CN115313059A - 一种极化不敏感的极端入射角下的电磁增透超表面 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种极化不敏感的极端入射角下的电磁增透超表面，其属于微波频段电磁波调控技术领域。该超表面包括：顶层介质基板、夹层金属十字光栅和底层介质基板组成，夹层金属十字光栅包括若干不同尺寸且相互平行的条型金属。本发明通过合理的设计夹层金属光栅的结构尺寸，使得极端入射角下的水平以及垂直极化电磁波具有不同的介电参数，满足上下两空气‑介质界面处的阻抗匹配条件，从而使两种极化下的电磁波均可以高效透射；本发明设计的电磁增透超标面具有极化不敏感、大角度、结构简单、低成本等优势，可以根据电磁波的极化方式和入射角度灵活调节光栅结构参数，在雷达罩、成像、通讯系统以及军事隐身等领域有着广泛的应用前景。

Description

一种极化不敏感的极端入射角下的电磁增透超表面

技术领域

本发明涉及微波频段电磁波调控技术领域，特别涉及一种极化不敏感的极端入射角下的电磁增透超表面。

背景技术

电磁增透，亦电磁减反，是指减少或者消除电磁波穿过不同介质分界面时的反射波，提高透过率，是在微波以及光学应用领域中研究十分广泛的分支。

在许多应用过程中，随着电磁波入射角度逐渐增大至掠射角时，无论对于垂直极化电磁波还是水平极化电磁波，电磁波从空气经由介质的透过率会急剧下降，将会严重限制应用设备的性能发挥。传统的增透方法包括单层1/4波长增透膜以及多层增透膜。然而，这些方法需要满足特定的增透膜厚度以及折射率的要求。尤其对于多层增透膜而言，每层膜所需基底材料的折射率均不相同，这将很难找到的天然的增透膜材料满足折射率匹配的条件。经过科研人员的努力，提出的频率选择表面，可以得到相应的折射率满足增透膜的匹配条件，但是高效的透过率仍然局限于入射角小于70度的范围。目前，亟需要构造一种有效提升极端大角度入射条件下电磁波透过率的器件。

超表面(Metasurface)是由亚波长结构单元二维阵列构成的平面，是对超材料研究的延伸和拓展。通过产生不同反射或者透射“相位突变”的超材料结构单元的空间组合，实现对反射、透射电磁波传播方向、相位、极化、传播模式等特性的调控。相比于传统材料，由于其独特的电磁性能，超表面在电磁增透方面具有极高的研究价值。目前，超表面在天线、隐身技术、以及光学器件等诸多领域都有着重要的应用。

如今，许多研究表明，通过改变超表面的亚波长单元结构及其组合方式，能够实现对电磁波的透射幅值调控，成为当下的研究热点。因此，亟需要构造一种能够克服极化敏感，实现双极化大角度入射条件下的高效透过率的电磁增透超表面。

发明内容

本发明实施例提供一种极化不敏感的极端入射角下的电磁增透超表面，可以解决现有技术中存在电磁增透器件的透射效率低、极化敏感、厚度厚的问题。

本发明实施例提供一种极化不敏感的极端入射角下的电磁增透超表面，包括：依次设置的顶层介质基板、夹层金属十字光栅和底层介质基板；

所述夹层金属十字光栅采用正交周期性交错排布方式，且沿X轴与沿Y轴周期不相等；其包括：沿X轴分布的双不连续金属条和沿Y轴分布的双连续金属条；

所述沿X轴分布的双不连续金属条，其宽度不同、长度相同；相邻两沿X轴分布的金属条呈中心对称排布，且沿X轴分布的不连续金属条之间的间隙相等；

所述沿Y轴分布的双连续金属条，其宽度不同、长度相同；相邻两沿Y轴分布的金属条呈中心对称排布；

其中，通过调节夹层金属十字光栅的周期，所述沿X轴分布的双不连续金属条的宽度、长度、间隙，及所述沿Y轴分布的双连续金属条的宽度长度，使极端入射角下的TE极化电磁波和TM极化电磁波具有不同的介电参数，并满足上下两空气与介质界面处的阻抗匹配条件，实现两种极化下的电磁波增透。

进一步地，所述超表面包括：在同一平面内周期性排列的多个超表面单元，每个所述超表面单元包括：上介质基板、双极化正交金属光栅和下介质基板，属于介质-金属-介质夹层型结构；

其中，在竖直方向超表面单元数量与水平方向超表面单元数量不一致。

进一步地，所述上介质基板、双极化正交金属光栅和下介质基板中心位于同一条垂直线上。

进一步地，所述沿X轴分布的双不连续金属条的宽度分别为c1＝0.4mm、c2＝0.58mm，长度为5.36mm，间隙为e＝0.44mm。

进一步地，所述沿Y轴分布的双连续金属条的宽度分别为d₁＝1mm、d₂＝1.2mm，长度为5.4mm。

进一步地，

所述夹层金属十字光栅的材质为铜，其覆铜厚度均为20μm；

所述顶层介质基板和所述底层介质基板均为FSD系列陶瓷基复合材料，型号为FSD338N，介电常数为3.38，损耗角正切为0.002；且所述顶层介质基板和所述底层介质基板的厚度相等分别为h₁＝h₂＝6mm。

进一步地，所述超表面的工作频段为X波段；整体尺寸为696*324mm^2。

本发明实施例提供一种极化不敏感的极端入射角下的电磁增透超表面，与现有技术相比，其有益效果如下：

本发明通过合理的设计夹层金属光栅的结构尺寸，使得极端入射角下的水平以及垂直极化电磁波具有不同的介电参数，满足上下两空气-介质界面处的阻抗匹配条件，从而使两种极化下的电磁波均可以高效透射；本发明设计的电磁增透超标面具有极化不敏感、大角度、结构简单、低成本等优势，可以根据电磁波的极化方式和入射角度灵活调节光栅结构参数，在雷达罩、成像、通讯系统以及军事隐身等领域有着广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例提供的电磁增透超表面的基本结构示意图；

图2为本发明实施例提供的电磁增透超表面一个超表面单元结构示意图；

图3为本发明实施例提供的加载与未加载电磁增透超表面的工作机理对比示意图；

图4为本发明实施例提供的电磁增透超表面的TE极化仿真结果；

图5为本发明实施例提供的电磁增透超表面的TM极化仿真结果；

图6为本发明实施例提供的电磁增透超表面的等效电磁参数；

图7为本发明实施例提供的电磁增透超表面的样品加工实物图；

图8为本发明实施例提供的电磁增透超表面的实际测试环境；

图9为本发明实施例提供的电磁增透超表面的TE极化测试结果；

图10为本发明实施例提供的电磁增透超表面的TM极化测试结果。

附图标记说明：

1-上层介质基板；2-夹层金属十字光栅；2-1-沿X方向不连续金属光栅；2-2-沿Y方向连续金属光栅；3底层介质基板。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示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。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，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；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发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

实施例1：

本发明实施例提供一种极化不敏感的极端入射角下的电磁增透超表面，该超表面包括：

由顶层介质基板1、夹层金属十字光栅2和底层介质基板3构成。夹层金属十字光栅2，夹层金属十字光栅包括若干不同尺寸且相互平行的条型金属，具体由沿X轴分布的双不连续金属十字光栅2-1和沿Y轴分布的双连续金属十字光栅2-2构成；沿X轴分布的双不连续金属十字光栅2-1的宽度不同，长度相同；沿Y轴分布的双不连续金属十字光栅2-2的宽度不同，长度相同。

上述电磁增透超表面，包括在同一平面内周期性排列的多个超表面单元；每个超表面单元包含上层的陶瓷基复合材料基板，中间层的双极化正交金属光栅和下层的陶瓷基复合材料基，属于介质-金属-介质夹层型设计方案。超单元的上介质基板，夹层金属光栅以及底层介质基板中心位于同一条垂直线上。

其中，相邻两沿X或者Y方向分布的条状呈中心对称方式排布；沿X方向分布的不连续金属条间隙相等。

本发明实施例中的金属均为铜箔，介质基板均为FSD系列陶瓷基复合材料，具体型号为FSD338N，介电常数为3.38，损耗角正切为0.002，电磁增透超表面，在竖直方向单元的数量与水平方向单元的数量不一致。

如图1所示，本发明提供的一种电磁增透超表面，工作频段为X波段，整体尺寸为696*324mm^2。本发明实施例包括：上层介质基板1、夹层金属十字光栅2、沿X方向不连续金属光栅2-1、沿Y方向连续金属光栅2-2、底层介质基板3。

如图2所示，本实施例中的超单元几何结构参数均为多次仿真优化后所得，上下两层介质基板厚度相等分别为h1＝h2＝6mm，超单元选用的覆铜厚度均为20μm，沿X方向与沿Y方向单元周期不相等，分别为a＝11.6mm，和b＝10.8mm，此外，刻蚀在X方向的不连续金属光栅的间隙为e＝0.44mm，宽度分别为c1＝0.4mm，c2＝0.58mm，长度为5.36mm，刻蚀在Y方向的连续金属光栅宽度分别为d1＝1mm，d2＝1.2mm，长度为5.4mm。

实施例2：

为了准确说明夹层型光栅的增透机理，以及反射系数归零处理，下面进行表达式的推导过程和电磁波传输路径说明。

如图3(a)所示，本实施例中，当电磁波从空气斜入射到纯陶瓷基复合材料时，在介质材料非半波壁处，由于介质材料的介电参数ε1＝ε0·εr(εr>1)大于空气介电参数ε0，绝大多数电磁波会在上下两处空气介质交界面反射，最后回到自由空间，导致电磁波的透射率下降，并且随着入射角度的增大，透射效果进一步变差。

如图3(b)所示，本实施例中，针对TE极化电磁波，界面1处的反射系数计算为

界面2处的反射系数计算为

为保证两界面处的反射同时消除，理论计算结果为

以及

如图3(c)所示，本实施例中，针对TM极化电磁波，界面1处的反射系数计算为

界面2处的反射系数计算为

经过计算同样得到保证两界面处的反射同时消除的理论计算结果为

以及

下面通过具体的仿真和测试数据对上述现象进行解释，说明，本实例选用的陶瓷基复合材料介电常数为3.38，损耗为0.002，X，Y方向边界条件设置为周期性边界条件，Z方向边界设置为开放性边界，金属选用导电率为5.8*10^7S/m的铜箔。

如图4(a)所示，本实施例中，针对TE极化电磁波，仿真得到加载与未加载金属光栅的陶瓷基复合材料的透射系数，在X波段，入射角分别为75°，80°，85°的透射系数分别为-8dB，-12dB，以及-20dB，通过加载金属光栅，此时的透射系数在-1dB以内平均带宽分别为2GHz，1.17GHz和0.55GHz。

如图4(b-d)所示，本实施例中，针对TE极化波，分别监视10.1GHz，80°斜入射下的金属表面电流，磁场以及能流分布，外加电场诱导金属光栅形成反向电流，会降低介质内部极化电荷密度，进一步降低电极化率，同时，介质内部的磁场矢量会发生弯曲，最终使得界面1处电磁波的折射角和界面2处的入射角接近84°，与理论计算十分相符。

如图5(a)所示，本实施例中，针对TE极化电磁波，仿真得到加载与未加载金属光栅的陶瓷基复合材料的透射系数，在X波段，入射角分别为75°，80°，85°的透射系数分别为-1.3dB，-3.4dB，以及-8.3dB，通过加载金属光栅，此时的透射系数在-1dB以内平均带宽分别为3.3GHz，3.2GHz和1.5GHz。

如图5(b-d)所示，本实施例中，针对TE极化波，分别监视10.1GHz，80°斜入射下的金属表面电流，电场以及能流分布，外加电场诱导金属光栅形成正向电流，会提升介质内部极化电荷密度，进一步提高电极化率，同时，介质内部的电场矢量会发生弯曲，最终使得界面1处电磁波的折射角和界面2处的入射角接近78°，与理论计算十分相符。

如图6所示，本实施例中，通过S参数反演程序进一步对TE以及TM极化电磁波入射下介质材料的等效介电参数和等效阻抗进行求解，TE极化下在10.1GHz入射时，介质材料的等效介电参数和阻抗的值均为1.0左右，具有良好的透波效果；TM极化下在9.8GHz入射时，介质材料的等效介电参数的值约为30-40之间以及等效阻抗的值均为1.0左右，具有良好的阻抗匹配效果。

如图7所示，本实施例中，采用印刷电路板工艺在3mm后陶瓷基复合材料基板上印刷正交金属光栅，同时采用热压成型工艺在陶瓷基复合材料基板上压合另一块3mm后的陶瓷基复合板，为形成对比试验，加工选用另一块厚度为6mm的纯陶瓷基板作为对照实验。

如图8所示，本实施例中，实验测试平台的搭建选用微波暗室，周围包围吸波材料用来消除不必要的电磁波对测量结果的影响。同时测试平台基于安捷伦E8363B矢量网络分析仪，以及一对工作在X波段的喇叭天线，测试样品被安置在转台上。

如图9所示，本实施例中，TE极化下测试得到加载金属光栅的陶瓷基复合材料在入射角分别为75°，80°，85°下的-1dB带宽约为1.05GHz，0.7GHz，0.36GHz。

如图10所示，本实施例中，TM极化下测试得到加载金属光栅的陶瓷基复合材料在入射角分别为75°，80°，85°下的-1dB带宽约为3.1GHz，3.03GHz，1.35GHz。

由以上理论分析以及仿真和测试结果可知，对于自然界中存在的电介质材料，可以利用夹层型金属光栅通过优化结合几何参数设计，调节介质内部的局域电场或者磁场分布，实现其他频段内的电磁增透，且其内在理论不会发生变化。

另外，本发明的有益效果具体如下：

本发明设计结构简单、轻质、薄层(6mm)，对应中心频率10GHz波长的五分之一；本发明设计的结构尺寸较小，单元尺寸在波长的十分之三。

本发明工作指标较高，兼顾两种线极化波，仿真结果表明：针对TE极化电磁波，加载正交金属光栅的陶瓷基复合材料在75°，80°，85°斜入射下，透射系数在X波段小于-1dB的平均带宽分别为2GHz，1.17GHz，以及0.55GHz，相对于纯陶瓷基复合材料平均-10dB的透射系数有较大提升。

本发明工作指标较高，兼顾两种线极化波，仿真结果表明：针对TM极化电磁波，加载正交金属光栅的陶瓷基复合材料在75°，80°，85°斜入射下，透射系数在X波段小于-1dB的平均带宽分别为3.3GHz，3.2GHz，以及1.5GHz，相对于纯陶瓷基复合材料平均-5dB的透射系数有较大提升。

本发明结构多变，可针对不同的频段要求设计不同形状和大小，同时利用电磁增透超表面满足双线极化下的透射性能提升需求。本发明设计的电磁增透超表面具有结构简单、薄层、低成本、大角度、极化不敏感等优势，可以用来灵活调控电磁波，在雷达罩、成像、通讯系统以及军事隐身等领域有着广泛的应用前景。

本发明的电磁增透超表面克服了传统的电磁增透器件的透射效率低、极化敏感、厚度厚等特点，能够实现高效的双极化大角度入射条件下的高效透过率，除此之外，还具有结构简单、易加工、便于集成等特点。

本发明的技术方案不限于上述具体事实例的限制，如本发明为小角度下电磁增透增透超表面，改变金属光栅尺寸即可调节角域范围，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种极化不敏感的极端入射角下的电磁增透超表面，其特征在于，包括：依次设置的顶层介质基板(1)、夹层金属十字光栅(2)和底层介质基板(3)；

所述夹层金属十字光栅(2)采用正交周期性交错排布方式，且沿X轴与沿Y轴周期不相等；其包括：沿X轴分布的双不连续金属条(2-1)和沿Y轴分布的双连续金属条(2-2)；

所述沿X轴分布的双不连续金属条(2-1)，其宽度不同、长度相同；相邻两沿X轴分布的金属条呈中心对称排布，且沿X轴分布的不连续金属条之间的间隙相等；

所述沿Y轴分布的双连续金属条(2-2)，其宽度不同、长度相同；相邻两沿Y轴分布的金属条呈中心对称排布；

其中，通过调节夹层金属十字光栅(2)的周期，所述沿X轴分布的双不连续金属条(2-1)的宽度、长度、间隙，及所述沿Y轴分布的双连续金属条(2-2)的宽度长度，使极端入射角下的TE极化电磁波和TM极化电磁波具有不同的介电参数，并满足上下两空气与介质界面处的阻抗匹配条件，实现两种极化下的电磁波增透。

2.如权利要求1所述的极化不敏感的极端入射角下的电磁增透超表面，其特征在于，所述超表面包括：在同一平面内周期性排列的多个超表面单元，每个所述超表面单元包括：上介质基板、双极化正交金属光栅和下介质基板，属于介质-金属-介质夹层型结构；

其中，在竖直方向超表面单元数量与水平方向超表面单元数量不一致。

3.如权利要求2所述的极化不敏感的极端入射角下的电磁增透超表面，其特征在于，所述上介质基板、双极化正交金属光栅和下介质基板中心位于同一条垂直线上。

4.如权利要求1所述的极化不敏感的极端入射角下的电磁增透超表面，其特征在于，所述沿X轴分布的双不连续金属条(2-1)的宽度分别为c1＝0.4mm、c2＝0.58mm，长度为5.36mm，间隙为e＝0.44mm。

5.如权利要求1所述的极化不敏感的极端入射角下的电磁增透超表面，其特征在于，所述沿Y轴分布的双连续金属条(2-2)的宽度分别为d₁＝1mm、d₂＝1.2mm，长度为5.4mm。

6.如权利要求1所述的极化不敏感的极端入射角下的电磁增透超表面，其特征在于，

所述夹层金属十字光栅(2)的材质为铜，其覆铜厚度均为20μm；

所述顶层介质基板(1)和所述底层介质基板(3)均为FSD系列陶瓷基复合材料，型号为FSD338N，介电常数为3.38，损耗角正切为0.002；且所述顶层介质基板(1)和所述底层介质基板(3)的厚度相等分别为h₁＝h₂＝6mm。

7.如权利要求1所述的极化不敏感的极端入射角下的电磁增透超表面，其特征在于，所述超表面的工作频段为X波段；整体尺寸为696*324mm^2。

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