CN111129783A - 一种功能可重构的超材料宽带极化转换器/吸收器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种功能可重构的超材料宽带极化转换器/吸收器，包括从上往下依次设置的第一介质层、空气层和第二介质层，在所述第一介质层的上表面设置有谐振结构层，在所述第二介质层的上表面覆有金属反射板，在所述第二介质层的下表面设置有底部馈电网络，所述底部馈电网络与每个菱形‑X形金属谐振器之间均通过贯穿第一介质层、空气层、金属反射板和第二介质层的六根导线连接。本发明采用一种单一形状的结构，通过控制开关二极管的状态，实现了宽带极化转换和宽带吸收效果的任意转换，使其具有更广阔的应用前景。

Description

一种功能可重构的超材料宽带极化转换器/吸收器
技术领域
本发明属于超材料极化转换器和吸收器技术领域，具体涉及一种功能可重构的超材料宽带极化转换器/吸收器。
背景技术
超材料是一种按照生产需要设计合成的特殊人工材料，通过合理的设计其结构和尺寸能够人为地操纵超材料的电磁参数，从而实现自然界中的材料所不具备的特殊功能，例如负折射、电磁隐身和逆多普勒效应等。由于超材料具有厚度薄、质量轻、制作工艺简单和加工成本较低等优点，使其在极化转换器、吸收器、热辐射探测器和传感器等领域具有重要的应用。
极化是电磁波的重要性质之一，在电磁波传输的过程中，电场矢量
Figure BDA0002363012680000011
的末端的轨迹在垂直于传播方向的平面上投影为直线、圆和椭圆时，其对应的极化状态分别为线极化、圆极化和椭圆极化。在实际应用中，根据不同的场合需要检测和改变电磁波的极化状态和极化方向，而传统极化转换器主要利用布儒斯特角、法拉第效应和双折射效应等方法实现极化转换，采用上述方法实现的极化转换器通常存在尺寸较大、带宽较窄、不具有可调控性的缺点，这将限制其应用范围。利用超材料所具有的优点，通过超材料设计的极化转换器能够大大解决这些问题。自从2013年Chen等人首次提出了短金属线形的反射式超材料极化转换器之后，研究人员先后提出了能够工作在微波波段、太赫兹以及光波段的反射式极化转换器，并且通过在超材料中嵌入光敏开关或二极管开关来实现可调控性。然而目前现有的可调控反射式超材料极化转换器在关闭极化转换功能时，其入射的电磁波几乎会被全部反射，这可能对其他工作器件造成一定影响。本发明设计的一种功能可重构的超材料宽带极化转换器/吸收器，通过在特定的超材料结构单元中嵌入开关二极管和集总电阻，在开关处于截止状态时，能够实现宽带极化转换功能，而在开关处于导通状态时，电磁波将几乎完全被吸收，实现吸收器功能。
发明内容
本发明针对现有的可调控反射式超材料极化转换器在关闭极化转换功能时，几乎会将入射的电磁波全部反射，会对其他工作器件造成影响的问题提供了一种功能可重构的超材料宽带极化转换器/吸收器。
为达到上述目的本发明采用了以下技术方案：
一种功能可重构的超材料宽带极化转换器/吸收器，包括从上往下依次设置的第一介质层、空气层和第二介质层，在所述第一介质层的上表面设置有谐振结构层，所述谐振结构层由N×N个菱形-X形金属谐振器在同一平面内周期排列而成，N为自然数，所述菱形-X形金属谐振器由一个等边菱形谐振器和一个X形谐振器融合而成，在所述菱形-X形金属谐振器中焊接有十个电阻器和六个开关，在所述第二介质层的上表面覆有金属反射板，在所述第二介质层的下表面设置有底部馈电网络，所述底部馈电网络与每个菱形-X形金属谐振器之间均通过贯穿第一介质层、空气层、金属反射板和第二介质层的六根导线连接。
进一步，所述X形谐振器的两条边的中心点重合，且两条边的长度相等。
再进一步，在所述X形谐振器两条边的两个端部均设有尺寸相同的凸起。
更进一步，所述开关为开关二极管。
工作时，当开关处于截止状态时，菱形谐振器和X形谐振器之间不连通，仅X形谐振器中的一条金属线产生极化转换作用，而当开关处于导通状态时，菱形谐振器和X形谐振器被连通，焊接在菱形-X形谐振器中的电阻器能够将入射电磁波大幅度吸收，实现宽频吸收效果。
与现有技术相比本发明具有以下优点：
1、本发明采用一种单一形状的结构，通过控制开关二极管的状态，实现了宽带极化转换和宽带吸收效果的任意转换，使其具有更广阔的应用前景；
2、本发明的结构简单，集成度高，易于加工，可采用刻蚀等制造技术加工制作；
3、本发明在X形谐振器的四个端部均设置了凸起，可以增加本发明的转化和吸收效果。
附图说明
图1为本发明的阵列结构示意图。
图2为本发明的单元结构示意图。
图3为本发明的单元正视图。
图4为本发明的单元侧视图。
图5为本发明的底部馈电网络示意图。
图6为本发明处于极化转换状态时的反射系数和极化转换率曲线图。
图7为本发明处于吸收状态时的反射系数和吸收率曲线图。
图中1-谐振器结构层，2-第一介质层，3-空气层，4-金属反射板，5-第二介质层，6-底部馈电网络，7-菱形-X形金属谐振器，8-金属棒或导线，9-电阻器，10-开关，11-凸起。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1、图4所示，一种功能可重构的超材料宽带极化转换器/吸收器，包括从上往下依次设置的第一介质层2、空气层3和第二介质层5，在所述第一介质层2的上表面刻蚀有谐振结构层1，所述谐振结构层1由N×N个菱形-X形金属谐振器7在同一平面内周期排列而成，N为自然数。如图2、图3所示，所述菱形-X形金属谐振器7由一个等边菱形谐振器和一个X形谐振器融合而成。所述X形谐振器的两条边的中心点重合，且两条边的长度相等，同时两条边与单元的对角线重合。在所述X形谐振器两条边的两个端部均设有尺寸相同的凸起11。所述菱形-X形金属谐振器7中焊接有十个电阻器9和六个开关二极管10，在所述第二介质层5的上表面覆有金属反射板4，如图5所示，在所述第二介质层5的下表面刻蚀有底部馈电网络6，每个菱形-X形金属谐振器7与底部馈电网络6之间均通过贯穿第一介质层2、空气层3、金属反射板4和第二介质层5的六根导线8连接。
图2为单元结构示意图，其中单元边长为24mm；金属反射板4、底部馈电网络6和菱形-X形金属谐振器7材料为铜，电导率为5.8×107S/m，厚度为0.035mm；导线8采用铜芯导线，直径为0.6mm；菱形-X形金属谐振器7线宽为1.0mm，菱形谐振器边长为13mm，X形谐振器边长为24mm；第一介质层2和第二介质层5材料均为FR-4，厚度分别为1.6mm和0.4mm；空气层3厚度8mm；电阻器9阻值为180Ω，长度为0.8mm；X形谐振器端部的凸起11高度为0.5mm，开关10为六个开关二极管，长度为1.7mm，当其处于断开状态时，等效电阻值为10KΩ，等效电容值为0.65pF，当其处于导通状态时，等效电阻值为0.36Ω，等效电容值为0，等效电感值为固定值2nH，六个开关二极管分为三组两两串联，由铜芯导线与底部馈电网络的斜向金属条相连，斜向金属条与馈电网络右上角相连的部分为输入电压的正极，斜向金属条与馈电网络左下角相连的部分为输入电压的负极。
将该实施例中的结构单元经商业CST Microwave Studio 2015频域求解器进行仿真计算。沿着X和Y轴方向分别设置为周期边界，用来模拟在XY平面内周期排列的单元结构，沿着Z轴方向设置为add space边界，电磁波为Y极化方向沿着Z轴方向入射到材料表面，此电磁波经由材料反射得到的共面极化反射系数
Figure BDA0002363012680000051
交叉极化反射系数
Figure BDA0002363012680000052
下标r和i表示入射波和反射波。因此极化转换率(PCR)可以被定义为PCR＝|rxy|2/(|rxy|2+|ryy|2)，吸收率(A)被定义为A＝1-|ryx|2-|ryy|2。
当开关处于截止状态时，菱形结构和X形结构之间不连通，此时菱形结构和其中焊接的电阻器不工作，仅X形结构中的一条金属线能够和入射电磁波响应，与底层金属底板之间产生反向平行电流，形成磁偶极子，此磁偶极子所激发的磁场沿着Y轴方向的分量和入射电场Ey的方向平行，从而引起极化转换。图6为反射系数和极化转换率曲线图，结果显示，在2.97GHz～6.03GHz范围内，反射波的极化转换率均大于90％，在频率谐振点3.71GHz和5.06GHz处的极化转换率分别为98.3％和99.7％。
当开关处于导通状态时，菱形结构和X形结构被连通，此时菱形-X形结构均能够和入射电磁波产生电磁谐振，并且由其中焊接的电阻器将大部分电磁能量耗散，形成宽频段吸收效果。图7为反射系数和吸收率曲线图，从图中可以看到，在2.56GHz～7.62GHz范围内的吸收率均达到90％以上，其相对吸收带宽为99.4％，在频率谐振点2.93GHz、4.86GHz和7.19GHz处的吸收率分别为98.9％、96.3％和98.2％。因此，本发明仅采用一种单一形状的结构，通过开关二极管的控制实现宽带极化转换和宽带吸收的多功能效果，在电磁隐身，热辐射探测，微波通信和远程传感等领域具有潜在的应用价值。
以上显示和描述了本发明的主要特征和优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (4)

1.一种功能可重构的超材料宽带极化转换器/吸收器，其特征在于：包括从上往下依次设置的第一介质层(2)、空气层(3)和第二介质层(5)，在所述第一介质层(2)的上表面设置有谐振结构层(1)，所述谐振结构层(1)由N×N个菱形-X形金属谐振器(7)在同一平面内周期排列而成，N为自然数，所述菱形-X形金属谐振器(7)由一个等边菱形谐振器和一个X形谐振器融合而成，在所述菱形-X形金属谐振器(7)中焊接有十个电阻器(9)和六个开关(10)，在所述第二介质层(5)的上表面覆有金属反射板(4)，在所述第二介质层(5)的下表面设置有底部馈电网络(6)，所述底部馈电网络(6)与每个菱形-X形金属谐振器(7)之间均通过贯穿第一介质层(2)、空气层(3)、金属反射板(4)和第二介质层(5)的六根导线(8)连接。
2.根据权利要求1所述的一种功能可重构的超材料宽带极化转换器/吸收器，其特征在于：所述X形谐振器的两条边的中心点重合，且两条边的长度相等。
3.根据权利要求2所述的一种功能可重构的超材料宽带极化转换器/吸收器，其特征在于：在所述X形谐振器两条边的两个端部均设有尺寸相同的凸起(11)。
4.根据权利要求1所述的一种功能可重构的超材料宽带极化转换器/吸收器，其特征在于：所述开关(10)为开关二极管。
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