CN114221136A - 一种动态折射率超表面棱镜及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种动态折射率超表面棱镜，包括金属结构和基底结构，所述金属结构敷设在基底结构的表面，所述金属结构和基底结构组成工字形单元，所述动态折射率超表面棱镜由七层结构的工字形单元组成，所述七层结构在Y轴方向排列一个工字形单元结构，Z轴方向放置七层基板，呈阶梯状逐层减少一个单元结构，所述相邻两层基板间的空隙填充空气作为介质。本发明利用亚波长周期性非谐振结构设计一种动态折射率超表面棱镜，具备小型化和低损耗的优势，在一定频率范围内实现正折射率和零折射率的动态折射率变化特性，同时可以通过改变工字形单元两端开口臂长的大小灵活改变超表面棱镜的零折射率点工作频率。
Description
技术领域
本发明涉及一种动态折射率超表面棱镜，具体涉及一种利用亚波长周期性非谐振结构的动态折射率超表面棱镜及其制作方法。
背景技术
在电磁波通信或军事通信系统设计中，经常需要对电磁波的传输方向进行精确控制，现有技术中的电磁波传输结构的构成材料在控制电磁波特定方向传输方面比较困难，即使勉强实现，由此设计的传输结构通常体积较大，不能满足各种实际要求。
近年来业界逐步探索采用新型人工电磁材料实现电磁波的定向传输，新型人工电磁材料成为物理学、电磁学以及材料科学领域的研究热点，这些材料具有自然材料所不具备的特殊电磁特性，可以突破传统界限，实现负折射率和零折射率，满足现代通信系统的要求。
因此，有必要开发基于新型人工电磁材料的电磁波传输结构，实现传输结构的小型化及高精度。
作为人工电磁材料领域的一个新的分支，本发明提出一种利用亚波长周期性非谐振结构单元作为基础，设计一种超表面棱镜，该超表面棱镜具备零折射率，电磁波从其中以任何入射角入射到普通介质交界面的波束，都将以接近零的折射角射出，这说明折射波束将沿垂直于交界面的方向以极高的定向性辐射出去，因此通过改变零折射率的界面，就可以调控电磁波的波阵面及其传播方向。
进一步以零折射率结构为单元，通过三角梯度的排列方式构成超表面棱镜，从源点发射的波可以在不同频率段实现负折射率、正折射率和零折射率的动态折射率变化特性，使得电磁波传输在该特定频点处可以从实现双负区域过渡到零折射率区域再过渡到双正区域。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：利用亚波长周期性非谐振结构设计一种动态折射率超表面棱镜，在一定频率范围内实现正折射率和零折射率的动态折射率变化特性，同时可以根据几何尺寸可以变化频率范围。
第一方面，本发明提供一种动态折射率超表面棱镜的制作方法，包括以下步骤：
选择零折射率点的特性频率；
确定亚波长周期性非谐振结构的整个单元结构尺寸；
仿真得到亚波长周期性非谐振结构单元的散射系数，通过S参数提取法得到其有效折射率；
在Y轴方向排列一个单元结构，Z轴方向排布七层基板，呈阶梯状逐层减少一个单元结构，基板间的空隙填充空气作为介质；
得到亚波长周期性非谐振结构的动态折射率超表面棱镜，对动态折射率超表面棱镜仿真得到动态折射率。
进一步的，所述动态折射率超表面棱镜的棱角为15.7°。
第二方面，本发明提供一种动态折射率超表面棱镜，包括金属结构和基底结构，所述金属结构敷设在基底结构的表面，所述金属结构和基底结构组成工字形单元，所述动态折射率超表面棱镜由七层结构的工字形单元组成，所述七层结构在Y轴方向排列一个工字形单元结构，Z轴方向放置七层基板，呈阶梯状逐层减少一个单元结构，所述相邻两层基板间的空隙填充空气作为介质。
进一步的，所述动态折射率超表面棱镜的棱角为15.7°。
进一步的，所述工字形单元是亚波长周期性非谐振结构单元。
进一步的，所述金属结构是铜、铝或银的任一种。
进一步的，所述基底结构是宽度p为6mm，厚度为0.08mm，材料为Rogers 4350的正方形基板，所述金属结构的厚度为0.038mm，内环宽度和高度均为5mm，臂长为2.2mm，臂宽为0.3mm。
进一步的，所述基底结构的材料是非磁性微波介质材料，其介电常数在2~10之间，磁导率为1。
进一步的，所述基底结构的材料在XYZ三个方向的排布周期均在亚波长量级，且小于工作波长的四分之一。
进一步的，所述动态折射率超表面棱镜的工作频率是11GHz或11.5GHz或16GHz的任一种。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明的天线利用亚波长周期性非谐振结构，具备小型化和低损耗的优势；
(2)本发明的超表面棱镜可以更加直观的反映零折射率超材料的零点特性以及左手材料和右手材料的折射率特性；
(3)本发明采用了带附加转折结构的“工”字形结构，可以通过改变两端开口臂长的大小灵活改变超表面棱镜的零折射率点工作频率。
附图说明
图1是本发明带附加转折结构的“工”字形单元的结构示意图。
图2是本发明带附加转折结构的“工”字形单元的散射参数图。
图3是本发明带附加转折结构的“工”字形单元的有效介电常数和磁导率。
图4是本发明的动态折射率超表面棱镜示意图。
图5是本发明工作于11GHz时的动态折射率超表面棱镜电场分布图。
图6是本发明工作于11.5GHz时的动态折射率超表面棱镜电场分布图。
图7是本发明工作于16GHz时的动态折射率超表面棱镜电场分布图。
图示标号说明：金属结构10，基底结构20。
具体实施方式
以下结合说明书附图及具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于本发明，并不用于限定本发明，本发明以工作频率11GHz、11.5GHz及16GHz三个频率进行说明，但本领域普通技术人员清楚，本发明的工作频率不局限于此。
请参考图1是本发明带附加转折结构的“工”字形单元的结构示意图，其中金属结构10敷设在基底结构20的表面。
参考图2是本发明带附加转折结构的“工”字形单元的散射参数图，其中S11和S21波形图符合设计要求。
图3是本发明带附加转折结构的“工”字形单元的有效介电常数和磁导率，其中有效介电常数Re和Im基本重合，表明本发明的“工”字形单元满足设计要求，磁导率Re和Im高度重合，表明本发明的“工”字形单元同样符合设计要求，在工作频率11.5GHz下的介电常数和磁导率均趋于0。
图4是本发明的动态折射率超表面棱镜示意图，本发明以七层结构的动态折射率超表面棱镜进行说明，但本发明还可以有多层结构，只要不脱离本发明的构思范围，这些结构均属于本发明的保护范围。
进一步参考图5是本发明工作于11GHz时的动态折射率超表面棱镜电场分布图、图6是本发明工作于11.5GHz时的动态折射率超表面棱镜电场分布图及图7是本发明工作于16GHz时的动态折射率超表面棱镜电场分布图，可以得出，本发明基于亚波长周期性非谐振结构的超表面棱镜具备良好的传输特性，达到设计目的，符合设计要求。
本发明还提供一种动态折射率超表面棱镜的设计方法，步骤如下：
步骤1：选择零折射率点的特性频率f=11.5GHz；本步骤中的特性频率还可以选择工作频率在微波波段的其他电磁波频率；
步骤2：确定亚波长周期性非谐振结构的整个单元结构尺寸。所述单元结构尺寸包括组成其单元的金属结构和基底结构，所述金属为铜、铝、银的任一种或其他具备良好传输特性的材料，包括基底几何参数、基底材料、带附加转折结构的“工”字形结构的几何参数，本实施例包括宽度p=6mm，厚度为0.08mm，材料为Rogers 4350的正方形基板和带附加转折结构的“工”字形金属结构，金属为铜，金属结构10的厚度为0.038mm，内环宽度和高度均为a=b=5mm，臂长c=2.2mm，臂宽w=0.3mm，所述臂长c可以通过仿真优化确定以匹配其工作频率。
进一步的，所述步骤2中的基底材料是具有非磁性的微波介质材料，其介电常数在2~10之间，磁导率为1。
进一步的，所述步骤2中的基底材料在XYZ三个方向的排布周期均在亚波长量级，且小于工作波长的四分之一。
步骤3：利用电磁仿真软件得到亚波长周期性非谐振结构单元的散射系数，通过S参数提取法得到其有效折射率；
步骤4：在Y轴方向排列一个单元结构，Z轴方向排布七层基板，呈阶梯状逐层减少一个单元结构，基板间的空隙填充空气作为介质，构成棱角为15.7°的棱镜仿真模型，得到一层亚波长周期性非谐振结构的动态折射率超表面棱镜；
进一步的，所述步骤4中的亚波长周期性非谐振结构的长臂沿着X方向摆放，从而与电场方向沿工字形长臂方向的线性极化波产生谐振。
步骤5：对动态折射率超表面棱镜采用电磁仿真软件进行仿真，设置X和Z方向为开放边界，Y方向为理想磁壁，沿X方向极化的电磁波沿Z方向从结构底部入射，选择11GHz、11.5GHz及16GHz三个频率作为监测点，得到动态折射率特性，其中，所述仿真的频率是宽带频率，仿真环境设置Y方向为理想磁壁，X和Z方向为开放边界条件，所述动态折射率超表面棱镜的入射方向和出射方向与梯度面垂直。
以上以三个不同的频率对本发明的工作原理和设计构思进行了说明，本领域普通技术人员应当知悉，本发明的工作频率不仅限于此，还可以有其他频率，并且，本发明的动态折射率超表面棱镜还可以省略上述步骤中的一个或多个，只要能达到本发明的技术效果，这些技术方案均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种动态折射率超表面棱镜的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
选择零折射率点的特性频率；
确定亚波长周期性非谐振结构的整个单元结构尺寸；
仿真得到亚波长周期性非谐振结构单元的散射系数，通过S参数提取法得到其有效折射率；
在Y轴方向排列一个单元结构，Z轴方向排布七层基板，呈阶梯状逐层减少一个单元结构，基板间的空隙填充空气作为介质；
得到亚波长周期性非谐振结构的动态折射率超表面棱镜，对动态折射率超表面棱镜仿真得到动态折射率。
2.如权利要求1所述的动态折射率超表面棱镜的制作方法，其特征在于，所述动态折射率超表面棱镜的棱角为15.7°。
3.一种动态折射率超表面棱镜，其特征在于，包括金属结构和基底结构，所述金属结构敷设在基底结构的表面，所述金属结构和基底结构组成工字形单元，所述动态折射率超表面棱镜由七层结构的工字形单元组成，所述七层结构在Y轴方向排列一个工字形单元结构，Z轴方向放置七层基板，呈阶梯状逐层减少一个单元结构，所述相邻两层基板间的空隙填充空气作为介质。
4.如权利要求3所述的动态折射率超表面棱镜，其特征在于，所述动态折射率超表面棱镜的棱角为15.7°。
5.如权利要求3所述的动态折射率超表面棱镜，其特征在于，所述工字形单元是亚波长周期性非谐振结构单元。
6.如权利要求3所述的动态折射率超表面棱镜，其特征在于，所述金属结构是铜、铝或银的任一种。
7.如权利要求3所述的动态折射率超表面棱镜，其特征在于，所述基底结构是宽度p为6mm，厚度为0.08mm，材料为Rogers 4350的正方形基板，所述金属结构的厚度为0.038mm，内环宽度和高度均为5mm，臂长为2.2mm，臂宽为0.3mm。
8.如权利要求3所述的动态折射率超表面棱镜，其特征在于，所述基底结构的材料是非磁性微波介质材料，其介电常数在2~10之间，磁导率为1。
9.如权利要求8所述的动态折射率超表面棱镜，其特征在于，所述基底结构的材料在XYZ三个方向的排布周期均在亚波长量级，且小于工作波长的四分之一。
10.如权利要求1或3任一项所述的动态折射率超表面棱镜，其特征在于，所述动态折射率超表面棱镜的工作频率是11GHz或11.5GHz或16GHz的任一种。
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