用于TE和TM极化波多角度透射的ENZ超表面夹层

摘要

本发明公开了一种用于TE和TM极化波多角度透射的ENZ超表面夹层，主要解决现有TM极化电磁波有角度入射和TE极化电磁波大角度入射时难以高效穿透ENZ超材料的问题。其包括两个ENZ超材料基板(1)和一个周期性互补开口谐振板(2)，三者等大且周期性互补开口谐振板位于两个ENZ超材料基板之间，形成三明治夹层结构；在互补开口谐振板(2)的金属面上划分有N个相互连接的周期性小块(3)，每个小块上刻蚀有双C型环缝隙，该双C型环缝隙是将两个大小不同的C型环缝隙嵌套放置，且开口方向相反。本发明能实现TE和TM极化波在ENZ超材料中的0°～80°入射角度的大角度透波，且结构简单，可用于TE和TM极化波在ENZ超材料中有角度高效传输。

说明书

技术领域

本发明属于微波材料技术领域，涉及一种ENZ超表面夹层，可用于TE和TM极化波在介电常数趋于零(ENZ)超材料中有角度高效传输。

技术背景

介电常数趋于零ENZ超材料是一种新型人工电磁材料，具有低折射率，高相速度，近零相移，高定向性的电磁特性。基于ENZ超材料的电磁特性，能够设计出许多新型电磁器件，如ENZ超材料天线罩设计等，利用ENZ超材料的高定向性，使天线罩能有效提高天线增益。

在机载天线罩领域，往往需要天线罩能够实现不同入射角度、不同极化方式下电磁波的高效传输。然而，介电常数趋于零超材料对于横磁TM极化入射波的透波选择特性又限制了它的应用。这是因为TM极化电磁波即使很小的入射角进入ENZ超材料，也会完全反射，呈现为角度带阻现象。而横电TE极化入射波在ENZ超材料中虽然不存在这种情况，但是TE极化波在ENZ超材料中的传输效率随入射角度的增大而下降，在入射角度接近80°时传输效率低于50％。为了使不同极化电磁波在ENZ超材料中都能实现多角度的高效传输，主要是解决TM极化电磁波在ENZ超材料中无法实现的多角度传输问题，为此国内外学者进行了广泛的研究。目前的解决方法有：在ENZ超材料内部引入介质缺陷。如2014年，苏州大学徐亚东的博士论文“用超材料控制波导中电磁波的传播”说明通过调控ENZ超材料内部介质缺陷的尺寸和介电常数来控制电磁波在波导中的传播，可以实现TM极化入射波的全透或者全反射。又如2015年，苏州大学王婷婷的博士学位论文“零折射率超材料中电磁波的传播”说明ENZ超材料中引入任意形状的介电缺陷时，其对于TM模式的电磁波入射可以呈现出等效的完美磁导体的效果，此时在波导中TM极化入射波完全反射。

但是这些方法都只考虑了TM极化入射波是垂直入射的情况，没有涉及入射波有入射角度时候的情况。事实上，TM极化电磁波只能在接近垂直入射下，才能在ENZ材料中实现传输。如2009年，云南大学吴中元的硕士论文“近零材料的应用分析”中将一个无限长和宽的ENZ材料平板放置于自由空间中，激励源为TM平面波，研究表明除非入射角度为零度，否则将没有任何透射穿过ENZ超材料平板，此时ENZ超材料呈现TM波入射角度带阻特性。

但是，实际中往往需要ENZ超材料在不同极化电磁波多角度入射情况下，都能够实现高效传输，可现阶段研究表明ENZ超材料仅仅满足TE极化波的多角度传输，TM极化电磁波在ENZ超材料中只能在接近于垂直入射下进行传输，所以使ENZ超材料同时满足TE和TM两种极化波多角度的高效传输成为目前所需要解决的技术难题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于TE和TM极化波多角度透射的ENZ超表面夹层，以使ENZ超材料同时满足横电TE和横磁TM两种极化波多角度的高效传输要求。

为实现上述目的，本发明包括两个ENZ超材料基板和一个周期性互补开口谐振板，其特征在于：ENZ超材料基板与周期性互补开口谐振板等大，且周期性互补开口谐振板位于两个ENZ超材料基板之间，形成三明治夹层结构；周期性互补开口谐振板的金属面上划分有N个相互连接的周期性单元小块，每个小块上刻蚀有双C型环缝隙；两个ENZ基板与谐振板组成的夹层结构用于实现TE和TM极化电磁波在ENZ超材料中0°～80°入射角度的高效传输。

进一步，周期性互补开口谐振板的谐振频率f通过公式确定,其中L是两谐振环长度之和的平均值，ε_eff是微带介质板的等效介电常数。

进一步，所述周期性结构的金属小块的长边a＝8mm，宽边h＝8mm。

进一步，所述周期性互补开口谐振板由介质基板和金属面构成，其介质基板的厚度e为0.5mm，介电常数为2.65。

进一步，所述双C型环缝隙是将两个大小不同的C型环缝隙嵌套放置，即较小的C型环缝隙内嵌于较大的C型环缝隙内，且开口方向相反。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1.结构简单，更易于实现。

本发明通过将周期性互补开口谐振板置于两个ENZ超材料基板之间，周期性互补开口谐振板的金属面上划分有N个相互连接的小块，且每个小块上刻蚀有双C型环缝隙，与现有技术中通过调控ENZ超材料内部介质缺陷的尺寸和介电常数的结构相比，避免了大量的尝试介质缺陷的尺寸和介电常数，结构简单，更加易于实现。

2.能实现TE和TM极化电磁波的0°～80°多角度入射的高效传输。

本发明利用互补开口谐振环的强谐振特性克服了ENZ超材料在TM极化入射波下入射角度的带阻特性，实现了ENZ超材料在TE和TM极化波0°～80°的连续大范围入射角度内的高效透波，仿真表明本发明的传输系数接近100％；而现有技术只适用于TM极化电磁波接近于垂直入射情形，且TE极化电磁波大角度难以高效穿透ENZ超材料。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明中的周期性单元的主视图；

图3是TE极化电磁波在ENZ超材料中的传输曲线；

图4是TM极化电磁波在ENZ超材料中的传输曲线；

图5是本发明实施例一中TE极化电磁波在不同入射角度时的传输曲线；

图6是本发明实施例一中TM极化电磁波在入射角度0°～40°范围内的传输曲线；

图7是本发明实施例一中TM极化电磁波在入射角度50°～80°范围内的传输曲线；

图8是本发明实施例二中TE极化电磁波在不同入射角度时的传输曲线；

图9是本发明实施例二中TM极化电磁波在入射角度0°～40°范围内的传输曲线；

图10是本发明实施例二中TM极化电磁波在入射角度50°～80°范围内的传输曲线。

具体实施方式

为了使本发明的目的、解决的技术问题以及技术方案更加清晰，以下结合附图和具体实施例作进一步的描述。

参照图1和图2，本发明给出如下三种实施例：

实施例一，ENZ超材料基板厚度为t＝2mm的超表面夹层。

本实例包括两个ENZ超材料基板1和一个周期性互补开口谐振板2，周期性互补开口谐振板2决定TE和TM极化波穿透ENZ超材料的传输频率，其传输频率f通过公式确定，其中L是两谐振环长度之和的平均值，ε_eff是微带介质板的等效介电常数。其中超材料基板1厚度t为2mm，相对介电常数为0.01，损耗角正切为0，且与周期性互补开口谐振板2距离d为2mm，超材料基板1的厚度t、及其与周期性互补开口谐振板的距离d影响TE和TM极化波的传输频率与带宽。该周期性互补开口谐振板位于两个ENZ超材料基板之间，由介质基板和金属面构成，其介质基板的厚度e为0.5mm，介电常数为2.65，金属面上周期性的上划分有N个相互连接的小块3，每个金属小块3的长边a＝8mm，宽边h＝8mm，且每个小块上刻蚀有双C型环缝隙。该双C型环缝隙是将两个大小不同的C型环缝隙嵌套放置，即较小的C型环缝隙内嵌于较大的C型环缝隙内，且外侧较大的C型环缝隙开口方向向右，内侧较小的C型环缝隙开口方向向左。两个C型环缝隙的宽度g均为0.5mm，开口距离f均为2mm，且外侧较大的C型环缝隙与中心距离b为2.5mm，内侧较小的C型环缝隙与中心的距离c为1.5mm。

实施例二，ENZ超材料基板厚度t＝1mm的超表面夹层。

本实例的结构与实例一的结构相同，且如下参数保持不变：

超材料基板1的相对介电常数为0.01，损耗角正切为0；

周期性互补开口谐振板的介质基板的厚度e为0.5mm，介电常数为2.65；

金属小块3的长边a＝8mm，宽边h＝8mm；

两个C型环缝隙的宽度g均为0.5mm，开口距离f均为2mm，且外侧较大的C型环缝隙与中心距离b为2.5mm，内侧较小的C型环缝隙与中心的距离c为1.5mm。

本实例仅对如下参数进行了改变：

超材料基板1的厚度t为1mm；

超材料基板1与周期性互补开口谐振板2距离d为0mm。

实施例三，ENZ超材料基板厚度t＝1.5mm的超表面。

本实例的结构和大部分参数与实例一相同，仅对如下参数进行了改变：

超材料基板1的厚度t为1.5mm；

超材料基板1与周期性互补开口谐振板2距离d为1mm。

以下结合仿真实验结果，对本发明的技术效果作进一步详细描述。

1.仿真条件：

本发明采用CST Microwave Studio电磁仿真软件，对ENZ超材料基板以及本发明下的TE和TM极化电磁波的传输系数与入射角度的关系进行全波仿真。

2.仿真内容：

仿真1，对TE极化电磁波在现有ENZ超材料中的传输特性进行仿真，结果如图3所示。

仿真2，对TM极化电磁波在现有ENZ超材料中的传输特性进行仿真，结果如图4所示。

仿真3，对实施例一TE极化电磁波在ENZ超表面夹层中的传输特性进行仿真，结果如图5所示。

仿真4，对实施例一TM极化电磁波在ENZ超表面夹层中0°～40°入射角范围的传输特性进行仿真，结果如图6所示。

仿真5，对实施例一TM极化电磁波在ENZ超表面夹层中50°～80°入射角范围的传输特性进行仿真，结果如图7所示。

仿真6，对实施例二TE极化电磁波在ENZ超表面夹层中传输特性进行仿真，结果如图8所示。

仿真7，对实施例二TM极化在电磁波在ENZ超表面夹层中0°～40°入射角范围的传输特性进行仿真，结果如图9所示。

仿真8，对实施例二TM极化电磁波在ENZ超表面夹层中50°～80°入射角范围的传输特性进行仿真，结果如图10所示。

3.仿真结果分析：

从图3可以看出，TE极化电磁波在ENZ超材料中0°～60°连续大范围入射角度内仍能保持较为高效的透波特性，在入射角80°时只有50％左右的传输效率。

从图4可以看出，当电磁波以垂直入射至ENZ超材料基板时，其透波率达到90％以上，而当电磁波斜入射至ENZ超材料基板时，由于该材料对TM极化入射波的角度透波选择特性，使得TM极化入射波在入射角度增大时候透波特性下降很快，在入射角度20°时就已经近乎全反射了。

从图5可以看出，当TE极化电磁波在0°～80°入射角范围的传输系数都接近100％，说明本发明在TE极化入射波连续大范围入射角度内都能保持高效透波特性。

从图6可以看出，本发明中TM极化电磁波在0～40°入射角范围内电磁波的系数传输都接近100％，随入射角度的增大，传输带宽变窄。

从图7可以看出，本发明中TM极化电磁波在50～80°入射角范围内电磁波的系数传输都接近100％，随入射角度的增大，传输带宽变窄。

从图8可以看出，当TE极化电磁波在0°～80°入射角范围的传输系数都接近100％，说明本发明下TE极化入射波在连续大范围入射角度内都能保持高效透波特性。

从图9可以看出，本发明中TM极化电磁波在0～40°入射角范围内电磁波的系数传输都接近100％，随入射角度的增大，传输带宽变窄。

从图10可以看出，本发明中TM极化电磁波在50～70°入射角范围内电磁波的传输系数都接近100％，当入射角为80°时，TM极化电磁波的传输系数接近93％。随入射角度的增大，传输带宽变窄。

以上描述仅是本发明的几个具体实例，并未构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修改和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。