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      利用有源人工介質(zhì)構(gòu)建的無(wú)需外加磁場(chǎng)的回旋介質(zhì)的制作方法

      文檔序號(hào):7156727閱讀:154來(lái)源:國(guó)知局
      專利名稱:利用有源人工介質(zhì)構(gòu)建的無(wú)需外加磁場(chǎng)的回旋介質(zhì)的制作方法
      技術(shù)領(lǐng)域
      本發(fā)明涉及一種非互易人工介質(zhì),尤其是涉及一種利用有源人工介質(zhì)構(gòu)建的無(wú)需外加磁場(chǎng)的回旋介質(zhì)。
      背景技術(shù)
      回旋介質(zhì)是一種具有非互易傳輸特性的特殊電磁介質(zhì),電磁波在其它大部分介質(zhì)中傳播時(shí),無(wú)論是各向同性、單軸介質(zhì)、手征介質(zhì),都具有傳播的對(duì)稱性,即電磁波的傳輸特性不與電磁波傳播方向是正向還是反向相關(guān),滿足互易性定理。而在回旋介質(zhì)中傳播時(shí),電磁波的傳輸不滿足非互易定理,相反方向傳播的電磁波具有極化偏轉(zhuǎn)方向不同的非互易傳輸特性。利用非互易特性可設(shè)計(jì)特殊用途的電磁器件,如環(huán)形器、隔離器等,可應(yīng)用于發(fā)射接收共用同一天線的微波通信、雷達(dá)系統(tǒng)中。傳統(tǒng)的回旋介質(zhì)一般分為兩種,一為外加磁場(chǎng)的等離子體,如地球大氣中的電離層,一為外加磁場(chǎng)的鐵磁材料,如鐵氧體。兩者都需要外加磁場(chǎng),且若使在較大回旋介質(zhì)內(nèi)實(shí)現(xiàn)相同的電磁特性,需要提供大范圍勻強(qiáng)磁場(chǎng),不易加工、攜帶。由于等離子體不易控制, 現(xiàn)有應(yīng)用多采用鐵磁材料實(shí)現(xiàn),而鐵磁材料的工作頻率較低,在4GHz以上的設(shè)計(jì)中非互易特性不明顯,因而限制了更高頻率的非互易電磁器件設(shè)計(jì)。

      發(fā)明內(nèi)容
      為了改變以往回旋介質(zhì)的實(shí)現(xiàn)方式,本發(fā)明的目的在于提供一種利用有源人工介質(zhì)構(gòu)建的無(wú)需外加磁場(chǎng)的回旋介質(zhì),通過(guò)在兩種不同極化旋轉(zhuǎn)方向的人工介質(zhì)結(jié)構(gòu)中引入具有單向傳輸特性的放大器,交錯(cuò)混合構(gòu)成有源人工介質(zhì),使線極化電磁波由正向和反向入射該有源人工介質(zhì)時(shí),途徑單向左旋結(jié)構(gòu)和單向右旋結(jié)構(gòu)放大電路出射的與原極化方向正交的兩線極化波的相位差相反,使得與直接透射的原極化出射波合成后的總的線極化出射波的極化偏轉(zhuǎn)方向相反,實(shí)現(xiàn)了回旋介質(zhì)的極化偏轉(zhuǎn)非互易傳輸特性,即回旋介質(zhì)的非互易法拉第旋轉(zhuǎn)。本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是
      本發(fā)明在兩片相互平行的前介質(zhì)板和后介質(zhì)板上分別設(shè)置成正方形排列的四組正交的偶極子;前介質(zhì)板左上和右下的兩組正交的偶極子與后介質(zhì)板相同位置的兩組偶極子分別通過(guò)放大器按順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度對(duì)應(yīng)相接,放大器方向均為以前介質(zhì)板偶極子為輸入,以后介質(zhì)板偶極子為輸出,構(gòu)成單向左旋結(jié)構(gòu);而前介質(zhì)板右上和左下的兩組正交的偶極子與后介質(zhì)板相同位置的兩組偶極子分別通過(guò)放大器按順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度對(duì)應(yīng)相接,放大器方向均為以后介質(zhì)板偶極子為輸入,以前介質(zhì)板偶極子為輸出,構(gòu)成單向右旋結(jié)構(gòu);將上述有源人工介質(zhì)單元沿上下左右方向周期延拓,整體組成無(wú)需外加磁場(chǎng)的的回旋介質(zhì)。所述的有源人工介質(zhì)單元結(jié)構(gòu),其尺度小于1/5波長(zhǎng)。所述的上下左右方向周期延拓,其延拓后的整體尺度大于3倍波長(zhǎng)。所述的放大器放大器選用Avago公司的MGA53543線性放大器芯片。
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      本發(fā)明具有的有益的效果是
      本發(fā)明借助放大器的單向傳輸特性實(shí)現(xiàn)任意線極化電磁波非互易傳輸,只需提供直流電即可產(chǎn)生回旋介質(zhì)的電磁特性,無(wú)需構(gòu)建傳統(tǒng)回旋介質(zhì)時(shí)需要外加的勻強(qiáng)磁場(chǎng),便于實(shí)現(xiàn)。通過(guò)調(diào)整外接直流電壓的大小,可控制放大器的增益,實(shí)現(xiàn)對(duì)通過(guò)該回旋介質(zhì)的線極化電磁波極化偏轉(zhuǎn)角度的控制。由于利用放大器替代傳統(tǒng)的等離子體或鐵磁材料,工作頻率的選擇限制更少,可通過(guò)調(diào)整結(jié)構(gòu)尺寸在更大頻帶范圍內(nèi)構(gòu)建回旋介質(zhì)。


      圖1是本發(fā)明的單元結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是圖1的單向左旋結(jié)構(gòu)不同極化分解示意圖。圖3是圖1的單向右旋結(jié)構(gòu)不同極化分解示意圖。圖4是普通旋轉(zhuǎn)介質(zhì)極化偏轉(zhuǎn)示意圖。圖5是回旋介質(zhì)極化偏轉(zhuǎn)示意圖。圖6是放大器電路方案示意圖。圖中1、前介質(zhì)板,2、后介質(zhì)板,3、放大器,4、放大器方向,5、單向左旋結(jié)構(gòu),6、單向右旋結(jié)構(gòu)。
      具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。如圖1所示,本發(fā)明是在兩片相互平行的前介質(zhì)板1和后介質(zhì)板2上分別設(shè)置成正方形排列的四組正交的偶極子;前介質(zhì)板1左上和右下的兩組正交的偶極子與后介質(zhì)板 2相同位置的兩組偶極子分別通過(guò)放大器3按順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度對(duì)應(yīng)相接,放大器方向4均為以前介質(zhì)板偶極子為輸入,以后介質(zhì)板偶極子為輸出,構(gòu)成單向左旋結(jié)構(gòu)5;而前介質(zhì)板 1右上和左下的兩組正交的偶極子與后介質(zhì)板2相同位置的兩組偶極子分別通過(guò)放大器3 按順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度對(duì)應(yīng)相接,放大器方向4均為以后介質(zhì)板偶極子為輸入,以前介質(zhì)板偶極子為輸出,構(gòu)成單向右旋結(jié)構(gòu)6 ;將上述有源人工介質(zhì)單元沿上下左右方向周期延拓,整體組成無(wú)需外加磁場(chǎng)的的回旋介質(zhì)。所述的有源人工介質(zhì)單元結(jié)構(gòu),其尺度小于1/5波長(zhǎng)。所述的上下左右方向周期延拓,其延拓后的整體尺度大于3倍波長(zhǎng)。所述的放大器3放大器選用Avago公司的MGA53543線性放大器芯片。圖2是圖1的單向左旋結(jié)構(gòu)不同極化分解示意圖,圖2左邊第一幅圖用于將垂直極化的電場(chǎng)左旋90度,圖2第二幅用于將水平極化的電場(chǎng)左旋90度,將這兩個(gè)結(jié)構(gòu)合并則構(gòu)成了圖2第三幅圖的單向左旋結(jié)構(gòu)5,同時(shí)實(shí)現(xiàn)了各個(gè)方向極化電場(chǎng)左旋90的效果。圖 3是圖1的單向右旋結(jié)構(gòu)不同極化分解示意圖,圖3左邊第一幅圖用于將垂直極化的電場(chǎng)右旋90度,圖3第二幅用于將水平極化的電場(chǎng)又旋90度,將這兩個(gè)結(jié)構(gòu)合并則構(gòu)成了圖3第三幅圖的單向右旋結(jié)構(gòu)6,同時(shí)實(shí)現(xiàn)了各個(gè)方向極化電場(chǎng)右旋90的效果。為了制造這種利用有源人工介質(zhì)構(gòu)建的無(wú)需外加磁場(chǎng)的回旋介質(zhì),在前后兩片相互平行的介質(zhì)板上分別印刷成正方形排列的四組正交的偶極子;前介質(zhì)板上左上和右下的兩組正交的偶極子與后介質(zhì)板上相同位置的兩組偶極子分別通過(guò)放大器按順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度對(duì)應(yīng)相接,放大器方向均為以前介質(zhì)板偶極子為輸入,以后介質(zhì)板偶極子為輸出,構(gòu)成單向左旋結(jié)構(gòu);而前介質(zhì)板上右上和左下的兩組正交的偶極子與后介質(zhì)板上相同位置的兩組偶極子分別通過(guò)放大器按順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度對(duì)應(yīng)相接,放大器方向均為以后介質(zhì)板偶極子為輸入,以前介質(zhì)板偶極子為輸出,構(gòu)成單向右旋結(jié)構(gòu);將上述有源人工介質(zhì)單元結(jié)構(gòu)沿上下左右方向周期延拓,整體組成具有非互易傳輸特性的回旋介質(zhì)。如圖4所示為普通旋轉(zhuǎn)介質(zhì)如手征介質(zhì),如圖5所示為與回旋介質(zhì)的極化偏轉(zhuǎn)示意圖。極化方向?yàn)?度的線極化電磁波正向通過(guò)普通旋轉(zhuǎn)介質(zhì)和回旋介質(zhì)兩介質(zhì)后,極化方向均順時(shí)針偏轉(zhuǎn)至45度。當(dāng)極化方向?yàn)?5度的線極化電磁波反向通過(guò)兩介質(zhì)后,通過(guò)普通旋轉(zhuǎn)介質(zhì)的電磁波極化方向順時(shí)針偏轉(zhuǎn)了 45度,回到0度,滿足互易定理,而通過(guò)回旋介質(zhì)的電磁波極化方向逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)了 45度,極化方向變?yōu)?0度,為非互易傳輸特性。該利用有源人工介質(zhì)構(gòu)建的無(wú)需外加磁場(chǎng)的回旋介質(zhì)即可滿足回旋介質(zhì)的極化偏轉(zhuǎn)非互易傳輸特性。當(dāng)線極化電磁波由前至后入射時(shí),部分能量被單向左旋結(jié)構(gòu)在前介質(zhì)板上的偶極子吸收,途徑單向左旋結(jié)構(gòu)的放大電路,左旋90度后由后介質(zhì)板上偶極子出射,部分能量被單向右旋結(jié)構(gòu)在后介質(zhì)板上的偶極子吸收,途徑單向右旋結(jié)構(gòu)的放大電路,右旋90度后由前介質(zhì)板上偶極子出射,相位較左旋出射波有兩倍的空間傳播相位延遲,其余能量未耦合入偶極子,直接透射。途徑單向左旋結(jié)構(gòu)出射的左旋90度出射波與途徑單向右旋結(jié)構(gòu)出射的右旋90度出射波相疊加為與原極化方向正交的線極化波,通過(guò)調(diào)整外接直流電壓,可使得直接透射的原極化出射波與該旋轉(zhuǎn)后疊加的正交線極化波相位相同,合成為線極化波出射,合成后的線極化出射波的極化方向較原極化方向偏轉(zhuǎn)了一定角度。而當(dāng)線極化電磁波由后至前入射時(shí),由于此時(shí)左旋出射波較右旋出射波有兩倍的空間傳播相位延遲,與由前至后入射時(shí)相反,在相同的外接直流電壓下,直接透射的原極化出射波與旋轉(zhuǎn)后疊加的正交線極化波相位相差180度,合成為線極化波出射,合成后的線極化出射波的極化方向較原極化方向反向偏轉(zhuǎn)了相同的角度。因此,通過(guò)在兩種不同極化旋轉(zhuǎn)方向的人工介質(zhì)結(jié)構(gòu)中引入具有單向傳輸特性的放大器,交錯(cuò)混合構(gòu)成有源人工介質(zhì),使線極化電磁波由正向和反向入射該有源人工介質(zhì)時(shí),途徑單向左旋結(jié)構(gòu)和單向右旋結(jié)構(gòu)放大電路出射的與原極化方向正交的兩線極化波的相位差相反,使得與直接透射的原極化出射波合成后的總的線極化出射波的極化偏轉(zhuǎn)方向相反,實(shí)現(xiàn)了回旋介質(zhì)的極化偏轉(zhuǎn)非互易傳輸特性,即回旋介質(zhì)的非互易法拉第旋轉(zhuǎn)。該利用有源人工介質(zhì)構(gòu)建的無(wú)需外加磁場(chǎng)的回旋介質(zhì)可應(yīng)用于微波波段,通過(guò)改進(jìn)放大器減小其所占體積后可工作在更高的波段,各部分尺寸根據(jù)工作波長(zhǎng)不同而等比例縮放,并通過(guò)細(xì)微調(diào)整即可完成設(shè)計(jì)。其結(jié)構(gòu)尺寸要求為有源人工介質(zhì)單元結(jié)構(gòu)尺度小于 1/5波長(zhǎng),周期延拓后的整體尺度大于3倍波長(zhǎng)。單元結(jié)構(gòu)相對(duì)電磁波波長(zhǎng)越小,回旋介質(zhì)的均勻性越好,但偶極子與放大器的工作效率越低,一般在滿足最低均勻性要求下,單元結(jié)構(gòu)尺度在1/5到1/10波長(zhǎng)間即可。周期延拓后的整體尺度越大,出射的電磁波越接近平面波,以滿足平面波入射時(shí)可實(shí)現(xiàn)平面波出射,而越大越不便于攜帶及應(yīng)用設(shè)計(jì),一般尺度略大于3倍波長(zhǎng)即可。圖6為工作在900MHz的回旋介質(zhì)的放大器電路圖,放大器選用Avago公司的 MGA53543線性放大器芯片。圖中C1、C2為直流電源去耦電容,Ll為直流電源的隔交電感,L2用于偶極子和放大器的阻抗匹配。Cl=IOnF, C2=100pF, Ll=L2=27nH。該回旋介質(zhì)優(yōu)化后的單元結(jié)構(gòu)尺寸為60mm*60mm*30mm,前后介質(zhì)板選用Imm厚FR4基板,前后介質(zhì)板上偶極子通過(guò)放大器電路所在Imm FR4電路板連接,偶極子長(zhǎng)度為28. 5mm,偶極子中心間隙為 0. 5mm。當(dāng)外加電壓為0. 8V時(shí),線極化波通過(guò)該回旋介質(zhì)后的極化偏轉(zhuǎn)角為15度。
      權(quán)利要求
      1.一種利用有源人工介質(zhì)單元構(gòu)成的無(wú)需外加磁場(chǎng)的回旋介質(zhì),其特征在于在兩片相互平行的前介質(zhì)板(1)和后介質(zhì)板( 上分別設(shè)置成正方形排列的四組正交的偶極子; 前介質(zhì)板(1)左上和右下的兩組正交的偶極子與后介質(zhì)板( 相同位置的兩組偶極子分別通過(guò)放大器C3)按順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度對(duì)應(yīng)相接,放大器方向(4)均為以前介質(zhì)板偶極子為輸入,以后介質(zhì)板偶極子為輸出,構(gòu)成單向左旋結(jié)構(gòu)(5);而前介質(zhì)板(1)右上和左下的兩組正交的偶極子與后介質(zhì)板( 相同位置的兩組偶極子分別通過(guò)放大器C3)按順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90 度對(duì)應(yīng)相接,放大器方向(4)均為以后介質(zhì)板偶極子為輸入,以前介質(zhì)板偶極子為輸出,構(gòu)成單向右旋結(jié)構(gòu)(6);將上述有源人工介質(zhì)單元沿上下左右方向周期延拓,整體組成無(wú)需外加磁場(chǎng)的的回旋介質(zhì)。
      2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用有源人工介質(zhì)單元構(gòu)成的無(wú)需外加磁場(chǎng)的回旋介質(zhì),其特征在于所述的有源人工介質(zhì)單元結(jié)構(gòu),其尺度小于1/5波長(zhǎng)。
      3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用有源人工介質(zhì)單元構(gòu)成的無(wú)需外加磁場(chǎng)的回旋介質(zhì),其特征在于所述的上下左右方向周期延拓,其延拓后的整體尺度大于3倍波長(zhǎng)。
      4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用有源人工介質(zhì)單元構(gòu)成的無(wú)需外加磁場(chǎng)的回旋介質(zhì),其特征在于所述的放大器(3)放大器選用Avago公司的MGA53543線性放大器芯片。
      全文摘要
      本發(fā)明公開(kāi)了一種利用有源人工介質(zhì)單元構(gòu)成的無(wú)需外加磁場(chǎng)的回旋介質(zhì)。在相互平行的前后介質(zhì)板上分別設(shè)置成正方形排列的四組正交的偶極子;前后介質(zhì)板相同位置的左上和右下兩組偶極子分別通過(guò)放大器按順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度對(duì)應(yīng)相接,放大器方向以前介質(zhì)板偶極子為輸入,以后介質(zhì)板偶極子為輸出,構(gòu)成單向左旋結(jié)構(gòu);而前后介質(zhì)板相同位置的右上和左下的兩組偶極子分別通過(guò)放大器按順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度對(duì)應(yīng)相接,放大器方向以后介質(zhì)板偶極子為輸入,以前介質(zhì)板偶極子為輸出,構(gòu)成單向右旋結(jié)構(gòu);將上述結(jié)構(gòu)向外周期延拓,整體組成具有非互易傳輸特性的回旋介質(zhì)。本發(fā)明借助放大器的單向傳輸特性實(shí)現(xiàn)任意線極化電磁波非互易傳輸,只需提供直流電即可工作。
      文檔編號(hào)H01P1/32GK102427157SQ20111023233
      公開(kāi)日2012年4月25日 申請(qǐng)日期2011年8月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月15日
      發(fā)明者冉立新, 張斌, 王志宇, 王靜雨, 皇甫江濤 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)
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