[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

本發明公開了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。本發明包括金屬曲折線和支撐柱，每一根金屬曲折線的形狀為方波形，多根金屬曲折線沿y方向周期排列構成金屬二維曲折線平面，多層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；本發明不但能夠有效降低了整體結構的損耗，同時對入射行波也擁有極高的透射率，入射角小于50°時，TM極化入射波透射率超過80％；同時，由于缺少固體填充介質，還能夠工作在一些特殊場景下，如高功率場合，以及需要電子能夠自由移動的無閾值切倫科夫輻射中；本發明不局限于微波波段，在介質損耗極高的太赫茲波段，應用該方法同樣能夠設計得到低損耗的太赫茲全金屬雙曲超材料天線。

技術領域

本發明涉及微波頻段超材料技術，具體涉及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。

背景技術

雙曲超材料是一種等頻色散線為雙曲線的人工各向異性材料。這一奇異的特性的產生是因為其對角的介電常數張量或磁導率張量中存在負的分量。本發明中，只討論應用場景更廣泛的電雙曲超材料，即其磁導率張量退化為一常數。和自然存在的各向異性材料不同，由于雙曲線的開放性，雙曲超材料可以耦合并傳輸其它材料無法支持的波矢任意大的表面波，這一優異的性質使其在亞波長分辨率成像，無閾值切倫科夫輻射，表面波天線和熱輻射操控領域具有廣泛的應用。尤其在天線領域中，雙曲超材料優異的電磁操控特性可以使其將表面波轉化為雙曲超材料中的行波并進行傳輸。然而，優異的特性也使得雙曲超材料在構造上對材料有很高的要求。

在光學和紅外領域，雙曲超材料通常是通過周期堆疊具有亞波長厚度的正介電常數和負介電常數材料來構造。所構造的雙曲超材料的介電常數分量可以通過改變組成材料的介電常數以及他們的厚度比來調節。這一特性是由于在每個正負介電常數的交界面上連續激勵表面等離激元(SPPs)形成的。然而，這一方法存在損耗高的缺點。通過把負介電常數材料換成石墨烯，可以進一步構造一種介電常數張量可調諧的低損耗雙曲超材料。這一調諧特性可以通過在石墨烯上外加電壓來實現。然而，以上所述構造方法都只適用于光學頻段。因為在微波和太赫茲波段不存在天然的負介電常數材料。

為了在微波和太赫茲波段構造雙曲超材料，研究人員根據光學領域的構造方法，提出了人工等效媒質的概念，并依此設計了介電常數可任意調諧的波導等效媒質。通過組合等效的正負波導媒質，在交界面處可以成功激勵等效表面等離激元。這一方法的提出成功的打破了超材料領域對傳統表面等離激元材料的依賴。根據這一特性，通過和光學方法一樣周期地堆疊等效正負介電常數材料，同樣可以在微波波段構造雙曲超材料。其特性和光學頻段的雙曲超材料具有很多相似的地方。這一方法降低了對材料屬性的要求，然而這種構建雙曲超材料的方法同樣需要兩種介電常數不同的材料，且對這兩種材料的介電常數有相對嚴格的要求。這一特點一定程度上增加了設計雙曲超材料的復雜度。以上所介紹的主流方法在設計雙曲超材料時各有優點，但是，由于都對構成材料有特定的要求，這些方法都無法支持設計全金屬雙曲超材料。這一問題也意味著由介質帶來的高損耗不可避免。同時，介質填充也限制了雙曲超材料在一些需要空氣介質的特定場合的應用。

發明內容

針對以上現有方法中存在的問題，本發明提出了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，具有低損耗、低成本、適用于高功率場景等優點，對于亞波長分辨率成像和表面波天線的發展和應用具有廣泛而深遠的意義。

本發明的一個目的在于提出一種微波和太赫茲波全金屬雙曲超材料天線。