CN110380223B - 一种符合单轴完美匹配层模型的全向完美匹配透明材料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种符合单轴完美匹配层模型的全向完美匹配透明材料。包括至少一个三角形次波长单元，每个次波长单元包括依次叠加的第一介质板、三角金属铜环、第二介质板，并且在两个介质板中内嵌一个圆柱体；通过调节透明材料的物理尺寸，使得透明材料的等效相对介电常数与磁导率满足diag(a,a,1/a)形式，此时透明材料的等效波阻抗与自由空间达到完全匹配，入射的TE极化电磁波将完全透过该材料而不发生反射。本发明结构简单、厚度薄、质量轻、与自由空间完美匹配，可广泛用于电磁兼容与抗电磁干扰等领域。

Description

一种符合单轴完美匹配层模型的全向完美匹配透明材料
技术领域
本发明属于涉及人工媒质领域，具体涉及一种基于人工电磁媒质构造方法实现的符合单轴完美匹配层模型的全向完美匹配透明材料。
背景技术
随着雷达系统的发展，特别是军事上对雷达系统隐形的要求越来越高，频率选择表面(Frequency Selective Surface，简称FSS)设备变得越来越重要。FSS通常是由平面二维周期结构所形成，其基本的电磁特征表现在它对具有不同工作频率、极化状态和入射角度的电磁波具有频率选择特性，此外其对设备本身也有保护作用，如防止雨水冲刷与腐蚀等。
传统的FSS是以金属谐振单元的散射特性为基础的，其组成单元的基本形式也是谐振的金属贴片或完整金属贴片上的谐振孔径。当平面电磁波照射在FSS时，便会在每一个单元上激励起感应电流，并由此产生散射场，这些散射场与入射场相叠加，便形成具有空间滤波特征的总场。单元上激励起的感应电流的幅度依赖于单元与入射电磁波的耦合能量的大小，它在单元具有谐振尺寸时具有最大值。因此，合理设计FSS的结构参数(例如单元的形状和尺寸以及单元间的相对位置等)，便可以控制每个单元上的感应电流分布，从而得到所需的频率选择特性。
由于频率选择表面特有的空间滤波特性，使其应用频段不断推广，几乎涵盖了从微波频段到可见光频段。在微波频段，FSS应用于混合雷达罩中以实现目标雷达散射截面(RCS)的减缩；同时在人工电磁材料以及抗电磁干扰、电磁兼容与电磁屏蔽等诸多领域均发挥着重要的作用。在毫米-亚毫米波频段，FSS可用作极化器、滤波器等。在太赫兹频段，FSS可用于天线共用器及倍频器中。
然而，传统人工频率选择表面只能工作在垂直入射条件下，随着入射角度的增大，透射效率急剧下降。
发明内容
为了解决背景技术中的问题，本发明提供了一种符合单轴完美匹配层模型的全向完美匹配透明材料。通过控制对应材料的等效波阻抗，使其严格符合自由空间完美匹配层的电磁参数形式；此时材料的等效波阻抗与自由空间完全一致，TE极化电磁波从任意角度入射都会完全透过该材料而不发生反射。
本发明采用的技术方案如下：
本发明的透明材料包括至少一个呈三棱柱状的三角形次波长单元，每个三角形次波长单元包括第一介质层、三角金属铜环、第二介质层和金属铜圆柱体，第一介质层、三角金属铜环、第二介质层由下至上依次层叠形成三角形次波长单元的三棱柱状外观，第一介质层和第二介质层中内嵌有位于三角形次波长单元居中位置的金属铜圆柱体；三角金属铜环为中心有三角孔的三角环，金属铜圆柱体穿过三角金属铜环中心且与三角金属铜环之间留有间隙，间隙内填充有空气。
多个三角形次波长单元沿水平方向紧密排列组成透明材料，且透明材料为单层结构；相邻两个三角形次波长单元的三角金属铜环通过各自的三角边相互对接。
所述的第一介质与第二介质均采用PTFE材料，厚度均为5mm，相对介电常数为3.3，损耗正切为0.003，相对磁导率为1。由于透明材料厚度远远小于工作波长，因此可以将透明材料看成均匀介质，通过透明材料的反射系数与透射系数反演出透明材料的等效相对介电常数与磁导率。
所述的三角形金属铜环周期排列在PTFE印刷电路板上，三角形金属铜环为等边三角形，边长为10mm，每条边的宽度为0.98mm，厚度为0.035mm。金属铜圆柱体高为7mm，半径为1.878mm。
通过调节透明材料的物理尺寸，使得透明材料的等效相对介电常数与磁导率在设定的工作频率下均满足diag(a,a,1/a)形式，从而使得从任意角度入射的TE极化电磁波完全透过透明材料而不发生反射。
所述diag(a,a,1/a)形式中，a表示复数值；以任意一个三角金属铜环(2)的中心为原点构建三维坐标系，等效相对介电常数与磁导率满足diag(a,a,1/a)形式表示透明材料沿x方向、y方向的等效相对介电常数相等，沿x方向、y方向的磁导率也相等，并且，x方向和y方向的等效相对介电常数与磁导率均为a，z方向的等效相对介电常数与磁导率为1/a。
本发明的有益效果是：
1)本发明能实现在任意入射角下指定工作频率的TE极化波的完全透射。
2)本发明结构简单、厚度薄、质量轻，与自由空间完美匹配，可广泛用于电磁兼容与抗电磁干扰等领域，如飞机、雷达等各种军事领域。
附图说明
图1为本发明的结构图；(a)为本发明的俯视图，(b)为本发明的立体图；
图2为多个材料单元阵列排布的示意图；
图3为本发明在TE极化波多角度入射时的反射系数仿真图；
图4为本发明的等效电磁参数图。
图中：1.第一介质层，2.三角形金属铜环，3.第二介质层，4.金属铜圆柱体。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明包括至少一个呈三棱柱状的三角形次波长单元，每个三角形次波长单元由自下而上依次层叠而成的第一介质层1、三角形金属铜环2、第二介质层3与内嵌于两层介质层中的金属铜圆柱体4组成。金属铜圆柱体4中心与三角形金属铜环2中心重合。金属铜圆柱体4穿过三角金属铜环2中心且与三角金属铜环2之间留有间隙，间隙内填充有空气。第一介质层1与第二介质层3均采用PTFE材料，第一介质层1与第二介质层3的叠加厚度小于1/10工作波长。
本发明由单元尺寸小于1/4工作波长的三角形次波长单元周期排列而成，即沿纵向和横向紧密阵列延伸。
本发明的工作原理为：由于本发明的尺寸远远小于工作波长，因此该单轴材料可等效为均匀介质。其等效的相对介电常数与相对磁导率分别可以表示为
Figure BDA0002125813530000031
根据计算电磁学领域的单轴全匹配层(UniaxialPerfect matched layer)的说明，构造出对任意角度入射的垂直电场极化电磁波(TE波)完美吸收的完美匹配吸波层，其本构电磁参数应满足ε′＝μ′＝diag(a,a,1/a)形式，即当ε′＝μ′，a＝c＝b-1＝d-1时，入射到该单轴材料内的平面波将会完全穿过，即发生全透射。并且，反射系数与平面波的入射角度、极化角度无关。等效均匀介质为色散介质，即相对介电常数和相对磁导率都会随着频率的变化而变化；通过调节本发明中三角金属铜环与金属铜圆柱体的物理尺寸，可以使得该单轴材料在某个频率上得到a＝c＝b-1＝d-1，材料与自由空间达到完美匹配，从而实现TE计划波从任意角度入射都将完全透过材料，反射系数为零。
具体实施例：
如图2所示，本发明以边长为10mm的等边三角形为三角形次波长单元得到阵列排布的自由空间全角度完美匹配透明材料。本实施例中，三角金属铜环的厚度为0.035mm，其三个边长均等于10mm，边宽为0.98mm，其主要起调节介电常数的作用。金属铜圆柱体高7mm，半径为1.878mm，其主要起调节磁导率的作用。两层PTFT介质的厚度均为5mm，其相对介电常数为3.3，相对磁导率为1，损耗正切角为0.003。如图1所示，w＝0.98mm，r＝1.878mm，h＝7mm，p＝10mm，t＝10.035mm。
仿真结果如图3所示，本发明符合单轴完美匹配层模型的全向完美匹配透明材料在5GHz处，入射的TE极化电磁波从0度增至85度时，其透射系数均高达99.9％，且基本无频偏。将图3所得的反射系数与透射系数进行反算可得图4，该图为该介质的等效电磁参数图，可以看到，在5GHz处有εy＝μx＝0.9027≈1/1.0929＝1/μz，满足之前所提到的形式diag(a,a,1/a)，与实验结果相符合。
本发明在5GHz处具有良好的与自由空间的匹配特性，如果要使本发明在其他频率工作，则需要根据工作波长适当调整金属铜环与金属铜圆柱体的尺寸，使其在设定的工作频率下等效相对介电常数和磁导率均满足diag(a,a,1/a)形式。
以上的实例并非对本发明作任何形式上的限定，任何熟悉本专业的技术人员可以利用上述揭示的技术内容加以变更或修饰为等同变化的等效实例，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实例所作的任何的简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (5)

1.一种符合单轴完美匹配层模型的全向完美匹配透明材料，其特征在于：透明材料包括至少一个呈三棱柱状的三角形次波长单元，每个三角形次波长单元包括第一介质层(1)、三角金属铜环(2)、第二介质层(3)和金属铜圆柱体(4)，第一介质层(1)、三角金属铜环(2)、第二介质层(3)由下至上依次层叠形成三角形次波长单元的三棱柱状外观，第一介质层(1)和第二介质层(3)中内嵌有位于三角形次波长单元居中位置的金属铜圆柱体(4)；三角金属铜环(2)为中心有三角孔的三角环，金属铜圆柱体(4)穿过三角金属铜环(2)中心且与三角金属铜环(2)之间留有间隙。
2.根据权利要求1所述的一种符合单轴完美匹配层模型的全向完美匹配透明材料，其特征在于：多个三角形次波长单元沿水平方向紧密排列组成透明材料，且透明材料为单层结构；相邻两个三角形次波长单元的三角金属铜环(2)通过各自的三角边相互对接。
3.根据权利要求1所述的一种符合单轴完美匹配层模型的全向完美匹配透明材料，其特征在于：所述第一介质层(1)与第二介质层(3)均采用PTFE材料，第一介质层(1)与第二介质层(3)的叠加厚度小于1/10工作波长。
4.根据权利要求1所述的一种符合单轴完美匹配层模型的全向完美匹配透明材料，其特征在于：通过调节透明材料的物理尺寸，使得透明材料的等效相对介电常数与磁导率在设定的工作频率下均满足diag(a,a,1/a)形式，从而使得从任意角度入射的TE极化电磁波完全透过透明材料而不发生反射；
所述diag(a,a,1/a)形式中，a表示复数值；以任意一个三角金属铜环(2)的中心为原点构建三维坐标系，等效相对介电常数与磁导率满足diag(a,a,1/a)形式表示透明材料沿x方向、y方向的等效相对介电常数相等，沿x方向、y方向的磁导率也相等，并且，x方向和y方向的等效相对介电常数与磁导率均为a，z方向的等效相对介电常数与磁导率为1/a。
5.根据权利要求1所述的一种符合单轴完美匹配层模型的全向完美匹配透明材料，其特征在于：所述第一介质层(1)与第二介质层(3)厚度相同；三角金属铜环(2)为等边三角形；金属铜圆柱体(4)高度小于三角形次波长单元高度。
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