CN220797109U - 一种针对大角度的宽带电磁增透减反装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种针对大角度的宽带电磁增透减反装置，由多个谐振器周期性排布构成；每个所述谐振器均包括介质基板和金属结构，每个所述金属结构均由两根平行的金属线构成，且两根所述金属线对称分布于所述介质基板内。在TE极化大角度入射下，本实用新型通过金属长线的类等离子体效应对介质基板实现色散调控，在低频端调节阻抗匹配的同时，在高频端缩短基板一阶和二阶半波壁在光谱上的距离，从而实现电磁波在大角度下的宽带高效传输，可解决原始半波壁有效带宽窄，且效率低等问题，且整体架构简单，稳定性强，便于加工和集成。
Description
技术领域
本实用新型涉及微波频段电磁波调控技术领域，具体涉及一种针对大角度的宽带电磁增透减反装置。
背景技术
在诸多电磁器件(如天线罩)的实际应用中，都对电磁波透过率有很高的要求，但是由于阻抗不匹配导致TE极化波的透过率往往较低，这种现象会随入射角增大而越加严重。半波壁现象是实现电磁增透最传统的方法之一，其基本原理为当反射波相位相反时，其彼此之间产生破坏性干涉，透射波从而得到增强形成透射窗口。但由于干涉的内在机理，该透射窗口的形成由电磁波的频率和入射角决定，这导致其有效带宽十分有限，这种不足在大角度下更为明显，这也限制了半波壁在大角度下实现电磁增透的工作效果。
超表面的出现为这一问题的解决提供了新的思路。超表面(Metasurface)是对超材料研究的延伸和拓展，主要是由亚波长结构单元二维阵列构成的平面；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，超表面，由于其独特的电磁性能，在波前调控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。
随着超表面的快速发展，大量基于超表面的电磁增透结构相继被提出。但是大部分研究集中在小角度领域，对大入射角下的电磁增透研究较少。且一部分结构由于谐振过强，其工作有效带宽过窄，无法满足实际应用需求。而半波壁效应作为传统电磁增透方法之一，其工作稳定性强原理简单，但是其对角度和频率的强依赖性以及其在大角度下的有效带宽问题一直有待解决。
目前，虽然将超表面应用在电磁增透减反装置的设计中，并取得了一些进展，但是现有的减反装置仍然无法满足宽带的透波传输要求，且结构过于复杂，成本较高；而且宽带的电磁增透减反结构以及减少模式之间的相互耦合仍然有待于进一步探索，所以迫切需要新颖且灵活的设计方法来实现这一具有挑战性的问题发展，来满足日益增长的特种需求。
实用新型内容
为了解决现有的减反装置仍然无法满足宽带的透波传输要求，且结构过于复杂，成本较高等技术问题，本实用新型的目的在于提供针对大角度的宽带电磁增透减反装置。
为实现上述目的，本实用新型的技术方案如下。
一种针对大角度的宽带电磁增透减反装置，由多个谐振器周期性排布构成；每个所述谐振器均包括介质基板和金属结构，每个所述金属结构均由两根平行的金属线构成，且两根所述金属线对称分布于所述介质基板内。
进一步，所述介质基板的两侧壁分别与其对应的金属线的距离均相等。
更进一步，同一个所述谐振器的两根所述金属线的距离为5.8mm。
进一步，每根所述金属线的宽度均相同。
更进一步，每根所述金属线的宽度均为0.8mm。
进一步，多个所述谐振器沿x方向的周期均为3.1mm。
进一步，所述介质基板为陶瓷基复合材料板，所述介质基板的介电常数为3.3，所述介质基板的损耗为0.002，所述介质基板的厚度为d＝11.6mm。
进一步，所述金属线的材质为铜，所述金属线的厚度为0.017mm。
本实用新型的有益效果：
1、本实用新型提供了一种针对大角度的宽带电磁增透减反装置，该装置由多个谐振器周期性排布构成，每个谐振器的金属结构均由两条纵向金属长线组成。两条纵向金属长线尺寸一致，上下关于介质基板中心对称分布。在TE极化大角度入射下，本实用新型通过金属长线的类等离子体效应对介质基板实现色散调控，在低频端调节阻抗匹配的同时，在高频端缩短基板一阶和二阶半波壁在光谱上的距离，从而实现电磁波波在大角度下的宽带高效传输，可解决原始半波壁有效带宽窄，且效率低等问题。
2、本实用新型整体架构简单，稳定性强，便于加工和集成。
附图说明
图1为实施例中针对大角度的宽带电磁增透减反装置的结构示意图。
图2为实施例中一个谐振器的结构示意图。
图3是极端角度下TE偏振波入射到宽带电磁增透减反装置的示意图。介质基板的厚度d＝11.6mm、金属线的宽度w＝1.3mm、上下金属线之间的距离h＝5.8mm，px＝3.1以及py介质基板的横向周期性；金属线的厚度为0.017mm。
图4的(a)和(b)是在80°的入射角下，随着px和w的变化，空的介质基板和具有金属线嵌入的介质基板的TE偏振透射光谱。图4(c)是介质基板的总等效介电常数随着EM波的频率而变化。图4(d)从左到右分别是f1、f2和f3频率下金属线上的表面电流走向。
图5的(a)、(b)、(c)和(d)是在入射角为70°、75°、80°和85°的情况下，结构参数优化后嵌入金属线的介质基板和未嵌入金属线的空介质基板之间的TE偏振透射的对比图。
图中，1、谐振器；2、介质基板；3、金属结构；4、金属线。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
请参阅图1至图2，一种针对大角度的宽带电磁增透减反装置，由多个谐振器周期性排布构成；其中，多个所述谐振器1沿x方向的周期为px，沿y方向的周期为py。本实施例中，多个谐振器1是沿x方向周期性排布。
每个谐振器1均包括介质基板2和金属结构3，每个金属结构3均由两根平行的金属线4构成，且两根金属线4对称分布于介质基板2内。具体的，介质基板2的两侧壁分别与其对应的金属线4的距离均相等。也就是，两根金属线4关于介质基板中心层是对称的，其中，上层金属线到介质基板上表面的距离与下层金属线到介质基板下表面的距离是相等的，且金属线是纵向沿z轴方向的。每根金属线4的宽度w均相同。本实施例中，介质基板的材质可以选用陶瓷基复合材料(CMC)板，当然也可以根据实际需要选择其他合适基板材料。金属线的材质可以选用铜，当然也可以根据实际需要选择其他合适的金属线。
下面我们将对该针对大角度的宽带电磁增透减反装置进行具体说明。
图3是极端角度下TE偏振波入射到宽带电磁增透减反装置的示意图。
如图3，金属线4为沿x方向纵向排布的长金属丝。该两条长金属丝关于介质基板2中心对称分布。也即介质基板2的两侧壁分别与其对应的金属线4的距离均相等。同一个谐振器1的上、下两根金属线4的距离为h＝5.8mm。每根金属线4的宽度w均相同，且均为w＝0.8mm。px和py分别表示介质基板的横向周期性和纵向周期性。其中，多个谐振器1沿x方向的周期为px＝3.1mm。介质基板2选用CMC基板，介质基板2的相对介电常数为ε1＝3.3，磁导率μ1＝1.0；介质基板2的损耗为0.002，介质基板2的厚度为d＝11.6mm。金属线4的材质为铜，金属线4的厚度为0.017mm。
本实施例中，利用长金属线嵌入介质基板的中间，由于长金属线的厚度较小，由此使得介质基板的厚度没有改变，由于长金属线在TE极化下的类等离子体效应，介质基板的有效介电常数不是保持不变的，而是随着频率非线性地从小于0增长到原始值。这种特殊的色散将在两个方面提高宽带的透明度，一方面在半波壁的低频端将产生一个额外的传输窗口，其中介质基板的有效介电常数等于空气的介电常数；另一方面，一阶和二阶半波窗口将变得更近，以实现极端入射角下的宽带透明度。
图4的(a)和(b)是在80°的入射角下，随着px和w的变化，空的介质基板(Substrate)和具有金属线嵌入的介质基板(px＝5.5，4.5，3.5；w＝1.3，0.8，0.3)的TE偏振透射光谱。图4(c)是介质基板的总等效介电常数随着EM波的频率而变化。图4(d)从左到右分别是f1、f2和f3频率下金属线上的表面电流走向。
如图4的(a)和(b)所示，我们在CST微波工作室进行了模拟，获得了在80°入射角下，X和Ku波段px或w发生变化的空介质基板和金属线嵌入的介质基板的TE偏振透射光谱。其他结构参数与图3中的一致。由图4我们可以清楚地可看到，在空的介质基板的光谱中有两个投射窗口，这是两个不同阶数的半波壁，它们的频率从低到高被定义为f2andf3。然而，在向介质基板中嵌入长金属线之后，f2在移动到频谱的高频端时f3基本保持不变。同时，在两个半波壁的低频端产生一个额外的传输窗口，其频率被定义为f1。
首先，我们分析了电磁波以80°角入射时空介质基板的透射光谱：
Δ0≈35.3mm≈λ1＝2λ2
Δ＝(2×1+1)λ1/2
＝(2×2+1)λ2/2 (1)
λ1≈35.3mm和λ2≈17.65mm分别表示8.5GHz和17.0GHz的EM波波长，如等式Eq.(1)所示，此时，一阶(k＝1)和二阶(k＝2)半波壁被激发，并且在8.5GHz(f2)和17.0GHz(f3)处打开两个传输窗口。但如图4(a)所示，这两个传输窗口在传输光谱中相距甚远。
然而，如图4(c)所示，对于金属线嵌入的介质基板，当TE极化波(电场的方向总是平行于z轴)入射到其上时，由于类等离子体效应，介质基板的整体相对介电常数将随着EM波的频率非线性地从小于0增长到原始值(ε1＝3.3)。并由方程Eq.(2)表示，ωp表示相对介电常数恰好为0的点，也称为等离子体频率。因此，介质基板的分散度是定制的。
基于金属丝嵌入的介质基板的色散特性，我们还对其透射光谱进行了分析。其中，图4的(a)中对应于(c)中的透射窗口最初是空介质基板的一阶半波壁。如等式Eq.(3)所示，此时由于类等离子体效应，介质基板的总体相对介电常数降低，并且介质基板的色散被调整，尽管介质基板的物理厚度保持不变，但其电厚度减小并缩短。以图3(a)中的曲线px＝5.5为例，在类等离子体效应下，相对介电常数从3.3下降到2.1左右，电厚度下降到24.6mm左右，这相当于12.2GHz处的波长。因此，一阶半波壁的频率从8.5GHz变化到12.2GHz，比之前更接近二阶半波壁。
Δ＝(2k+1)λ/2，k＝0，1，2，3，... (3)
式中，Δ表示反射波之间的总光程差，Δ0表示没有半波损耗的光程差异，表示衬底和空气的折射率，d＝11.6mm并且de＝dn1表示底的物理和电厚度；k表示半波壁的阶数。
且图4的(a)中的透射窗口f3对应于图4的(c)中的ω3，该窗口最初是空介质基板的二阶半波壁。因为类等离子体效应随着频率的增加而变弱，即使嵌入长金属线，介质基板的总介电常数基本上与空介质基板的相同，并且介质基板的色散在f3处几乎不被调整。这使得光程差几乎不变，因此二阶半波壁的频率几乎不变。
图4的(a)中的f1对应于图4的(c)中的ω1，由于低频类等离子体效应很强，介质基板的总相对介电常数减小到正好为1，并且介质基板的色散被极大地调整。如等式Eq.(4)所示，Γ1和Γ2分别表示介质基板两侧界面处的反射率，介质基板和空气之间形成良好的阻抗匹配，透射率增强。
为了证明上述分析，我们分别单独改变其中的一个，而保持其他结构参数不变，来观察CST中长金属丝嵌入介质基板的透射谱的变化。从图4的(a)和(b)中，我们可以看到，当我们改变px或w时，f1、f2和f3显示出与等式Eq.(3)中表示的等离子体频率一致的变化模式：当px增大和w减小时，ωp减小，因此f1和f2向低频移动，而f3由于其频率较高，几乎不受等离子体频率变化的影响。
为了进一步证实我们的分析，在CST中在f1、f2和f3处监测了金属线上的表面电流。如图4的(d)所示，我们可以清楚地看到表面电流随着频率的增加而减小，在f3处几乎没有表面电流，这也进一步解释了空介质基板的二阶半波壁在光谱中没有明显的移动的原因。
基于等离子体频率ωp随px和w变化的规律，我们优化了嵌入金属线的参数，调整f1、f2和f3的位置，使得光谱中的三个透射窗口相互连接，形成极端入射角下的TE极化宽带电磁透明。
图5的(a)、(b)、(c)和(d)是在入射角为70°、75°、80°和85°的情况下，结构参数优化后嵌入金属线的介质基板和未嵌入金属线的空介质基板之间的TE偏振透射的对比图。
如图5所示，实验结果证明，在12.0-18.0GHz(p＝3.1mm,w＝0.8mm)，入射角为[70.0°，85.0°]的情况下，嵌入金属线后CMC基板在极限角度下的TE偏振透射率显著提高。
综上，本实施例利用色散来扩展半波墙在极端角度下的透明带宽。长金属线嵌入CMC基板后，由于TE极化下长金属线的类等离子体效应，CMC基板的总有效介电常数不是保持恒定，而是随着频率非线性地从小于0增长到初始值本身。这种色散在两个方面提高了宽带的透明度，一方面，在有效介电常数等于空气介电常数的半波壁的低频端产生附加的透射窗口；另一方面，一阶半波壁的频率比之前更接近二阶半波壁。通过调整色散，三个窗口相互连接，以在极端入射角下实现宽带透明。通过仿真结果表明，该结构能够在TE极化波入射角度为[70°，85°]的情况下工作在整个Ku波段。这项工作提供了一种在极端角度下实现宽带电磁透明的有效方法，并将在雷达、通信和其他方面得到应用。
以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种针对大角度的宽带电磁增透减反装置，由多个谐振器周期性排布构成；其特征在于，每个所述谐振器(1)均包括介质基板(2)和金属结构(3)，每个所述金属结构(3)均由两根平行的金属线(4)构成，且两根所述金属线(4)对称分布于所述介质基板(2)内。
2.根据权利要求1所述的针对大角度的宽带电磁增透减反装置，其特征在于，所述介质基板(2)的两侧壁分别与其对应的金属线(4)的距离均相等。
3.根据权利要求2所述的针对大角度的宽带电磁增透减反装置，其特征在于，同一个所述谐振器(1)的两根所述金属线(4)的距离为5.8mm。
4.根据权利要求1所述的针对大角度的宽带电磁增透减反装置，其特征在于，每根所述金属线(4)的宽度均相同。
5.根据权利要求4所述的针对大角度的宽带电磁增透减反装置，其特征在于，每根所述金属线(4)的宽度均为0.8mm。
6.根据权利要求1所述的针对大角度的宽带电磁增透减反装置，其特征在于，多个所述谐振器(1)沿x方向的周期均3.1mm。
7.根据权利要求1所述的针对大角度的宽带电磁增透减反装置，其特征在于，所述介质基板(2)为陶瓷基复合材料板，所述介质基板(2)的介电常数为3.3，所述介质基板(2)的损耗为0.002，所述介质基板(2)的厚度为11.6mm。
8.根据权利要求1所述的针对大角度的宽带电磁增透减反装置，其特征在于，所述金属线(4)的材质为铜，所述金属线(4)的厚度为0.017mm。
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