CN101431171A - 基于人工电磁材料的极化转换方法及极化转换器 - Google Patents

Abstract

一种基于人工电磁材料的极化转换方法：通过设计人工电磁材料的结构，控制电磁波在构成极化转换器的人工电磁材料中传播，使其在垂直于波传播方向的平面里，不同方向的电场的透射系数的关系，达到从一种入射波极化状态到另一种出射波极化状态的转换，所满足的透射系数关系是：若定义电磁波传播的方向为三维直角坐标系的x轴，将电场

分解为相互垂直的两个电场分量E_y和E_z，使

，这两个方向的电场通过构成极化转换器的材料的透射系数T^y和T^z满足：1)对于将任意极化状态的入射波转换为线极化出射波的情况，|T^y|\|T^z|＝p|E_z|\|E_y|；ang(T^y)－ang(T^z)＝±nπ－[ang(E_y)－ang(E_z)]；其中n＝0，1，2，…，p为出射波线极化方向与z轴夹角θ的正切值，0≤p≤1，ang(T^y)和ang(T^z)表示T^y和T^z的相对相位，ang(E_y)和ang(E_z)表示E_y和E_z的相对相位。本发明具有成本低、损耗低、效率高、结构紧凑的优点。

Description

基于人工电磁材料的极化转换方法及极化转换器

技术领域

本发明涉及一种基于人工电磁材料实现极化转换的方法，以及一种利基于人工电磁材料实现的极化转换器。

背景技术

电磁波与光的极化状态在液晶显示、射频天线及各种辐射器件、卫星天线与光学器件等方面有广泛的应用。传统的极化转换方法和器件通常限制一种极化波透射，将不需要的极化波反射；或者将波分为两束具有不同极化状态的波束，因此一种极化波只能携带不到一半的能量，并且工艺要求和成本高。此外，利用截面渐变的波导可以实现圆极化波与线极化波之间的转换。用来实现极化转换。前者具有较大的能量损耗，后者能量损耗小但所要得到极化隔离度好的出射波对加工精度要求相当高，实现难度较大。

在各种天线及微波与光学的仪器设备中，经常需要实现不同极化状态之间的转换，以获得某种单极化波或双极化波。极化转换主要关注以下几个方面的指标：

1)高性能。转换后的极化波应具有较高的极化隔离度，接近所需要的极化状态。

2)低损耗。具有较高的能量转换效率，以实现节能降耗的目标。

3)尺寸小。不占用过多空间。

此外，极化转换方法应易于实现，设计不应太复杂，器件成本不应过高。

人工电磁材料以亚波长的谐振或者非谐振周期性人工电磁材料结构单元构成，可以提供各种普通材料具有和不具有的材料特性。对应于工作频率或频段，结构单元大小一般为1/10～1/5个波长，在微波段由介质基板和基板上的金属图案构成。人工电磁材料结构单元对外加电场和/或磁场具有电响应和/或磁响应，从而具有表现出等效介电常数和/或等效磁导率，或者等效折射率和波阻抗。人工电磁材料结构单元的等效介电常数和等效磁导率(或等效折射率和波阻抗)由单元几何尺寸参数决定，可人为设计和控制。人工电磁材料可以具有人为设计的各向异性的媒质参数，从而产生许多新奇的现象，为实现极化转换提供了可能。

发明内容

技术问题：本发明的目的在于实现一种成本低、效率高、功能多样、便于设计和控制的基于人工电磁材料的极化转换方法及极化转换器。

技术方案：

本发明所述的一种基于人工电磁材料的极化转换方法是：

通过设计人工电磁材料的结构，控制电磁波在构成极化转换器的人工电磁材料中传播，使其在垂直于波传播方向的平面里，不同方向的电场的透射系数的关系，达到从一种入射波极化状态到另一种出射波极化状态的转换，所满足的透射系数关系是：若定义电磁波传播的方向为三维直角坐标系的x轴，将电场E分解为相互垂直的两个电场分量E_y和E_z，使 $\stackrel{\‾}{E}=\hat{y}{E}_y+\hat{z}{E}_z,$ 这两个方向的电场通过构成极化转换器的材料的透射系数T^y和T^z满足：

1)对于将任意极化状态的入射波转换为线极化出射波的情况，

|T^y|\|T^z|＝p|E_z|\|E_y|

ang(T^y)-ang(T^z)＝±nπ-[ang(E_y)-ang(E_z)]

其中n＝0，1，2，…，p为出射波线极化方向与z轴夹角θ的正切值，0≤p≤1，ang(T^y)和ang(T^z)表示T^y和T^z的相对相位，ang(E_y)和ang(E_z)表示E_y和E_z的相对相位；

2)对于将任意极化状态的入射波转换为椭圆极化出射波的情况，该情况下定义y轴和z轴使椭圆为极化椭圆为正椭圆，

|T^y|\|T^z|＝p|E_z|\|E_y|

$\mathrm{ang}\left(T^y\right)-\mathrm{ang}\left(T^z\right)=\±\frac{\mathrm{n\π}}{2}-[\mathrm{ang}\left(E_y\right)-\mathrm{ang}\left(E_z\right)]$

其中n＝1，2，…，p为出射波极化椭圆的y方向的轴长与z方向的轴长之比，ang(T^y)和ang(T^z)表示T^y和T^z的相对相位，ang(E_y)和ang(E_z)表示E_y和E_z的相对相位。

本发明所述的一种基于人工电磁材料的极化转换器是：

由单元结构为电耦合电容电感谐振环的人工电磁材料构成，电耦合电容电感谐振环是具有电谐振性质的开口金属环状结构，附着在介质基板上，电耦合电容电感谐振环在x方向，y方向和z方向成周期排布，在x方向周期单元数为2，其构成的极化转换器使电磁波在线极化与圆极化之间转换。

本发明所述的另一种基于人工电磁材料的极化转换器是：

由单元结构为电耦合电容电感谐振环的人工电磁材料构成，电耦合电容电感谐振环是具有电谐振性质的开口金属环状结构，附着在介质基板上，电耦合电容电感谐振环在x方向，y方向和z方向成周期排布，在x方向周期单元数为4，其构成的极化转换器使线极化入射波转换为与之呈交叉极化的另一种线极化出射波。

本发明涉及，通过设计构成极化转换器的人工电磁材料的几何尺寸，使其具有各向异性的透射系数T^y和T^z，将具有一种极化状态的入射波转化为具有另一种极化状态的出射波；以及由该方法设计的人工电磁材料构成的线极化转圆极化的极化转换器和线极化转线极化的极化转换器。

线极化转圆极化的极化转换器由单元结构为电耦合电容电感谐振环的人工电磁材料构成，电耦合电容电感谐振环是具有电谐振性质的开口金属环状结构，附着在介质基板上，在x方向，y方向和z方向成周期排布，在x方向周期单元数为2。

线极化转线极化的极化转换器由单元结构为电耦合电容电感谐振环的人工电磁材料构成，电耦合电容电感谐振环是具有电谐振性质的开口金属环状结构，附着在介质基板上，在x方向，y方向和z方向成周期排布，在x方向周期单元数为4。该极化转换器使线极化入射波转换为与之呈交叉极化的另一种线极化出射波。

有益效果：与现有发明相比，本发明具有以下优点

1.本发明提出的基于人工电磁材料的极化转换方法实现极化转换的设计灵活，使用与各种不同功能需要的极化转换。

2.本发明提出的基于人工电磁材料的极化转换器具有反射小，损耗低，能量转换效率高的特征；并且在波传播的方向上尺寸紧凑；极化转换器的加工基于成熟的PCB工艺，因此容易实现，控制精准，成本低。

附图说明

本发明由以下几个图例说明。

图1是一个平板型极化转换器的原理示意图。

图2是构成极化转换器的人工电磁材料的单元结构示意图。

图3是线极化波到圆极化波的极化转换器的示意图。

图4是线极化波到圆极化波的极化转换器透射系数随频率变化的曲线，其中，(a)是透射系数幅度随频率变化的曲线，(b)是透射系数相位随频率变化的曲线。

图5是线极化波到线极化波的极化转换器的示意图。

图6是线极化波到线极化波的极化转换器透射系数的幅度随频率变化的曲线。

具体实施方式

实施例1

本发明所述的一种基于人工电磁材料的极化转换方法是：

通过设计人工电磁材料的结构，控制电磁波在构成极化转换器的人工电磁材料中传播，使其在垂直于波传播方向的平面里，不同方向的电场的透射系数的关系，达到从一种入射波极化状态到另一种出射波极化状态的转换，所满足的透射系数关系是：若定义电磁波传播的方向为三维直角坐标系的x轴，将电场E分解为相互垂直的两个电场分量E_y和E_z，使 $\stackrel{\‾}{E}=\hat{y}{E}_y+\hat{z}{E}_z,$ 这两个方向的电场通过构成极化转换器的材料的透射系数T^y和T^z满足：

1)对于将任意极化状态的入射波转换为线极化出射波的情况，

|T^y|\|T^z|＝p|E_z|\|E_y|

ang(T^y)-ang(T^z)＝±nπ-[ang(E_y)-ang(E_z)]

其中n＝0，1，2，…，p为出射波线极化方向与z轴夹角θ的正切值，0≤p≤1，ang(T^y)和ang(T^z)表示T^y和T^z的相对相位，ang(E_y)和ang(E_z)表示E_y和E_z的相对相位；

2)对于将任意极化状态的入射波转换为椭圆极化出射波的情况，该情况下定义y轴和z轴使椭圆为极化椭圆为正椭圆，

|T^y|\|T^z|＝p|E_z|\|E_y|

$\mathrm{ang}\left(T^y\right)-\mathrm{ang}\left(T^z\right)=\±\frac{\mathrm{n\π}}{2}-[\mathrm{ang}\left(E_y\right)-\mathrm{ang}\left(E_z\right)]$

其中n＝1，2，…，p为出射波极化椭圆的y方向的轴长与z方向的轴长之比，ang(T^y)和ang(T^z)表示T^y和T^z的相对相位，ang(E_y)和ang(E_z)表示E_y和E_z的相对相位。

实施例2

本发明所述的一种基于人工电磁材料的极化转换器是：

由单元结构为电耦合电容电感谐振环的人工电磁材料构成，电耦合电容电感谐振环是具有电谐振性质的开口金属环状结构，附着在介质基板上，电耦合电容电感谐振环在x方向，y方向和z方向成周期排布，在x方向周期单元数为2，其构成的极化转换器使电磁波在线极化与圆极化之间转换。

实施例3

本发明所述的另一种基于人工电磁材料的极化转换器是：

由单元结构为电耦合电容电感谐振环的人工电磁材料构成，电耦合电容电感谐振环是具有电谐振性质的开口金属环状结构，附着在介质基板上，电耦合电容电感谐振环在x方向，y方向和z方向成周期排布，在x方向周期单元数为4，其构成的极化转换器使线极化入射波转换为与之呈交叉极化的另一种线极化出射波。

下面参照附图，对本发明的具体实施方案作一详细描述：

本发明的一种基于人工电磁材料的极化转换方法，含有以下几个步骤：

1)选择人工电磁材料的单元结构类型。

2)扫描人工电磁材料的几何尺寸参数，利用数值仿真软件(Ansoft HFSS^TM或CST Microwave 

)建立单元结构模型，进行仿真。

3)定义电磁波传播的方向为三维直角坐标系的x轴，见图1示意的一个平板型极化转换器将入射线极化波转换为出射椭圆极化波的例子。对于给定的入射波电场E 11，将其分解为相互垂直的两个电场分量E_y 12和E_z 13，使 $\stackrel{\‾}{E}=\hat{y}{E}_y+\hat{z}{E}_z,$ y轴和z轴的定义可以根据需要调整。y方向和z方向上电场通过构成极化转换器的材料的透射系数为T^y和T^z。根据仿真结果计算不同层数周期的人工电磁材料的透射系数T^y和T^z。

4)根据所需要的出射波极化状态，判断透射系数T^y和T^z是否满足以下条件：

a)要求出射波为线极化时，

|T^y|\|T^z|＝p|E_z|\|E_y|         (1)

ang(T^y)-ang(T^z)＝±nπ-[ang(E_y)-ang(E_z)]    (2)

其中n＝0，1，2，…，p为出射波线极化方向与z轴夹角θ的正切值，0≤p≤1，ang(T^y)和ang(T^z)表示T^y和T^z的相对相位，ang(E_y)和ang(E_z)表示E_y和E_z的相对相位；

b)要求出射波的情况为椭圆极化时，该情况下定义y轴和z轴使椭圆为极化椭圆为正椭圆，

|T^y|\|T^z|＝p|E_z|\|E_y|      (3)

$\mathrm{ang}\left(T^y\right)-\mathrm{ang}\left(T^z\right)=\±\frac{\mathrm{n\π}}{2}-[\mathrm{ang}\left(E_y\right)-\mathrm{ang}\left(E_z\right)]---\left(4\right)$

其中n＝1，2，…，p为出射波极化椭圆的y方向的轴长与z方向的轴长之比，ang(T^y)和ang(T^z)表示T^y和T^z的相对相位，ang(E_y)和ang(E_z)表示E_y和E_z的相对相位。

当透射系数T_y和T_z满足上述条件，则采用对应的人工电磁材料单元结构、几何参数以及周期层数，完成极化转换器15的设计，使得出射波的极化状态14达到设计要求。

构成极化转换器的人工电磁材料，具有各向异性的介电常数和/或等效磁导率，表现出各向异性的等效折射率和波阻抗，特别是在垂直于波传播方向的平面里。从而满足各向异性的电场透射系数所要满足的关系。人工电磁材料，以亚波长的谐振或者非谐振周期性人工电磁材料结构单元构成。对应于工作频率或频段，结构单元大小一般为1/10～1/5个波长。人工电磁材料结构单元对外加电场和/或磁场具有各向异性的电响应和/或磁响应，从而具有各向异性等效介电常数和/或等效磁导率，表现出各向异性的等效折射率。人工电磁材料结构单元的等效介电常数和等效磁导率由单元几何尺寸参数决定，因此可以人为设计和控制。

能够用来实现极化转换器的各向异性人工电磁材料结构单元，主要由介质基板与附着在介质基板上的一定“图案”的金属构成。常用的几个人工电磁材料结构单元包括：a)双开口的电耦合电容电感谐振环结构(electric-LC resonator，简称ELC)，由图2中所示的金属开口环状结构21附着在介质基板22上，对竖直方向的电场有电响应，可以产生各向异性的等效介电常数和等效折射；b)单开口的电耦合谐振环结构，对竖直方向的电场有电响应，可以产生各向异性的等效介电常数和等效折射率；c)闭合环结构(ring)，对竖直和水平方向的电场均有电响应，，可以产生各向异性的等效介电常数和等效折射率；d)I-型结构(I-shape)，对竖直方向的电场有电响应，可以产生各向异性的等效介电常数和等效折射率；e)开口谐振环(split ring resonator，简称SRR)，对垂直穿过环的磁场有磁响应，可以产生各向异性的等效磁导率和等效折射率。除此之外还有多种人工电磁材料结构单元示例，不一一列举。

在三维直角坐标系下，人工电磁材料结构单元呈周期分布。构成的极化转换器，在电磁波传播方向上周期单元数较少，尺寸紧凑。在另外两个方向上，周期单元数根据实际需要决定。

图3示意了一种将线极化波转换为圆极化波的极化转换器，其特征是，由在y方向和z方向成周期排布的金属电耦合电容电感谐振环31，附着在介质基板32上，在x方向有2层。y轴与线极化入射波电场的夹角为45度，因此|E_y|＝|E_z|，ang(E_y)＝ang(E_z)。通过设计电耦合谐振环的大小、弯角等几何尺寸达到所需要的透射系数，实现线极化波到圆极化波的转换。图4给出了透射系数的频率变化曲线，在10GHz，|T^y|＝|T^z|，ang(T^y)-ang(T^z)＝-3π/2。因而满足公式(3)和(4)，(其中p＝1)，出射波是圆极化波。且|T^y|＝|T^z|＝-0.4dB，能量损耗很小。

当入射波为圆极化波时，|E_y|＝|E_z|，ang(E_y)-ang(E_z)＝π/2。图3中所示的两层双开口电耦合谐振环阵列构成的极化转换器在10GHz透射具有|T^y|＝|T^z|，ang(T^y)-ang(T^z)＝-3π/2。因此满足公式(1)和(2).圆极化波被转换为与y轴的夹角为45度的线极化波，如图5所示。转换同样具有很小的能量损耗。

图5示意了一种将线极化波转换为与之呈交叉极化的线极化波的极化转换器，其特征是，由在y方向和z方向成周期排布的金属电耦合电容电感谐振环31，附着在介质基板32上，在x方向有4层。用传统方法，交叉极化的极化状态之间最难转换，转换后的能量损耗也最大。y轴与线极化入射波电场的夹角为45度，因而|E_y|＝|E_z|，ang(E_y)＝ang(E_z)。通过设计电耦合谐振环的大小、弯角等几何尺寸使得透射系数满足|T^y|＝|T^z|，ang(T^y)-ang(T^z)＝-3π，实现线极化波到圆极化波的转换。图7给出了传输系数的频率变化曲线，其中T₁是从入射的线极化状态到出射的与之呈交叉极化的线极化状态的传输系数，T₂是从入射的线极化状态到出射的与相同的线极化状态的传输系数。从图中可以看到，从9.6GHz到9.65GHz的频率范围中，T₁<1dB，绝大部分能量从入射的线极化状态转化到到出射的与之呈交叉极化的线极化状态，能量损耗小于1dB。T₂<-30dB，出射线极化波具有非常高的极化隔离度。

Claims (3)

1.一种基于人工电磁材料的极化转换方法，其特征在于：

通过设计人工电磁材料的结构，控制电磁波在构成极化转换器的人工电磁材料中传播，使其在垂直于波传播方向的平面里，不同方向的电场的透射系数的关系，达到从一种入射波极化状态到另一种出射波极化状态的转换，所满足的透射系数关系是：若定义电磁波传播的方向为三维直角坐标系的x轴，将电场E分解为相互垂直的两个电场分量E_y和E_z， $\stackrel{\&OverBar;}{E}=\hat{y}{E}_y+\hat{z}{E}_z$ ，这两个方向的电场通过构成极化转换器的材料的透射系数T^y和T^z满足：

1)对于将任意极化状态的入射波转换为线极化出射波的情况，

|T^y|\|T^z|＝p|E_z|\|E_y|

ang(T^y)-ang(T^z)＝±nπ-[ang(E_y)-ang(E_z)]

其中n＝0，1，2，…，p为出射波线极化方向与z轴夹角θ的正切值，0≤p≤1，ang(T^y)和ang(T^z)表示T^y和T^z的相对相位，ang(E_y)和ang(E_z)表示E_y和E_z的相对相位；

2)对于将任意极化状态的入射波转换为椭圆极化出射波的情况，该情况下定义y轴和z轴使椭圆为极化椭圆为正椭圆，

|T^y|\|T^z|＝p|E_z|\|E_y|

$\mathrm{ang}\left(T^y\right)-\mathrm{ang}\left(T^z\right)=\&PlusMinus;\frac{\mathrm{n\&pi;}}{2}-[\mathrm{ang}\left(E_y\right)-\mathrm{ang}\left(E_z\right)]$

其中n＝1，2，…，p为出射波极化椭圆的y方向的轴长与z方向的轴长之比，ang(T^y)和ang(T^z)表示T^y和T^z的相对相位，ang(E_y)和ang(E_z)表示E_y和E_z的相对相位。

2.一种基于人工电磁材料的极化转换器，其特征在于：

由单元结构为电耦合电容电感谐振环的人工电磁材料构成，电耦合电容电感谐振环是具有电谐振性质的开口金属环状结构，附着在介质基板上，电耦合电容电感谐振环在x方向，y方向和z方向成周期排布，在x方向周期单元数为2，其构成的极化转换器使电磁波在线极化与圆极化之间转换。

3.一种基于人工电磁材料的极化转换器，其特征在于：

由单元结构为电耦合电容电感谐振环的人工电磁材料构成，电耦合电容电感谐振环是具有电谐振性质的开口金属环状结构，附着在介质基板上，电耦合电容电感谐振环在x方向，y方向和z方向成周期排布，在x方向周期单元数为4，其构成的极化转换器使线极化入射波转换为与之呈交叉极化的另一种线极化出射波。

Images