CN111864401A - 一种基于电磁谐振结构的可调固态电磁真空材料 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电磁谐振结构的可调固态电磁真空材料。包括基本单元，金属结构为柱体，金属结构包括表面金属板、金属连接柱和内部金属板，两表面金属板在金属结构柱体顶底面，两金属连接柱位于金属结构中心轴线且上下布置，两内部金属板位于金属结构中心且上下布置，两金属连接柱分别连接两内部金属板，两个内部金属板间连接变容二极管，两块内部金属板周围有环形金属结构，环形金属结构由上下两个金属环通过四角连接金属柱连接构成。本发明能通过施加不同电压调控为“电磁真空”或者“金属颗粒”模式，通过电压调控变容二极管容值实现模式调控，直接通过结构尺寸缩放拓展到射频、太赫兹乃至光波等各个频段，应用广泛。

Description

一种基于电磁谐振结构的可调固态电磁真空材料

技术领域

本发明属于电磁材料和电磁透明研究领域的一种电磁可调材料，具体涉及一种基于电磁谐振结构的可调固态电磁真空材料。

背景技术

自然界中的物体对电磁波存在不同的作用，反射、折射以及损耗，因此在观察者视角中，不同物体或者媒质会表现出不同的样子。而物体或者媒质的电磁特性可以被描述为介电常数和磁导率。自由空间的介电常数和磁导率均为1，此时，电磁波不会发生反射、折射以及损耗，而自然界中的几乎所有媒质的电磁特性都不同于自由空间，因此这些媒质总是存在反射、折射以及损耗。如果存在一种实体物质，使其电磁特性，即介电常数和磁导率均为1，那么这种物质虽然可以被触觉感知，但是却可以不被电磁波感知，那么这种物质就可以被称为固态的“电磁真空”材料。同理，如果一个媒质存在极大的反射，如同金属颗粒表现出来的性质，那么这种媒质就可以被视为“金属颗粒”材料。

电磁材料是近年来电磁学领域的研究热点，已经研究产生了各种等效介电常数和磁导率都可以随意控制的人工电磁材料，三维固态的“电磁真空”材料也被深入研究，但是这种材料仅仅具有“电磁真空”特性，无法在制作完成后实现电磁结构的再调控，这极大地限制了三维固态“电磁真空”材料的应用。而电可调控的电磁真空和全不透明研究还仅停留在二维平面阶段，同样将可重构的电磁结构材料限制在平面的应用中。

波导是电磁学领域应用广泛的器件，但是对于一个固定的波导器件，一旦设计制作，其参数和尺寸就完全固定，作用也就相对单一。这意味着不同条件下可能需要很多的波导器件。如果利用每个单元都可重构为“电磁真空”和“金属颗粒”的材料，那么就可以根据需要重构出需要的波导器件，如波导衰减器，定向耦合器，波导功分器等器件，实现一个器件的多用途化。同时，可重构的电磁结构材料还可应用于天线罩，天线，暗室支撑材料等领域。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明提供了一种基于电谐振单元的固态“电磁真空”和“金属颗粒”的可调控材料，可以实现结构内任意单元电磁透明和电磁全反射之间切换，从而通过结构本身和电压偏置的设置来构造出任意可能的电磁结构，通过电压调控变容二极管容值实现模式调控，直接通过结构尺寸缩放拓展到射频、太赫兹乃至光波等各个频段，能被广泛用于电磁材料等相关应用领域。

本发明采用的技术方案如下：

本发明包括至少一个基本单元，每个基本单元包括电介质、金属结构和变容二极管，金属结构为柱体，金属结构包括两块表面金属板、两个金属连接柱和两块内部金属板，两个表面金属板分别位于金属结构柱体的顶面和底面，两个金属连接柱位于金属结构中心轴线上且上下同轴布置，两块内部金属板位于金属结构的中心位置且上下水平平行布置，上方的一个金属连接柱底端和上方的一块内部金属板连接，下方的一个金属连接柱顶端和下方的一块内部金属板连接，上方的内部金属板底端和下方的内部金属板顶端之间通过变容二极管连接，两块内部金属板周围设有环形金属结构，环形金属结构是由上下平行布置的两个金属环通过在四角的连接金属柱连接构成，两个金属环以金属结构中心上下对称布置，位于上方的金属环和上方的一块内部金属板位于同一平面，位于下方的金属环和下方的一块内部金属板位于同一平面，上方的一个金属连接柱顶端和金属结构柱体顶面的表面金属板不接触，下方的一个金属连接柱顶端和金属结构柱体底面的表面金属板接触连接；金属结构各个部分之间的柱体间隙中充满电介质，使得金属结构埋设于电介质内部和表面；金属结构柱体顶面的表面金属板和金属结构柱体底面的表面金属板连接到外部电源电压，分别作为用于控制变容二极管两极电压的直流偏置点和接地点。

每一个基本单元通过控制各自的电压，基本单元的电压施加到变容二极管两端的接地点和直流偏置点上进而调控变容二极管电容值，进而实现基本单元在自身工作频率处“电磁真空”状态和“金属颗粒”状态的切换，从而实现基本单元的电磁特性在工作频率上的可任意构造。

所述的金属结构柱体顶面的表面金属板开设通孔，上方的一个金属连接柱顶端和金属结构柱体顶面的表面金属板通孔之间具有间隙，形成上方的一个金属连接柱顶端和金属结构柱体顶面的表面金属板不接触。

所述的两块表面金属板、两个金属连接柱和两块内部金属板的中心均位于金属结构的中心轴线上。

所述的变容二极管连接在两块内部金属板中心位置之间。

所述的变容二极管正极连接到上内部金属板的底面中心点，负极连接到下内部金属板的顶面中心点。

多个基本单元沿立体三维各个方向拓展排布形成任意形状的三维立体结构，可以是离散结构或实体结构。

沿平行于金属连接柱的竖直方向上下堆叠形成竖直结构，或者沿垂直于金属连接柱的水平方向依次排布形成水平结构，或者沿平行于金属连接柱的竖直方向以及沿垂直于金属连接柱的水平面综合排布通过各个方向堆叠形成任意形状的三维立体结构。

所述基本单元的边长小于工作波长的1/4。

所述金属连接柱的高度方向与工作时入射电磁波的电场极化方向相同。

所述金属连接柱为圆柱、棱柱或者椭圆柱。

所述内部金属板为圆板或者方形板的金属板。

所述的金属结构的材料采用金、银、铜、铝或铁。

所述的电介质的材料采用聚砜、罗杰斯板、印刷电路板、F4B或FR4。

所述的环形金属结构为方环形或者圆环形。

本发明调控为“电磁真空”模式时，材料的等效介电常数和磁导率均与自由空间的对应相等；调控为“金属颗粒”模式时，材料体现出金属颗粒特性，具有极大的反射。

本发明的基本单元能通过电压调控变容二极管容值实现模式调控，能直接通过结构尺寸缩放拓展到射频、太赫兹乃至光波等各个频段，能被广泛用于电磁材料等相关应用领域。

本发明基于电谐振结构引入金属连接柱和内部金属板，利用亚波长尺寸的金属结构在某些频段内具有大幅可调的等效介电常数和磁导率特性，实现等效介电常数和磁导率的双重色散控制，从而实现全向的电磁透明特性，此外，在内部金属板之间引入变容二极管，使得两个内部金属板间的电容值大幅可调，从而可将工作频率的电磁透明特性调整为具有极大反射的完全不透明特性，使得金属结构单元类似于“金属颗粒”属性，从而实现同一金属结构单元可在“电磁真空”和“金属颗粒”两种属性下随偏置电压切换的功能。使用本发明狗仔的任意形状的结构利用一一控制的偏置电压可以重新重构结构的电磁特性，实现了相对介电常数和磁导率与自由空间的值的对应相等，这种可重构特性将在可重构波导、天线等军事和民用领域具有广阔的应用前景。

本发明具有的有益效果是：

1)本发明结构简单，架构清晰，堆叠方便。可以针对不同的应用排列成任意的三维结构，同时，还可以简单利用电压对结构中的任意单元进行“电磁真空”和“金属颗粒”状态的控制，呈现不同的电磁结构。

2)本发明的基本单元工作于“电磁真空”状态时，匹配效果好，损耗小。在工作频率处的等效电磁参数与自由空间十分接近，误差小于0.5％。

3)本发明的基本单元工作于“金属颗粒”状态时，反射大。S11参数在工作频率处可以达到-0.05dB以内。

4)本发明与其他可调控的材料相比，将结构拓展到了三维，可以实现三维的任意形状构造。

5)本发明与单纯的“电磁真空”材料相比，能够进行人为的后期调控，实现“电磁真空”和“金属颗粒”状态的随时切换，从而实现已经制作出的结构的电磁特性的改变，从而改变这些结构的功能。

6)本发明可通过缩放线形单元结构的结构尺寸使其工作在微波、射频、太赫兹以及光波等各个频段，能被广泛用于“电磁真空”材料等相关应用领域。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图。

图2是本发明实施例仿真得到的在工作频率点下单个结构处于电磁真空时的介电常数和磁导率

图3是本发明实施例仿真得到的在工作频率点下单个结构分别处于电磁真空和金属颗粒时的S参数。

图4是本发明实施例正入射仿真得到在工作频率点下单个结构分别处于电磁真空和金属颗粒时的电场图。

图5是本发明实施例正入射仿真得到在工作频率点下九个结构3*3排列时处于金属颗粒时的电场图。

图中：1、电介质，2、金属结构，3、变容二极管，4、表面金属板，5、金属连接柱，6、内部金属板，7、环形金属结构，8、接地点，9、直流偏置点。

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阐述。

如图1所示，具体实施包括至少一个基本单元，每个基本单元包括电介质1、金属结构2和变容二极管3，金属结构2为柱体，金属结构2包括两块表面金属板4、两个金属连接柱5和两块内部金属板6，两个表面金属板4分别位于金属结构2柱体的顶面和底面，两个金属连接柱5位于金属结构2中心轴线上且上下同轴布置，两块内部金属板6位于金属结构2的中心位置且上下水平平行布置，上方的一个金属连接柱5底端和上方的一块内部金属板6连接，下方的一个金属连接柱5顶端和下方的一块内部金属板6连接，上方的内部金属板6底端和下方的内部金属板6顶端之间通过变容二极管3连接，两块内部金属板6周围设有环形金属结构7，环形金属结构7是由上下平行布置的两个金属环通过在四角的连接金属柱连接构成，两个金属环以金属结构2中心上下对称布置，位于上方的金属环和上方的一块内部金属板6位于同一平面，位于下方的金属环和下方的一块内部金属板6位于同一平面，两块表面金属板4、两个金属连接柱5和两块内部金属板6的中心均位于金属结构2的中心轴线上。

上方的一个金属连接柱5顶端和金属结构2柱体顶面的表面金属板4不接触，下方的一个金属连接柱5顶端和金属结构2柱体底面的表面金属板4接触连接；金属结构2各个部分之间的柱体间隙中充满电介质1，使得金属结构2埋设于电介质1内部和表面；金属结构2柱体顶面的表面金属板4和金属结构2柱体底面的表面金属板4连接到外部电源电压，分别作为用于控制变容二极管3两极电压的直流偏置点9和接地点8。

金属结构2柱体顶面的表面金属板4开设通孔，上方的一个金属连接柱5顶端和金属结构2柱体顶面的表面金属板4通孔之间具有间隙，这样使得上方的一个金属连接柱5顶端和金属结构2柱体顶面的表面金属板4不接触。

每一个基本单元通过控制各自的电压，基本单元的电压施加到变容二极管3两端的接地点8和直流偏置点9上进而调控变容二极管3电容值，进而实现基本单元在自身工作频率处“电磁真空”状态和“金属颗粒”状态的切换，从而实现基本单元的电磁特性在工作频率上的可任意构造。

变容二极管3连接在两块内部金属板6中心位置之间。变容二极管3的正极连接到上内部金属板6的底面中心点，负极连接到下内部金属板6的顶面中心点。

多个基本单元沿立体三维各个方向拓展排布形成任意形状的三维立体结构。

基本单元可以沿平行于金属连接柱5的竖直方向上下堆叠形成竖直结构，或者沿垂直于金属连接柱5的水平方向依次排布形成水平结构，或者沿平行于金属连接柱5的竖直方向以及沿垂直于金属连接柱5的水平面进行综合排布通过各个方向堆叠形成任意形状的三维立体结构。

具体实施中，基本单元的边长小于工作波长的1/4。金属连接柱5的高度方向与工作时入射电磁波的电场极化方向相同。

本发明的原理如下：

本发明可调控材料的尺寸构建为亚波长范围，电磁特性用等效的相对介电常数ε(ω)和相对磁导率μ(ω)来进行表征，公式表示为：

ε(ω)＝ε′(ω)+iε″(ω)

μ(ω)＝μ′(ω)+iμ″(ω)

其中，ε′(ω)为“电磁真空”、“金属颗粒”可调控材料相对介电常数的实部，ε″(ω)为“电磁真空”、“金属颗粒”可调控材料相对介电常数的虚部，μ′(ω)为“电磁真空”、“金属颗粒”可调控材料相对介电常数的实部，μ″(ω)为“电磁真空”、“金属颗粒”可调控材料相对介电常数的虚部，ω为入射电磁波的角频率，i为虚数单位。

而在微波频段，金属和电介质的相对介电常数和磁导率的虚部很小，意味着其损耗非常低，因此上述的为实现“电磁真空”属性，只需满足上述的色散条件中ε′(ω)＝μ′(ω)＝1即可。而金属结构中不存在磁谐振结构，只需改变金属单元尺寸来调节磁导率，因此实现“电磁真空”属性只需集中在使ε′(ω)＝1。在亚波长的电谐振金属结构中，可以把自然媒质的强烈色散区间从光波甚至更高频段移到射频和微波频段，从而利用金属结构的尺寸和参数调整来实现该频段的等效介电常数和磁导率的调整。而本发明给出的金属结构可以使得在微波频段等效介电常数和磁导率在某一个特定的工作频率点处都等于1。

而另一方面，在两层内部金属板间加入变容二极管，使得两层内部金属板间的电容可控，这使得工作频率处的电磁特性可以根据电容的变化而实现可控性。由于该区间的强烈色散，在工作频率附近，存在极大的反射频率点，通过改变电容的值，可以将这个极大的反射频率点移动到原本的“电磁真空”工作频率点，从而在原本工作频率点处于“电磁真空”的金属结构变化成具有极大反射的全不透明，即“金属颗粒”属性。“金属颗粒”状态即是在透射参数S21损耗大于-40db的情况下。

而电容的变化仅需通过从单元结构表面的金属连接柱顶端引出的电压偏置端口进行电压控制即可实现。而在仿真过程中，加入环形金属结构可以使得在工作频率点处等效介电常数和磁导率接近1的误差更小。

对于构造的所有结构单元，使用一一控制的电压偏置，就可以对堆叠而成的结构内所有的单元实现“电磁真空”和“金属颗粒”的独立控制和切换。并且，可以通过调节金属结构和整体单元的尺寸和参数来控制该单元的工作频率。

本发明的实施例如下：

如图1所示，具体实施固态“电磁真空”、“金属颗粒”可调控材料的基本单元，整体呈现立方体结构，俯视方向为正方形结构，其边长为12mm，单元结构高度为11.57mm，电介质采用介电常数为3.5，损耗正切为0.003，相对磁导率为1的F4B。金属结构2采用的材料为铜，电导率为5.96×10⁷S/m，覆铜厚度为0.035mm。表面金属板4覆盖整个单元结构的上下表面，靠近直流偏置点9一侧的表面金属板4余金属连接柱5之间留出一个空圆盘，不直接接触。金属连接柱5的高度为5mm，半径为1.2mm。内部金属板6为边长7.5mm的正方形，两个内部金属板6间距为1.57mm。环形金属结构7的上下平面为外边长10.5mm，内边长7.9mm的正方形环，其四角各连接一个高1.57mm，半径0.6mm的圆柱。变容二极管3连接在上金属连接柱5的底面，下金属连接柱的顶面，选用型号为SMV1234，该型号的变容二极管3通过改变偏置电压0V-15V，可以使得变容二极管3的电容变化从9.63pF-1.32pF。该结构对应的工作频率为4.5GHz。

具体实施中，通过仿真，确定在变容二极管3的偏置电压为6.5V时，对应电容为1.9pF时，工作频率处单元结构表现出“电磁真空”状态；在变容二极管3的偏置电压为0.2V时，对应电容为8.7pF时，工作频率处单元结构表现出“金属颗粒”状态。

根据仿真的s参数反算得到等效电磁参数如图2所示，在工作频率点4.5GHz下单个结构的介电常数和磁导率均为1，这意味着该结构在工作频率时与自由空间的电磁参数一致，相当于一个固态“电磁真空”单元。

如图3所示，是实施例仿真得到的在工作频率点下单个结构分别处于电磁真空和金属颗粒时的S参数。

如图4所示，是实施例正入射仿真得到在工作频率点下单个结构处于电磁真空时的电场图。

如图5所示，是实施例正入射仿真得到在工作频率点下九个结构3*3排列时分别处于电磁真空和金属颗粒时的电场图。

本实施例的工作频率为4.5GHz，可以通过修改和调整结构单元的尺寸来改变工作频率。而金属结构2实际上不仅限于本实施例使用的铜，还可以采用其他金属材料，如金、银、铝或铁等，这些材料在微波频段下导电特性几乎没有差别，对结果和效果几乎没有影响。电介质在本实施例中采用介电常数为3.5的F4B，实际上可以替换为其他材料，如聚砜、罗杰斯板、印刷电路板或FR4，但替换后工作频率会有所变化，可以通过上述方法修改结构单元尺寸来进行调整。

此外本实施例子仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明后，相关领域的技术人员对本发明所做的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求限定的范围。

Claims (9)

1.一种基于电磁谐振结构的可调固态电磁真空材料，其特征在于：包括至少一个基本单元，每个基本单元包括电介质(1)、金属结构(2)和变容二极管(3)，金属结构(2)为柱体，金属结构(2)包括两块表面金属板(4)、两个金属连接柱(5)和两块内部金属板(6)，两个表面金属板(4)分别位于金属结构(2)柱体的顶面和底面，两个金属连接柱(5)位于金属结构(2)中心轴线上且上下同轴布置，两块内部金属板(6)位于金属结构(2)的中心位置且上下水平平行布置，上方的一个金属连接柱(5)底端和上方的一块内部金属板(6)连接，下方的一个金属连接柱(5)顶端和下方的一块内部金属板(6)连接，上方的内部金属板(6)底端和下方的内部金属板(6)顶端之间通过变容二极管(3)连接，两块内部金属板(6)周围设有环形金属结构(7)，环形金属结构(7)是由上下平行布置的两个金属环通过在四角的连接金属柱连接构成，两个金属环以金属结构(2)中心上下对称布置，位于上方的金属环和上方的一块内部金属板(6)位于同一平面，位于下方的金属环和下方的一块内部金属板(6)位于同一平面，上方的一个金属连接柱(5)顶端和金属结构(2)柱体顶面的表面金属板(4)不接触，下方的一个金属连接柱(5)顶端和金属结构(2)柱体底面的表面金属板(4)接触连接；金属结构(2)各个部分之间的柱体间隙中充满电介质(1)；金属结构(2)柱体顶面的表面金属板(4)和金属结构(2)柱体底面的表面金属板(4)连接到外部电源电压，分别作为用于控制变容二极管(3)两极电压的直流偏置点(9)和接地点(8)。

2.根据权利要求1所述的一种基于电磁谐振结构的可调固态电磁真空材料，其特征在于：每一个基本单元通过控制各自的电压，基本单元的电压施加到变容二极管(3)两端的接地点(8)和直流偏置点(9)上进而调控变容二极管(3)电容值，进而实现基本单元在自身工作频率处“电磁真空”状态和“金属颗粒”状态的切换，从而实现基本单元的电磁特性在工作频率上的可任意构造。

3.根据权利要求1所述的一种基于电磁谐振结构的可调固态电磁真空材料，其特征在于：所述的金属结构(2)柱体顶面的表面金属板(4)开设通孔，上方的一个金属连接柱(5)顶端和金属结构(2)柱体顶面的表面金属板(4)通孔之间具有间隙。

4.根据权利要求1所述的一种基于电磁谐振结构的可调固态电磁真空材料，其特征在于：所述的两块表面金属板(4)、两个金属连接柱(5)和两块内部金属板(6)的中心均位于金属结构(2)的中心轴线上。

5.根据权利要求1所述的一种基于电磁谐振结构的可调固态电磁真空材料，其特征在于：所述的变容二极管(3)连接在两块内部金属板(6)中心位置之间。

6.根据权利要求1所述的一种基于电磁谐振结构的可调固态电磁真空材料，其特征在于：所述的变容二极管(3)正极连接到上内部金属板(6)的底面中心点，负极连接到下内部金属板(6)的顶面中心点。

7.根据权利要求1所述的一种基于电磁谐振结构的可调固态电磁真空材料，其特征在于：多个基本单元沿立体三维各个方向拓展排布形成任意形状的三维立体结构。

8.根据权利要求1所述的一种基于电磁谐振结构的可调固态电磁真空材料，其特征在于：所述基本单元的边长小于工作波长的1/4。

9.根据权利要求1所述的一种基于电磁谐振结构的可调固态电磁真空材料，其特征在于：所述金属连接柱(5)的高度方向与工作时入射电磁波的电场极化方向相同。

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