CN112201960B - 一种符合单轴完美匹配层模型的磁性全向透明材料 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种符合单轴完美匹配层模型的磁性全向透明材料。透明材料包括至少一个呈十字形状的次波长单元，每个次波长单元包括第一介质板、第一金属亚波长开路环谐振器、第二金属亚波长开路环谐振器、第二介质板、第三介质板和金属工字形结构，第一金属亚波长开路环谐振器、第一介质板和第二金属亚波长开路环谐振器由上至下依次层叠，由第二介质板、金属工字形结构和第三介质板依次层叠后组成一个分支介质板，两个分支介质板相垂直地固定于第一介质板上下表面的中部。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磁性全向透明材料

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的磁性透明材料。

背景技术

随着雷达和无线通信技术的飞速发展，对具有独立传输频段的频率选择表面(Frequency Selective Surface，简称FSS)的需求逐渐增长。FSS是一种平面二维的周期结构，它作为一种入射波的空间滤波器，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。

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。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。目前，已经有科研小组实现了符合单轴完美匹配层模型的全向完美匹配透明材料，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。然而，对于TM极化电磁波从任意角度入射都会完全透过而不发生反射的材料却仍是空白。

另外，截至目前为止在变换光学(Transformation Optics)领域，通过线性坐标变换(Linear Transformation)得到的均匀材料都为参数简化(Reduced-parameterapproximation)过的材料，因此，自由空间中理想的变换光学器件也是空白。

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的磁性透明材料。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，TM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：

本发明中的透明材料包括至少一个呈十字形状的次波长单元，每个次波长单元包括第一介质板、第一金属亚波长开路环谐振器、第二金属亚波长开路环谐振器、第二介质板、第三介质板和金属U形结构，第一金属亚波长开路环谐振器、第一介质板和第二金属亚波长开路环谐振器由上至下依次层叠，由第二介质板、金属U形结构和第三介质板依次层叠后组成一个分支介质板，在第二介质板和第三介质板之间布置有金属U形结构，两个分支介质板相垂直地固定于第一介质板上下表面的中部，使得第一介质板、第二介质板和第三介质板垂直中间接插组成次波长单元的十字形状。

所述第一金属亚波长开路环谐振器主要由在第一介质板顶面两侧对称布置的两个第一开路金属环构成；第一开路金属环主体呈开口的方环形，每个第一开路金属环的开口端均朝向第一介质板外侧，但第一开路金属环的开口端和第一介质板顶面外侧边缘之间具有间隙；

所述第二金属亚波长开路环谐振器主要由在第一介质板底面两侧对称布置的两组第二开路金属环构成；每组第二开路金属环包括两个平行间隔布置U形开路环谐振器组成，两个U形开路环谐振器主体呈开口的U形，每组第二开路金属环的两个U形开路环谐振器的开口端均朝向第一介质板外侧，U形开路环谐振器开口端延伸到第一介质板底面外侧边缘；

金属U形结构主体呈U形，金属U形结构U形中间部靠近分支介质板的外侧布置，且金属U形结构的中间部延伸到分支介质板外侧边缘，金属U形结构U形的两个分支臂以S形布置。

多个次波长单元沿x轴方向和y轴方向紧密阵列组成透明材料，且透明材料在z轴方向为单层结构；并且，沿y轴方向相邻的两个次波长单元之间通过第二介质板、第三介质板和金属U形结构U形的中间部金属边对接；并且，沿x轴方向相邻的两个次波长单元通过第一介质板和第二金属亚波长开路环谐振器的开口端对接；

z轴方向是第一介质板所在平面和分支介质板所在平面的交线方向，x轴方向是垂直于z轴方向且平行于第一介质板所在平面的方向，y轴方向是垂直于z轴方向且平行于分支介质板所在平面的方向。

所述第一介质板、第二介质板和第三介质板在z轴方向的长度相同且小于1/5工作波长，z轴方向是第一介质板所在平面和分支介质板所在平面的交线方向。

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等效磁导率在工作频率下均满足diag形式，从而使得从任意角度入射的TM极化电磁波完全透过透明材料而不发生反射；

所述diag形式中，a表示复数值；以任意一个次波长单元的中心为原点构建三维坐标系，等效介电常数与磁导率满足diag形式表示透明材料沿x轴方向的等效相对介电常数和y轴方向的等效相对介电常数相等，沿x轴方向的等效磁导率和y轴方向的等效磁导率相等，并且，x轴方向的等效相对介电常数与等效磁导率、y轴方向的等效相对介电常数与等效磁导率均为a，z轴方向的等效相对介电常数与等效磁导率均为1/a；

z轴方向是第一介质板所在平面和分支介质板所在平面的交线方向，x轴方向是垂直于z轴方向且平行于第一介质板所在平面的方向，y轴方向是垂直于z轴方向且平行于分支介质板所在平面的方向。

所述第一介质板、第二介质板和第三介质板均采用层压板；第一金属亚波长开路环谐振器、第二金属亚波长开路环谐振器和金属U形结构的材质均为金属铜。

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TM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。

3)本发明可以构造出自由空间中理想的变换光学器件。

附图说明

图1为本发明的结构图；(a)为本发明的立体图，(b)为本发明的俯视图，(c)为本发明的仰视图，(d)为本发明的正视图，(e)为本发明的侧视图；

图2为多个材料单元阵列排布的示意图；

图3为本发明在TM极化波多角度入射时的系数仿真图；

图4为本发明的等效电磁参数图；

图5为TM极化高斯波束通过本发明多个材料单元阵列排布的全波仿真图；(a)为TM极化高斯波束0°入射时的全波仿真图；(b)为TM极化高斯波束45°入射时的全波仿真图；

图中：1.第一介质板，2.第二介质板，3.第三介质板，4.第二金属亚波长开路环谐振器，5.第一金属亚波长开路环谐振器，6.金属U形结构。

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，本发明的透明材料包括至少一个呈十字形状的次波长单元，每个次波长单元包括第一介质板1、第一金属亚波长开路环谐振器5、第二金属亚波长开路环谐振器4、第二介质板2、第三介质板3和金属U形结构6，第一金属亚波长开路环谐振器5、第一介质板1和第二金属亚波长开路环谐振器4由上至下依次层叠，由第二介质板2、金属U形结构6和第三介质板3依次层叠后组成一个分支介质板，在第二介质板2和第三介质板3之间布置有金属U形结构6，两个分支介质板相垂直地固定于第一介质板1上下表面的中部，使得第一介质板1、第二介质板2和第三介质板3垂直中间接插组成次波长单元的十字形状。

第一金属亚波长开路环谐振器5主要由在第一介质板1顶面两侧对称布置的两个第一开路金属环构成；第一开路金属环主体呈开口的方环形，每个第一开路金属环的开口端均朝向第一介质板1外侧，但第一开路金属环的开口端和第一介质板1顶面外侧边缘之间具有间隙；

第二金属亚波长开路环谐振器4主要由在第一介质板1底面两侧对称布置的两组第二开路金属环构成；每组第二开路金属环包括两个平行间隔布置U形开路环谐振器组成，两个U形开路环谐振器主体呈开口的U形，每组第二开路金属环的两个U形开路环谐振器的开口端均朝向第一介质板1外侧，U形开路环谐振器开口端延伸到第一介质板1底面外侧边缘；

金属U形结构6主体呈U形，金属U形结构6U形中间部靠近分支介质板的外侧布置，且金属U形结构6的中间部延伸到分支介质板外侧边缘，金属U形结构6U形的两个分支臂以S形布置。

如图2所示，多个次波长单元沿x轴方向和y轴方向紧密阵列组成透明材料，且透明材料在z轴方向为单层结构；并且，沿y轴方向相邻的两个次波长单元之间通过第二介质板2、第三介质板3和金属U形结构6U形的中间部金属边对接；并且，沿x轴方向相邻的两个次波长单元通过第一介质板1和第二金属亚波长开路环谐振器4的开口端对接；

z轴方向是第一介质板1所在平面和分支介质板所在平面的交线方向，x轴方向是垂直于z轴方向且平行于第一介质板1所在平面的方向，y轴方向是垂直于z轴方向且平行于分支介质板所在平面的方向。

第一介质板1、第二介质板2和第三介质板3在z轴方向的长度相同且小于1/5工作波长，z轴方向是第一介质板1所在平面和分支介质板所在平面的交线方向。

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。

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等效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TM极化电磁波完全透过透明材料而不发生反射；

diag(a,a,1/a)形式中，a表示复数值；以任意一个次波长单元的中心为原点构建三维坐标系，等效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轴方向的等效相对介电常数和y轴方向的等效相对介电常数相等，沿x轴方向的等效磁导率和y轴方向的等效磁导率相等，并且，x轴方向的等效相对介电常数与等效磁导率、y轴方向的等效相对介电常数与等效磁导率均为a，z轴方向的等效相对介电常数与等效磁导率均为1/a；

第一介质板1、第二介质板2和第三介质板3均采用RO4000层压板；第一金属亚波长开路环谐振器5、第二金属亚波长开路环谐振器4和金属U形结构6的材质均为金属铜。

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

根据计算电磁学领域的单轴全匹配层(Uniaxial Perfect matched layer)的说明，构造出对任意角度入射的TM极化电磁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。由于大部分自然媒质的磁导率μ＝1，所以，构造了在x-z平面内互相垂直的第一金属亚波长开路环谐振器5和第二金属亚波长开路环谐振器4，通过人工调控金属亚波长开路环谐振器的物理尺寸，可在一定频段内得到可以人工调控的、符合Lorentz色散模型的等效磁导率，从而可以构造出与介电常数值相等的磁导率，即构造出c＝a。其中，之所以构造在x-z平面内互相垂直的第一金属亚波长开路环谐振器5和第二金属亚波长开路环谐振器4是为了使TM极化电磁波沿任意角度入射时都能得到相同的磁导率。然后，构造了沿z轴的金属U形结构6，其中“工”字结构本身和“工”字结构由弯曲的金属传输线构成的上下两道横是为了引入等效电容和电感，从而得到能够人工调控的等效介电常数色散。通过调节金属U形结构6的物理尺寸，可以使得该单轴材料在某个频率上得到b^-1＝d^-1＝a＝c，材料与自由空间达到完美匹配，从而实现TM极化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，本发明以在x轴方向和z轴方向长为5mm，在y轴方向长为5.6mm的十字形状的次波长单元沿x轴方向和y轴方向紧密排列得到自由空间全角度完美匹配透明材料。本实施例中，第一介质板1的厚度为0.5mm，第二介质板2和第三介质板3的厚度分别为0.25mm。第一金属亚波长开路环谐振器4、第二金属亚波长开路环谐振器5和金属U形结构6所用的铜厚度都为0.018mm。如图1所示，a＝5mm，a1＝0.8352mm，a2＝0.15mm，a3＝0.2mm，a4＝0.8262mm，a5＝1.1148mm，a6＝0.1mm，a7＝0.3mm，w1＝0.2mm，w2＝3.3296mm，w3＝1.5148mm，t1＝0.25mm，t2＝0.018mm，t3＝0.5mm，p＝5.6mm，l1＝0.15mm，l2＝0.075mm，l3＝1.68mm，l4＝0.15mm，l5＝0.45mm，l6＝0.675mm，l7＝0.4mm，l8＝0.84mm。

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TM极化电磁波从0度增至80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8GHz处有ε_x＝μ_y＝1.857≈1/0.530＝1/ε_z，满足之前所提到的形式diag(a,a,1/a)，与实验结果相符合。图5为TM极化高斯波束通过本发明多个材料单元阵列排布的全波仿真图，从图5可以看出，当频率为8GHz的TM极化高斯波束在0°和45°入射时，入射波都将完全透过材料且无反射。

本发明在8GHz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 (6)

1.一种符合单轴完美匹配层模型的磁性全向透明材料，其特征在于：透明材料包括至少一个呈十字形状的亚波长单元，每个亚波长单元包括第一介质板(1)、第一金属亚波长开路环谐振器(5)、第二金属亚波长开路环谐振器(4)、第二介质板(2)、第三介质板(3)和金属U形结构(6)，第一金属亚波长开路环谐振器(5)、第一介质板(1)和第二金属亚波长开路环谐振器(4)由上至下依次层叠，由第二介质板(2)、金属U形结构(6)和第三介质板(3)依次层叠后组成一个分支介质板，两个分支介质板分别垂直固定于第一介质板(1)上下表面的中部。

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磁性全向透明材料，其特征在于：

所述第一金属亚波长开路环谐振器(5)主要由在第一介质板(1)顶面两侧对称布置的两个第一开路金属环构成；每个第一开路金属环的开口端均朝向第一介质板(1)外侧，但第一开路金属环的开口端和第一介质板(1)顶面外侧边缘之间具有间隙；

所述第二金属亚波长开路环谐振器(4)主要由在第一介质板(1)底面两侧对称布置的两组第二开路金属环构成；每组第二开路金属环包括两个平行间隔布置U形开路环谐振器，每组第二开路金属环的两个U形开路环谐振器的开口端均朝向第一介质板(1)外侧，U形开路环谐振器开口端延伸到第一介质板(1)底面外侧边缘；

金属U形结构(6)主体呈U形，金属U形结构(6)U形中间部靠近分支介质板的外侧布置，且金属U形结构(6)的中间部延伸到分支介质板外侧边缘，金属U形结构(6)U形的两个分支臂以S形布置。

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磁性全向透明材料，其特征在于：多个次波长单元沿x轴方向和y轴方向紧密阵列组成透明材料，且透明材料在z轴方向为单层结构；并且，沿y轴方向相邻的两个次波长单元之间通过第二介质板(2)、第三介质板(3)和金属U形结构(6)U形的中间部对接；并且，沿x轴方向相邻的两个次波长单元通过第一介质板(1)和第二金属亚波长开路环谐振器(4)的开口端对接；

z轴方向是第一介质板(1)所在平面和分支介质板所在平面的交线方向，x轴方向是垂直于z轴方向且平行于第一介质板(1)所在平面的方向，y轴方向是垂直于z轴方向且平行于分支介质板所在平面的方向。

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磁性全向透明材料，其特征在于：所述第一介质板(1)、第二介质板(2)和第三介质板(3)在z轴方向的长度相同且小于1/5工作波长，z轴方向是第一介质板(1)所在平面和分支介质板所在平面的交线方向。

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磁性全向透明材料，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等效磁导率在工作频率下均满足diag(a,a,1/a)形式，从而使得从任意角度入射的TM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；以任意一个次波长单元的中心为原点构建三维坐标系，等效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轴方向的等效相对介电常数和y轴方向的等效相对介电常数相等，沿x轴方向的等效磁导率和y轴方向的等效磁导率相等，并且，x轴方向的等效相对介电常数与等效磁导率、y轴方向的等效相对介电常数与等效磁导率均为a，z轴方向的等效相对介电常数与等效磁导率均为1/a；

z轴方向是第一介质板(1)所在平面和分支介质板所在平面的交线方向，x轴方向是垂直于z轴方向且平行于第一介质板(1)所在平面的方向，y轴方向是垂直于z轴方向且平行于分支介质板所在平面的方向。

6.根据权利要求1所述的一种符合单轴完美匹配层模型的磁性全向透明材料，其特征在于：所述第一介质板(1)、第二介质板(2)和第三介质板(3)均采用层压板；第一金属亚波长开路环谐振器(5)、第二金属亚波长开路环谐振器(4)和金属U形结构(6)的材质均为金属铜。

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