[發明專利]一種微波和太赫茲波全金屬雙曲超材料天線及其實現方法

有效

• 申請號: 202011508392.4
• 申請日: 2020-12-18
• 公開（公告）號: CN112542685B
• 公開（公告）日: 2021-11-02
• 發明（設計）人: 殷立征;韓豐遠;王藝東;趙瑾;杜朝海;劉濮鯤
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: H01Q1/36
• 分類號: H01Q1/36
• 代理公司: 北京萬象新悅知識產權代理有限公司 11360
• 代理人: 王巖

1.一種微波和太赫茲波全金屬雙曲超材料天線，其特征在于，所述全金屬雙曲超材料天線包括：金屬曲折線和支撐柱；其中，金屬曲折線所在的平面為yz平面，所在平面的法線位于x方向，每一根金屬曲折線的形狀為方波形，由多個相同的方形單元沿z方向周期排布構成，每個單元在z方向上的長度即單元周期為p_z，單元周期數為m_z，厚度為t，寬度為w，在y方向的高度為b；多根相同且位于同一平面的金屬曲折線沿y方向周期排列，構成金屬二維曲折線平面，y方向上相鄰兩根金屬曲折線之間的距離即金屬線周期為p_y，金屬線周期數為m_y；每一層金屬二維曲折線平面的兩側設置一根支撐柱，固定支撐金屬曲折線，支撐柱平行于y方向；多層相同且互相平行的金屬二維曲折線平面沿x方向周期性排列，構成全金屬雙曲超材料天線，相鄰兩層金屬二維曲折線平面之間的距離即平面周期為d，相鄰兩層金屬二維曲折線平面之間的空氣介質的厚度為d，平面周期數為m_x；當滿足min(m_x，m_y，m_z)5時，在三個維度上的單元周期數m_x、金屬線周期數m_y和平面周期數m_z的大小只影響所構建全金屬雙曲超材料天線的尺寸，并不會影響全金屬雙曲超材料天線的功能；金屬二維曲折線平面為支持表面波傳輸的慢波器件，具有有效電導率σ_e，所構成的全金屬雙曲超材料天線是一個均勻的各項異性媒質，對角介電常數張量的分量與有效電導率σ_e和相對介電常數ε_r有關，減小平面周期d或增大寬度w、高度b、單元周期p_z和金屬線周期p_y都能夠有效減小ε_e，ε_e為全金屬雙曲超材料天線的對角介電常數張量中的負數分量，ε_e＝ε_r–jσ_e/ωε₀d，大小由空氣介質的介電常數，金屬二維曲折線平面的有效電導率，工作頻率和金屬曲折線間距決定，因此對于空氣介質，通過改變金屬二維曲折線平面的有效電導率來調節對角介電常數張量的分量，從而成為雙曲超材料；微波段或太赫茲波段的具有橫向波矢的表面波即TM表面波沿金屬二維曲折線平面的法向入射到金屬二維曲折線平面上時，受到金屬二維曲折線平面共振增強效應而幅度增大，在穿過距離為d的空氣介質時發生衰減，這種共振增強與衰減效應在一個金屬二維曲折線平面和空氣介質周期內互相抵消，表面波繼續沿x方向傳播，這一連續的表面波激勵過程使表面波能夠在全金屬雙曲超材料天線內轉化為行波，從而平穩的從入射面傳輸到出射面；同時，支撐柱沿y方向豎直放置，與入射的表面波極化方向垂直，表面波不會在支撐柱表面激勵起表面電流，有效避免支撐柱對表面波的影響，從而實現橫向波矢的電磁波有效傳輸；傳輸常數任意大的微波段或太赫茲波段的TM表面波入射至全金屬雙曲超材料天線，轉化為行波進行傳輸，最終輻射出去。

2.如權利要求1所述的全金屬雙曲超材料天線，其特征在于，所述金屬曲折線的方波的占空比為1。

3.如權利要求1所述的全金屬雙曲超材料天線，其特征在于，所述支撐柱采用陶瓷或金屬。

4.如權利要求3所述的全金屬雙曲超材料天線，其特征在于，還包括水平方向的支撐柱，四個水平即x方向的支撐柱支撐y方向即豎直方向的支撐柱，在每一對豎直方向的支撐柱頂端和底端各設置一個水平方向的支撐柱，采用金屬做支撐柱時，入射的表面波需要避免照射到水平方向的支撐柱上面。