CN114759356A - 吸波和线极化转换双功能的超材料单元和平面超材料 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种吸波和线极化转换双功能的超材料单元和平面超材料，超材料单元包括：正方形的介质层以及设在介质层上的贴片层；贴片层包括两个多模谐振器以及四个吸波器；两个多模谐振器关于介质层的一条对角线对称间隔设置，且关于介质层的中心旋转对称；多模谐振器包括等腰直角三角形结构的第一谐振片，第一谐振片的直角边朝外且与介质层的边平行；吸波器包括L形的吸波片，四个吸波片通过电阻依次相连，形成均匀环绕在多模谐振器外侧的方环状条带；方环状条带的对角线与介质层的对角线重合，且吸波器与介质层的边缘具有空气间隔。本申请能够集成吸波和线极化转换两种功能，且仅采用一个谐振器就可以实现宽带极化转换。
Description
技术领域
本申请涉及超材料技术领域，特别是涉及一种吸波和线极化转换双功能的超材料单元和平面超材料。
背景技术
为实现高集成度以及小型化，集成多种功能的超材料得到广泛研究，比如集成透波和吸波功能的吸波体，集成线极化-线极化以线极化-圆极化功能的极化转换器，集成极化转换和极化分离功能的极化可重构超表面等。
作为实现雷达散射截面缩减的两种主要方式，吸波和极化转换功能的集成却较少得到关注。针对多功能雷达隐身的需求，迫切需要集成吸波和线极化转换双功能超材料。
现有技术中，极化转换器宽带特性的实现最常用的方法是采用多个谐振器的复合结构。如2017年在IEEE Transactions on Antennas and Propagation发表了题为“Adual-patch polarization rotation reflective surface and its application toultra-wideband RCS reduction”的文章，提出一个短路加载方型贴片谐振器以及一个短路加载L型谐振器组成的复合单元，通过利用两类谐振器多个不同谐振模式实现了97％的极化转换带宽。
另外，随着多功能雷达系统的发展，适用于天线罩应用场景的集成吸波和线极化转换功能的双功能超材料开始得到相关研究。2017年在Journal of Physics D:AppliedPhysics发表的题目为“Realization of bifunction:dual-band absorption and broadband polarization conversion by zigzag birefringent reflective metamaterial”的文章中，提出通过替代传统超材料的平面结构为三维折叠结构，实现了窄带吸波和宽带线极化转换功能。2020年在Optics Express上发表了题为“Achieving broadbandabsorption and polarization conversion with a vanadium dioxide metasurface inthe same terahertz frequencies”的文章，提出基于二氧化钒超表面结构，通过二氧化钒从绝缘体到金属地转变，实现宽带吸波以及宽带线极化转换双功能的切换。很明显，它无法同时实现宽带吸波以及宽带极化转换的功能。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种吸波和线极化转换双功能的超材料单元和平面超材料，能够集成吸波和线极化转换两种功能，且仅采用一个谐振器就可以实现宽带极化转换。
一种吸波和线极化转换双功能的超材料单元，包括：正方形的介质层以及设在所述介质层上的贴片层；
所述贴片层包括两个多模谐振器以及四个吸波器；
两个所述多模谐振器关于所述介质层的一条对角线对称间隔设置，且关于所述介质层的中心旋转对称；所述多模谐振器包括等腰直角三角形结构的第一谐振片，所述第一谐振片的直角边朝外且与所述介质层的边平行；
所述吸波器包括L形的吸波片，四个所述吸波片通过电阻依次相连，形成均匀环绕在所述多模谐振器外侧的方环状条带；所述方环状条带的对角线与所述介质层的对角线重合，且所述吸波器与所述介质层的边缘具有空气间隔。
在一个实施例中，所述吸波器关于所述介质层的对角线对称。
在一个实施例中，所述多模谐振器还包括：矩形结构的第二谐振片；所述第二谐振片的一个长边与所述第一谐振片的斜边相等且重合。
在一个实施例中，所述第一谐振片上设有第一矩形槽，所述第一矩形槽的一条中心线与所述介质层的对角线重合；
所述第二谐振片沿所述第二谐振片的长度方向上设有第二矩形槽，所述第二矩形槽的一个长边与所述第一谐振片的斜边重合，且所述第二矩形槽关于所述介质层的对角线对称；
所述第一矩形槽与所述第二矩形槽相通。
在一个实施例中，所述介质层包括从上至下依次相叠的第一介质层、第二介质层以及第三介质层；
所述第一介质层、所述第二介质层与所述第三介质层的四个对应边分别重合；
所述贴片层设在所述第一介质层的顶部。
在一个实施例中，所述贴片层为导电材料层，所述第一介质层为理想介质层，所述第二介质层为蜂窝结构的空气层，所述第三介质层为金属层。
一种平面超材料，包括：若干超材料单元；
若干所述超材料单元呈矩形阵列分布，且多模谐振器的方向一致。
在一个实施例中，位于矩形阵列长度方向或宽度方向上的超材料单元的数量相等且均大于九。
在一个实施例中，若干所述超材料单元共用一个第一介质层。
上述吸波和线极化转换双功能的超材料单元，设置了两个等腰直角三角形的多模谐振器以及四个L形的吸波器，多模谐振器可以激发兼并模，吸波器通过电阻加载形成方环状的条带结构，从而集成吸波和线极化转换两种功能，实现了通带内多个谐振模式；且仅采用一种谐振器实现宽带线极化转换功能，仅采用一种吸波器实现宽带吸波功能，克服了现有技术中实现宽带特性需要多个谐振器单元复合从而导致的结构复杂问题；且本申请结构简单，容易施行，能够实现多功能雷达系统的高频谱利用率以及多功能高集成度，在雷达隐身领域具有极其重要的理论意义和极广阔的应用前景。
附图说明
图1为一个实施例中超材料单元的立体示意图；
图2为一个实施例中超材料单元的俯视图；
图3为一个实施例中超材料单元的侧视图；
图4为现有技术与本申请的隔离带的对比图，(a)现有技术，(b)本申请；
图5为一个实施例中平面超材料的俯视图；
图6为一个实施例中平面超材料的极化转换零点ftz1独立可调特性图；
图7为一个实施例中平面超材料的极化转换零点ftz2独立可调特性图；
图8为一个实施例中平面超材料的性能随条带线结构的宽度(单位mm)的变化曲线图；
图9为一个实施例中平面超材料的反射系数曲线的实验结果图；
图10为一个实施例中平面超材料的极化转换率和吸波率曲线的实验结果图。
附图说明：
介质层1，第一介质层11，第二介质层12，第三介质层13，贴片层2，多模谐振器21，第一谐振片211，第二谐振片212，第一矩形槽213，第二矩形槽214，吸波器22，吸波片221，电阻222。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
需要说明，本申请实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本申请中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多组”的含义是至少两组，例如两组，三组等，除非另有明确具体的限定。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
另外，本申请各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本申请要求的保护范围之内。
如图1至图3所示，本申请提供一种吸波和线极化转换双功能的超材料单元，在一个实施例中，包括：正方形的介质层1以及设在所述介质层1上的贴片层2；
所述贴片层2包括两个多模谐振器21以及四个吸波器22；
两个所述多模谐振器21关于所述介质层1的一条对角线对称间隔设置，且关于所述介质层1的中心旋转对称；所述多模谐振器21包括等腰直角三角形结构的第一谐振片211，所述第一谐振片211的直角边朝外且与所述介质层1的边平行；
所述吸波器22包括L形的吸波片221，四个所述吸波片221通过电阻222依次相连，形成均匀环绕在所述多模谐振器21外侧的方环状条带；所述方环状条带的对角线与所述介质层1的对角线重合，且所述吸波器22与所述介质层1的边缘具有空气间隔。
在本实施例中，多模谐振器的主要功能是实现高频段的线极化转换，吸波器的主要功能是实现低频段的吸波特性。
多模谐振器21和吸波片221可以采用金属材质。
组成吸波片221的两个分支互相垂直，但两个分支的长度可以不相等。
优选地，所述吸波器22关于所述介质层1的对角线对称。也就是说，两个分支具有完全相同的形状和尺寸。吸波器22的对称设置使得其具有极化不敏感特性，即其在TE和TM波激励下的吸波性能拥有良好的一致性。
电阻222可以选用0402封装的贴片电阻，以将电磁能转换为热能耗散掉，减少反射。
本实施例的工作过程是：
1)宽带吸波：在低频段，方环状条带通过金属部分的导体损耗和贴片电阻的欧姆损耗实现对入射电磁波的阻抗匹配和能量损耗，进而实现有效吸收。另外，加载电阻的吸波超材料单元的作用机理为电路谐振，其相对于频率的变化更加稳定，有助于展宽吸收带宽。
2)宽带极化转换：在高频段，沿对角线对称设置的两个多模谐振器在电磁波的照射下于谐振腔内激励磁谐振，使入射波与反射波的方向正交，进而实现有效极化转换。另外，由于谐振器的多模特性，多个频段同时工作，有助于展宽极化转换带宽。
上述吸波和线极化转换双功能的超材料单元，设置了两个等腰直角三角形的多模谐振器以及四个L形的吸波器，多模谐振器可以激发兼并模，吸波器通过电阻加载形成方环状的条带结构，从而集成吸波和线极化转换两种功能，实现了通带内多个谐振模式；且仅采用一种谐振器实现宽带线极化转换功能，仅采用一种吸波器实现宽带吸波功能，克服了现有技术中实现宽带特性需要多个谐振器单元复合从而导致的结构复杂问题；且本申请结构简单，容易施行，能够实现多功能雷达系统的高频谱利用率以及多功能高集成度，在雷达隐身领域具有极其重要的理论意义和极广阔的应用前景。
在一个实施例中，所述多模谐振器21还包括：矩形结构的第二谐振片212；所述第二谐振片212的一个长边与所述第一谐振片211的斜边相等且重合。
在本实施例中，所述第一谐振片211上设有第一矩形槽213，所述第一矩形槽213的一条中心线与所述介质层1的对角线重合；
所述第二谐振片212沿所述第二谐振片212的长度方向上设有第二矩形槽214，所述第二矩形槽214的一个长边与所述第一谐振片211的斜边重合，且所述第二矩形槽214关于所述介质层1的对角线对称；
所述第一矩形槽213与所述第二矩形槽214相通。
在本实施例中，每个多模谐振器上的第一矩形槽213与第二矩形槽214构成“T”字形的槽线。第二谐振片212除第二矩形槽214以外的部分形成“U”字形的槽线，且该槽线的宽度均匀。
如图4(a)所示，传统多功能超材料的设计通常采用两个不同功能的结构以简单复合的形式实现，会导致频谱上从一个功能向另一个功能的过渡非常缓慢，过渡带或者隔离带较宽。而雷达系统在过渡带区间内很难正常工作，因此过渡带的存在会造成频谱资源浪费。
如图4(b)所示，本申请采用的超材料单元在多模谐振器上设计了“T”字形的槽线，能够在极化转换以及吸波带外产生多个可控的零点(其中，极化转换带外产生两个转换零点，吸波带外产生一个吸波零点)，实现通带内多个谐振模式，实现线极化转换的宽带带宽，并极大提高通带选择性，最终实现功能一(吸波功能)以及功能二(线极化转换功能)之间超窄的过渡带，进而提高频谱利用率，解决了现有技术中集成双功能超材料中过渡带或者隔离带较宽、通带带外特性过渡缓慢的技术问题。
在一个实施例中，所述介质层1包括从上至下依次相叠的第一介质层11、第二介质层12以及第三介质层13；所述第一介质层11、所述第二介质层12与所述第三介质层13的四个对应边分别重合；
所述贴片层2设在所述第一介质层11的顶部。
在本实施例中，各介质层采用现有技术粘合，在此不再赘述。
由于本申请采用2维平面结构，相比2.5维的过孔结构和3维的立体结构，本申请易集成、易加工、成本低且特性好。
在一个实施例中，所述贴片层为导电材料层，所述第一介质层11为理想介质层，所述第二介质层12为蜂窝结构的空气层，所述第三介质层13为金属层。
具体的，导电材料可以选择金属或石墨烯等，理想介质可以选择FR4(即玻璃纤维环氧树脂材料，其相对介电常数为4.4)等，金属可以选择铜等。
本实施例的工作过程为：入射波照射到贴片层，依次通过第一介质层和第二介质层进入第三介质层，并通过第三介质层反射到第一介质层。在低频段，加载电阻的方环状条带通过贴片的导体损耗和电阻的欧姆损耗实现对入射波的阻抗匹配和能量损耗，进而实现宽带有效吸收；在高频段，位于贴片层的多模谐振器和第三介质层在电磁波照射下产生反向平行的感应电流，在谐振腔内激励磁谐振，进而实现宽带极化转换。
如图5所示，本申请还提供一种平面超材料，在一个实施例中，包括：若干超材料单元；若干所述超材料单元呈矩形阵列分布，且多模谐振器的方向一致。
优选地，位于矩形阵列长度方向或宽度方向上的超材料单元的数量相等且均大于九。
若干超材料单元拼接在一起，组成正方形阵列，使得平面超材料具有良好的一致性、对称性和稳定的性能。
至于各个超材料单元之间如何拼接，属于现有技术，在此不再赘述。
进一步优选地，若干所述超材料单元共用一个第一介质层。
在本实施例中，平面超材料的工作原理是：通过两个三角形的多模谐振器，产生兼并模，通过在多模谐振器上加载T字形槽线，能够产生额外的两个谐振模式，增加工作带宽；同时，因为T字形槽线的引入，在通带边缘处会产生两个可独立控制的极化转换零点ftz1与ftz2，它们分别可以通过调整第二矩形槽的长度Ls1以及第一矩形槽的长度Ls2来控制，从而有效提高极化转换通带的选择性；此外，外围中电阻加载的L型吸波器形成的条带结构具备吸波功能。因此，该超材料能够同时实现吸波和线极化转换功能，且能够在吸波带外产生额外的吸波零点，极化转换带外产生额外的转换零点，从而实现宽带双功能集成和超窄过渡带特性。
本申请提出的超材料能够同时实现宽带吸波和宽带线极化转换功能，且因其高选择性同时具备超窄的过渡带，能够极大的增加频谱利用率，在雷达隐身应用具有重要的研究和工程实用价值。
如图6和图7所示，随着第二矩形槽的长度Ls1的增大，低频转换零点ftz1向更低频移动，而高频转换零点ftz2几乎保持不变；而第一矩形槽的长度Ls2主要影响高频转换零点ftz2，即随Ls2的增大而减小。因此通过调整矩形槽的参数，可以分别控制两个极化转换零点ftz1和ftz2，进而提高结构带外的选择性。
如图8所示，给出了双功能超材料性能随外围条带线结构的宽度(单位mm)的变化曲线。一方面，宽度增加时，吸波率逐渐增加，吸波带宽减小，下边带极化转换比降低，总的极化转换带宽不变。另一方面，改变该条带线结构的宽度并不会改变极化转换零点ftz1和ftz2的位置，以及吸波零点ftz3的位置，因此其过渡带相对带宽依然保持在非常低的水平。
如图9和图10所示，给出了一款10×10的双功能超材料的实验结果，其中，第一介质层的厚度为0.4mm，第二介质层的厚度为4.25mm，采用蜂窝层来等效，电阻采用0402封装的贴片电阻，阻值为150欧姆。
其吸波通带覆盖3.73-5.54GHz，相对带宽为40％，主极化反射率在-10dB以下，交叉极化反射率在-17.8dB以下，吸波率达到89％。
极化转换带宽覆盖6-10GHz，相对带宽为50％，主极化反射率在-10dB以下，交叉极化反射率在-2dB左右，极化转化率86％。
此外，吸波率曲线在带外6.06GHz处产生吸波零点，在5.44GHz和10.6GHz产生了两个极化转换零点。
极化转换率以及吸波率均小于80％条件下的过渡带范围为5.68-5.92GHz，相对带宽仅为4％。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (9)
1.一种吸波和线极化转换双功能的超材料单元，其特征在于，包括：正方形的介质层以及设在所述介质层上的贴片层；
所述贴片层包括两个多模谐振器以及四个吸波器；
两个所述多模谐振器关于所述介质层的一条对角线对称间隔设置，且关于所述介质层的中心旋转对称；所述多模谐振器包括等腰直角三角形结构的第一谐振片，所述第一谐振片的直角边朝外且与所述介质层的边平行；
所述吸波器包括L形的吸波片，四个所述吸波片通过电阻依次相连，形成均匀环绕在所述多模谐振器外侧的方环状条带；所述方环状条带的对角线与所述介质层的对角线重合，且所述吸波器与所述介质层的边缘具有空气间隔。
2.根据权利要求1所述的超材料单元，其特征在于，所述吸波器关于所述介质层的对角线对称。
3.根据权利要求2所述的超材料单元，其特征在于，所述多模谐振器还包括：矩形结构的第二谐振片；所述第二谐振片的一个长边与所述第一谐振片的斜边相等且重合。
4.根据权利要求3所述的超材料单元，其特征在于，所述第一谐振片上设有第一矩形槽，所述第一矩形槽的一条中心线与所述介质层的对角线重合；
所述第二谐振片沿所述第二谐振片的长度方向上设有第二矩形槽，所述第二矩形槽的一个长边与所述第一谐振片的斜边重合，且所述第二矩形槽关于所述介质层的对角线对称；
所述第一矩形槽与所述第二矩形槽相通。
5.根据权利要求1至4任一项所述的超材料单元，其特征在于，所述介质层包括从上至下依次相叠的第一介质层、第二介质层以及第三介质层；
所述第一介质层、所述第二介质层与所述第三介质层的四个对应边分别重合；
所述贴片层设在所述第一介质层的顶部。
6.根据权利要求5所述的超材料单元，其特征在于，所述贴片层为导电材料层，所述第一介质层为理想介质层，所述第二介质层为蜂窝结构的空气层，所述第三介质层为金属层。
7.一种平面超材料，其特征在于，包括：若干权利要求1至6任一项所述的超材料单元；
若干所述超材料单元呈矩形阵列分布，且多模谐振器的方向一致。
8.根据权利要求7所述的平面超材料，其特征在于，位于矩形阵列长度方向或宽度方向上的超材料单元的数量相等且均大于九。
9.根据权利要求8所述的平面超材料，其特征在于，若干所述超材料单元共用一个第一介质层。
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