CN102629702B - 一种基于人工结构的多频圆极化器 - Google Patents
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Abstract
一种基于人工结构的多频圆极化器，包括一种n-1(n≥3，为整数)层矩形介质基板，以及在n-1层矩形介质基板上制作的横向上和纵向上的周期性圆弧形金属线结构，每个周期性圆弧形金属线结构包括t(t＝n)条圆弧形金属线，t条圆弧形金属线分别排布在n-1层矩形介质基板的第1、2、…、n面，从垂直于矩形介质基板所在平面的方向看，t条圆弧形金属线组成一个同心圆的t个等分部分，t条圆弧形金属线的宽度和对应的圆心角θ都相同，且每两条圆弧形金属线之间的间隙对应的圆心角也相同。当电场偏振方向平行与该圆极化器纵向边界的线极化波沿着垂直于矩形介质基板所在平面的方向入射时，该圆极化器可以在k(k＝t)个不同的频点出将入射的线极化波转化为具有不同旋向的圆极化透射波。
Description
技术领域
本发明涉及一种多频圆极化器，特别涉及一种基于人工结构的多频圆极化器。
背景技术
圆极化波具有旋向正交性，可以抑制雨雾干扰，抗多径效应等优点，因此在卫星通信，雷达等方面有广泛的应用。圆极化器是用来激发圆极化波的常用装置。传统的圆极化器有波导圆极化器、栅条圆极化器以及曲折线圆极化器等。波导圆极化器是在波导中利用极化分离器使入射线极化波分解为两个正交且等幅的线极化模式，然后分别调节这两个模式，使它们之间产生90°的相位差，从而实现线极化波到圆极化波的转换。波导圆极化器体积较大，且一般只作为天线系统的激励源。由于对电磁波的特殊调控作用，人工结构材料已经被广泛用于调控电磁波的极化特性。M.Mutlu等利用两层金属周期结构的人工结构材料来实现将入射的线极化波转化为圆极化辐射波(M.Mutlu，et al.Asymmetric chiral metamaterial circularpolarizer based on four U-shaped split ring resonators[J]，Optics Letters 32，1653-1655(2011).)，每层金属结构的单元包含四个依次旋转90°的U型开口谐振环。该人工结构材料分别在两个频点处将线极化波转化为具有不同旋向的圆极化波，但是该人工结构材料的结构相对复杂而且带宽比较窄。为了解决传统平面人工结构材料的带宽窄的问题，J.K.Gansel等利用周期性金属螺旋线结构设计了工作在远红外频段的宽带圆极化器(J.K.Gansel，et al.Gold HelixPhotonic Metamaterial as Broadband Circular Polarizer[J]，Science 325，1513-1515(2009).)。该圆极化器在一个较宽的频带内将入射的线极化波转化为右旋圆极化波，然而为了实现宽带极化转换，该圆极化器的剖面高度接近一倍波长；并且该圆极化器只能将入射的线极化波转换为一种旋向的圆极化波，这也限制了这种圆极化器的使用范围。
综上所述，现有的圆极化器具有结构复杂、工作频段少、体积较大等缺点。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有圆极化器结构复杂、工作频段少、体积较大等不足；提出一种基于人工结构的多频圆极化器，该圆极化器可以在k(k＝t)个频点处实现将入射的线极化波转化为不同旋向的圆极化波，且结构简单，易于制作。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：一种基于人工结构的多频圆极化器，包括一种n-1层矩形介质基板1，以及在n-1层矩形介质基板1上制作的横向上和纵向上的周期性圆弧形金属线结构2，周期性圆弧形金属线结构2的t(t＝n)条圆弧形金属线分别排布在n-1层矩形介质基板1的第1、2、…、n面，从垂直于矩形介质基板所在平面的方向看，t条圆弧形金属线组成一个同心圆的t个等分部分，t条圆弧形金属线的宽度和对应的圆心角都相同，且每两条圆弧形金属线之间的间隙对应的圆心角也相同。
矩形介质基板为商用介质基板，可以有效降低该圆极化器的成本，如Taconic TLX或者F4B等型号的介质基板，介质基板的介电常数为εr。
所述n-1层矩形介质基板1中每层矩形介质基板的厚度为h，周期性圆弧形金属线结构2的周期为p，p的取值范围是2*λm1/5～4*λm1/5，其中λm1为所述多频圆极化器工作的k(k＝t)个频点中的最小频率处对应的等效波长，λ01为最小工作频率处对应的真空中的波长，周期性圆弧形金属线结构2中每条圆弧形金属线的外径为R，R的取值范围为λm1/4～λm1/2，周期性圆弧形金属线结构2每条圆弧形金属线宽度w取值范围为0.1mm～λm1/4，该多频圆极化器单元尺寸为亚波长结构，在相应的工作频点处可以视为均匀的材料。
所述周期性圆弧形金属线结构2每条圆弧形金属线所对应的圆心角θ的取值范围为0°≤θ≤360°/t。
本发明具有的有益效果在于：
(1)本发明结构简单，周期性圆弧形金属线结构2为t(t＝n)条依次旋转固定角度的圆弧形金属线，且为平面结构，易于制作，利用PCB板加工工艺就可以制作，而这种加工工艺现在已经非常成熟。
(2)本发明在电场方向平行于圆极化器纵向边长的线极化波沿着垂直于矩形介质基板所在的平面入射的情况下，在谐振频率处，电场在每个周期的每条圆弧形金属线上都会产生感应电流，这种感应电流沿着圆弧形金属线分布，从而激发出沿着圆弧形金属线端点的电场，从而产生出k(k＝t)种电场耦合模式，进而在k(k＝t)个对应的工作频点处将线极化波转化为不同旋向的圆极化波，与现有的技术相比具有更多的工作频点，而且具有更多的透射波极化模式。
附图说明
图1为本发明基于人工结构的多频圆极化器(含制作在n-1层矩形介质基板1上的t条周期性圆弧形金属线结构2)俯视图；
图2为本发明基于人工结构的多频圆极化器(包含制作在n-1层矩形介质基板1上的t条周期性圆弧形金属线结构2)侧视图；
图3为本发明基于人工结构的多频圆极化器(包含制作在2层矩形介质基板上1的3条周期性圆弧形金属线结构2)俯视图；
图4为本发明基于人工结构的多频圆极化器周期性圆弧形金属线结构(在2层矩形介质基板1上的3条周期性圆弧形金属线结构2)俯视图，其中H表示磁场方向，E表示电场方向，K表示入射波波矢方向；
图5为本发明基于人工结构的多频圆极化器(包含制作在2层矩形介质基板1上的3条周期性圆弧形金属线结构2)将线极化入射波转换为圆极化波的转换系数曲线；
图6为本发明基于人工结构的多频圆极化器(包含制作在3层矩形介质基板1上的4条周期性圆弧形金属线结构2)俯视图；
图7为本发明基于人工结构的多频圆极化器周期性圆弧形金属线结构(包含制作在3层矩形介质基板1上的4条周期性圆弧形金属线结构2)俯视图；
图8为本发明基于人工结构的多频圆极化器(包含制作在3层矩形介质基板1上的4条周期性圆弧形金属线结构2)将线极化入射波转换为圆极化波的转换系数曲线。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细说明，但本发明的保护范围并不仅限于下面实施例，应包括权利要求书中的全部内容。而且本领域技术人员从以下的一个实施例即可实现权利要求中的全部内容。
图1中1代表矩形介质基板，2代表制作在矩形介质基板1上的周期性圆弧形金属线结构，p1、…、pm代表矩形介质基板1上的横向和纵向的第1、…、m个周期性圆弧形金属线结构，l1、…、lt代表周期性圆弧形金属线结构2中的第1、…、t条圆弧形金属线结构。
图2中d1、…、dn-1代表n-1层矩形介质基板中的第1、…、n-1层，m1、…、mt代表周期性圆弧形金属线结构2中的第1、…、t条圆弧形金属线结构。
如图3所示，本发明实施例1，多频圆极化器由2层矩形介质基板(即n＝3)和每个周期3条圆弧形金属线结构(即t＝3)组成，该发明实例中金属线结构采用覆铜线结构，具体实现过程如下：
(1)选择矩形介质基板1型号为F4B，相对介电常数εr为2.55，每一张矩形介质基板的高度h为1.524mm。
(2)确定圆极化器响应的线极化波的入射方向垂直于矩形介质基板所在的平面，极化电场方向平行于该圆极化器的纵向边界方向，如图4所示，图中E、H和K分别表示入射电磁波的电场、磁场和波矢方向。
(3)该多频圆极化器包括一种2层矩形介质基板，以及在2层矩形介质基板1上制作的横向上和纵向上的周期性圆弧形金属线结构2，每个周期的3条圆弧形金属线结构3分别排布在矩形介质基板1的上、中、下三个面，从垂直于矩形介质基板所在平面的方向看，这3条圆弧形金属线结构2组成一个同心圆的三个等分部分，3条圆弧形金属线的宽度和对应的圆心角都相同，且每两条圆弧形金属线之间的间隙对应的圆心角也相同；具体制作过程如下：首先利用传统光刻工艺，在一张介电常数2.55，厚度为1.524mm的双面覆铜的微波PCB板(型号F4B)正面金属层上旋涂光刻胶、烘干固化、曝光、显影、烘干坚膜、湿法腐蚀金属层等步骤，在微波PCB板上制作出周期个数为6×6的周期性圆弧形金属线结构，每个周期单元包含1条圆弧形金属线，单元结构参数如图4所示，形状为图4中的圆弧形金属线5所示的形状，将双面覆铜PCB板的另一面的铜皮剥掉，使该PCB板仅有一面有铜；在另外一张相同的双面覆铜PCB板上，通过旋涂光刻胶、烘干固化、曝光、显影、烘干坚膜、湿法腐蚀金属层等步骤，在微波PCB板的两面同时制作出周期个数为6×6的周期性圆弧形金属线结构，每个周期单元包含2条圆弧形金属线，结构参数如图4所示，形状为图4中的圆弧形金属线3和圆弧形金属线4所示的形状，最后将制成的两张具有周期性圆弧形金属线的PCB板用半固化片粘合。本实例采取的参数尺寸为：周期性圆弧形金属线结构2的周期p为11.5mm，圆弧形金属线的外径R为4.75mm，圆弧形金属线的宽度w为0.85mm，每条圆弧形金属线对应的圆心角θ为80°，相邻的两条圆弧形金属线之间间隙的圆心角Φ2为40°，圆弧形金属线5对应的圆弧形金属线的上边沿所在的半径与该圆极化器横向边界的夹角Φ1为22.5°，至此基于人工结构的圆极化器制作完成，其结构俯视图如图4所示。
利用本发明的基于人工结构的多频圆极化器，通过时域有限差分法(FDTD)仿真结果如图5所示，该图中的纵坐标表示入射的线极化波转换为圆极化波的转换系数，横坐标为频率，图中实线表示的是右旋圆极化波的转换系数曲线，而虚线表示的是左旋圆极化波的转换系数曲线，从图中可以看出在3个谐振点处入射的线极化波转换为圆极化波的转换系数有明显的差异，这3个谐振点的频率分别为13.33GHz、15.56GHz和16.75GHZ。且在13.33GHz处右旋圆极化波的转换系数明显大于左旋圆极化波的转换系数，在16.75GHz处情况相同，而在15.56GHz处左旋圆极化波的转换系数明显大于右旋圆极化波的转换系数，表明在线极化波正入射情况下，在13.33GHz处出射波转化为右旋圆极化波，在15.56GHz处出射波为左旋圆极化波，在16.75GHz处出射波为右旋圆极化波。通过这个种仅由每个周期包含3条圆弧形金属线的周期性结构就实现了将入射的线极化波转换为具有不同旋向的圆极化波。
如图6所示，本发明实施例2，多频圆极化器由3层矩形介质基板(即n＝4)和每个周期4条圆弧形金属线(即t＝4)，该发明实例中金属线结构采用覆铜线结构，具体实现过程如下：
(1)选择矩形介质基板1型号为F4B，相对介电常数εr为2.55，每一张矩形介质基板的高度h为1.524mm。
(2)确定圆极化器响应的线极化波的入射方向垂直于矩形介质基板所在的平面，极化电场方向平行于该圆极化器的纵向边界方向，如图7所示，图中E、H和K分别表示入射电磁波的电场、磁场和波矢方向。
(3)该多频圆极化器包括一种3层矩形介质基板，以及在3层矩形介质基板上制作的横向上和纵向上的周期性圆弧形金属线结构2，每个周期的4条圆弧形金属线分别排布在3层矩形介质基板的4个层面，从垂直于矩形介质基板所在平面的方向看，这4条圆弧形金属线组成一个同心圆的4个等分部分，4条圆弧形金属线的宽度和对应的圆心角都相同，且每两条圆弧形金属线之间的间隙对应的圆心角也相同；具体制作过程如下：首先利用传统光刻工艺，在一张介电常数2.55，厚度为1.524mm的双面覆铜的微波PCB板(型号F4B)正面金属层上旋涂光刻胶、烘干固化、曝光、显影、烘干坚膜、湿法腐蚀金属层等步骤，在微波PCB板上制作出周期个数为6×6的周期性圆弧形金属线结构，每个周期单元包含1条圆弧形金属线，结构参数如图7所示，形状为图7中的圆弧形金属线3所示的形状，将双面覆铜PCB板的另一面的铜皮剥掉，使该PCB板仅有一面有铜；在一张介电常数2.55，厚度为1.524mm的双面覆铜的微波PCB板(型号F4B)正面金属层上旋涂光刻胶、烘干固化、曝光、显影、烘干坚膜、湿法腐蚀金属层等步骤，在微波PCB板上制作出周期个数为6×6的周期性圆弧形金属线结构，每个周期单元包含1条圆弧形金属线，结构参数如图7所示，形状为图7中的圆弧形金属线4所示的形状，将双面覆铜PCB板的另一面的铜皮剥掉，使该PCB板仅有一面有铜；在第三张相同的双面覆铜PCB板上，通过旋涂光刻胶、烘干固化、曝光、显影、烘干坚膜、湿法腐蚀金属层等步骤，在微波PCB板的两面同时制作出周期个数为6×6的周期性圆弧形金属线结构，每个周期单元包含2条圆弧形金属线，结构参数如图7所示，形状为图7中的圆弧形金属线5和圆弧形金属线6所示的形状，最后将制成的三张具有周期性圆弧形金属线结构的PCB板用半固化片粘合。本实例采取的参数尺寸为：周期性圆弧形金属线结构的周期p为11.5mm，圆弧形金属线的外径R为4.75mm，圆弧形金属线的宽度w为0.85mm，每个圆弧形金属线对应的圆心角θ为60°，相邻的两个圆弧形金属线之间间隙的圆心角Φ2为30°，圆弧形金属线3对应的圆弧形金属线的上边沿所在的半径与该圆极化器横向边界的夹角Φ1为35°。至此基于人工结构的多频圆极化器制作完成，其结构俯视图如图7所示。
利用本发明的基于人工结构的多频圆极化器，通过时域有限差分法(FDTD)仿真结果如图8所示，图8中的纵坐标表示入射的线极化波转换为圆极化波的转换系数，横坐标为频率，图8中实线表示的是右旋圆极化波的转换系数曲线，而虚线表示的是左旋圆极化波的转换系数曲线，从图中可以看出在四个谐振点处入射的线极化波转换为圆极化波的转换系数有明显的差异，这四个谐振点的频率分别为15.59GHz、16.94GHz、18.37GHz和18.53GHz。且在15.59GHz处右旋圆极化波的转换系数明显大于左旋圆极化波的转换系数，在18.53GHz处情况相同，而在16.94GHz和18.37GHz处左旋圆极化波的转换系数明显大于右旋圆极化波的转换系数，表明在线极化波正入射情况下，在15.59GHz处出射波转化为右旋圆极化波，在16.94GHz和18.37GHz处出射波为左旋圆极化波，在18.53GHz处出射波为右旋圆极化波。这个由每个周期单元包含4条圆弧形金属线的周期性结构就实现了将入射的线极化波转换为具有不同旋向的圆极化波。
本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。
显然，对于本领域的普通技术人员来说，参照上文所述的实施例还可能做出其它的实施方式。上文中的实施例都只是示例性的、而不是局限性的。所有的在本发明的权利要求技术方案的本质之内的修改都属于其所要求保护的范围。
Claims (5)
1.一种基于人工结构的多频圆极化器，其特征在于：包括一种n-1层矩形介质基板（1），以及在n-1层矩形介质基板上制作的横向上和纵向上的周期性圆弧形金属线结构（2），n≥3,n为整数；每个周期性圆弧形金属线结构（2）包括t条圆弧形金属线，t=n，t条圆弧形金属线分别排布在n-1层矩形介质基板的第1、2、…、n面，从垂直于矩形介质基板所在平面的方向看，t条圆弧形金属线组成一个同心圆的t个等分部分，t条圆弧形金属线的宽度和对应的圆心角θ都相同，且每两条圆弧形金属线之间的间隙对应的圆心角也相同；当电场偏振方向平行与该圆极化器纵向边界的线极化波沿着垂直于矩形介质基板所在平面的方向入射时，该圆极化器可以在k个不同的频点处将入射的线极化波转化为具有不同旋向的圆极化透射波，k=t。
2.根据权利要求1所述的基于人工结构的多频圆极化器，其特征在于：所述n-1层矩形介质基板（1）为商用介质基板，n-1层矩形介质基板（1）的相对介电常数为εr。
3.根据权利要求2所述的基于人工结构的多频圆极化器，其特征在于：所述商用介质基板包括型号为Taconic TLX或者F4B的介质基板。
4.根据权利要求1所述的基于人工结构的多频圆极化器，其特征在于：所述n-1层矩形介质基板（1）中每层矩形介质基板的厚度为h，周期性圆弧形金属线结构（2）的周期为p，p的取值范围是2*λm1/5～4*λm1/5，其中λm1为所述多频圆极化器工作的k个频点中的最小频率处对应的等效波长，λ01为最小工作频率处对应的真空中的波长，周期性圆弧形金属线结构（2）中每条圆弧形金属线的外径为R，R的取值范围为λm1/4～λm1/2，周期性圆弧形金属线结构（2）每条圆弧形金属线宽度w取值范围为0.1mm～λm1/4，εr为相对介电常数。
5.根据权利要求1所述的基于人工结构的多频圆极化器，其特征在于：所述周期性圆弧形金属线结构（2）每条圆弧形金属线所对应的圆心角θ的取值范围为0°≤θ≤360°/t。
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| CN201838689U (zh) * | 2010-09-07 | 2011-05-18 | 四川九洲电器集团有限责任公司 | 一种三层折线栅圆极化器 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| Multi-band circular polarizer using planar spiral metamaterial structure;Xiaoliang Ma et al.;《OPTICS EXPRESS》;20120629;全文 * |
| Xiaoliang Ma et al..Multi-band circular polarizer using planar spiral metamaterial structure.《OPTICS EXPRESS》.2012,全文. |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN102629702A (zh) | 2012-08-08 |
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Legal Events
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