射器；

(3)本发明提出的全向反射器的设计方法可以在更小的物理尺寸下实现对更宽频域电磁波的全向反射，具有通俗易加工，可编程调控，设计灵活，功能性强等特点。还具有工作带宽大，易调谐、结构紧凑和易集成等特点。

附图说明

图1为本发明一实施例嵌套分形初始序列S₀的结构示意图；

图2为本发明一实施例嵌套分形初始序列的结构示意图；

图3a、图3b分别为本发明一实施例在不同分形阶数下的结构示意图；

图中：1—石英介质层，2—等离子体层，3—空气层，4—等离子体激励源，5、6—金属电极阵列；

图4为等离子体层激励所用金属电极阵列的结构示意图，其中，(a)为电极阵列示意图，(b)为单个电极示意图；

图5为TM波在入射角θ＝0°和θ＝89°在三种不同分形数列结构时的反射率曲线；

图6为TM波在入射角θ＝0°和θ＝89°在两种不同分形数列结构时的反射率曲线；

图7a为本发明提出的嵌套分形结构全角反射器不同角度和不同模式下的反射率与频率的关系图；

图7b为常规一维三元等离子体光子晶体全角反射器((ABP)^N)不同角度和不同模式下的反射率与频率的关系图；

图8a为等离子体层的等离子体频率分别为ω_p＝1.5ω_p0时在不同角度和不同模式下的反射率曲线；

图8b为等离子体层的等离子体频率分别为ω_p＝3ω_p0时在不同角度和不同模式下的反射率曲线。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明采用外部高压以双端激励的方式电离惰性气体的方式得到等离子体，并其他两种介质以一种新构建的分形数列的形式构建成一维等离子体光子晶体来实现全向反射器的设计。尤其可以通过动态地改变激励电压的大小来实现对该全向反射器工作频率的调谐。本发明给出的全向反射器易于加工与集成，与常规的分形和三元结构构成的全向反射器相比，由尺寸小和工作带宽更宽的特点。

本发明提出了一种基于嵌套分形结构的可调谐宽频带一维等离子体光子晶体全向反射器及产生方法，由等离子体层、两种介质层(介电常数不同，以下以石英介质层、空气层为例说明)、等离子体层激励所用金属电极阵列和可编程逻辑阵列控制的等离子体激励源组成。用等离子体层、石英层和空气层来构成层叠结构，并以嵌套分形序列(其中表示S_n-1集合的补集)为规律迭代构成基于一维等离子体光子晶体的全向反射器。其中，等离子体层包括等离子体层激励所用金属电极阵列及其内部的惰性气体，且等离子体的产生被可编程逻辑阵列控制的激励源所激励，其激励电压的大小也可以通过可编程逻辑阵列进行控制。

本发明中，通过用改变等离子体激励源两端电压的方式来实现对等离子体密度(等离子体频率)的改变，从而实现对该全向反射器工作带宽和工作频率范围的动态调谐。

本发明中，通过构建不同嵌套分形初始序列单元S₀、以实现该全向反射器在宽频带内工作。其中，嵌套分形初始序列S₀、的构建形式可以是任意形式，可以是S₀＝{AP}、还可以是S₀＝{AB}、或者S₀＝{PABP}、等，且分形阶数n>1满足即可。

本发明中，等离子体层内的等离子体为气态等离子体。且等离子体层内填充的不仅仅只包含惰性气体，还可以向惰性气体中添加少量汞，以便更容易地获得等离子体频率更高的等离子体。

本发明中，两种介质层可以是任意的两种介电常数不同的介质，如泡沫、硅和FR4基板等介质。

本发明中，等离子体层可以是任意的可调控的介质材料，如石墨烯、半导体、超导体、液晶、光控材料和非线性介质等。

本发明中，等离子体层激励所用金属电极阵列采用十字方形金属电极阵列构成。另，等离子体层激励所用金属电极阵列在外形上还可以是其它任意形状如十字圆形、三角形、梯形等。

下面通过具体几个实施例对本发明的技术方案作进一步阐述：

如图1～图3所示，为一实施例一种基于嵌套分形结构的可调谐宽频带一维等离子体光子晶体全向反射器在不同分形阶数的结构示意图。图1为引入的嵌套分形初始序列S₀的结构示意图；图2为引入的嵌套分形初始序列的结构示意图；图3a和图3b分别为分形阶数n＝1和n＝2的结构示意图。图4为等离子体层激励所用金属电极阵列的结构示意图。在图1～图3中，用A表示石英介质层层，介电常数ε_A＝4，厚度dA＝5mm；用P表示等离子体层，等离子体密度为n_e＝1×10¹⁹m^-3(ω_p＝ω_p0＝2π×28.4×10⁹rad/s)，等离子体碰撞频率为ν_c＝2π×10⁶rad/s，厚度dP＝1.0mm；用B表示空气层，介电常数ε_B＝1，厚度dB＝5mm。石英介质层、空气层和等离子体层它们的长a₁和宽a₂大小相等，满足a₁＝a₂；且其值远大于这它们三者各自的厚度。引入嵌套分形结构的初始序列为：S₀＝{AP}、且分形阶数n＝4。波矢k在xy平面。众所周知，TM波在θ＝0°和θ＝89°时的反射率曲线决定了全向反射器的工作带宽(Omnidirectional Photonic Band Gap,简称OBG)。为了比较本发明提出的全角反射器与具有Fibonacci和Thue-Morse分形序列一维三元等离子体光子晶体全角反射器的OBGs特性。图5给出了TM波在入射角θ＝0°和θ＝89°且在三种不同分形数列结构时的反射率曲线，其中灰色的表示为OBGs。Fibonacci和Thue-Morse分形序列的阶数n＝10。Thue-Morse分形一维等离子体光子晶体全角反射器满足S₀＝{AP}、Fibonacci分形一维等离子体光子晶体全角反射器满足S₀＝{AP}、S₁＝{PB}。由图5可知，当分别以一维三元Fibonacci分形、Thue-Morse分形和本发明提出的嵌套分形构成全向反射器时，它们的OBGs频率范围分别为11.32～13.8GHz，11.09～13.2GHz和10.79～14.4GHz。显然，本发明提出的全向反射器有更大的OBG工作带宽。

本发明提出的基于嵌套分形结构的全向反射器及实现方法的另外一个好处是能够更好地实现紧凑型器件(compacted devices)。众所周知，基于一维三元Fibonacci分形等离子体光子晶体的全向反射器特性要好于类似地Thue-Morse分形结构的全向反射器，且分形阶数的提升不能改其OBG的特性。作为本发明的另一个实施例，图6给出了TM波在入射角θ＝0°和θ＝89°时在两种不同分形结构下的反射率曲线，图6用点划线标的了全向反射器分别采用Fibonacci分形和本发明提出的嵌套分形时获得OBG的公共部分。此时，本发明提出的嵌套分形初始序列为：S₀＝{PABP}、而Fibonacci分形结构的初始序列满足S₀＝{P}、S₁＝{PABP}。由计算可知，对于本发明提出的基于嵌套分形结构的一维等离子体光子晶体全向反射器而言，分形阶数n＝4，OBG有最大带宽，为9.8～15.3GHz。对于基于Fibonacci分形一维等离子体光子晶体的全向反射器而言，分形阶数N＝10，OBG有最大带宽，为9.97～15.17GHz。由图6可知，此时本发明提出的全向反射器在OBG带宽略有增大。但是经过计算可知，此时本发明提出的全向反射器的长度为326mm，而基于Fibonacci分形结构的全向反射器的长度则是767mm。所以，本发明提出的基于嵌套分形结构一维等离子体光子晶体全向反射器在物理尺度上更具优势，更适合做紧凑型器件，并且能够实现器件的小型化。

本发明提出的基于嵌套分形结构的可调谐宽频一维等离子体光子晶体全向反射器的实现方法非常灵活。作为本发明的另一个实施例，如果本发明提出的嵌套分形的初始序列S₀＝{AB}、且取分形阶数n＝4，得到的不同角度和不同模式下的反射率与频率和入射角度的关系图如图7a所示。图7b给出了常规一维三元等离子体光子晶体((ABP)^N，N为周期数)构成的全向反射器在不同角度和不同模式下的反射率与频率和入射角度的关系图,N＝20。比较图7a和图7b的结果可知，发明提出的基于嵌套分形结构的一维等离子体光子晶体全向反射器产生的OBG带宽比常规一维三元等离子体光子晶体全向产生的OBG要大，所以根据本发明提出的实现方法在设计全向反射器时更为灵活，可以引入更少的介质层数时得到更大的OBG带宽。

本发明提出的基于嵌套分形结构的全向反射器及实现方法还能够很好地实现全向反射工作频率的可调谐。作为本发明的另一个实施例，例如果本发明提出的嵌套分形的初始序列S₀＝{AB}、且取分形阶数n＝4。调节等离子体激励源的激励电压，可以得到等离子体密度(等离子体频率)不同的等离子体层。图8a和图8b给了等离子体层的等离子体频率分别为ω_p＝1.5ω_p0和ω_p＝3ω_p0时在不同角度和不同模式下的反射率曲线，其中灰色区域表示OBGs。由图8a可知，等离子体层满足ω_p＝1.5ω_p0时，该全向反射器的OBG的频率范围为13.09～15.02GHz。如图8b所示，当等离子体层的ω_p＝3ω_p0时，该全向反射器的OBG的上下边缘向高频方向移动且工作带宽明显得到了拓展，频率范围为13.83～18.22GHz。比较图8a与图8b的结果可知，改变等离子体层的激励电压能够实现对该全向反射器工作频率的调谐。

该种形制的全向反射器不仅有较宽的工作带宽而且可以通过调节激励源的电压实现工作频域的调谐。本发明提出的分形结构在初始数列上设计灵活，与传统的三元和分形结构相比有更大的OBG带宽，而且可以在取得较小物理尺度的同时获得较宽的OBG带宽，易于集成。等离子体激励电压可以通过编程的方式进行控制，从而为加工通信系统中的智能设备奠定了基础。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种新型等离子体光子晶体全向反射器，其特征在于，包括第一介质层、第二介质层以及等离子体层，其中：第一介质层、第二介质层为两种介电常数不同的介质层；

等离子体层采用双端激励的方式获得，等离子体层的上下端分别设有用于激励产生等离子体的电极阵列，上下电极阵列之间充满惰性气体；上下电极阵列构成一组激励电极，该组激励电极连接一个等离子体激励源进行激励，等离子体激励源的通断和电压大小通过可编程控制逻辑阵列进行控制，实现对等离子体层的等离子体密度的调控；

第一介质层、第二介质层和等离子体层以一种嵌套的分形序列形式进行层状态的紧密排列，该嵌套分形序列为其中，表示S_n-1集合的补集，n为该嵌套分形的阶数，且n>1。

2.根据权利要求1所述的一种新型等离子体光子晶体全向反射器，其特征在于，第一介质层、第二介质层和等离子体层的长a₁和宽a₂大小相等，满足a₁＝a₂，且其值远大于三者各自的厚度。

3.根据权利要求1所述的一种新型等离子体光子晶体全向反射器，其特征在于，嵌套分形初始序列满足S₀＝{AP}、其中，A、P和B分别表示第一介质层、等离子体层和第二介质层。

4.根据权利要求1所述的一种新型等离子体光子晶体全向反射器，其特征在于，嵌嵌套分形初始序列满足S₀＝{AB}、其中，A、P和B分别表示第一介质层、等离子体层和第二介质层。

5.根据权利要求1所述的一种新型等离子体光子晶体全向反射器，其特征在于，嵌套分形初始序列满足S₀＝{PABP}、其中，A、P和B分别表示第一介质层、等离子体层和第二介质层。

6.根据权利要求1所述的一种新型等离子体光子晶体全向反射器，其特征在于，等离子体层内的惰性气体中还添加有汞。

7.根据权利要求1所述的一种新型等离子体光子晶体全向反射器，其特征在于，第一和第二介质层分别为石英介质层和空气层。

8.根据权利要求1所述的一种新型等离子体光子晶体全向反射器，其特征在于，电极阵列为十字方形金属电极阵列。

9.一种新型等离子体光子晶体全向反射器的实现方法，其特征在于，通过将等离子体层以及介电常数不同的两种介质层以一种嵌套的分形序列形式进行层状态的紧密排列形成层叠结构，构成基于一维等离子体光子晶体的全向反射器；其中，该嵌套分形序列为其中，表示S_n-1集合的补集，n为该嵌套分形的阶数，且n>1；等离子体层采用双端激励的方式获得，等离子体层的上下端分别设有用于激励产生等离子体的电极阵列，上下电极阵列之间充满惰性气体；上下电极阵列构成一组激励电极，该组激励电极连接一个等离子体激励源进行激励，等离子体激励源的通断和电压大小通过可编程控制逻辑阵列进行控制，实现对等离子体层的等离子体密度的调控。