一種具有低頻吸波與極化轉換的裝置及工作方法
【專利摘要】本發明公開了一種具有低頻吸波與極化轉換的裝置及工作方法，該裝置包括：金屬背板、底層介質基板、柱狀介質基板、梳狀介質基板、蛇形金屬線結構、金屬線連接結構，其中，多個柱狀介質基板在底層介質基板上方每隔一段距離一字排開；梳狀介質基板安插于兩塊柱狀介質基板之間；蛇形金屬線結構敷于柱狀介質基板的左右兩側平面；金屬線連接結構是由底層介質基板表層邊緣處的金屬層、每個柱狀介質基板的間隔并與底層介質基板的連接處的金屬層、及每一塊柱狀介質基板頂端所敷的金屬層組成。本發明結構簡單緊湊，小型化，易加工，成本低廉，工作頻段較低。
【專利說明】
一種具有低頻吸波與極化轉換的裝置及工作方法
技術領域
[0001]本發明應用于雷達、隱身、電子對抗、航空航天等諸多國防通信領域的微波器件，具體指代一種基于電磁超材料小型化功能可重構的低頻吸波與極化轉換裝置及工作方法。
【背景技術】
[0002]極化轉換技術是在波的傳播過程中，電場強度隨時間變化的特性，因此在實際應用中它具有單向性。在無線通信中，考慮到極化的單向傳播與接收，因此若要實現信號的較高的接收與發射時，應及時與盡量準確的將信號記錄下來。極化轉換器可應用于寬頻帶通信、移動通信、衛星通信、天線、雷達的圖像識別和目標檢測與目標隱身中。除此之外，在軍事應用中，特別是在與敵方作戰時，極化轉換器可以起抗干擾作用，如氣象干擾，并對敵方通信設備起到破壞作用，降低其準確度或使其聯絡中斷。
[0003]超材料吸波器作用主要體現在它的隱身作用上，隱身技術是現代高科技軍事戰爭與應用中具有巨大戰術價值和戰略威懾作用的一項技術，而在飛機前機身中的天線罩要對雷達天線艙的強散射起到一定的屏蔽作用，即低雷達散射截面(RCS)要求。超材料隱身技術是在保證系統正常工作的前提下，可以實現電磁波在一定的頻帶內能量吸收，從而實現真正意義上RCS的縮減。超材料隱身技術具有隱身性能優異、制作成本低、維護成本低等優點，可廣泛應用于現有軍事裝備，具有極大的軍事應用價值。除軍事以外，在電磁輻射防護與提高天線定向性等民間鄰域的應用也越來越廣。
[0004]本發明中的頻帶范圍200MHz-2GHz所屬的部分甚高頻(VHF)與部分特高頻(UHF)可應用于電視、調頻廣播、雷達、導航、移動通信。在民航領域中，VHF波段可用于民用飛機的地面與空中管制、放行及機場管制。在海事通信中，漁船、商船、游艇、游輪、救生艇、潛艇幾乎都配有VHF波段的通信電臺，用于搜救與對外聯絡通信，因此該頻段通信是航海安全的必不可少的通信途徑。
[0005]如今，隨著電磁超材料可重構器件的發展，相比于早期單一功能的傳統器件，可實現一器多用，可以在相應功能之間相互轉化，并可以節約空間與成本。此功能可重構器件更具有諸多優點:高壓縮比，小型化，結構更簡單，吸收能力更強，質量更輕，吸收帶內可調，材料參數可設定，加工簡易。但如今還沒有基于電磁超材料小型化功能可重構器件。
【發明內容】
[0006]針對于上述現有技術的不足，本發明的目的在于提供一種具有低頻吸波與極化轉換的裝置及工作方法，以解決現有技術中缺少一種基于電磁超材料小型化功能可重構器件，本發明裝置為一種應用于200MHz-2GHz的多功能性器件，能夠在不同的工作頻段分別實現吸波器和極化轉化器的功能。
[0007]為達到上述目的，本發明的一種具有低頻吸波與極化轉換的裝置，包括:金屬背板、底層介質基板、柱狀介質基板、梳狀介質基板、蛇形金屬線結構、金屬線連接結構，其中，底層介質基板置于金屬背板上方，多個柱狀介質基板在底層介質基板上方每隔一段距離一字排開;梳狀介質基板安插于兩塊柱狀介質基板之間；蛇形金屬線結構敷于柱狀介質基板的左右兩側平面;金屬線連接結構是由底層介質基板表層邊緣處的金屬層、每個柱狀介質基板的間隔并與底層介質基板的連接處的金屬層、及每一塊柱狀介質基板頂端所敷的金屬層組成。
[0008]優選地，所述的金屬背板采用全金屬結構。
[0009]優選地，所述的梳狀介質基板為周期性排布的鏤空結構或無空心槽的基板結構。
[0010]優選地，所述的蛇形金屬線結構為至少一個弓字型或由里向外的一些列延長電流路徑的結構；當金屬路徑增加時，電流路徑隨之延長，感應電流所產生的能量隨之不斷衰減，從而在較低頻點處實現表面波的充分吸收。
[0011]優選地，所述的蛇形金屬線結構在yoz平面上鏡像相同或鏡像相反，兩條蛇形金屬線結構之間的柱狀介質基板的頂層金屬線連接結構是全金屬或金屬圖案，同樣，兩條蛇形金屬線結構之間與底層介質基板的連接處是全金屬或金屬圖案。
[0012]優選地，所述的柱狀介質基板采用長方體結構，并具有不同的高度與寬度，使得反射的電磁波在傳播時產生不等位相位，從而產生極化轉換的特性，可實現吸波與極化轉換的相互切換。
[0013]本發明還提供一種具有低頻吸波與極化轉換的裝置的工作方法，包括:外加電磁波的感應電流從金屬線連接結構的右端流進，繞過蛇形金屬線結構，使能量不斷衰減，在繞進最右側的柱狀介質基板的蛇形金屬線結構時，受到梳狀介質基板的介質耗散與其鏤空圖案產生的電磁波能量局域的作用，使感應電流的能量發生一次或多次局域，以實現增加能量損耗反射最小，最后電流在金屬線連接結構的左端截止;反之，外加電磁波的感應電流從金屬線連接結構的左端流進，繞過蛇形金屬線結構，使能量不斷衰減，在繞進最右側的柱狀介質基板的蛇形金屬線結構時，受到梳狀介質基板的介質耗散與其鏤空圖案產生的電磁波能量局域的作用，使感應電流的能量發生一次或多次局域，以實現增加能量損耗達到反射最小，最后電流在金屬線連接結構的右端截止。
[0014]本發明的有益效果:
本發明為一種應用于200MHz-2GHz的多功能性器件，能夠在不同的工作頻段分別實現吸波器和極化轉化器的功能，具有的重量輕的、易加工、功能可重構等特點。工作在吸波器時，能夠實現小型化，高壓縮比，高吸收率的吸波器;工作在極化轉化器時，能實現良好的極化轉換特性。
【附圖說明】
[0015]圖1為本發明裝置的結構模型圖。
[0016]圖2為+X方向的側視圖。
[0017]圖3為-X方向的側視圖。
[0018]圖4為-y方向的側視圖。
[0019]圖5為+y方向的側視圖。
[0020]圖6為z方向上的俯視圖。
[0021]圖7為圖6中梳狀介質基板的結構不意圖。
[0022]圖8為在TE模式下的吸收率圖。
[0023]圖9為在TE模式下的極化轉換率圖。
[0024]圖10為在TM模式下的極化轉換率圖。
【具體實施方式】
[0025]為了便于本領域技術人員的理解，下面結合實施例與附圖對本發明作進一步的說明，實施方式提及的內容并非對本發明的限定。
[0026]參照圖1至圖7所示，本發明的一種具有低頻吸波與極化轉換的裝置，包括:金屬背板1、底層介質基板2、柱狀介質基板3、梳狀介質基板4、蛇形金屬線結構5、金屬線連接結構6，其中，底層介質基板2置于金屬背板I上方，多個柱狀介質基板3在底層介質基板2上方每隔一段距離一字排開;梳狀介質基板3安插于兩塊柱狀介質基板3之間;蛇形金屬線結構5敷于柱狀介質基板3的左右兩側平面即yoz平面(如圖1、圖2、圖3所示);金屬線連接結構6是由底層介質基板表層邊緣處的金屬層、每個柱狀介質基板3的間隔并與底層介質基板2的連接處的金屬層、及每一塊柱狀介質基板3頂端所敷的金屬層組成。
[0027]上述的柱狀介質基板3采用長方體結構，并具有不同的高度與寬度，本實例中依次排列五個柱狀介質基板3，其中-y方向上兩個柱狀介質基板3相同尺寸，+y方向上兩個相同尺寸，中間一個尺寸，以實現極化轉換功能。
[0028]上述蛇形金屬結構5可以是一個或多個“弓”字型或由里向外，由外向里繞成的“花卷” “交祉”、“螺旋”型等組合成的一系列延長電流路徑的金屬結構，或者能夠實現導通作用的任意連接形式;分布在每一個柱狀介質基板3的兩個yoz面上。當金屬路徑增加時，電流路徑隨之延長，感應電流所產生的能量隨之不斷衰減，從而在較低頻點處實現表面波的充分吸收。每一塊柱狀介質基板3兩個yoz面的金屬路徑結構是(_y，_z)點與每兩塊柱狀介質基板3連接處的金屬線連接結構6連接，(+y，+z)點與柱狀介質基板3頂部金屬線連接結構6連接。
[0029]該蛇形金屬線結構5在yoz平面上可以鏡像相同或鏡像相反;兩條蛇形金屬線結構5之間的柱狀介質基板3的頂層金屬連接層可以是全金屬或任意能夠實現電流導通的“金屬圖案”，同樣，兩條蛇形金屬線結構5之間與底層介質基板2的連接處也可以是全金屬或能夠實現電流導通功能的“金屬圖案”。
[0030]上述的梳狀介質基板4可以是周期性排列的鏤空結構，也可以是無空心槽的基板結構，或是中間空槽數量為m*n(m=l，2，3，...; n=l，2，3，…)或是排列呈一定規律數量的基板結構。空心槽可以是任意形狀，如矩形(長方形，正方形)，圓形(半圓形，橢圓形)，三角形，梯形，多邊形等。在柱狀介質基板3間插入損耗介質層，即上述提到的梳狀結構基板4是為了是外部電磁波產生的感應電流流經此路徑時，電磁能量能夠再一次或多次局域在插入的有損耗的介質基本或者其它材料中，不僅實現較高或完美吸波的效果，而且能夠得到新的吸收頻點。此外，該梳狀結構基板4可以是任意有耗散的介質材料，如FR-4，硅，Tef 1n，PET，石墨稀等非金屬。表面用于導通電流的金屬線，也可以任意的導體和半導體體介質如:固態等離子體、金、銀、銅等金屬、還可以是半導體材料、等離子體、超導體和石墨烯等。
[0031]本發明可工作于200MHz-2GHz，實現了在超短波(甚高頻)段內完美吸收，突破了傳統電磁超材料小型化低頻吸波器與極化轉換器難以工作在較高頻段的局限。采用了一種基本周期單元結構，因此可以采用級連的方式將類似的結構連接起來成為一個新的單元結構，從而達到類似效果或各項指標更好地效果(如:寬帶吸收，寬帶極化轉換，帶內可調諧，0-200MHZ吸收與極化轉換，THz波段吸收與極化轉換，吸收與極化轉換率更加等等)。
[0032]如圖1所示，當電磁波以X方向入射裝置表面時，在TE模式下工作；當電磁波以y方向入射，在TM模式下工作。
[0033]若以-X方向入射，其工作方法為:外加電磁波的感應電流從金屬線連接結構的右端流進，繞過蛇形金屬線結構，使能量不斷衰減，在繞進最右側的柱狀介質基板的蛇形金屬線結構時，受到梳狀介質基板的介質耗散與其鏤空圖案產生的電磁波能量局域的作用，使感應電流的能量發生一次或多次局域，以實現增加能量損耗反射最小，最后電流在金屬線連接結構的左端截止;反之，外加電磁波的感應電流從金屬線連接結構的左端流進，繞過蛇形金屬線結構，使能量不斷衰減，在繞進最右側的柱狀介質基板的蛇形金屬線結構時，受到梳狀介質基板的介質耗散與其鏤空圖案產生的電磁波能量局域的作用，使感應電流的能量發生一次或多次局域，以實現增加能量損耗反射最小，最后電流在金屬線連接結構的右端截止。
[0034]如圖8所示在200MHz-2GHz頻率范圍內實現了五頻吸收與一個窄帶吸收，且在f!=
0.238MHz與f2=0.442GHz實現了 100%的吸收率，并在f3=l.732GHz至1.815GHz上具有90%以上的吸收率且在1.760GHz處達到了 100% J1點是由“蛇形線”金屬結構引起的，f2是由所插入的梳狀介質基板引起，窄帶是由梳狀結構的鏤空間隙導致的。如圖9所示為TE模式極化轉換率示意圖，在三個頻點處實現了高極化轉換率，其中在？1=1.376GHz處，極化轉換率達到了100%。如圖10所示為此器件在TM模式下的極化轉換率示意圖，其中在？!=1.376GHz處，極化轉換率達到了 99.18%。因此，在多頻點處實現了完美吸收與完美極化轉化。本發明裝置給出的參考基本尺寸為:總長度24mm，總寬度11.7mm，總高度20.536mm。因此，壓縮比可以達到52.52ο
[0035]本發明具體應用途徑很多，以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以作出若干改進，這些改進也應視為本發明的保護范圍。
【主權項】
1.一種具有低頻吸波與極化轉換的裝置，其特征在于，包括:金屬背板、底層介質基板、柱狀介質基板、梳狀介質基板、蛇形金屬線結構、金屬線連接結構，其中，底層介質基板置于金屬背板上方，多個柱狀介質基板在底層介質基板上方每隔一段距離一字排開;梳狀介質基板安插于兩塊柱狀介質基板之間；蛇形金屬線結構敷于柱狀介質基板的左右兩側平面；金屬線連接結構是由底層介質基板表層邊緣處的金屬層、每個柱狀介質基板的間隔并與底層介質基板的連接處的金屬層、及每一塊柱狀介質基板頂端所敷的金屬層組成。2.根據權利要求1所述的具有低頻吸波與極化轉換的裝置，其特征在于，所述的金屬背板采用全金屬結構。3.根據權利要求1所述的具有低頻吸波與極化轉換的裝置，其特征在于，所述的梳狀介質基板為周期性排布的鏤空結構或無空心槽的基板結構。4.根據權利要求1所述的具有低頻吸波與極化轉換的裝置，其特征在于，所述的蛇形金屬線結構為至少一個弓字型或由里向外的一些列延長電流路徑的結構；當金屬路徑增加時，電流路徑隨之延長，感應電流所產生的能量隨之不斷衰減，從而在較低頻點處實現表面波的充分吸收。5.根據權利要求4所述的具有低頻吸波與極化轉換的裝置，其特征在于，所述的蛇形金屬線結構在yoz平面上鏡像相同或鏡像相反，兩條蛇形金屬線結構之間的柱狀介質基板的頂層金屬線連接結構是全金屬或金屬圖案，同樣，兩條蛇形金屬線結構之間與底層介質基板的連接處是全金屬或金屬圖案。6.根據權利要求1所述的具有低頻吸波與極化轉換的裝置，其特征在于，所述的柱狀介質基板采用長方體結構，并具有不同的高度與寬度，使得反射的電磁波在傳播時產生不等位相位，從而產生極化轉換的特性，可實現吸波與極化轉換的相互切換。7.—種具有低頻吸波與極化轉換的裝置的工作方法，其特征在于，包括:外加電磁波的感應電流從金屬線連接結構的右端流進，繞過蛇形金屬線結構，使能量不斷衰減，在繞進最右側的柱狀介質基板的蛇形金屬線結構時，受到梳狀介質基板的介質耗散與其鏤空圖案產生的電磁波能量局域的作用，使感應電流的能量發生一次或多次局域，以實現增加能量損耗反射最小，最后電流在金屬線連接結構的左端截止;反之，外加電磁波的感應電流從金屬線連接結構的左端流進，繞過蛇形金屬線結構，使能量不斷衰減，在繞進最右側的柱狀介質基板的蛇形金屬線結構時，受到梳狀介質基板的介質耗散與其鏤空圖案產生的電磁波能量局域的作用，使感應電流的能量發生一次或多次局域，以實現增加能量損耗達到反射最小，最后電流在金屬線連接結構的右端截止。
【文檔編號】H01Q17/00GK106099386SQ201610383973
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月2日 公開號201610383973.7, CN 106099386 A, CN 106099386A, CN 201610383973, CN-A-106099386, CN106099386 A, CN106099386A, CN201610383973, CN201610383973.7
【發明人】章海鋒, 施維, 王玲玲, 文永刁
【申請人】南京航空航天大學