一種等離子體微波隔離裝置、微波隔離方法及裝置應(yīng)用的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種等離子體微波隔離裝置、利用該裝置進(jìn)行微波隔離方法及裝置應(yīng)用。本發(fā)明的裝置包括由A’(BA)N型結(jié)構(gòu)多層材料周期排列而成的一維電磁超材料，其中Ｎ為周期數(shù)。A和A’同為非線(xiàn)性等離子體層，但厚度不等，B層為與A層相匹配的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同為負(fù)值的線(xiàn)性電磁超材料層，通過(guò)調(diào)節(jié)A層的線(xiàn)性介電常數(shù)和磁導(dǎo)率、B層線(xiàn)性介電常數(shù)和磁導(dǎo)率以及A層和B層的電等離子體頻率和磁等離子體頻率實(shí)現(xiàn)對(duì)微波的隔離。本發(fā)明的裝置機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、方法易于實(shí)現(xiàn)。在實(shí)現(xiàn)對(duì)微波的單向傳播或者是微波隔離效果的同時(shí)，還具有Ｑ值較高的優(yōu)勢(shì)。本發(fā)明的裝置和方法可廣泛應(yīng)用于微波隔離領(lǐng)域，包括應(yīng)用于天線(xiàn)收發(fā)裝置中。
【專(zhuān)利說(shuō)明】—種等離子體微波隔離裝置、微波隔離方法及裝置應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于微波器件【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是一種對(duì)電磁波入射角度和極化方式不敏感的高效等離子體微波隔離裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]隔離器又稱(chēng)單向器，它是一種單向傳輸電磁波的器件，當(dāng)電磁波沿正向傳輸時(shí)，可將功率全部反饋給負(fù)載，對(duì)來(lái)自負(fù)載的反射波則產(chǎn)生較大衰減，這種單向傳輸特性可以用于隔離負(fù)載變動(dòng)對(duì)信號(hào)源的影響。2004年科學(xué)家Hojo等人研究了一維等離子體周期結(jié)構(gòu)的色散關(guān)系，并且和光子晶體的特性做了比較，定義該周期結(jié)構(gòu)為等離子體光子晶體(H.Hojo and A.Mase, "Dispersion relation ofelectromagnetic waves in one-dimensional plasma photonic crystals, "PlasmaFusion Res.，vol.80，pp.89-92，2004.)。與此同時(shí)，Sakai 也從理論上預(yù)測(cè)了 二維等離子體光子晶體的重要意義，并且完成了首次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證(0.Sakai, T.Sakaguchij andK.Tachibanaj "Verification of a plasma photonic crystal for microwavesof millimeter wavelength range using two-dimensional array of columnarmicroplasmas, "Applied Physics Letters, vol.87，2005.)。等離子體和由等離子體構(gòu)成的復(fù)合材料能表現(xiàn)出電磁超材料特性(0.Sakai and K.Tachibanaj "Plasmas asmetamaterials: a review, "Plasma Sources Science and Technology, vol.21，p.013001,2012.)0它意味著當(dāng)我們用微觀上具有一致性的復(fù)合等離子體材料代替一整塊等離子體材料時(shí)，它對(duì)電磁波來(lái)說(shuō)才是一種新穎的媒質(zhì)。比如在空間周期分布的結(jié)構(gòu)，它能夠展現(xiàn)出等離子體光子晶體的特性，又如將等離子體和固體摻雜形成復(fù)合材料。我們可以通過(guò)在固體光子晶體材料中摻雜等離子體實(shí)現(xiàn)和增強(qiáng)超材料特性的功能，它包括有外界參數(shù)控制的可變介電常數(shù)，或者是負(fù)的介電常數(shù)。這種介電常數(shù)通常需要較高的超越截止密度的電子密度來(lái)實(shí)現(xiàn)，這種密度條件下還能支持表面波的傳播。文獻(xiàn)指出等離子體超材料可以作為非線(xiàn)性材料工作。和普通材料相比，等離子體超材料的非線(xiàn)性特性將更容易實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然在入射波功率較小的前提條件下，等離子體材料的線(xiàn)性近似仍然是正確的。在一維超材料周期結(jié)構(gòu)中引入克爾非線(xiàn)性材料，并通過(guò)電磁波和非線(xiàn)性材料的相互作用可以實(shí)現(xiàn)單向傳輸電磁波的功能。但是現(xiàn)存的設(shè)計(jì)方案中，有一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以加工(G.Victor and B.Fabioj ^Bistability, multistability and non-reciprocallight propagation in Thue - Morse multilayered structures, ^New Journal ofPhysics, vol.12，p.053041，2010.L Jinj J.Zhou, M.Yang, C.Xuej and M.He，^All-opticaldiode with photonic multilayers based on asymmetric light localization，"OpticalEngineering, vol.50，pp.030503-030503，2011.);有一些雖然實(shí)現(xiàn)了較高的電磁波傳播透射比，但正向透射率較小(C.Xuej H.Jiang, and H.Chen, "Highly efficient all-opticaldiode action based on light-tunneling heterostructures,〃0ptics Express,vol.18，pp.7479-7487，2010.X.HujC.XinjZ.Li，and Q.Gong, 〃Ultrahigh_contrastall-optical diodes based on tunable surface plasmon polaritons, 〃New Journal ofPhysics, vol.12，p.023029, 2010.)，很難有廣闊的應(yīng)用前景。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的對(duì)入射波入射角度以及波的極化方向不敏感的等離子體微波隔離裝置，該裝置同時(shí)滿(mǎn)足雙穩(wěn)態(tài)激發(fā)功率相對(duì)較小、正向透射比較高的要求。
[0004]本發(fā)明公開(kāi)的一種等離子體微波隔離裝置，包括由A’(BA)N型結(jié)構(gòu)多層材料周期排列而成的一維電磁超材料，其中N為周期數(shù)；所述A和A’同為非線(xiàn)性等離子體層，但厚度不相等，B層為與A層相匹配的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同為負(fù)值的線(xiàn)性電磁超材料層。
[0005]作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述B層由兩面蝕刻金屬的電介質(zhì)材料構(gòu)成，介質(zhì)基板前表面蝕刻金屬SRR諧振環(huán),后表面蝕刻金屬條。
[0006]作為上述技術(shù)方案的更進(jìn)一步改進(jìn)，所述周期數(shù)N > 2。
[0007]利用如權(quán)利要求1至3任意一項(xiàng)所述的等離子體微波隔離裝置進(jìn)行微波隔離的方法，包括以下步驟:
[0008]I)在等離子發(fā)生器中間隔布置若干塊正反表面蝕刻金屬SRR環(huán)以及金屬條的介質(zhì)基板，啟動(dòng)等離子發(fā)生器，產(chǎn)生等離子體，形成A’(BA)N型一維電磁超材料，所述一維電磁超材料組成等離子體微波隔離裝置；
[0009]2)調(diào)節(jié)等離子發(fā)生器，包括調(diào)節(jié)放電功率和等離子體激勵(lì)電壓，控制環(huán)境溫度，使得所述A層的線(xiàn)性介電常數(shù)和磁導(dǎo)率滿(mǎn)足數(shù)學(xué)模型:
[0010]
【權(quán)利要求】
1.一種等離子體微波隔離裝置，其特征在于:包括由A’ ?々廣型結(jié)構(gòu)多層材料周期排列而成的一維電磁超材料，其中N為周期數(shù)；所述A和A’同為非線(xiàn)性等離子體層，但厚度不相等，B層為與A層相匹配的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同為負(fù)值的線(xiàn)性電磁超材料層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子體微波隔離裝置，其特征在于:所述B層由兩面蝕刻金屬的電介質(zhì)材料構(gòu)成，介質(zhì)基板前表面蝕刻金屬SRR諧振環(huán),后表面蝕刻金屬條。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的等離子體微波隔離裝置，其特征在于:所述周期數(shù)N> 2。
4.利用如權(quán)利要求1至3任意一項(xiàng)所述的等離子體微波隔離裝置進(jìn)行微波隔離的方法，其特征在于:包括以下步驟: 1)在等離子發(fā)生器中間隔布置若干塊正反表面蝕刻金屬SRR環(huán)以及金屬條的介質(zhì)基板，啟動(dòng)等離子發(fā)生器，產(chǎn)生等離子體，形成A’(BA)N型一維電磁超材料，所述一維電磁超材料組成等離子體微波隔離裝置； 2)調(diào)節(jié)等離子發(fā)生器，包括調(diào)節(jié)放電功率和等離子體激勵(lì)電壓，控制環(huán)境溫度，使得所述A層的線(xiàn)性介電常數(shù)和磁導(dǎo)率滿(mǎn)足數(shù)學(xué)模型:
5.根據(jù)權(quán)利要求5所述的微波隔離的方法，其特特征在于:所述步驟I)還包括以下過(guò)程:調(diào)整等離子發(fā)生器的電極和介質(zhì)基板數(shù)量，使得周期數(shù)N > 5。
6.將權(quán)利要求1至3任意一項(xiàng)所述的等離子體微波隔離裝置應(yīng)用于天線(xiàn)收發(fā)裝置中。
【文檔編號(hào)】H01P1/36GK103985937SQ201410116955
【公開(kāi)日】2014年8月13日 申請(qǐng)日期:2014年3月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月26日
【發(fā)明者】孔祥鯤, 劉少斌, 袁佳琳, 楊歡, 李海明, 丁國(guó)文, 卞博銳 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)