CN109193174A - 一种基于超材料的单向非互易吸波器及其产生方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种基于超材料的单向无反射非互易吸波器，包括至少两对互相垂直的超材料结构，这两对超材料结构在X,Y,Z方向上均不对称；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来构建人工二阶非线性材料，这种结构的单向吸波器能够在对不同方向上的来波表现出明显的非互易特性；单向无反射非互易吸波器可以分别工作于两种工作模式，且可以相互独立工作，互不干扰，提高了工作效率和稳定性，在滤波器，传感器和光子器件中具有广泛的应用价值；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

一种基于超材料的单向非互易吸波器及其产生方法
技术领域
本发明涉及一种吸波器及其产生方法，具体的说是一种一种基于超材料的单向非互易吸波器及其产生方法，属于电磁通信，微波器件技术领域。
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控制或者损耗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
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而通过电磁超材料构建一种基于超材料的非互易吸波器，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，比如吸波和反射。该单向无反射吸波器及利用超材料构建二阶非线性材料的技术在滤波器，传感器以及小型化集成光子器件中具有广阔的应用前景。
本发明提供的一种基于超材料的单向非互易吸波器，由若干个单元结构周期拼接而成，所述单元结构互相垂直且在X,Y,Z方向上均不对称的人工微结构单元。
作为本发明的进一步技术方案，所述互相垂直的单元结构在单向无反射非互易吸波器顶部形成一个井字型结构。
进一步的，所述单元结构由2对互相垂直的C型金属环和2对互相垂直的SRR环构成，每个C型金属环和SRR环的大小和位置均不同使其能够形成交叉极化，通过调节环的结构及位置来调节单向无反射非互易吸波器的吸波效率和单向无反射的反射效率。
进一步的，所述互相垂直的C型金属环和SRR环在单向无反射非互易吸波器顶部形成一个井字型结构。
进一步的，所述C型金属环及SRR环采用其他不对称的人工微结构单元，包括但不限于金属导带，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。
一种基于超材料的单向非互易吸波器的产生方法，利用单向无反射非互易吸波器的非对称结构，当电磁波从正面和反面两个端口入射到器件上时，相互垂直的非对称电磁超材料单元在X,Y,Z三个相互垂直的方向上产生了近场耦合，人为构建了二阶非线性材料，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，其吸波和反射的频点不同。
进一步的，所述单向无反射非互易吸波器能够同时实现吸波性能和反射性能，互相独立工作，互不干扰。
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：本发明通过电磁超材料构建一种二阶非线性结构实现非互易单向吸波和反射性能，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，比如吸波和反射。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，并且该单向无反射吸波器在滤波器，传感器以及小型化集成光子器件中具有广阔的应用前景。
本发明无需引入自然界中的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，这种结构的吸波器能够在不同的入射方向上表现出明显的非互易特性。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为基于超材料的单向无反射非互易吸波器单元结构示意图。
图2为单向无反射非互易吸波器结构单元的俯视图。
图3(a)为单向无反射非互易吸波器的第一C型金属环组结构图。
图3(b)为单向无反射非互易吸波器的第二C型金属环组结构图。
图3(c)为单向无反射非互易吸波器的第一SRR环组结构图。
图3(d)为单向无反射非互易吸波器的第二SRR环组结构图。
图4为单向无反射非互易吸波器阵列结构示意图。
图5(a)为单向无反射非互易吸波器从+Z和-Z方向入射时的吸收率。
图5(b)为单向无反射非互易吸波器从+Z和-Z方向入射时的反射系数。
图5(c)为单向无反射非互易吸波器从+Z和-Z方向入射时的透射系数。
附图说明：1-第一SRR环组，2-第二SRR环组，3-第一C型金属环组，4-第二C型金属环组，5-玻璃基板，6-介质材料。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
一种基于超材料的单向无反射非互易吸波器，如图4所示，由若干个单元拼接而成。如图1所示，所述单向无反射非互易吸波器单元包括由玻璃基板，介质材料和互相垂直的金属微结构单元构成。其中微结构单元为图2中的2对互相垂直的C型金属环组和2对互相垂直的SRR环组(开口谐振环)，每个C型金属环和SRR环的大小和位置均不同使其能够形成交叉极化，通过调节环的结构和位置可以调节单向无反射非互易吸波器的吸波效率和单向无反射的反射效率。如图2所示，2对互相垂直的C型金属环和2对互相垂直的SRR环(开口谐振环)结构在顶部形成一个井字型结构。
图3(a)-(d)分别为单向无反射非互易吸波器单元结构中的2对C型环和2对SRR环，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构建二阶非线性结构，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，当电磁波分别从+Z和-Z两个方向入射到该单向无反射非互易吸波器时，其在两个方向上的反射系数和吸收率均不相同。从图5可以看出,电磁波沿-Z和+Z方向入射的透射相同而反射和吸收不同。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)-(d)可以看出非互易吸波器沿X,Y,Z三个方向的微结构单元均不同且沿这三个方向的结构均不对称，所以两种模式下入射到非互易吸波器的正反两面结构不同，从而其反射率不同。由图5(a)可以看出，当电磁波沿-Z方向入射到该吸波器上时，在频率f1和f3处实现吸波性能，在频率f2处表现出强反射性能；如图5(b)所示，当电磁波沿+Z方向入射时，在频率f2处实现吸波性能，在频率f1和f3处实现强反射性能。这是由于电磁波入射到非互易吸波器时，其不对称单元结构在X,Y,Z三个方向互相产生了近场耦合，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 (9)

1.一种基于超材料的单向非互易吸波器，其特征在于：由若干个单元结构周期拼接而成，所述单元结构互相垂直且在X,Y,Z方向上均不对称的人工微结构单元。
2.根据权利要求1所述的基于超材料的单向非互易吸波器，其特征在于：所述互相垂直的单元结构在单向无反射非互易吸波器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单向非互易吸波器，其特征在于：所述单元结构由2对互相垂直的C型金属环和2对互相垂直的SRR环构成，每个C型金属环和SRR环的大小和位置均不同使其能够形成交叉极化，通过调节环的结构及位置来调节单向无反射非互易吸波器的吸波效率和单向无反射的反射效率。
4.根据权利要求3所述的基于超材料的单向非互易吸波器，其特征在于：所述互相垂直的C型金属环和SRR环在单向无反射非互易吸波器顶部形成一个井字型结构。
5.根据权利要求3所述的基于超材料的单向非互易吸波器，其特征在于：所述C型金属环及SRR环采用其他不对称的人工微结构单元，包括但不限于金属导带，单开口SRR环，双开口SRR环或者背靠背SRR环。
6.根据权利要求5所述的基于超材料的单向非互易吸波器，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。
7.根据权利要求1所述的基于超材料的单向非互易吸波器，其特征在于：所述介质基板由FR-4，硅或者氧化硅构成。
8.一种基于如权利要求1所述的超材料的单向非互易吸波器的产生方法，其特征在于：利用单向无反射非互易吸波器的非对称结构，当电磁波从正面和反面两个端口入射到器件上时，相互垂直的非对称电磁超材料单元在X,Y,Z三个相互垂直的方向上产生了近场耦合，人为构建了二阶非线性材料，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，其吸波和反射的频点不同。
9.根据权利要求8所述的基于超材料的单向非互易吸波器的产生方法，其特征在于：所述单向无反射非互易吸波器能够同时实现吸波性能和反射性能，互相独立工作，互不干扰。
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