CN108321480A - 基于全介质超材料的宽带微波非对称传输器 - Google Patents

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CN108321480A CN201810179828.6A CN201810179828A CN108321480A CN 108321480 A CN108321480 A CN 108321480A CN 201810179828 A CN201810179828 A CN 201810179828A CN 108321480 A CN108321480 A CN 108321480A
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张雅雯
亓丽梅
陈智娇
姚远
俞俊生
刘小明
郭敬林
陈晓东
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Beijing University of Posts and Telecommunications
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P3/00—Waveguides; Transmission lines of the waveguide type
    • H01P3/02—Waveguides; Transmission lines of the waveguide type with two longitudinal conductors
    • H01P3/08—Microstrips; Strip lines
    • H01P3/081—Microstriplines
    • H01P3/082—Multilayer dielectric

Abstract

本申请公开了一种基于全介质超材料的宽带微波非对称传输器，包括若干在xy平面上沿同一方向周期排列的基本单元；其中，每个基本单元包括按顺序排列的三层结构：第一介质层、第二介质层、第三介质层。

Description

基于全介质超材料的宽带微波非对称传输器
技术领域
本申请涉及电磁波的传输控制器件领域，例如涉及基于全介质超材料的宽带微波非对称传输器。
背景技术
超材料是指电磁参数(如：介电常数和磁导率)可人为设计控制的一类人工复合的周期电磁结构。超材料具备自然界材料所没有的奇异电磁参数和电磁特性，近年来在科研界甚至工业界都获得了广泛关注。
电磁波的非对称传输(Asymmetric Transmission，AT)通常指传输媒质对沿不同传播方向入射的电磁波表现出不同的传输性能。其中，传输性能包括但不限于透射、反射、吸收、极化转换等。
基于超材料的非对称传输器件为电磁波偏振传输的方向调控提供了新的途径。然而，目前尚未发现微波段全介质超材料非对称传输器的相关技术。
发明内容
本申请公开了一种基于全介质超材料的宽带微波非对称传输器，包括若干在xy平面上沿同一方向周期排列的基本单元；其中，每个基本单元包括按顺序排列的三层结构：第一介质层、第二介质层、第三介质层。
附图说明
图1a是本发明实施例全介质超材料宽带微波非对称传输器的基本单元的侧视图；
图1b是本发明实施例全介质超材料宽带微波非对称传输器的基本单元的三维分离式立体图；
图1c是本发明实施例全介质超材料宽带微波非对称传输器的基本单元的金属层和介质层的基本结构参数示意图；
图2a是本发明实施例全介质超材料宽带微波非对称传输器中电磁波沿z轴正向入射的工作原理图；
图2b是本发明实施例全介质超材料宽带微波非对称传输器中电磁波沿z轴负向入射的工作原理图；
图3是本发明实施例全介质超材料宽带微波非对称传输器的非对称传输透射率曲线图。
具体实施方式
本发明实施例公开了一种基于全介质超材料的宽带微波非对称传输器。
所述非对称传输器包括若干在xy平面上沿同一方向周期排列的基本单元；
每个基本单元包括按顺序排列的三层结构，从上到下依次为：第一介质层(可称为上介质层或端介质层)-第二介质层(可称为中间介质层)-第三介质层(可称为下介质层或端介质层)；
第二介质层可由ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene，丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物)材料或低介电常数(通常指介电常数低于二氧化硅)的塑料材料薄膜构成，厚度可以为毫米量级。第二介质层的厚度一般大于第一介质层和第三介质层的厚度。第一介质层和第三介质层通常为同一种结构材料，例如都是由高介电常数的陶瓷材料构成。
第一介质层和第三介质层可以是通过反应离子刻蚀技术在第二介质层两侧构成的周期结构图形；第三介质层的图形结构可以由第一介质层的图形沿轴线旋转90°或镜像对称得到。
所述非对称传输器工作在微波波段，工作过程举例如下：
首先，设置xyz坐标系，超材料在xy平面周期排列，z轴垂直于非对称传输器的表面。
然后，一束x线极化波沿z轴正向垂直入射到非对称传输器的表面后，由于超材料结构的作用，大部分透射光变为y极化波；这样，入射的x极化波基本被转换为y极化波；
反之，当x方向偏振的线极化波沿z轴负向入射时，同样，大部分x方向偏振光被反射或吸收，转换为y极化波的透射波很少；这样，入射的x极化波基本没有转换为y极化波。
将正向和反向入射的器件的x方向偏振的极化转换特性相比可以发现，该结构实现了电磁波的非对称传输。
作为实施例，本发明实施例公开的基于全介质超材料宽带微波非对称传输器可以为周期结构，包括至少20×20个基本单元。所有基本单元结构可以均相同，且在xy平面上沿同一方向周期排列；每个基本单元的长度可以在几个毫米量级范围；本发明实施例中实施模型取周期p＝10mm。
所述基本单元的侧视图如图1a所示，结构图如图1b所示，该基本单元包括按顺序排列的三层结构，从上到下依次为：第一介质层(图中用标号1表示)-第二介质层(图中用标号2表示)-第三介质层(图中用标号3表示)。
第二介质层选取材料可以为介电常数2.67的塑料材料，对应介电损耗值为0.006，介质厚度取d＝2mm。
第一介质层和第三介质层可以选取介电常数为341的陶瓷材料，介电损耗值为0.002。第一介质层和第三介质层可以由中心对称的两个“L”型结构构成，第三介质层可以由第一介质层沿轴向逆时针旋转90°并镜像对称得到。如图1c所示，每层“L”型结构长臂长度L＝8.6mm，短臂长度g＝4.5mm，结构宽度w＝1mm，每层“L”型结构的厚度可以相同，均为t＝0.4mm。
上述结构的实现过程举例如下：在厚度为2mm的第二介质层上蒸上一层厚度为t＝0.4mm的介质层，然后通过反应离子刻蚀技术形成双“L”型结构，即第一介质层。同理在第二介质层另一面构成第三介质层的结构图形。
作为实施例，下面结合附图2说明基于全介质超材料的宽带微波非对称传输器实施方案的工作过程：
首先设置一个xyz坐标系，周期表面位于xy轴，z轴垂直于非对称传输器的周期表面。当x方向的线极化波沿z轴正向传播时，如图2a所示，x线极化波沿z轴正向垂直入射到非对称传输器的表面后，透射光分别为和当x线极化波沿z轴负向垂直入射到非对称传输器的表面后，如图2b所示，透射光则分别为和
利用微波高频仿真软件HFSS或CST可以直接通过计算透射波振幅/入射波振幅，得到透射率
其中，下标i，j分别代表入射光和透射光的偏振态，上标d代表入射光的波矢方向，沿z轴正向传输为“+”，沿z轴负向传输则为“-”。
电磁波沿z轴正向传输时，非对称传输器的透射曲线如图3所示；可以看出，在10GHz～15GHz之间，与有显著差异，大于0.9，而小于0.2。计算得到当大于0.9时，非对称传输器的相对带宽(带宽/中心频率)为44％，从而实现了微波波段线极化波的宽带非对称传输。
可见，本发明实施例基于全介质超材料的宽带微波非对称传输器，可以有效实现微波波段线极化波偏振转换的单向传输，在电磁波调控方面具有重要意义，还可以在宽频带范围内实现线极化波的单向传输。另外，所述宽带微波非对称传输器结构简单并且均为介质材料、易于加工、制备，损耗低。

Claims (10)

1.一种基于全介质超材料的宽带微波非对称传输器，其特征在于，包括若干在xy平面上沿同一方向周期排列的基本单元；
其中，每个基本单元包括按顺序排列的三层结构：第一介质层、第二介质层、第三介质层。
2.根据权利要求1所述的宽带微波非对称传输器，其特征在于，所述第一介质层和所述第三介质层是通过反应离子刻蚀技术在所述第二介质层两侧构成的周期结构图形。
3.根据权利要求1或2所述的宽带微波非对称传输器，其特征在于，所述第三介质层是由所述第一介质层沿轴线旋转90°或镜像对称得到的介质层。
4.根据权利要求3所述的宽带微波非对称传输器，其特征在于，所述第一介质层和所述第三介质层由中心对称的两个“L”型结构构成。
5.根据权利要求4所述的宽带微波非对称传输器，其特征在于，位于一层的所述“L”型结构长臂长度L＝8.6mm，短臂长度g＝4.5mm，结构宽度w＝1mm，厚度t＝0.4mm。
6.根据权利要求1所述的宽带微波非对称传输器，其特征在于，所述第二介质层的厚度大于所述第一介质层和所述第三介质层的厚度。
7.根据权利要求6所述的宽带微波非对称传输器，其特征在于，所述第二介质层厚度为毫米量级。
8.根据权利要求1所述的宽带微波非对称传输器，其特征在于，所述第一介质层和所述第三介质层的材料相同。
9.根据权利要求1或8所述的宽带微波非对称传输器，其特征在于，所述第二介质层由丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物ABS材料或低介电常数的塑料材料薄膜构成。
10.根据权利要求9所述的宽带微波非对称传输器，其特征在于，
所述第一介质层和所述第三介质层由介电常数为341的陶瓷材料构成。
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