[发明专利]一种基于等离子体/介质多层结构的磁控功能可重构器件

说明书

本发明公开了一款基于等离子体/介质多层结构的磁控功能可重构器件，其结构包括介质层与等离子体层。其中，等离子体层包括激励用电极阵列、背部的电控磁铁(电控磁极)及其内部的惰性气体，用编程控制得到的磁化等离子体与介质层来构成多层结构，并以分形数列为规律迭代构成基于等离子体/介质多层结构。通过可编程控制阵列来控制电磁铁磁场强度的大小就能实现该器件的功能可重构，并可以实现全向反射器、极化分离器和隔离器集于一体。通过改变等离子体激励源两端电压的方式来实现对该器件功能间的切换并易实现对工作频率和带宽的调谐，且有结构紧凑、易实现芯片一体化设计和工作带宽更宽等特点。

技术领域

本发明涉及电子通信、微波器件技术以及等离子体实用技术领域，特别是一款基于等离子体/介质多层结构的磁控功能可重构器件及实现方法。

背景技术

随着信息技术的发展，射频系统在通信系统中的重要性越发显现。过去功能单一的功能性器件，如波导、反射器、滤波器和模式分离器等已经很难满足人们对通信系统的要求。随着，人们对新材料和新工艺的发现，人们对通信系统中的功能器件要求越发“严苛”，如小型化、多功能、可调谐和易集成等要求。随着现代人们集成工艺的掌握，通信系统中功能器件芯片化一体设计已经成为不可阻挡的趋势；通信系统中的微波器件工作频率范围也从几GHz向几十GHz发展，工作在毫米波甚至于THz波段的器件将在通信系统中成为普遍的显现，也是一种不可阻挡的发展趋势，这就要求在器件设计上争取获得更多的“功能”，以便实现小型化和芯片化的一体设计，即“功能可重构”器件成为了一种设计趋势，这样对于通信系统而言，既可以做到小型化又可以减轻系统的重量，还能集成实现一体化设计。另一方面，人们还希望“功能可重构”器件还能具备工作频率可重构的特性，即可调谐性；还要求实现可调谐的外部控制系统结构简单，也能便于集成。显然，传统的材料和工艺很难满足上述要求。

现有技术多半采用器件分立设计，然后级联或者集成的方式。改方式最大的缺点是各个功能性器件在切换时，不得不引入额外的控制电路和模块，这不仅增加了器件成本而且还会带来难以回避的电磁兼容问题。现有技术面临的问题还包括在工作频率上很难实现可调谐，如果要实现工作频率的可调谐，不得不增加集总原件，如：变压二极管、三极管和可变电容等。这些器件不得不额外的增加馈电电路，很难使得整个器件能够小型化和灵活的动态调控频率。现有技术还要存在着一个致命缺点就是：工作带宽较窄。很难再较宽的频带范围内实现向反射器、极化分离器和隔离器，并能够实现动态切换。

为了实现上述目标克服现有技术的缺陷，可以将等离子体引入通信系统中功能性器件的设计当中。由于等离子体在0.1GHz～1THz这样广泛的频域中都能显现类金属特性，且等离子体在外磁场的作用下能产生较为复杂的磁光效应如：Faraday和Voigt效应等，这使得由等离子体参与构成的通信系统中的功能性器件有着更为广泛的应用前景。改变等离子体的物理特性可以通过改变多种外界变量来实现，如：激励电压、外加磁场、电子温度和气体压强等。更为重要的是对于等离子体而言，当外部激励电压发生改变时不仅仅能够得到激励和非激励这两种简单的状态，其等离子体密度(等离子体频率)大小也能通过改变激励电压的大小来实现。而电磁波在通过等离子体时的电磁模式也能通过外加磁场来改变。因此，用等离子体来设计和实现通信系统中多功能器件有着非常明显的优势。

本发明就是采用外部高压以双端激励的方式电离惰性气体的方式得到等离子体，用电控磁铁来产生外加磁场实现电磁波在通过等离子体时能产生磁光Voigt效应，并以另外一种介质以一种新构建的分形数列的形式构建成多层结构来实现一种功能可重构的功能性器件。尤其可以通过动态地改变激励电压大小来实现对该全向反射器工作频率的调谐；改变电控磁场产生的磁场强度的大小不但能实现该功能可重构器件在全向反射器、模式分离器和隔离器间的切换，而且还能够实现该功能可重构器件的工作频域的可调谐性，并实现对其工作带宽的展宽。本发明给出的基于等离子体/介质多层结构的磁控功能可重构器件不但易于加工与集成，而且能够较为简易地在不同功能器件间相互切换。与常规的可调谐和功能器件相比，不但能够在实现工作频域的可调谐的同时实现功能可调谐，而且易调谐、结构紧凑、易实现芯片一体化设计和工作带宽更宽等特点。

发明内容