CN207021383U - 一种双波段高透波率超表面 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种双波段高透波率超表面，包括按阵列排布设置的结构单元，所述结构单元包括两个正对设置的介质基板、位于两个介质基板之间的金属弯折线，金属弯折线刻蚀于介质基板中间。本实用新型的大角度高透波率超表面，结构简单易于加工，较大角度入射时传输率高，并且具有双频带传输特性。大角度入射时，本实用新型可在Ku与Ka两个波段内实现高透射性，并且在X波段内具有全反射的特性，实现了两种功能的综合。

Description

一种双波段高透波率超表面

技术领域

本实用新型涉及一种双波段高透波率超表面，属于新型人工电磁器件领域。

背景技术

新型人工电磁材料(又称超材料)作为一种新型媒质，由一系列人工设计的结构单元在亚波长尺度上按照一定规律排列构成，具有自然界材料所无法比拟的特性，它的介电常数和磁导率在特定的频段内能够实现人工可调。超表面是厚度远小于波长的二维超材料，通常由周期性或准周期性的亚波长结构单元二维排列而成，是超材料研究的延伸与拓展，通常分为反射式超表面与透射式超表面。由于超表面丰富独特的物理特性，在隐身新技术、天线、微波器件、光学器件等诸多领域具有重要的应用前景。但同时，超表面的调控方式限制了其透射式结构的实现。目前，透射式超表面的实现仍旧是一个难点。在天线系统中，大角度入射的超表面具有更高的应用前景。传统的透射式结构通常在大角度入射时透波率较低，并且只能在单一频带内实现透波。

实用新型内容

技术问题：本实用新型提供了一种在大角度入射条件下，双频段实现透波的双波段高透波率超表面。

技术方案：本实用新型的双波段高透波率超表面，包括按阵列排布设置的结构单元，所述结构单元包括两个正对设置的介质基板、位于两个介质基板之间的金属弯折线，金属弯折线刻蚀于介质基板中间。

进一步的，本实用新型的超表面中，所述金属弯折线的弯折部分个数为奇数。

进一步的，本实用新型的超表面中，所述金属弯折线的弯折部分个数为5。

进一步的，本实用新型的超表面中，所述金属弯折线与介质基板的间距不小于0.5mm，金属弯折线的线宽w与线间距gap在0.15mm-0.25mm之间。

进一步的，本实用新型的超表面中，所述介质基板的介电常数不超过3.0，金属弯折线采用金刻蚀而成。

进一步的，本实用新型的超表面中，所述结构单元为正方体结构，即有a＝2h+t，其中a为结构单元中介质基板的边长，h为介质基板的厚度，t为两个正对设置的介质基板的间距。

常见人工电磁结构通常分为两类：反射式结构与透射式结构。对于一般的透射式结构，较大入射角度时，结构的传输效率相对较低。本实用新型利用介质基板-金属弯折线-介质基板构造结构单元，大角度入射时可在两个频段内实现很高的透波率，并且在X波段某一特定频带内呈现全反射特性，透波率几乎为0，透射式电磁结构转换为反射式电磁结构，实现了两种功能的综合。

本实用新型由介质基板与金属弯折线构成，如图1所示。其中，底层为介质基板，上表面刻蚀金属弯折线，金属表面再刻蚀一层介质基板。通过将金属弯折线刻蚀于两层介质基板中间，调控介质基板的谐振频率，实现不同频带内的高透波效率。金属弯折线采用厚度为0.035mm的金刻蚀而成，基板采用介电常数为3.0的材料制作而成。

介质单元采用方体结构，调节单元尺寸，利用基板单元的谐振特性，使得结构在Ka波段内实现高透射性。进一步，将金刻蚀的弯折线结构刻蚀于两层介质基板中间，改变结构的谐振特性。调节金属弯折线的单元尺寸，使超表面结构在Ku波段内实现高透射特性，并能在X波段某一具体频带内实现全反射特性，从而达到了两种电磁结构的综合，实现了结构的多功能性。

有益效果：本实用新型与现有技术相比，具有以下优点：

本实用新型提供了一种新颖的超表面单元结构，利用介质基板-金属弯折线-介质基板构造结构单元，大角度入射条件下，实现双频带的高透射率，并在其他特定频段实现全反射特性。

相比于常见的超表面单元结构，本实用新型采用新型结构单元。具体表现为，本实用新型结构单元包括两个正对设置的介质基板、位于两个介质基板之间的金属弯折线。通过将金属弯折线刻蚀于两层介质基板中间，调控介质基板的谐振频率，实现不同频带内的高透波效率。除此之外，介质基板的介电常数与厚度也会明显影响结构的谐振频率。根据等效媒质理论，增大介质基板的介电常数，结构单元周围背景的相对介电常数会增大，因此谐振频率会降低。而介质基板越厚，对周围背景介电常数的影响越大，同样会降低谐振频率。但随着介质基板厚度的增加，介质的反射也会增大，因此不宜过厚，而介质基板过薄则不利于固定形状。本实用新型介质基板采用近似正方体结构，通过控制基板单元尺寸与介电常数，改变波在单元中的传播路程与传播常数，多次反射与透射，通过多次仿真模拟，发现能够实现波在较高频段(Ka)的高透射率。

相比于传统的透射式超表面，本实用新型具有更高的透波率。具体表现为，由于介质与金属本身的损耗以及传统结构单元设计与调控的局限性，使得传统透射式超表面的透波率较低，通常在电磁波垂直入射时也仅在70％左右，大角度入射时透波率直线减小，低于50％。而本实用新型的透波率可达96％以上，几乎没有反射，实现了波在大角度入射时的全透射。

相比于传统的透射式超表面，本实用新型在大角度入射时，仍保持高透波率。具体表现为，在较大入射角度入射的前提下，将金属弯折线刻蚀于两层介质基板中间，通过合理控制金属弯折数目、线宽、线间距等尺寸参数，改变等效电路的电容与电感值，改变波在单元中的谐振特性，实现超表面在较低频段的高透波性与全反射特性。除此之外，将金属弯折线刻蚀于两层介质基板中间，减小了金属的腐蚀，提高了结构功能的稳定性。

相比于单一功能的超表面结构，本实用新型具有双功能性，实现了透射式超表面与反射式超表面的综合，具有更高的应用前景。具体表现为，本实用新型设计的单元结构，在低频段内介质与金属相互作用，改变谐振频率，实现高透波与全反射；在高频段，介质板对波的调控作用强于金属弯折线，单元只呈现强透射性。通过合理设计单元尺寸，实现了双功能性。

附图说明

图1是超表面结构的整体示意图。

图2是超表面单元结构的立体示意图。金属弯折线刻蚀于两层介质基板中间。

图3是超表面单元结构的俯视图。从图中可明显看出，结构分为三层，中间为金属结构，两层介质基板间留有一定的缝隙。

图4是超表面单元结构的正视图，为了更清晰地分辨金属弯折线，最上层的介质基板被隐藏。其中，为了控制单元结构之间的电容耦合，金属弯折线与介质边缘之间留有一定的距离。

图5是两层介质基板的散射特性曲线。其中S₁₁为输入反射系数，数值取“1”表征全反射；S₂₁为正向传输系数，数值取“1”表征全透射。图中显示，34.5GHz时，透波率接近100％。

图6是超表面单元结构的散射特性曲线。其中S₁₁为输入反射系数，S₂₁为正向传输系数。图中显示，34.5GHz时，透波率几乎没有发生变化；14GHz附近透波率在 96％附近；11.4GHz附近呈现全反射。

图中有：1-介质基板；2-金属弯折线。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本实用新型作进一步的说明。

相比传统单一功能的超表面，本实用新型可在双频段内实现高透波率，其他特定频段实现全反射，实现了两种电磁结构的综合。本实用新型的实施例中，整个超表面由周期性的单元结构排列而成，结构尺寸30*30mm，如图1所示，结构尺寸30*30mm，入射角度在斜入射70°。单元结构与常规单元不同，由三部分组成，采用介质基板-金属弯折线-介质基板三层结构组成，金属弯折线2刻蚀两个正对设置的介质基板1中间。其中，两层介质基板1的介电常数均为3.0，金属弯折线2采用金刻蚀而成。具体单元尺寸标注如图2所示。

按照等效电路的理论，谐振频率本实用新型中影响结构谐振频率的主要因素有：金属弯折线2的弯折数目、线宽w、线间距gap以及介质基板1的介电常数与厚度h等。金属弯折线2的数目、臂长L以及宽带w都会影响弯折线的等效电感与等效电容，进而影响谐振频率，改变超表面在低频段的透波频率与透波效率。同时介质基板的介电常数与厚度也会明显影响结构的谐振频率。根据等效媒质理论，增大介质基板的介电常数，结构单元周围背景的相对介电常数会增大，因此谐振频率会降低。而介质基板越厚，对周围背景介电常数的影响越大，同样会降低谐振频率。但随着介质基板厚度的增加，介质的反射也会增大，因此基板不宜过厚，而介质基板过薄则不利于固定形状。为实现较好的结果，本实用新型对结构多个尺寸进行了优化，金属弯折线2的线宽w与线间距gap在0.15mm-0.25mm之间，控制结构单元之间的电容耦合金属弯折线2与结构单元边缘之间的距离为0.5mm。除此之外，金属弯折线 2不同于常见的结构单元，折数奇、偶的不同影响结构的对称特性，折数为奇数的弯折线结构具有更稳定的电磁特性，电磁特性不易随入射方向发生变化。通过多次仿真模拟，验证了本实用新型能够实现波在较高频段(Ka)的高透射率。

本实用新型单元结构采用介质基板-金属弯折线-介质基板三层结构组成，由于两层介质基板1的厚度较大，对周围背景介电常数影响较大，电磁波入射时反射较大，因此我们首先独立分析介质基板的电磁特性。为实现超表面的双波段特性，前期的实验分析中，我们主要考虑介质基板在高频段的特性。在两层介质基板1中间不刻蚀金属结构的前提下，调节入射波在结构中的传播距离与传播常数，实现结构在Ka波段某一频带内的高透射率，结构的散射参数曲线如图5所示。具体来说，在入射波沿70°入射时，结构在34.5GHz附近能够实现很高的透波率，大约在99％以上。也就是说，我们通过调节入射波在结构中的传播距离，利用基板本身的谐振特性，实现某一频带的高透射性。

进一步，为实现本实用新型在低频段的透射与反射效果，将金属弯折线2刻蚀于两层介质基板1中间以改变单元在较低频段的谐振特性。也就是说，金属弯折线2进一步改变了介质块的等效电路，影响了结构的谐振特性。金属弯折线2在低频段对入射波的影响加大，在此频段范围内发生较大谐振，实现高透波与全反射，但在高频段内对波的影响较小，几乎不改变波在高频段的谐振与透波特性。具体来说，如图6所示在入射波沿70°入射时，结构在14GHz附近同样能够实现很高的透波率，大约在 96％附近，并且在34.5GHz，结构的透波率几乎没有发生变化。除此之外，由于谐振的存在，结构在11.4GHz呈现全反射特性。也就是说，本实用新型不再局限于传统的、单一功能的电磁结构，实现了透射式电磁结构与反射式电磁结构的综合。并且，相比于单一的透射式电磁结构，本实用新型具有更高的透波率，能工作于更大的入射角度下。

除此之外，仿真结果显示当入射波角度从65°变化到75°时，结构的反射特性与透射特性几乎没有发生改变。

上述实施例仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，如在两层介质基板中刻蚀其他不同的金属结构，或采用多层介质基板与金属结构的交叉刻蚀，这些对本实用新型权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1.一种双波段高透波率超表面，其特征在于，该超表面包括按阵列排布设置的结构单元，所述结构单元包括两个正对设置的介质基板(1)、位于两个介质基板(1)之间的金属弯折线(2)，金属弯折线(2)刻蚀于介质基板中间。

2.根据权利要求1所述的双波段高透波率超表面，其特征在于，所述金属弯折线(2)的弯折部分个数为奇数。

3.根据权利要求2所述的双波段高透波率超表面，其特征在于，所述金属弯折线(2)的弯折部分个数为5。

4.根据权利要求1、2或3所述的双波段高透波率超表面，其特征在于，所述金属弯折线(2)与介质基板(1)的间距不小于0.5mm，金属弯折线(2)的线宽w与线间距gap在0.15mm-0.25mm之间。

5.根据权利要求1、2或3所述的双波段高透波率超表面，其特征在于，所述介质基板(1)的介电常数不超过3.0，金属弯折线采用金刻蚀而成。

6.根据权利要求1、2或3所述的双波段高透波率超表面，其特征在于，所述结构单元为正方体结构，即有a＝2h+t，其中a为结构单元中介质基板(1)的边长，h为介质基板(1)的厚度，t为两个正对设置的介质基板(1)的间距。